一种电阻加热耦合氧化剂修复有机污染土壤的装置及方法

本发明涉及污染土壤修复装置领域，特别涉及一种电阻加热耦合氧化剂修复有机污染土壤的装置及方法。

背景技术：

电阻加热技术是通过在土壤中插入电极从而形成闭合回路然后对土壤进行放电，利用土壤的导电性可以将电能转化为热能，随着温度的升高，挥发性、半挥发性污染物发生脱附、挥发、共沸等反应从土壤逸散，并由抽提系统收集，电阻加热虽具有加热相对均匀、地质环境适应性强等优点，但所需加热时间较长，需要大功率电源长期输入，导致运行成本居高不下；化学氧化法是利用化学物质自身的氧化、还原等特性与土壤中的污染物发生氧化还原反应，从而去除土壤中的污染物，该方法具有成本低、见效快的特点，可以将一些难挥发、难溶于水的污染物进行降解，增加了土壤生物可利用性，但是使用化学氧化法来修复被污染的土壤时，容易造成化学试剂的残留，改变土壤本身的理化性质，很有可能造成土壤的二次污染，且原位氧化技术中氧化剂传输机理和土壤污染物接触提升机理不明，无法实现有效输送氧化剂，显著限制其修复效果。

单一修复技术均存在一定的应用局限，多技术协同发挥各自优势，提高效率、降低成本、实现可持续修复已成为业界的共识。电阻加热产生的热场、电场可活化氧化剂和增加土壤污染物的可及性；电动输送可传输氧化剂至目标污染区域，且与erh所用的设备相似性较高、兼容性强。其中，电动输送是指在污染土壤、地下水、污泥施加直流电场时，土壤中的离子或有机胶体会发生电迁移、电渗析、电泳作用，定向移动，从而被精准送达目标区域，理论上将电阻加热与电动输送氧化剂结合将会有效提升各自的性能，显著增加耦合修复效率、节约成本。

电阻加热属于加热温度120℃以内的低温加热，所需的修复时间较长，大部分污染地块的修复时间在半年及以上，致使能耗居高不下，原位化学氧化具有高效去除有机污染物的优点，可协同突破电阻加热温度偏低、用时过长的限制，协同后的修复温度保持在60℃-80℃，不需要很高的修复温度，却大大地提升了修复效果，因此，土壤电阻加热是有机污染土壤修复的有效技术，化学氧化技术的引入可显著提升电阻加热的修复效率及效果，电阻加热活化和增强脱附、电动输送精准传输、氧化剂高效降解污染物的多技术协同是治理有机污染地块的必然选择。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种高效节能的电阻加热耦合电动输送氧化剂修复有机污染土壤的方法及装置，充分发挥电阻加热耦合电动输送氧化剂技术修复有机污染土壤的优势，电阻加热可以活化氧化剂、提高污染物的蒸气压及溶解度促进其挥发和溶解，氧化剂可提升电阻加热修复效率，氧化剂电动输送可将氧化剂精准输送至目标污染区域，通过三相电极输入能量进行加热污染区域的土壤，并用抽提系统收集逸散出来的有机污染物，经过气水分离后，气体通过多级活性炭吸附后达标排放，液体通过液体处置装置处理达标后进行排放或进入循环系统，三相分离器分离出的重质非水相液体(dnapl)收集后进行危废处置。此方案实现原位土壤热修复的能耗低、修复成本低、修复周期短、效率高、施工相对简单。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种电阻加热耦合氧化剂修复有机污染土壤的装置，所述修复有机污染土壤的装置包括电力系统、电极井、初级气水分离器、第一冷凝器、第二冷凝器、次级气水分离器、风机、初级炭纤维吸附装置、次级炭纤维吸附装置、活性炭、第一冷却水塔、第二冷却水塔、三相分离器、液体处置装置、危废物处置装置和水循环系统。

所述电力系统与电极井相连，所述电极井通过在土壤中施加直流电场，在电渗流、电动迁移力作用下，将氧化剂输送至目标污染区域，并由电力系统提供电能，通过电阻效应加热污染土壤使其脱附、挥发的污染物从土壤中逸散；所述电极井分别与初级气水分离器和三相分离器相连，加热后的气态污染物进入初级气水分离器，其中抽提过程中凝结为液态的污染物直接进入三相分离器；

所述初级气水分离器与第一冷凝器和液体处置装置相连，加热后的污染物通过初级气水分离器后分为液态污染物和气态污染物，其中气态污染物进入第一冷凝器，液态污染物进入液体处置装置；

所述第一冷凝器与次级气水分离器和第二冷却水塔相连，所述第二冷却水塔中的冷却水进入第一冷凝器对气态污染物进行冷却处理，第一冷凝器中未冷却完全的气态污染物进入次级气水分离器；

所述次级气水分离器与风机和液体处置装置相连，气态污染物通过次级气水分离器后分为液态污染物和气态污染物，其中气态污染物进入风机，液态污染物进入液体处置装置；所述风机与初级炭纤维吸附装置相连，由次级气水分离器出来的气态污染物被风机鼓入初级炭纤维吸附装置；

所述初级炭纤维吸附装置与次级炭纤维吸附装置和第二冷凝器相连，初级炭纤维吸附装置吸附了气态污染物的一部分，未吸附的气态污染物进入次级炭纤维吸附装置，吸附过程中凝结为液态的污染物进入第二冷凝器；

所述次级炭纤维吸附装置与活性炭和第二冷凝器相连，次级炭纤维吸附装置吸附气态污染物的一部分，未吸附的气态污染物进入活性炭，活性炭完成最后的吸附工作，气体达标后进行排放，吸附过程中凝结为液态的污染物进入第二冷凝器；

所述第二冷凝器与第一冷却水塔和三相分离器相连，第一冷却水塔的冷却水进入第二冷凝器，对第二冷凝器中的液态污染物进行冷却处理，经过冷却的液态污染物进入三相分离器；所述三相分离器与液体处置装置和危废物处置装置相连，三相分离器对液态污染物进行分离，其中气态污染物通过风机鼓入初级炭纤维吸附装置，液态污染物进入液体处置装置，所述液体处置装置处理液体污染物使其达标后进行排放或进入水循环系统，分离出的重质非水相液体(dnapl)进入危废物处置装置，收集后进行危废处置。

进一步地，所述修复有机污染土壤的装置还包括温度监测器、压力监测器和自动化控制系统，所述温度监测器和压力监测器对装置的温度和压力进行实时监测，并将监测的数据会反馈给自动化控制系统，自动化控制系统实现对电力系统的自动调控。

进一步地，所述修复有机污染土壤的装置还包括软水器和锅炉，所述软水器与初级炭纤维吸附装置、次级炭纤维吸附装置和锅炉相连，对由水循环系统进来的水源进行软化处理后，提供给这些装置；所述锅炉与初级炭纤维吸附装置和次级炭纤维吸附装置相连，对其进行蒸汽活化处理，提高它们的吸附性能。

进一步地，所述水循环系统与电极井、第一冷却水塔、第二冷却水塔和软水器相连，给这些装置提供水源，水循环系统设置流量计、自动控制电磁阀，并对场地运行状况的监控，当电极井需要补水时，通过远程控制实现对电极井的自动定量补水，最终使修复区块土壤的水分保持在20％-40％，实现高效节能。

进一步地，所述电极井包括钻孔、填料、电极板、补水管和控制面板，其中，钻孔由液相钻机钻取，直径为400-450mm；填料具有较好的导电性和耐热性，且渗透系数高；电极板长度约为1.5-2m，根据电极井深度可增加其数量，电极井深度深于2m的区域可增加1-2个电极板；补水管根据电极井的深度设计，能够补充电极井中的水分，防止干井发生；控制面板安装在距离地面1-1.5m的位置，用于显示电极井中信息以及实现远程控制。

进一步地，所述自动化控制系统实现对装置的自动化控制，自动化控制系统开启后初始化，启动电力系统进行加热，并检测电流是否通畅，若出现无电流现象，应补充污染土壤区域的水分，电流通畅后土壤升温，当土壤达到目标温度和压力值，则修复有机污染土壤的装置自动开启，人工采取抽提物样品并分析目标污染物，将数值输入自动化控制系统后判断是否达到目标浓度，若未达到则继续加热，若达到则终止加热，监测数据由自动化控制系统自动生成数据监测报告。

进一步地，所述初级气水分离器作用是把从电极井中修复场地抽提收集的污染土壤中水分除去；所述次级气水分离器的作用是将通过第一冷凝器后的不凝气体与冷凝水分离；所述风机为整套装置提供真空来完成气体污染物的抽提过程，每套装置连接一台真空风机，每台真空风机的最大真空度为-40kpa。

本发明提供饿了一种电阻加热耦合氧化剂修复有机污染土壤的方法，该方法的具体步骤为：

(1)电极井通过在土壤中施加直流电场，将氧化剂由补水管注入土壤，在电渗流、电动迁移力作用下，将氧化剂输送至目标污染区域，此时氧化剂与污染物发生初步的氧化分解反应；

(2)电极井切换交流电源，通过电力系统对电阻供电，电阻效应产生热量加热污染区域土壤，随着温度的升高，挥发性、半挥发性的污染物在土壤中迁移转化，发生脱附、挥发等反应从土壤中逸散，进入初级气水分离器；其中抽提过程中凝结为液态的污染物直接进入三相分离器；

(3)经过初级气水分离器和次级气水分离器分离后，气体污染物通过初级炭纤维吸附装置、次级炭纤维吸附装置和活性炭吸附后达标排放，液体污染物进入三相分离器；

(4)三相分离器对液态污染物进行分离，其中气态污染物通过风机鼓入初级炭纤维吸附装置，液态污染物进入液体处置装置，所述液体处置装置处理液体污染物使其达标后进行排放或进入水循环系统，分离出的重质非水相液体(dnapl)进入危废物处置装置，收集后进行危废处置。

本发明的有益效果为：

1、通过直流交流电源切换，实现电动输送和电阻加热技术的耦合，电动输送可以将氧化剂精确地输送至目标污染区域，且与电阻加热设备工艺兼容性强，电阻加热可以提升氧化剂的氧化效率并增强与污染物的接触能力，缩短修复周期，降低修复成本。

2、通过设置自动补水装置，对电极井实现自动补水，防止干井发生，并将土壤的水分保持在20％-40％，使土壤具有良好的电导率，实现高效节能。

3、通过电阻加热耦合电动输送氧化剂的修复技术，可协同突破电阻加热温度偏低、用时过长的限制，协同后的修复温度保持在60℃-80℃，不需要很高的修复温度，却大大地提升了修复效果，降低了系统能耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的电阻加热耦合电动输送氧化剂修复有机污染土壤装置的气态污染物流动示意图；

图2为本发明的电阻加热耦合电动输送氧化剂修复有机污染土壤装置的液态污染物流动示意图。

附图标记：1.电力系统、2.电极井、3.初级气水分离器、4.第一冷凝器、5.次级气水分离器、6.风机、7.初级炭纤维吸附装置、8.次级炭纤维吸附装置、9.活性炭、10.第二冷凝器、11.第一冷却水塔、12.三相分离器、13.液体处置装置、14.危废物处置装置、15.第二冷却水塔、16.软水器、17.锅炉、18.水循环系统、19.温度监测器、20.压力监测器、21.自动化控制系统。

具体实施方式

本发明提供了一种高效节能的电阻加热耦合电动输送氧化剂修复有机污染土壤的装置。为明确本发明实施目的、实施技术方案和实施优点，下面结合附图与实施方式对本发明作进一步详细的说明，应当指出，对于本领域的普通方法人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也视为属于本发明的保护范围。

如图1和图2所示，本发明提供一种电阻加热耦合氧化剂修复有机污染土壤的装置，所述修复有机污染土壤的装置包括电力系统1、电极井2、初级气水分离器3、第一冷凝器4、次级气水分离器5、风机6、初级炭纤维吸附装置7、次级炭纤维吸附装置8、活性炭9、第二冷凝器10、第一冷却水塔11、三相分离器12、液体处置装置13、危废物处置装置14、第二冷却水塔15、软水器16、锅炉17、水循环系统18、温度监测器19、压力监测器20、自动化控制系统21。

所述电力系统1与电极井2相连，提供电能，电能转化为热能，使半挥发性、挥发性污染物从污染土壤区域中逸出；所述电极井2与初级气水分离器3和三相分离器12相连，电极井2呈等边三角形排布，三角形的边长一般为3m，布置深度需要比修复区域的深度向下延伸0.5-1m，包括钻孔、填料、电极板、补水管、控制面板，其中，钻孔由液相钻机钻取，直径为400-450mm；填料具有较好的导电性和耐热性，且渗透系数高；电极板长度约为1.5-2m，根据电极井深度可增加其数量，电极深度深于2m的区域可增加1-2个电极板，补水管根据电极井的深度设计，能够补充电极井中的水分，防止干井发生；控制面板安装在距离地面1-1.5m的位置，用于显示电极井2中信息以及实现远程控制。含水量较高的污染物即抽提过程中凝结为液态的污染物直接进入三相分离器12，气态抽提物进入初级气水分离器3；所述初级气水分离器3与第一冷凝器4和液体处置装置13相连，经过初级气水分离器3后，冷凝水和抽提水被分离至初级气水分离器3的下部收集排出，气相从上部出口进入第一冷凝器4进一步对混合蒸汽进行冷凝和降温，初级气水分离器3作用是把从修复场地抽提收集过来的介质含有的蒸汽冷凝水和从场地抽提的水除去；所述第一冷凝器4与次级气水分离器5和第二冷却水塔15相连，经过冷凝和降温后的气态污染物进入次级气水分离器5；所述次级气水分离器5与风机6和液体处置装置13相连，气态污染物通过次级气水分离器5后分为液态污染物和气态污染物，冷凝后的液态污染物从次级气水分离器5的下端经泵排出，液态污染物进入液体处置装置13，气态污染物从次级气水分离器5上部出口经管道与真空风机相连，次级气水分离器5设置液位开关控制泵的自动启停，实现自动排液，保障气水分离器的连续工作，同时配备高位报警开关，避免出现意外损坏真空风机，配备低位开关保护泵的正常运行排出的冷凝水进入液体处置装置13处理后达标排放；所述风机6与初级炭纤维吸附装置7相连，由次级气水分离器5出来的气态污染物被风机6鼓入初级炭纤维吸附装置7真空风机的最大真空度为-40kpa，真空风机采用整体式罗茨真空风机，一般采用撬装结构，并配备进出口消音器、止回阀；所述初级炭纤维吸附装置7与次级炭纤维吸附装置8和第二冷凝器10相连，初级炭纤维吸附装置7吸附了气态污染物的一部分，未吸附的气态污染物进入次级炭纤维吸附装置8，吸附过程中凝结为液态的污染物进入第二冷凝器10；所述次级炭纤维吸附装置8与活性炭9和冷凝器10相连，尾气经过活性炭纤维后，污染物大部分被吸附，剩余少量污染物经二级保险活性炭吸附后达标排放，未被吸附的液态污染物进入第二冷凝器10；所述第二冷凝器10与第一冷却水塔11和三相分离器12相连，第一冷却水塔11的冷却水进入第二冷凝器10，对第二冷凝器10中的液态污染物进行冷却处理，经过冷却后的液态污染物进入三相分离器12；所述三相分离器12与风机6、液体处置装置13和危废物处置装置14相连，三相分离器12对液态污染物进行分离，其中气态污染物进入风机6，液态污染物进入液体处置装置13，当液体达标后进行排放或进入水循环系统18，分离出的重质非水相液体(dnapl)进入危废物处置装置14，收集后进行危废处置。

所述电力系统1与温度监测器19、压力监测器20和自动化控制系统21相连，温度监测器19和压力监测器20对装置的温度和压力进行实时监测，并将数据反馈给自动化控制系统21，自动化控制系统21实现对电力系统1的自动调控，首先进行初始化设置，由电力系统1中的电流表检测电流是否通畅，若出现无电流现象，应补充局部区域内的水分，电流通畅后通过电阻效应使土壤升温，当土壤温度和压力达到目标值，整套装置自动开启，人工采集抽提物样品并分析目标污染物，将数值输入自动化控制系统21后判断是否达到目标浓度，若未达到则继续加热，若达到则终止加热，监测数据由自动化控制系统21自动生成数据监测报告；所述水循环系统18与电极井2、第一冷却水塔11、冷第二却水塔15和软水器16相连，为这些装置提供水源，水循环系统18设置流量计、自动控制电磁阀，根据对场地运行状况的监控，发现电极井2需要补水时(控制系统自动反馈)，通过远程控制实现对电极井2的自动定量补水，最终使修复区块土壤的水分保持在20％-40％，实现高效节能；所述软水器16与初级炭纤维吸附装置7、次级炭纤维吸附装置8和锅炉17相连，对由水循环系统18进来的水源进行软化处理后，提供给这些装置；所述锅炉17与初级炭纤维吸附装置7和次级炭纤维吸附装置8相连，对其进行蒸汽活化处理，提高它们的吸附性能。

本发明还提供了一种高效节能的电阻加热耦合电动输送氧化剂修复有机污染土壤的方法：

所述电极井2能实现直流交流电源的切换，通过在土壤中施加直流电场，将氧化剂由补水管注入土壤，在电渗流、电动迁移力作用下，将氧化剂输送至目标污染区域，此时氧化剂与污染物发生初步的氧化分解反应；电动输送完毕后，切换电源，通过电阻效应产生热量，在电热活化氧化剂与热脱附综合作用下，挥发性或半挥发性污染物在土壤中迁移转化，并挥发或发生共沸，再通过整套装置收集和处理废水、废气，从而达到修复有机污染土壤的效果。

污染区域土壤通过电力系统1输入能量进行加热，随着温度的升高，挥发性、半挥发性的污染物发生脱附、挥发等反应从土壤中逸散，并由装置收集，经过初级气水分离器3和次级气水分离器5分离后，气体通过初级炭纤维吸附装置7、次级炭纤维吸附装置8和活性炭9吸附后达标排放，液体通过液体处置装置13的氧化、吸附、絮凝、沉淀等步骤处置后达标排放，三相分离器12分离出的重质非水相液体(dnapl)由危废物处置装置14收集后进行危废处置。

本发明研究一种高效节能的电阻加热耦合电动输送氧化剂修复有机污染土壤的装置及方法，电阻加热是利用土壤低透水率与电热化学性质，将电极插入土壤，对土壤进行加热的一种热处置方式，该技术对地下异质结具有很强的适应性，在低渗透的淤泥和黏土中表现优良，在高渗透的沙子和砾石也有较好的处置效果，化学氧化法是利用化学物质自身的氧化、还原等特性与土壤中的污染物发生氧化还原反应，从而去除土壤中的污染物，可以将一些难挥发、难溶于水的污染物进行降解，增加了土壤生物可利用性，由于单一修复技术均存在一定的应用局限，多技术协同发挥各自的优势，提高效率、降低成本实现可持续修复已成为业界的共识，电阻加热产生的热场、电场可活化氧化剂和增加土壤污染物的可及性，电动输送可传输氧化剂至目标污染区域，且与erh所用设备相似性高、兼容性强，耦合后的修复温度保持在60℃-80℃，不需要很高的修复温度，却大大地提升了修复效果、降低了修复成本，实现高效节能。

上述仅为本发明专利的实施方式而已，并不用于限制本发明专利。对于本领域技术人员来说，本发明专利可以有各种更改和变化。凡在本发明专利精神和原理内所做的任何修改、等同更替和改进等，均应包括在本发明专利的权利要求范围之内。