用于原位热脱附-电催化氧化的电极井结构和修复系统的制作方法

1.本发明涉及原位修复技术领域，具体涉及一种用于原位热脱附-电催化氧化的电极井结构和修复系统，适用于有机污染土壤和地下水的修复。


背景技术：

2.原位热脱附技术对于vocs和svocs污染的土壤和地下水修复具有很好的适用性。其中的原位电阻加热技术，采用交流供电体系，以电极井作为相电极，利用土壤和地下水的电热效应，实现加热。电催化氧化技术作为一种高级氧化技术，被广泛应用于污水处理领域，其需要以直流电作为电源。
3.原位热脱附技术作为一种土壤和地下水处理技术，效率高，处理程度彻底，但在碳减排背景下，其相对较高的能耗也影响技术选择的因素之一；而电催化氧化技术此前尚未用于土壤和地下水领域，设计和建设成本面临诸多挑战。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种用于原位热脱附-电催化氧化的电极井结构和修复系统。
5.本发明公开了一种用于原位热脱附-电催化氧化的电极井结构，包括：电极井；
6.所述电极井内布设有可实现原位热脱附和电催化氧化的特种电极，所述特种电极通过电路切换单元分别连接scr交流调压单元和双向直流脉冲单元；其中，所述电极井作为原位热脱附模式工作时，所述电路切换单元切换至scr交流调压单元；所述电极井作为电催化氧化模式工作时，所述电路切换单元切换至双向直流脉冲单元；
7.所述特种电极包括铝合金排，所述铝合金排沿高度方向间隔预设距离安装有对夹石墨电极板，所述石墨电极板通过对夹螺栓与所述铝合金排可拆卸式固定，所述铝合金排的非加热区表面包覆有绝缘护套。
8.作为本发明的进一步改进，所述石墨电极板要求导电率不低于25a/cm2，表面涂覆抗氧化保护层。
9.作为本发明的进一步改进，所述电极井包括：井体；
10.所述特种电极置于所述井体内且所述石墨电极板布设在污染区域所处的平面内，所述井体内相对应污染区域所处的平面填充有石英砂及导电液、相对应无污染区域所处的平面填充有膨润土。
11.作为本发明的进一步改进，所述特种电极作为加热电极或高级氧化电极时，会有碳粉释放，释放的碳粉会分散于周边加热土壤中。
12.作为本发明的进一步改进，所述电极井可作原位热脱附加热井、原位电催化氧化电极，或在不同阶段分别作为原位热脱附加热井和原位电催化氧化电极联合使用。
13.作为本发明的进一步改进，在原位热脱附模式下，所述scr交流调压单元通过调变各电极井间的相间电压，实现对加热过程的控制；在电催化氧化模式下，所述双向直流脉冲
单元实现电极间的正负极转换。
14.本发明还公开了一种有机污染土壤和地下水的原位修复系统，包括：抽提井、气相抽提组件、液相抽提组件和上述电极井结构；
15.所述电极井和抽提井布设在有机污染土壤和地下水预设区域内；
16.所述抽提井分别连接气相抽提组件和液相抽提组件，所述气相抽提组件包括依次连接的真空泵、雾化喷淋单元、汽水分离器和尾气处理单元，所述液相抽提组件包括依次连接的抽提泵、质量流量计、冷凝器、三相分离器和污水处理单元；其中，所述汽水分离器的出液口连接所述冷凝器的进液口，所述三相分离器的出气口连接所述尾气处理单元的进气口，所述三相分离器的出油口和所述尾气处理单元的出油口均连接至储罐。
17.作为本发明的进一步改进，还包括：智能控制单元；
18.所述智能控制单元分别与所述电极井、电路切换单元、scr交流调压单元、双向直流脉冲单元、真空泵、雾化喷淋单元、汽水分离器、尾气处理单元、抽提泵、质量流量计、冷凝器、三相分离器、污水处理单元和储罐中的一个或多个相连，用于实现原位热脱附和电催化氧化的智能控制。
19.作为本发明的进一步改进，所述智能控制单元，具体用于：
20.基于修复过程采样监测数据，智能控制所述电路切换单元实现所述scr交流调压单元与双向直流脉冲单元之间的切换；
21.基于所述电极井的井下参数，智能控制所述scr交流调压单元与双向直流脉冲单元的工作参数；
22.基于所述质量流量计的检测参数，智能控制所述气相抽提组件和液相抽提组件的工作参数。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
24.本发明通过对特种电极和电极井的改进设计，使其满足电阻加热和电催化氧化两种使用工况下的使用要求，给技术工艺的选择和优化提供了更大的空间。
附图说明
25.图1为本发明一种实施例公开的有机污染土壤和地下水的原位修复系统的结构示意图；
26.图2为本发明一种实施例公开的电极的结构示意图；其中，a为正视图；b为侧视图；
27.图3为本发明一种实施例公开的电极井的结构示意图；
28.图4为本发明一种实施例公开的三相分离器的结构示意图；
29.图5为本发明一种实施例公开的原位热脱附-电催化氧化的电极井智能控制系统的结构示意图。
30.图中：
31.1、电极井；2、抽提井；3、电路切换单元；4、scr交流调压单元；5、双向直流脉冲单元；6、智能控制单元；7、真空泵；8、雾化喷淋单元；9、汽水分离器；10、尾气处理单元；11、抽提泵；12、质量流量计；13、冷凝器；14、三相分离器；15、污水处理单元；16、储罐；17、电源装置；
32.1-1、特种电极；1-1-1、铝合金排；1-1-2、石墨电极板；1-1-3、对夹螺栓；1-1-4、铝
排连接孔；1-1-5、绝缘护套；1-2、无污染区域；1-3、污染区域；1-4、井体；1-5、膨润土；1-6、石英砂及导电液；1-7、注入管；
33.14-1、挡沙板；14-2、排沙阀；14-3、水调节阀；14-4、重组分调节阀；14-5、挡油板；14-6、调压阀；14-7、除雾器；14-8、浮筒液位计；14-9、温度传感器；14-10、水槽；14-11、沉砂池；14-12、壳体。
具体实施方式
34.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
36.如图1-3、5所示，本发明提供一种用于原位热脱附-电催化氧化的电极井结构，包括：电极井1、特种电极1-1、电路切换单元3、scr交流调压单元4和双向直流脉冲单元5；其中，
37.本发明的电极井1内布设有可实现原位热脱附和电催化氧化的特种电极1-1，特种电极通过电路切换单元3分别连接scr交流调压单元4和双向直流脉冲单元5，scr交流调压单元4和双向直流脉冲单元5分别与电源装置17(市网供电)相连；其中，电极井1作为原位热脱附模式工作时，电路切换单元3切换至scr交流调压单元4，scr交流调压单元4开始工作，给电极井1供交流电，作为导体的土壤和地下水基于电流热效实现加热；电极井1作为电催化氧化模式工作时，电路切换单元3切换至双向直流脉冲单元5，双向直流脉冲单元5对电极井1施加正反向直流脉冲电压，对于修复区域施加高密度、全覆盖电场进行电催化氧化；基于此，可实现有机污染土壤和地下水的原位热脱附、电催化氧化、原位热脱附-电催化氧化联合修复。
38.如图2所示，本发明的电极采用可作为加热scr交流调压和电催化氧化双向直流脉冲合二为一的特种电极1-1，特种电极1-1包括：铝合金排1-1-1、石墨电极板1-1-2、对夹螺栓1-1-3和绝缘护套1-1-5；其中，铝合金排1-1-1沿高度方向间隔预设距离安装有对夹石墨电极板1-1-2，铝合金排1-1-1上对应的位置设有铝排连接孔1-1-4，石墨电极板1-1-2通过对夹螺栓穿过对应的铝排连接孔1-1-4实现与铝合金排1-1-1可拆卸式固定，铝合金排1-1-1的非加热区表面包覆有绝缘护套1-1-5。
39.进一步，铝合金排1-1-1具有密度低、强度高的特点，具有优良的导电性2.2
×
10-8
ωm，导热性和抗腐蚀性，抗拉延展性；相比于常用的铜柱电极，铝合金排1-1-1具有更低的密度，使其质量更轻、纵向受力更小，能有效应对因土壤加热造成应力变形。高功率石墨电极板1-1-2定制要求导电率不低于25a/cm2，表面涂覆抗氧化保护层，具有重量轻、耐腐蚀、耐高温等特性。
40.进一步，根据污染物种类，浓度，计算单位体积土壤加热功率，设计单位铝合金排长度所用的石墨电极板1-1-2面积，从而调整铝合金排1-1-1上石墨电极板1-1-2的间隙大小，间隙处用高温绝缘护套1-1-5保护；同时，根据井的深度多段铝合金排可通过螺栓连接，对于不需要加热的地层只保留铝排做骨架外包高温绝缘护套1-1-5。更进一步，特种电极用
于土壤内安装，交流电压ac为30-600v，直流脉冲电压dc为0-100v；优选铝合金排的宽度为100cm、厚度为6cm，石墨电极板的宽度为200cm、厚度为10cm。
41.在上述方案的基础上，如图3所示，本发明的电极井包括井体1-4，特种电极1-1置于井体1-4内且石墨电极板1-1-2布设在污染区域1-3所处的平面内；同时，井体1-4内相对应不同深度的污染区域1-3所处的平面填充有石英砂及导电液1-6，井体1-4内相对应不同深度的无污染区域1-2所处的平面填充有膨润土1-5。
42.进一步，特种电极1-1作为加热电极和高级氧化电极时，会有碳粉释放，这些碳粉会逐步分散在周边加热土壤中，增加导电性，增强加热和氧化效果；同时，若导电性不能满足要求，可通过注入管1-7向污染土壤和地下水中补入含碳粉导电液。同时，本发明还可根据抽提井的抽出水量通过注入管1-7补水到特种电极井，维持地下水位。
43.如图1所示，本发明提供一种有机污染土壤和地下水的原位修复系统，除上述根据场地地质特征和污染状况设计建设的电极井结构之外，还包括：根据场地地质特征和污染状况设计建设的抽提井2和监测井(图中未示出)；其中，
44.本发明的多相抽提井2分别连接气相抽提组件和液相抽提组件，气相抽提组件包括依次连接的真空泵7、雾化喷淋单元8、汽水分离器9和尾气处理单元10，液相抽提组件包括依次连接的抽提泵11、质量流量计12、冷凝器13、三相分离器14和污水处理单元15；其中，汽水分离器9的出液口连接冷凝器13的进液口，三相分离器14的出气口连接尾气处理单元10的进气口，三相分离器14的出油口和尾气处理单元10的出油口均连接至储罐16。
45.具体抽提方法为：气相抽提从抽提井2抽出气相，经真空泵7、雾化喷淋单元8进入汽水分离器9，经汽水分离器9分离除去液相后进入尾气处理单元10，完成处置后达标排放；液相抽提从抽提井2抽出液相，经抽提泵11、质量流量计12后与汽水分离器9分离的液相一同进入冷凝器13，而后经三相分离器14进行三相分离；分离的气相进入尾气处理单元10进行处理，分离的重组分油相以及尾气处理单元10收集的重组分油相同时进入储罐16收集集中处理，分离的水相进入污水处理单元15进行处理。
46.在上述方案的基础上，如图4所示，本发明的三相分离器14包括挡沙板14-1、排沙阀14-2、水调节阀14-3、重组分调节阀14-4、挡油板14-5、调压阀14-6、除雾器14-7、浮筒液位计14-8、温度传感器14-9、水槽14-10、沉砂池14-11和壳体14-12；其中，壳体14-12内靠近进液口设置挡沙板14-1，挡沙板14-1与壳体内壁形成的沉砂池14-11底部的排沙管上设有排沙阀14-2，当沙堆积至一定高度后，打开排沙阀14-2进行排沙；壳体14-12内于挡沙板14-1的下游依次设有水槽14-10和挡油板14-5，水槽14-10底部的排水管上设有水调节阀14-3，挡油板14-5与壳体内壁形成的出油池底部的出油管上设有重组分调节阀14-4；壳体14-12的顶部设有除雾器14-7，除雾器14-7连接的出气管上设有调压阀14-6；同时，壳体14-12上还设有检测水相和重组分油相液位和温度的浮筒液位计14-8和温度传感器14-9。
47.三相分离器14使用时，壳体14-12内上下分层的水进入水槽14-10，并经排水管与污水处理单元15相连；壳体14-12内上下分层的重组分油相进入出油池，并经出油管与储罐16相连；壳体内三相分离产生的气体经除雾器14-7后，经出气管进入尾气处理单元10。
48.在上述方案的基础上，本发明的质量流量计12可以实现对流体的流量、密度温度进行监测，质量流量计12装有驱动线圈，两端装有检测线圈，变送器提供的激励电压加到驱动线圈上时，振动管作往复周期振动，工作过程的流体介质流经传感器的振动管，就会在振
管上产生科氏力效应，使两根振管扭转振动，安装在振管两端的检测线圈将产生相位不同的两组信号，这两个信号的相位差与流经传感器的流体质量流量成比例关系。计算机解算出流经振管的质量流量；同时，不同的介质流经传感器时，振管的主振频率不同，据此解算出介质密度。安装在传感器器振管上的铂电阻可间接测量介质的温度。
49.质量流量计的技术要求如下：
50.质量流量精度:
±
0.002
×
流量
±
零点漂移；
51.密度测量精度:
±
0.003g/cm3；
52.密度测量范围:0.5～1.5g/cm3。
53.为实现上述修复过程的智能控制，本发明的修复系统还包括：智能控制单元6；其中，智能控制单元6分别与电极井1、电路切换单元3、scr交流调压单元4、双向直流脉冲单元5、真空泵7、雾化喷淋单元8、汽水分离器9、尾气处理单元10、抽提泵11、质量流量计12、冷凝器13、三相分离器14、污水处理单元15和储罐16中的一个或多个相连，用于实现原位热脱附和电催化氧化各阶段的智能控制。
54.进一步，在三相分离器14中，浮筒液位计14-8和温度传感器14-9与智能控制单元6的输入端相连，水调节阀14-3和重组分调节阀14-4与智能控制单元6的输出端相连。
55.本发明智能控制单元6的具体作用，可包括：
56.1).基于修复过程采样监测数据，智能控制电路切换单元3实现scr交流调压单元4与双向直流脉冲单元5之间的切换；例如，当检测到土壤污染物达到修复目标的10倍以内时，表明热脱附完成，此时通过电路切换单元3切换至双向直流脉冲单元5，通过电催化氧化技术继续进行修复。
57.2).基于电极井1的井下检测参数(电阻、导电率等参数)，智能控制scr交流调压单元4与双向直流脉冲单元5的工作参数(工作电压、工作时间等参数)；例如，可根据场地电阻自动调节双向直流脉冲单元5的正反向工作时间，电压、功率等参数，使其保证输出电压恒定。
58.3).基于质量流量计12的检测参数(质量流量、密度、温度等参数)，智能控制气相抽提组件和液相抽提组件各设备的工作参数(是否开启、何时开启、工作时间、间歇时间等参数)；例如：
59.①
当进行液相抽提时，控制抽提泵11、质量流量计12、冷凝器13、三相分离器14、污水处理单元15和储罐16开启；同时，在液相抽提过程中，基于液相温度和密度的变化，控制抽提泵进行阶段式间歇工作；
60.②
在热脱附温度达到设定温度(40℃)时，控制真空泵7、雾化喷淋单元8、汽水分离器9、尾气处理单元10开启，进行气相抽提。
61.③
基于不同重组分油相，调节冷凝器13等设备的工作参数；
62.④
基于浮筒液位计14-8和温度传感器14-9检测的液位和温度，智能控制水调节阀14-3和重组分调节阀14-4的流量调节。
63.具体的：
64.如图5所示，本发明提供一种用于原位热脱附-电催化氧化的电极井智能控制系统，包括：电极井1、电路切换单元3、scr交流调压单元4、双向直流脉冲单元5和智能控制单元6；其中，
65.本发明的电极井1作为原位热脱附模式工作时，智能控制单元6控制电路切换单元3切换至scr交流调压单元4，scr交流调压单元4开始工作，给电极井1供交流电，作为导体的土壤和地下水基于电流热效实现加热；在加热过程中，当现场监测到场地温度δt满足：t0≤δt＜t1，智能控制单元6控制scr交流调压单元4恒功率输出；当现场监测温度δt满足：t1≤δt＜t2，智能控制单元6控制scr交流调压单元4恒电压输出；其中，t0为修复场地的初始温度，t1为实测场地电阻与初始场地电阻的偏差值大于第一阈值时所对应的温度，t2为加热模式停止时的设定温度。
66.在上述方案的基础上，本发明的scr交流调压单元4包括测量仪表，用于测量修复场地的电流、电压、功率、温度和压力等参数，并提供连锁保护；scr交流调压单元4的scr单元采用scr模块进行叠加，前端装设快熔保护，冷却方式为水冷；scr交流调压单元4的电源为隔离电源，根据系统要求提供4种电压等级。
67.在上述方案的基础上，本发明的t1为实测场地电阻与初始场地电阻的偏差值大于10％时所对应的温度，其确定方法，包括：
68.根据地勘报告，采集地层i的原状土；测定各地层原状土在不同温度下的电阻率ρ
it
；在温度t下，井间电阻r
t
与各地层厚度li和电阻率ρ
it
的关系为：
[0069][0070]
随着加热过程的进行，温度t1时井间电阻r
t1
与初始温度t0时的井间电阻r
t0
之比为：
[0071][0072]
根据加热过程中的电流和电压数据，实时监测当两者的偏差大于10％时，标记此时温度t1。
[0073]
在上述方案的基础上，scr交流调压单元4恒功率输出时，输出功率p1恒定且0-500kva可调节，i1为现场检测值作为自变量，u1为设定电压作为调节量，第一阶段能量输入阶段，快速升温；scr交流调压单元4恒电压输出时，输出电压u2恒定且0-1000v可调节，i2为现场检测值作为自变量，p2为设定功率作为调节量，第二阶段能量输入阶段，保护电极井不损坏，温度平稳上升。
[0074]
本发明的电极井1作为电催化氧化模式工作时，当t2≤δt，scr交流调压单元4的热脱附模式结束，通过智能控制单元6控制电路切换单元3切换至双向直流脉冲单元5，系统进入电催化氧化模式，采用高频电力电子变换技术，输出脉冲。本发明的智能控制单元6控制双向直流脉冲单元5恒电压输出。
[0075]
在上述方案的基础上，本发明的双向直流脉冲单元5由控制电路、人机界面、双向脉冲可调电源组成，人机界面为触摸屏，具有组态功能、展示运行画面，实现手动操作和程序自动控制；系统运行过程中，由于土壤中水分、污染物离子、温度等的变化，使得电催化氧
化环境非常不稳定，系统采用恒压控制，即，输出电压u3恒定且0-24v可调节，i3为现场检测值作为自变量，t3设定正反向工作时间作为调节量，可得到满足系统运行要求的不同幅值的正反向脉冲。双向脉冲可调电源输入端为工频交流电，输出为双向直流脉冲，并可接受程序控制；输入的工频交流电经直流变换器，产生双向直流脉冲，变换器中的整流器对不稳定的电流进行调整，校正输入的功率因素。
[0076]
本发明提供一种基于上述原位修复系统的有机污染土壤和地下水的修复方法，包括：
[0077]
步骤1、根据多相抽提井2内溶液密度检测值，调整抽提管入口深度，控制抽提时间，做到只抽提目标污染物液体；
[0078]
步骤2、将电路切换单元3切换至scr交流调压单元4，使电极井工作于原位热脱附模式；
[0079]
步骤3、根据目标污染物熔点定温加热，通过冷凝器13及三相分离器14进行重组分油相和水的分离；并在加热至预设温度时，开启气相抽提处理；
[0080]
步骤4、原位热脱附完成后(如当土壤污染物含量达到修复目标的10倍以内时)，电路切换单元3切换至双向直流脉冲单元5，对电极井1施加正反向直流脉冲电压，对于修复区域施加高密度、全覆盖电场进行电催化氧化。
[0081]
实施例：
[0082]
某一污染地块硝基苯土壤含量平均350mg/kg，修复目标4.46mg/kg，4-氯苯胺1200mg/kg，修复目标38mg/kg，污染深度20米。
[0083]
目标污染物硝基苯：相对密度1.205(15/4℃)，熔点5.7℃，沸点210.9℃，无色或淡黄色(含二氧化氮杂质)的油状液体；
[0084]
目标污染物4-氯苯胺，相对密度1.43，熔点72.5℃，沸点232℃，外观为白色或浅黄色晶体，溶于热水。
[0085]
场地地质结构为杂填层，黏土层，粉砂层，由于每段电阻率不同，采取3段建井，特种电极根据污染范围疏密排序，三段之间铝排连接热缩套绝缘，电极外用石英砂和膨润土隔离，多相抽提分层布置。
[0086]
上述硝基苯和4-氯苯胺的复合污染修复方法，包括：
[0087]
步骤1、建井和各设备安装调试；
[0088]
步骤2、开始液相抽提，电路切换单元3切换至scr交流调压单元4，给特种电极井1供交流电，对场地土壤和地下水进行加热；
[0089]
步骤3、根据硝基苯物理特性，对硝基苯的抽提按表1进行：
[0090]
表1
[0091]
温度℃密度设定g/cm3密度检测值＞设定值密度检测值《设定值201.18泵抽提运行静置30分钟251.15泵抽提运行静置45分钟301.12泵抽提运行静置110分钟351.1泵抽提运行静置120分钟401.07泵抽提运行静置150分钟451.05泵抽提运行静置180分钟
[0092]
抽提管线进水口设置于多相抽提井2的底部，其可优先把密度大的介质抽出来，质量流量计12会实时检测抽出液体的温度和密度，智能控制单元6会把质量流量计12的检测值同表1比较，自动控制抽提泵11的运行，给地下水预留静置时间；每次静置完成后，抽提泵启动至少运行10min；
[0093]
步骤4、当地下温度超过40℃时启用真空泵7、雾化喷淋单元8、气液分离器9和尾气处理单元10；智能控制单元6根据抽出水量会自动补水到特种电极井1，维持地下水位；加热至45℃后，循环抽提15天，检测抽出液相中硝基苯含量为3mg/l，转入对4-氯苯胺的抽提过程。
[0094]
步骤5、根据4-氯苯胺的物理特性，对4-氯苯胺的抽提过程为：
[0095]
继续对特种电极1-1通交流电对土壤和地下水进行原位加热，将土壤和地下水加热到60℃，此时4-氯苯胺开始溶于热水，而后开始抽提；当检测相对密度大于1.2，持续抽提，相对密度小于1.2，静置30min，然后开始循环抽提，抽提至少10min；升温到65℃，检测相对密度大于1.1持续抽提，相对密度小于1.1开始循环抽提，增加静置时间至60min；升温到70℃，检测相对密度大于1.05持续抽提，相对密度小于1.05，开始循环抽提，静置时间改为120min；升温到75℃后维持温度，抽出液相相对密度大于1.0，持续抽提，小于1.0,开始循环抽提，循环抽提每抽提30min，静置150min；至抽提液相对密度到达0.98，持续循环抽提维持15天。
[0096]
步骤6、停止加热，切换到双向直流脉冲单元，进行电催化氧化，抽出液相采样分析，至4-氯苯胺含量低于20mg/l,停止电催化氧化；经过钻井取土样检测，达到修复目标值。
[0097]
进一步，当当处理4-氯苯胺溶液时，通过冷凝器，温度控制在65℃。温度过低会结晶堵塞管线，过高不利于分层沉降；同时，控制重组分和出水调节阀维持界面恒定。
[0098]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。