一种有机污染土壤原位交替电加热脱附系统的制作方法

本发明涉及土壤修复设备技术领域，具体是一种有机污染土壤原位交替电加热脱附系统。

背景技术：

城市化的发展和产业结构布局的调整，导致许多历史工业企业关停并转、破产或搬迁，这些企业留下的场地存在不同程度的土壤和地下水污染，主要污染物包括持久性有机污染物(pops)、半挥发性有机污染物(svocs)、挥发性有机污染物(vocs)、重金属、总石油烃、农药等毒性强、危害重的污染物。目前土壤修复手段主要分为异位修复和原位修复。作为一种土壤修复技术手段，原位热脱附是一种针对易挥发和半挥发性有机物污染场地的原位土壤修复技术。根据加热方式不同，原位热脱附修复技术可分为蒸汽强化提取技术、电阻加热技术和热传导技术。其中热传导技术又可以分为燃气热传导和电热传导两种热能输入形式。根据场地污染程度不同，其修复时间一般在6～12个月，修复深度可达20m以上，污染去除程度可达99％以上。原位热脱附技术适合含napls相的污染土壤、重污染土壤、污染源区域的土壤修复治理，特别适合大气污染控制严格、转运困难等较难开展异位修复的污染区域，对多环芳烃(pahs)、农药、石油、多氯联苯(pcbs)、多溴二苯醚(pbdes)、多氯联苯(pcbs)等有机污染土壤取得较好的修复效果。由于其利于污染控制、无需转运处置、工期短、去除率高，对于低渗透性土壤和污染深度较深的场地修复效果显著等特点，成为一种前景广阔的原位修复技术。

目前传统原位热脱附加热系统都是统一控制开启，同时开启时，由于土体导热性低，受热套效应影响，热量无法快速向外传导，造成局部温度过高，易导致加热棒过热损坏；统一关闭时，土体又全部冷却，需要重新升温，使得热效率较低。而为保障加热棒使用寿命，只能采用低功率的加热棒长期加热，其加热温度上限低，温差太小导致工期很长，严重影响经济性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种有机污染土壤原位交替电加热脱附系统，该系统能有效降低热套效应的影响，同时保障土体的持续热能供给，高功率加热棒可以轮流进行过热冷却保护，保障加热棒的使用寿命，提高热效率，缩短工期，节约能源，而且该系统产生的废气及废水通过活性炭吸附、吹脱塔吹脱以及采用芬顿氧化药剂彻底氧化，具有绿色清洁，无二次污染的优点。

本发明以如下技术方案解决上述技术问题：

本发明有机污染土壤原位交替电加热脱附系统，包括土壤加热单元、气体换热冷凝单元、尾气处理单元和废水处理单元，所述土壤加热单元安装在原位土壤修复区内，土壤加热单元设有多个小加热单元以及多个抽提井，每个抽提井中放置有气提管；每个小加热单元包括两组控制单元，每组控制单元均由多个加热井组成，每个加热井中安装有加热棒，每个小加热单元通过plc控制系统对两组控制单元的加热棒进行交替控制启闭；所述土壤加热单元的气提管输出端与气体换热冷凝单元相连接，气体换热冷凝单元的气体输出端与尾气处理单元相连接，气体换热冷凝单元的液体输出端与废水处理单元相连接。

所述每个小加热单元中的两组控制单元分别设置三个呈等边三角形排布的加热棒，且两组控制单元的加热棒交替排布形成等边六角形。

所述每个小加热单元中设置一个测温井、一个测压井和一个抽提井，所述抽提井置于小加热单元的中间位置；所述测压井中放置有压力传感器，所述测温井中放置有k型热电偶测温管，压力传感器和k型热电偶测温管均通过传感线连接至plc控制系统。

所述土壤加热单元的外侧设有闭合的膨润土防渗墙，润土防渗墙距原位土壤修复区边界2.5m，防渗墙穿透污染深度土壤中的透水层后伸入不透水层，以防止地下水渗入修复区域影响加热效果。

所述原位土壤修复区的上方有隔热保温层，隔热保温层主要由下层的硅酸铝毡和上层的耐火砖层构成。

所述气体换热冷凝单元包括管式换热器和气水分离器，土壤加热单元的气提管输出端连接管式换热器的壳程，管式换热器的壳程气体输出端连接气水分离器，管式换热器的壳程液体输出端以及气水分离器的液体输出端均连接污水储罐，气水分离器的气体输出端连接尾气处理单元。

所述废水处理单元包括依次相接的调节池、氧化池、吹脱塔和尾气处理单元，氧化药剂储罐连接氧化池，絮凝剂储罐以及空气鼓入装置连接吹脱塔，吹脱塔的气体输出端连接尾气处理单元。

所述尾气处理单元包括两组并联连接的活性炭储罐，每组活性炭储罐设置一个或两个活性炭储罐，两组活性炭储罐在汇合管路末端依次连接引风机、烟囱。

本发明有机污染土壤原位交替电加热脱附系统与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明通过plc控制系统对加热棒进行交替控制，通过温控设备精准调节、控制土壤加热的温度，延长加热棒的使用寿命，降低设备运行成本。

2.本发明采用六边形排布加热棒，并且分为2组等边三角形的控制单元交替加热，可有效避免由于热套效应所造成的温度集中、扩散困难，减少整体停开所带来的热损失，而且通过交替式高温差持续供能提高热效率、缩短工期。

3.本发明系统能够彻底去除尾气中的污染物，高效、绿色、清洁、无二次污染，对污染物的去除率可达99％以上，可运用在vocs、svocs等各种类型有机污染场地的修复当中。

附图说明

图1是本发明有机污染土壤原位交替电加热脱附系统的工艺流程框图。

图2是本发明有机污染土壤原位交替电加热脱附系统的结构示意图。

图3是本发明有机污染土壤原位交替电加热脱附系统的加热区平面示意图。

图4是本发明有机污染土壤原位交替电加热脱附系统的加热区中部剖面示意图。

图5是本发明有机污染土壤原位交替电加热脱附系统的加热区边界剖面示意图。

图6是本发明实施例1中两场地土壤加热区平面布置图。

图中：1、加热井；1-1、加热井a；1-2:加热井b；2、测温井；3、测压井；4、抽提井；5、耐火砖；6、硅酸铝毡；7、软水箱；8、板式换热器；9、循环水泵一；10、管式换热器；11、循环水泵二；12、气水分离器；13、污水储罐；14、冷却水塔；15、活性炭储罐一；16、烟囱一；17、引风机一；18、抽水泵一；19、调节池；20、抽水泵二；21、氧化药剂储罐；22、絮凝剂储罐；23、泵一；24、泵二；25、氧化池；26、絮凝剂暂储罐；27、吹脱塔；28、空气鼓入装置；29、泵三；30、活性炭储罐二；31、引风机二；32、烟囱二；33、等边六角形控制单元；34、防渗墙；35、土壤加热单元；36、废水处理单元；37、气体换热冷凝单元；38、尾气处理单元。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和应用实例对本发明技术方案作进一步非限制性的详细描述。下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，并非对本发明的限制。

如图1、图2所示，本发明有机污染土壤原位交替电加热脱附系统包括土壤加热单元35、气体换热冷凝单元37、尾气处理单元38和废水处理单元36，土壤加热单元35安装在原位土壤修复区内，土壤加热单元35包括多个接连排布的等边六角形控制单元33以及多个抽提井4，每个抽提井4中放置有气提管；每个等边六角形控制单元33由两组控制单元组成，每组控制单元设有多个加热井1，其中一组控制单元由三个呈等边三角形排布的加热井a1-1组成，另一组控制单元由三个呈等边三角形排布的加热井b1-2组成，加热井a1-1和加热井b1-2内均设置有加热棒，且两组控制单元的加热棒交替排布形成等边六角形，两组控制单元通过plc控制系统对两组控制单元的加热棒进行交替控制启闭；所述土壤加热单元35的气提管输出端与气体换热冷凝单元37相连接，气体换热冷凝单元37的气体输出端与尾气处理单元38相连接，气体换热冷凝单元37的液体输出端与废水处理单元36相连接。

如图3所示，每个等边六角形控制单元33中设置一个测温井2、一个测压井3和一个抽提井4，抽提井4位于等边六角形控制单元33的中间位置，抽提井4的抽提压力控制在0～4kpa；所述测压井2中放置有压力传感器，所述测温井2中放置有k型热电偶测温管，压力传感器和k型热电偶测温管均通过传感线连接至plc控制系统。

如图4和图5所示，土壤加热单元35的外侧设有闭合的膨润土防渗墙34，润土防渗墙34距原位土壤修复区边界2.5m，防渗墙34穿透污染深度土壤中的透水层后伸入不透水层，以防止地下水渗入修复区域影响加热效果。

所述原位土壤修复区的上方有隔热保温层，隔热保温层主要由下层的硅酸铝毡6和上层的耐火砖层5构成。隔热保温层的铺设步骤为：首先铺设15mm硅酸铝毡6，然后在硅酸铝毡6上铺设120mm轻质浇注料，最后在上层铺设70mm耐火砖5。

所述气体换热冷凝单元37包括管式换热器10、气水分离器12、板式换热器8，土壤加热单元35的气提管输出端连接管式换热器10的壳程，管式换热器10的壳程气体输出端连接气水分离器12，管式换热器10的壳程液体输出端以及气水分离器12的液体输出端均连接污水储罐13，气水分离器12的气体输出端连接尾气处理单元38；管式换热器10的管程连接循环冷却水管，循环冷却水管上依次连接板式换热器8、循环水泵一9、软水箱7，板式换热器8经管路连接冷却水塔14，该管路上安装有循环水泵二11。气体换热冷凝单元37采用循环水进行冷却，气体进入管式换热器10壳程，经热交换后，热的循环水由循环水泵一9泵入到板式换热器8中的热端进行冷却降温后进入冷却水塔14中进一步冷却，冷却后的循环水由循环水泵二11泵入板式换热器8中的冷端，随后经软水箱7进入到管式换热器10的管程中，换热系统在运行时可根据软水箱7中的液位计定期补充软水。管式换热器10以及气水分离器12分离产生的废水暂存在污水储罐13中。

所述尾气处理单元38设有两组并联连接的活性炭储罐一15，每组活性炭储罐一15设置两个串接的活性炭储罐，两组活性炭储罐一15在汇合管路末端依次连接引风机一17、烟囱一16。

所述废水处理单元36包括依次相接的调节池19、氧化池25、吹脱塔27以及活性炭储罐二30，调节池19的进水端经抽水泵一18连接污水储罐13，氧化药剂储罐21经泵一23连接氧化池25，絮凝剂储罐22经泵二24连接絮凝剂暂储罐26，絮凝剂暂储罐26连接吹脱塔27，吹脱塔27的底部安装有空气鼓入装置28，吹脱塔27的气体输出端连接两个并联连接的活性炭储罐二30，两个活性炭储罐二30在汇合管路末端依次连接引风机二31、烟囱二32。

如图1所示，本发明系统的工作过程是：土壤经过土壤加热单元35的电热棒加热后，产生的气体经气提管抽出；含有机污染物的废气经气体换热冷凝单元37冷却降温，高沸点的有机污染物被冷凝随后汇入污水储罐13中。未被冷凝的气体进入到气水分离器12进行水、气的分离，低沸点的有机污染物进入到活性炭储罐一15中，将残留的有机污染物通过活性炭吸附去除，净化后的尾气经烟囱一16达标排放到大气中，分离产生的残留有部分有机污染物的废水进入到污水储罐13中。污水储罐13中的废水经抽水泵一18泵入废水处理单元36的调节池19中，经调节酸碱度后进行废水处理，最终达标排放。

本发明所述活性炭储罐内填充有改性活性炭，所填充的改性活性炭可针对尾气中大分子有机污染物进行高效吸附。

本发明所述气体换热冷凝单元37的工作原理是：气体经冷凝换热产生的含有污染物的废水以及气水分离产生的残留有部分目标污染物的废水汇入污水储罐中，污水储罐中的废水到达一定标准后泵入调节池19调节酸碱度。

本发明所述废水处理单元36的工作原理是：冷凝及气水分离产生的废水由抽水泵一18泵入到调节池19中进行酸碱度的调节，随后由抽水泵二20泵入到氧化池25中投入化学氧化药剂进行化学氧化彻底去除一大部分有机污染物，经过氧化的废水进入吹脱塔27中进一步深度处理彻底将有机污染物去除，并经泵三29排放，产生的尾气由引风机二31抽出经活性炭储罐二30吸附随后经烟囱二32达标排放。

本发明所述吹脱塔27设有空气鼓入装置28，通过空气鼓入装置28将空气鼓入废水中使有机物从水中吹脱出来，并定期添加絮凝剂进行絮凝沉淀彻底去除污染物。

本发明所述烟囱一16和烟囱二32均为15m高的不锈钢圆筒结构。

本发明所述加热棒的深度及间距可根据污染物浓度、深度进行设计。

以下是本发明的应用实例：

选取2块污染情况基本一致的某有机污染场地各96平米进行修复，分别记做a场地和b场地。该场地的主要污染物类型包括3种svocs(α-六六六、β-六六六、和1种vocs(三氯甲烷)，污染深度为8米，污染情况见表1。

表1污染物基本情况

实例中场地土壤加热单元的加热井、抽提井及测温井、测压井布置如图6所示。

实例中a场地土壤加热单元采用传统低功率加热棒技术不进行交替控制布置，b场地土壤加热单元采用本发明系统对高功率加热棒进行交替控制。加热井呈等边六边形布置，两两相距2米，六边形单元均设抽提井、测温井、测压井各一个。分别在两个场地设置防渗层和隔热保温层。通过不同控制方式进行加热修复，具体操作步骤如下：

①a场地的加热棒功率为0.8kw/m，持续通电加热直到场地污染物修复完成为止；

②b场地的加热棒功率为1.5kw/m，按等边三角形控制单元成组控制，一组开启加热至600℃时通过温控关闭，该组进行过热冷却保护，并切换另外一组加热，交替开启直至场地污染物修复完成为止。

③整个修复过程两个场地抽提等其他条件均保持一致。

待温度升到并通过系统在线监测系统观测抽提尾气无污染物时停止加热，保温5天，温度下降到50℃后，进行采样检测土壤中污染物的去除情况，具体情况见表2。其中a场地修复总时长为135天，b场地修复总时长为120天。修复结果表明，两个场地经过修复后土壤温度均能达到目标温度，污染物浓度均明显降低，均能达到修复目标值，去除效率均能达到99％以上。a场地为避免加热棒过热出现短路、烧断等故障，采用了低功率加热棒，但在持续加热过程中仍无法解决热套效应所带来的局部过热，期间因损坏更换过3根电加热棒，而b场地的加热棒并未出现故障。a场地修复工期比b场地修复工期晚15天(其中系统断电停机更换加热棒耽误1.5天，更换后重新开机加热补足损失温度耽误4.5天)。经成本核算后(具体的济指标比较见表3)，b场地修复方式总投资(总投资为90.87万元)比a场地(总投资115.56万元)少24.69万元(22.1％)，大大的降低了能源及设备运行维护的成本。在运行期间定期对系统排放的尾气进行采样检测，结果均能达标排放。在运行期间也对项目周边进行环境质量监测，并未发现该项目对周边环境造成污染。说明本发明具有降低能耗，节约成本，缩短工期，绿色清洁无二次污染等优点。

表2修复结果

表3两种不同控制方式经济指标比较一览表