本發(fā)明涉及土壤和地下水污染修復(fù)領(lǐng)域,具體涉及一種污染土壤熱修復(fù)可行性研究實(shí)驗(yàn)裝置和方法。
背景技術(shù):
隨著《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》的出臺(tái),國務(wù)院和各級(jí)政府對污染場地的調(diào)查和修復(fù)愈加重視。目前中國遺留污染場地眾多,但土壤修復(fù)技術(shù)相對落后,技術(shù)應(yīng)用不規(guī)范也給土壤修復(fù)產(chǎn)業(yè)帶來很多問題。
土壤修復(fù)技術(shù)包括微生物修復(fù)、植物修復(fù)、化學(xué)氧化還原、電動(dòng)修復(fù)、氣相抽提和熱修復(fù)等。土壤熱修復(fù)技術(shù)對污染物去除具有廣適性,可同時(shí)去除多種污染物,如汞、揮發(fā)/半揮發(fā)性有機(jī)物和農(nóng)藥等;同時(shí)熱修復(fù)技術(shù)不受地下地質(zhì)條件限制,可用于低滲透性的土壤和含水層;另外熱修復(fù)技術(shù)具有修復(fù)周期短的優(yōu)勢,能夠滿足我國及國際的市場需求。
土壤熱修復(fù)技術(shù)最初通過挖掘污染土壤進(jìn)行異位焚燒處理或者進(jìn)行回轉(zhuǎn)窯共處置,其能耗高,單次處理量小,挖掘的污染土壤堆存和運(yùn)輸易產(chǎn)生二次污染,且其焚燒過程將排放有毒副產(chǎn)物和氣態(tài)污染物。2016年實(shí)施的《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》也強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)我國污染土壤的原位修復(fù),因此異位熱修復(fù)將逐漸被原位熱修復(fù)替代。土壤原位熱修復(fù)又稱原位熱強(qiáng)化氣相抽提技術(shù),利用加熱元件升高土壤溫度,將污染物轉(zhuǎn)化為氣態(tài)從土壤中脫附,并結(jié)合氣相抽提技術(shù)將尾氣收集后進(jìn)行集中處理。原位熱修復(fù)現(xiàn)場工程主要包括加熱系統(tǒng)、抽提冷凝系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)和廢水/油處理系統(tǒng),這四大系統(tǒng)協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)對地下環(huán)境中污染物的升溫、分離、回收和處理,從而達(dá)到高效修復(fù)污染土壤和地下水的目的。
由于地下環(huán)境的隱蔽性和異質(zhì)性,對于污染物和污染程度不同的土壤,土壤原位熱修復(fù)工程的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)差異較大。如果實(shí)際工程中技術(shù)參數(shù)不合理,可能導(dǎo)致修復(fù)工程中能耗大大損失,修復(fù)周期延長,從而使得修復(fù)成本大大提高,并且難以達(dá)到預(yù)期的修復(fù)效果。為優(yōu)化原位熱修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),本發(fā)明研發(fā)了一種運(yùn)行成本低、安全可靠的污染土壤熱修復(fù)可行性研究實(shí)驗(yàn)裝置和方法,為原位熱修復(fù)現(xiàn)場工程提供技術(shù)支撐。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
解決的技術(shù)問題:本發(fā)明目的在于提供一種污染土壤熱修復(fù)可行性研究實(shí)驗(yàn)裝置和方法。通過分析污染土壤在不同溫度和時(shí)間下污染物的去除率,確定原位熱修復(fù)的可行性,獲取目標(biāo)溫度和加熱時(shí)間等技術(shù)參數(shù);通過分析氣體樣品、冷凝物和活性炭中污染物組分和重量等,設(shè)計(jì)合理的尾氣處理方案;該裝置可根據(jù)不同污染場地的實(shí)際需求,通過對不同污染物和污染程度的土壤進(jìn)行熱修復(fù)實(shí)驗(yàn),為現(xiàn)場工程提供技術(shù)支撐。
技術(shù)方案:一種污染土壤熱修復(fù)可行性研究實(shí)驗(yàn)裝置,包括依次管道連接的進(jìn)氣模塊、加熱模塊、抽提冷凝模塊和尾氣處理模塊;所述進(jìn)氣模塊,包括依次管道連接的空氣壓縮機(jī)、壓力調(diào)節(jié)閥、氣體流量計(jì)、進(jìn)氣管,進(jìn)氣管上設(shè)有第一球閥;所述加熱模塊,包括加熱設(shè)備、熱反應(yīng)器、加熱設(shè)備熱電偶、土壤熱電偶和熱電偶數(shù)據(jù)記錄器,加熱設(shè)備頂部設(shè)有供進(jìn)氣管、出氣管、加熱設(shè)備熱電偶及土壤熱電偶穿入的孔,熱反應(yīng)器設(shè)于加熱設(shè)備內(nèi),熱反應(yīng)器由熱反應(yīng)器槽和設(shè)于其頂部的熱反應(yīng)器蓋組成,熱反應(yīng)器蓋上設(shè)有進(jìn)氣孔、土壤熱電偶孔和出氣孔,進(jìn)氣孔與進(jìn)氣管連接,出氣孔與出氣管連接,土壤熱電偶通過加熱設(shè)備頂部的孔和土壤熱電偶孔伸入熱反應(yīng)器內(nèi),加熱設(shè)備熱電偶通過加熱設(shè)備頂部的孔伸入加熱設(shè)備內(nèi),兩個(gè)熱電偶均由熱電偶數(shù)據(jù)記錄器記錄數(shù)據(jù);所述抽提冷凝模塊,包括抽提裝置和冷凝裝置;所述抽提裝置,包括依次管道連接的氣體流量計(jì)和真空泵;所述冷凝裝置,包括依次連接的出氣管、冷凝管和抽濾瓶,出氣管上設(shè)有壓力表和第二球閥,冷凝管的外管連接有蠕動(dòng)泵和冷藏箱;冷藏箱中裝水并混有藍(lán)冰,蠕動(dòng)泵從冷藏箱抽取冷凝水至冷凝管以將氣態(tài)污染物轉(zhuǎn)化為固/液態(tài);所述尾氣處理模塊,包括活性炭吸附瓶,活性炭吸附瓶的一端與抽濾瓶的出口連接,另一端與抽提裝置中的氣體流量計(jì)管道連接,通過活性炭吸附瓶吸附冷卻至室溫的殘余污染氣體。
通過壓力調(diào)節(jié)閥和氣體流量計(jì),空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的氣體壓力定于0-1400kpa,進(jìn)氣流速定于0-200ml/min。
上述加熱設(shè)備選用干燥箱或馬弗爐。
上述熱反應(yīng)器材質(zhì)為碳鋼;進(jìn)氣管材質(zhì)為不銹鋼,管徑為3-12mm,出氣管材質(zhì)為不銹鋼,管徑為6-15mm,外包覆加熱帶。
上述出氣孔孔徑大于進(jìn)氣孔。
上述熱反應(yīng)器槽和熱反應(yīng)器蓋的邊沿留有12個(gè)直徑5-10mm螺紋孔,供12枚螺栓和螺母密封。
上述氣體流量計(jì)用以監(jiān)測抽提速率,真空泵絕對壓力30-80kpa,以泵上流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)抽提速率,不小于進(jìn)氣速率。
上述裝置的污染土壤熱修復(fù)可行性研究實(shí)驗(yàn)方法,包括如下步驟:
1)將污染土壤在通風(fēng)櫥內(nèi)輕柔混勻并過2目篩網(wǎng);
2)測定污染土壤理化性質(zhì):粒徑分布、含水率、密度、孔隙率和有機(jī)質(zhì)含量;
3)測定關(guān)注污染物濃度,確定關(guān)注污染物的沸點(diǎn)及可能共沸點(diǎn)范圍,根據(jù)結(jié)果設(shè)定可行性實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)溫度和加熱時(shí)間;
4)將污染土壤置于熱反應(yīng)器中并密封,檢測氣密性;
5)打開空氣壓縮機(jī)、真空泵和加熱設(shè)備并加熱至實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)溫度,期間使用采樣袋采集氣體樣品;
6)完成預(yù)設(shè)加熱時(shí)間后關(guān)閉加熱設(shè)備,待其自然冷卻后取土壤樣品并保存;
7)分析處理后土壤理化性質(zhì)和關(guān)注污染物濃度,氣體樣品、冷凝物和活性炭中污染物組分和質(zhì)量。
原位熱修復(fù)是常規(guī)氣相抽提技術(shù)的強(qiáng)化,在場地工程應(yīng)用中,以加熱系統(tǒng)(加熱棒、電極或蒸汽等)升高污染土壤和地下水的溫度,改變污染物的粘度、溶解度和分配系數(shù)等性質(zhì)以強(qiáng)化抽提技術(shù)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)蒸汽和氣態(tài)污染物的回收,并且通過尾氣處理系統(tǒng)吸收殘余氣態(tài)污染物,防止二次污染,利用廢水處理系統(tǒng)處置已冷凝回收的油水混合物。四大系統(tǒng)協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)污染物的升溫、分離、回收和處理,從而達(dá)到高效修復(fù)污染土壤的目的。
本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置和方法中通過進(jìn)氣模塊提供正壓,有利于強(qiáng)化抽提冷凝模塊的作用,并且可根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)需求將空氣換為其他惰性氣體;利用加熱模塊升高污染土壤的溫度;通過抽提冷凝模塊抽取污染土壤在加熱過程中形成的蒸汽和揮發(fā)性氣體并轉(zhuǎn)化為固/液態(tài);利用尾氣處理模塊用于殘余揮發(fā)性氣體的收集和處理。
有益效果:污染土壤熱修復(fù)可行性研究實(shí)驗(yàn)裝置使用常規(guī)設(shè)備,造價(jià)低,維護(hù)管理方便;污染土壤熱修復(fù)可行性研究實(shí)驗(yàn)裝置可改造性強(qiáng),如在進(jìn)氣系統(tǒng)通入惰性氣體可模擬缺氧熱解過程;污染土壤熱修復(fù)可行性研究實(shí)驗(yàn)方法適用于不同污染物和污染程度的土壤,運(yùn)行周期短,用少量現(xiàn)場土壤即可獲取代表性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可為現(xiàn)場工程提供可靠參數(shù);污染土壤熱修復(fù)可行性研究實(shí)驗(yàn)即對現(xiàn)場工程的實(shí)驗(yàn)室模擬,可預(yù)知現(xiàn)場發(fā)生的突發(fā)狀況并提前制定應(yīng)急方案;
附圖說明
圖1為本發(fā)明的污染土壤熱修復(fù)可行性研究實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2為本發(fā)明的熱反應(yīng)器主視圖;
圖3為本發(fā)明的熱反應(yīng)器俯視圖;
圖4為處理前后土壤中16種多環(huán)芳烴的濃度(mg/kg)對比圖。
空氣壓縮機(jī)1,壓力調(diào)節(jié)閥2,氣體流量計(jì)3,進(jìn)氣管4,第一球閥5,加熱設(shè)備6,熱反應(yīng)器7,加熱設(shè)備熱電偶8,土壤熱電偶9,熱電偶數(shù)據(jù)記錄器10,出氣管11,壓力表12,第二球閥13,冷凝管14,鐵架臺(tái)15,抽濾瓶16,蠕動(dòng)泵17,冷藏箱18,活性炭吸附瓶19,氣體流量計(jì)20,真空泵21,熱反應(yīng)器槽22,熱反應(yīng)器蓋23,進(jìn)氣孔1a,土壤熱電偶孔1b,出氣孔1c,螺紋孔1d
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
一種污染土壤熱修復(fù)可行性研究實(shí)驗(yàn)裝置,包括依次管道連接的進(jìn)氣模塊、加熱模塊、抽提冷凝模塊和尾氣處理模塊;所述進(jìn)氣模塊,包括依次管道連接的空氣壓縮機(jī)1、壓力調(diào)節(jié)閥2、氣體流量計(jì)3、進(jìn)氣管4,進(jìn)氣管4上設(shè)有第一球閥5;所述加熱模塊,包括加熱設(shè)備6、熱反應(yīng)器7、加熱設(shè)備熱電偶8、土壤熱電偶9和熱電偶數(shù)據(jù)記錄器10,加熱設(shè)備6頂部設(shè)有供進(jìn)氣管4、出氣管11、加熱設(shè)備熱電偶8及土壤熱電偶9穿入的孔,熱反應(yīng)器7設(shè)于加熱設(shè)備6內(nèi),熱反應(yīng)器7由熱反應(yīng)器槽22和設(shè)于其頂部的熱反應(yīng)器蓋23組成,熱反應(yīng)器蓋23上設(shè)有進(jìn)氣孔1a、土壤熱電偶孔1b和出氣孔1c,進(jìn)氣孔1a與進(jìn)氣管4連接,出氣孔1c與出氣管11連接,土壤熱電偶9通過加熱設(shè)備6頂部的孔和土壤熱電偶孔1b伸入熱反應(yīng)器內(nèi),加熱設(shè)備熱電偶8通過加熱設(shè)備6頂部的孔伸入加熱設(shè)備6內(nèi),兩個(gè)熱電偶均由熱電偶數(shù)據(jù)記錄器10記錄數(shù)據(jù);所述抽提冷凝模塊,包括抽提裝置和冷凝裝置;所述抽提裝置,包括依次管道連接的氣體流量計(jì)20和真空泵21;所述冷凝裝置,包括依次連接的出氣管11、冷凝管14和抽濾瓶16,出氣管11上設(shè)有壓力表12和第二球閥13,冷凝管14的外管連接有蠕動(dòng)泵17和冷藏箱18;冷藏箱18中裝水并混有藍(lán)冰,蠕動(dòng)泵17從冷藏箱18抽取冷凝水至冷凝管14以將氣態(tài)污染物轉(zhuǎn)化為固/液態(tài);所述尾氣處理模塊,包括活性炭吸附瓶19,活性炭吸附瓶19的一端與抽濾瓶的出口連接,另一端與抽提裝置中的氣體流量計(jì)管道連接,通過活性炭吸附瓶19吸附冷卻至室溫的殘余污染氣體。通過壓力調(diào)節(jié)閥2和氣體流量計(jì)3,空氣壓縮機(jī)1產(chǎn)生的氣體壓力定于0-1400kpa,進(jìn)氣流速定于0-200ml/min。加熱設(shè)備6選用干燥箱或馬弗爐。熱反應(yīng)器材質(zhì)為碳鋼;進(jìn)氣管4材質(zhì)為不銹鋼,管徑為3-12mm,出氣管11材質(zhì)為不銹鋼,管徑為6-15mm,外包覆加熱帶。出氣孔1c孔徑大于進(jìn)氣孔1a。熱反應(yīng)器槽22和熱反應(yīng)器蓋23的邊沿留有12個(gè)直徑5-10mm螺紋孔1d,供12枚螺栓和螺母密封。氣體流量計(jì)20用以監(jiān)測抽提速率,真空泵21絕對壓力30-80kpa,以泵上流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)抽提速率,不小于進(jìn)氣速率。
本實(shí)施例還提供一次污染土壤熱修復(fù)可行性研究實(shí)驗(yàn)步驟和結(jié)果,所進(jìn)行實(shí)驗(yàn)基于已搭建完成的污染土壤熱修復(fù)可行性研究實(shí)驗(yàn)裝置,包括以下步驟:
1、從現(xiàn)場某區(qū)域采集10kg污染土壤裝入密封桶,置于冷藏室中低溫保存;
2、在通風(fēng)櫥中輕柔混勻污染土壤并過2目篩網(wǎng),混勻后裝回密封桶并置于冷藏室保存;
3、根據(jù)前期場地調(diào)查,關(guān)注污染物為多環(huán)芳烴,取少量混勻土壤分析土壤理化性質(zhì)和多環(huán)芳烴濃度;
4、根據(jù)結(jié)果將目標(biāo)溫度設(shè)定為325℃,加熱時(shí)間48小時(shí);
5、取1kg混勻土壤裝于熱反應(yīng)器內(nèi),連接進(jìn)氣管、出氣管和熱電偶并以球閥和壓力表檢測氣密性;
6、將進(jìn)氣和抽提速率分別設(shè)為30ml/min,啟動(dòng)馬弗爐開始加熱;
7、325℃處理2天后,關(guān)閉馬弗爐,待其自然冷卻后取少量土壤樣品保存;
8、分析熱修復(fù)后土壤中多環(huán)芳烴濃度,計(jì)算修復(fù)效率。
上述進(jìn)行的一次污染土壤熱修復(fù)可行性研究實(shí)驗(yàn),主要結(jié)果如下:
高效液相法測定處理前土壤中16種多環(huán)芳烴總濃度95.34mg/kg,處理后16種多環(huán)芳烴總濃度0.80mg/kg,去除效率99.16%,冷凝物質(zhì)量240.0g,主要成分是多環(huán)芳烴,處理前后土壤中16種多環(huán)芳烴的濃度對比如圖4。實(shí)施結(jié)果表明采用原位熱修復(fù)將此場地的污染土壤加熱到325℃可以達(dá)到修復(fù)目標(biāo)。