土壤原位热激活修复系统

1.本发明属于土壤修复技术领域，具体涉及一种土壤原位热激活修复系统。


背景技术：

2.随着社会经济的快速发展，环境问题逐渐受到人民的重视，其中土壤污染问题更是日趋严重。目前，国内已有的污染土壤修复技术主要包括异/同位固化/稳定化技术，异/同位化学氧化/还原技术，水泥窑协同处置技术，土壤阻隔填埋技术，土壤植物修复技术，多相抽提技术等，但存在如下问题：
3.(1)大部分现有土壤修复技术基本处于试验阶段，尚未大规模工程应用。
4.(2)现有污染土壤修复技术对土壤污染类型有很强的选择性，普适性差。例如在植物修复技术中，不同的超累积植物仅对土壤中某种特定的污染物质有富集作用，电动修复技术主要针对重金属污染，因此为了适用不同种类的污染土壤，必须对症下药，采取最优解决方案。
5.(3)现有污染土壤修复技术一般反应速度慢，修复周期长，如植物修复、动物修复、微生物修复、气曝法等技术修复周期很长，有的需要几年甚至十几年的时间。
6.(4)部分现有污染土壤修复技术对污染场地要求高，需要花费大量人力物力，其实也包括大量能源的消耗和二次污染，未充分考虑国家低碳要求，与绿色环保的理念相悖。
7.(5)部分现有污染土壤修复技术只能对土壤进行移位修复，修复成本高，经济性差。
8.总之，现有的污染土壤修复技术局限性多，效率较低，能源消耗大，故需要一种更加清洁环保，低碳高效的新型技术。


技术实现要素：

9.本发明的目的是提供一种土壤原位热激活修复系统，至少可以解决现有技术中存在的部分技术缺陷。
10.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
11.土壤原位热激活修复系统，包括插入待修复土壤内的热介质加热管道、加药管道和气相抽提管道，以及布置于待修复土壤外部的供热装置、配药装置、气相抽提装置和温度监测装置；所述热介质加热管道两端延伸至待修复土壤表面并与供热装置连接，所述加药管道一端与配药装置连接，另一端垂直插入待修复土壤内，所述气相抽提管道与气相抽提装置连接，所述温度监测装置与供热装置联锁，用于监测待修复土壤温度并反馈联锁控制供热装置通入热介质加热管道的热介质用量。
12.进一步的，所述热介质加热管道有多个，各热介质加热管道间隔布置，其间隔距离根据热介质加热管道热传导加热土壤影响半径得到。
13.进一步的，若待修复土壤在各方向上为均匀介质，则所述热介质加热管道热传导
加热土壤影响半径由热传导公式计算得到，其中α称为热扩散系数，在数值上q为热流密度，k为热传导系数，ρ为土壤密度；c
p
为定压比热容，t为温度，t为加热时间，x为热介质加热管道热传导加热土壤影响半径。
14.进一步的，所述热介质加热管道在竖直方向布置有多排，且上下相邻两排热介质加热管道交错布置。
15.进一步的，所述热介质加热管道在竖直方向布置有四排，且四排热介质加热管道在纵截面上呈正六边形布置。
16.进一步的，所述加药管道有多个，各加药管道对应布置于最上一排热介质加热管道的上方。
17.进一步的，所述气相抽提管道有多个，在竖直方向上分为上下两排布置，下排气相抽提管道对应位于正六边形布置的热介质加热管道中心，上排气相抽提管道对应位于正六边形中最高处热介质加热管道上方。
18.进一步的，所述供热装置采用太阳能加热方式，包括太阳能初加热间和二次加热间，所述太阳能初加热间设有太阳能集热器、储水器、输水管、第一温度检测器，所述二次加热间设有汽水分离器、电阻加热器、第二温度检测器、分离板。
19.进一步的，所述温度监测装置包括温度传感器和控制器，所述温度传感器的测温探头插入待修复土壤内，所述温度传感器与控制器的信号输入端电连接，所述控制器的信号输出端与所述供热装置电连接，控制供热装置通入热介质加热管道的热介质用量；
20.所述测温探头在待修复土壤中测温点选取方法如下：对于范围小且形状规则的待修复土壤，测温点的选取使用五点取样法，将待修复土壤近似看作方形，在方形对角线交点处取一点，两条对角线分别取四分之一点处，共计五点取样；
21.对于场地较大或形状不规则的待修复土壤，测温点的选取使用等距取样法，确定待修复土壤表面形状后，等比缩小n次，得到n组平行线，每组平行线上等距取样即可，其中n大于5。
22.进一步的，上述土壤原位热激活修复系统还包括多环芳烃检测装置，所述多环芳烃检测装置与气相抽提管道连接，用于检测抽提出气体中多环芳烃含量；所述多环芳烃检测装置与配药装置联锁控制，通过多环芳烃检测装置检测土壤中多环芳烃含量变化实时反馈调节配药装置中药剂投料比例。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果：
24.(1)本发明提供的这种土壤原位热激活修复系统通过在待修复土壤中布置热介质加热管道，向热介质加热管道中通入热介质对受有机物污染土壤进行热激活，实现对待修复土壤的就地修复；同时配合布置气相抽提管道进行气相抽提，使待修复土壤内部形成负压，大幅加快了药液的渗透作用，增强药剂的利用率，既节约成本，也缩短了治理周期。
25.(2)本发明提供的这种土壤原位热激活修复系统通过设计温度监测装置与供热装置联锁，用于监测待修复土壤温度并反馈联锁控制供热装置通入热介质加热管道的热介质用量，不仅能有效保证土壤修复作业的高效实施，而且能节约热激活能耗成本。
26.(3)本发明提供的这种土壤原位热激活修复系统采用太阳能作为热源，大大减小
了系统能耗，有效解决了现有修复技术能源消耗过多的问题。
27.以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
28.图1是本发明土壤原位热激活修复系统的结构示意图；
29.图2是本发明土壤原位热激活修复系统的主视图；
30.图3是本发明土壤原位热激活修复系统中供热装置结构示意图；
31.图4是本发明土壤原位热激活修复系统中热介质加热管道、加药管道和气相抽提管道的布局示意图；
32.图5是本发明土壤原位热激活修复系统中测温探头分布的一种示意图。
具体实施方式
33.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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
35.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是抵触连接或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
37.如图1和图2所示，本实施例提供了一种土壤原位热激活修复系统，包括插入待修复土壤内的热介质加热管道1、加药管道3和气相抽提管道2，以及布置于待修复土壤外部的供热装置9、配药装置、气相抽提装置8和温度监测装置；所述热介质加热管道1两端延伸至待修复土壤表面并与供热装置9连接，所述加药管道3一端与配药装置连接，另一端垂直插入待修复土壤内，所述气相抽提管道2与气相抽提装置8连接，其中，气相抽提管道2上均匀布置有气孔，所述温度监测装置与供热装置9联锁，用于监测待修复土壤温度并反馈联锁控制供热装置9通入热介质加热管道1的热介质用量。其中，通入热介质加热管道1的热介质可以采用但不限于蒸汽、热水，本实施例中热介质选用蒸汽。
38.在本实施例中，热介质加热管道1和气相抽提管道2通过钻杆和导向仪，沿着设计好的钻孔轨迹，挖出一条钻井，再通过回扩头扩大钻井直径并带入待修复的土壤中，加药管道3垂直插入待修复土壤中。在使用时，供热装置9提供热源，热介质通过热介质加热管道1
进入待修复土壤内，通过热辐射加热待修复土壤，与此同时，配药装置调配用于氧化土壤中污染物的药剂溶液，并通过加药管道3加入到待修复土壤中，在加药过程中，气相抽提装置8连通气相抽提管道2进行气相抽提，使待修复土壤内部形成负压，药剂溶液能快速渗入土壤内，与土壤中污染物发生氧化反应；而被氧化生成的气相污染物通过气相抽提作用经气相抽提管道2导出到待修复土壤外部集中收集处理，一方面避免生成气相污染物扩散造成二次污染，另一方面减少土壤中生成物浓度，促进氧化反应向生成物方向移动，提高反应速率。在整个修复过程中，温度监测装置实时监测待修复土壤温度变化，从而反馈调节供热装置9通入热介质加热管道1的热介质用量，保证待修复土壤温度保持在一定水平。
39.由于热介质辐射加热土壤，为保证待修复场地土壤均能得到有效加热，需要对热介质加热管道1在场地的布置形式进行优化设计，本实施例中，所述热介质加热管道1有多个，各热介质加热管道1间隔布置，其间隔距离根据热介质加热管道1热传导加热土壤影响半径得到。具体的，根据热传导公式式中x、y、z为坐标轴，q为热流密度，k为热传导系数，ρ为土壤密度；c
p
为定压比热容，t为温度，t为时间；当待修复土壤在各方向上为均匀介质时，热传导在x、y、z方向上传导速率一致，则上述热传导公式可简化为，其中α称为热扩散系数，在数值上热传导系数k，密度ρ和定压比热容c
p
为常数，计算得到的x即为热介质加热管道1热传导加热土壤影响半径。进一步的，依据上述简化的热传导公式，本实施例中通过加热棒加热土壤，并检测周边土壤，制定加热影响分布，发现当半径小于等于3m时，范围内土壤基本呈恒温分布，即加热半径约为3m，而由于受现实环境中雨水天气等影响，可以设计加热半径在2.5m以内达到预期效果。
40.可选的实施方式，所述热介质加热管道1在竖直方向布置有多排，每排间隔布置若干个热介质加热管道1，在竖直方向上热介质加热管道1的具体排数可根据待修复土壤深度进行确定；优选的，可将上下相邻两排热介质加热管道1交错布置。
41.经过对热介质加热管道1的分布形式进行多次计算、试验及分析，本实施例优选热介质加热管道1在纵截面上呈正六边形构造时，其密合度最高，所需材料最少，可使用空间最大，因此采用蜂窝状排布热介质加热管道1。经实验测定，一般情况下，当待修复污染土壤深度为l时，取热介质加热管道1之间间距为1/4l即可，热介质加热管道1长度根据污染场地大小可自行适配。
42.进一步的，如图4所示，当热介质加热管道1为正六边形排布时，所述加药管道3有多个，各加药管道3对应布置于最上一排热介质加热管道1的上方，具体的，将所述加药管道3置于最上方热介质加热管道1约1/8l处，并每隔1/4l竖直安装一段加药管道1。同时对气相抽提管道2的排布进行设计，所述气相抽提管道2有多个，在竖直方向上分为上下两排布置，下排气相抽提管道2对应位于正六边形布置的热介质加热管道1中心，上排气相抽提管道2对应位于正六边形中最高处热介质加热管道1上方，当热介质加热时，两排气相抽提管道2是上抽下送，促进热介质渗透土壤，当加药过后，两排气相抽提管道2改下抽上送，可促使药
液向下渗流，加热至目标温度后，上下两排气相抽提管道2同时抽气，吸收生成的有害有机物。
43.可选的实施方式，如图3所示，所述供热装置9采用太阳能加热方式，包括太阳能初加热间和二次加热间，所述太阳能初加热间设有太阳能集热器10、储水器11、输水管、第一温度检测器，所述二次加热间12设有汽水分离器14、电阻加热器、第二温度检测器、分离板13；通过太阳能集热器10在白天吸收太阳能，将储水器11中的水进行初步预热到65-70℃，将预热的水通过输水管送入二次加热间12内，在二次加热间12内通过电阻加热器对太阳能预热的水进行二次加热，使其转化为蒸汽，通过汽水分离器14和分离板13将水和蒸汽分离，蒸汽由二次加热间12顶部的排气口送往热介质加热管道1，剩余水送回储水器11；本实施方式采用太阳能作为能源，大大减小了系统能耗，有效解决了现有修复技术能源消耗过多的问题。
44.可选的实施方式，所述配药装置包括反应釜4、电阻加热器和搅拌器，所述反应釜4上部设有固态加药口5、溶剂加入口6、液药加入口7，根据实际需要可加入固态药剂或液态药剂，所述反应釜4下部设有药剂溶液出口，所述加药管道3通过出料管与药剂溶液出口连接，所述电阻加热器和搅拌器设置于反应釜4内；通过反应釜4上药剂加入口，加入包括但不限于双氧水、过硫酸钠等过硫酸盐以及高锰酸钾等氧化药剂，并加入适量的水在搅拌器的作用下，进行溶解稀释，同时在电阻加热器的作用下，进行初步预热，以提高反应温度，促进反应速率，配制完成的药剂溶液通过出料管分布至各加药管道3中。优化的，可将反应釜4的药剂溶液出口与储液箱上的药剂溶液入口管道连接，在反应釜4中配制好的药剂溶液进入储液箱进行缓冲储存，储液箱的容积应足够大，能够满足一定时间的使用，与此同时，反应釜4可继续配制药剂溶液，保证修复药剂的持续供应，提高工作效率。
45.可选的实施方式，所述气相抽提装置8包括真空泵，所述真空泵与所述气相抽提管道2连接，通过气相抽提管道2对待修复土壤内部进行气相抽提，使土壤内部形成负压，从而加快药剂溶液渗入到土壤中，并引导药剂溶液渗入方向，尽可能向污染物浓度高的地方汇聚，大大增强药剂的利用率，既节约成本，也缩短了治理周期；并且在多环芳烃被氧化后，通过气相抽提，将生成的气相污染物收集处理，同时通过减少生成物浓度，促进反应向生成物的方向移动。
46.优化上述技术方案，上述土壤原位热激活修复系统还包括多环芳烃检测装置(图中未标示)，所述多环芳烃检测装置与气相抽提管道2连接，用于检测抽提出气体中多环芳烃含量，例如可通过gcms(气相色谱-质谱联用仪)对抽提出气体进行检测，通过峰面积大小，定性反应土壤中多环芳烃的含量变化。进一步的，可将所述多环芳烃检测装置与配药装置联锁控制，通过多环芳烃检测装置检测土壤中多环芳烃含量变化实时反馈调节配药装置中药剂投料比例。
47.可选的实施方式，所述温度监测装置包括温度传感器和控制器，所述温度传感器的测温探头15插入待修复土壤内，所述温度传感器与控制器的信号输入端电连接，所述控制器的信号输出端与所述供热装置9电连接，控制供热装置9通入热介质加热管道1的蒸汽量。
48.具体的，蒸汽加热土壤过程中热量衡算如下：
49.q＝1/6πab2×c土
×
(t
2-t1)＝2260m
理论
+20
×c水m理论
式(1)；
50.式(1)中：a为热介质加热管道最深处深度，b为热介质加热管道两端距离，c
土
为土壤的热容量，t2为设计土壤加热最终温度，t1为土壤实际检测温度，c
水
为水的热容量，取4.2
×
103j/kg，m
理论
为理论所需蒸汽质量。
51.由于土壤为固体土、有机质、空气和水构成的混合物，因此c
土
按下列公式计算：
52.c
土
＝c
固
η
固
+c
有机
η
有机
+c
水
η
水
+c
空
η
空
式(2)；
53.式(2)中：c为对应物质的热容量，η为单位容积的土壤中各物质所占百分比；一般c
空
较小常忽略不计，同时根据土壤物理学经验公式，一般c
固
取1.9
×
106j/m3，c
有机
取2.5
×
106j/m3，c
水
取4.2
×
106j/m3。
54.当土壤中有机质含量较少时，式(2)可简化为c
土
＝c
固
(1-η
水
)+c
水
η
水
，即c
土
＝1.9
×
106(1-η
水
)+4.2
×
106η
水
，因此，测量出单位容积土壤中水的百分比即可估算出c
土
。
55.一般情况下，不同土壤中含水量如下：1、高温沙土，适用于长期日照，平均气温较高为(15-35℃)，土壤含水量较低为(10％-20％)；2、高温沃土，适用于长期日照，平均气温较高为(15-35℃)，土壤含水量较高为(30％-40％)；3、低温沙土，适用于不常日照，平均气温较低为(-5-15℃)，土壤含水量较低为(10％-20％)；4、低温沃土，适用于不常日照，平均气温较低为(-5-15℃)，土壤含水量较高为(30％-40％)。对应不同土壤计算出c
土
后，通过上述式(1)可计算出土壤升温(t
2-t1)时理论所需蒸汽质量m
理论
，而通常情况下考虑热损失等外界环境因素，实际所需蒸汽质量m
实际
可取1.2m
理论
～1.5m
理论
；由此可得出，土壤需升温温度(t
2-t1)与供热装置9需要通入热介质加热管道1的蒸汽量m
实际
之间的关系，从而可通过温度监测装置实时反馈调节蒸汽通入量。
56.优化的，为了进一步提高蒸汽量控制的精确性，可对待修复场地上测温点的分布进行优化设计，具体的，如图5所示，对于范围小且形状规则的待修复场地，测温探头15的测温点选取使用五点取样法，将待修复场地近似看作方形，在方形对角线交点处取一点，两条对角线分别取四分之一点处，共计五点取样；对于场地较大或形状不规则的待修复土壤，测温点的选取使用等距取样法，确定待修复土壤表面形状后，等比缩小n次，得到n组平行线，每组平行线上等距取样即可，其中n大于5。
57.综上所述，本发明提供的这种土壤原位热激活修复系统通过热介质对土壤原位加热，并通过温度监测装置实时反馈调节热介质用量，有效解决目前土壤修复领域存在的修复时间过长，投入过大，能源消耗过多等相关问题。
58.以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。