一种污染土壤热修复可行性研究实验装置和方法与流程

本发明涉及土壤和地下水污染修复领域，具体涉及一种污染土壤热修复可行性研究实验装置和方法。

背景技术：

随着《土壤污染防治行动计划》的出台，国务院和各级政府对污染场地的调查和修复愈加重视。目前中国遗留污染场地众多，但土壤修复技术相对落后，技术应用不规范也给土壤修复产业带来很多问题。

土壤修复技术包括微生物修复、植物修复、化学氧化还原、电动修复、气相抽提和热修复等。土壤热修复技术对污染物去除具有广适性，可同时去除多种污染物，如汞、挥发/半挥发性有机物和农药等；同时热修复技术不受地下地质条件限制，可用于低渗透性的土壤和含水层；另外热修复技术具有修复周期短的优势，能够满足我国及国际的市场需求。

土壤热修复技术最初通过挖掘污染土壤进行异位焚烧处理或者进行回转窑共处置，其能耗高，单次处理量小，挖掘的污染土壤堆存和运输易产生二次污染，且其焚烧过程将排放有毒副产物和气态污染物。2016年实施的《土壤污染防治行动计划》也强调加强我国污染土壤的原位修复，因此异位热修复将逐渐被原位热修复替代。土壤原位热修复又称原位热强化气相抽提技术，利用加热元件升高土壤温度，将污染物转化为气态从土壤中脱附，并结合气相抽提技术将尾气收集后进行集中处理。原位热修复现场工程主要包括加热系统、抽提冷凝系统、尾气处理系统和废水/油处理系统，这四大系统协同作用实现对地下环境中污染物的升温、分离、回收和处理，从而达到高效修复污染土壤和地下水的目的。

由于地下环境的隐蔽性和异质性，对于污染物和污染程度不同的土壤，土壤原位热修复工程的关键技术参数差异较大。如果实际工程中技术参数不合理，可能导致修复工程中能耗大大损失，修复周期延长，从而使得修复成本大大提高，并且难以达到预期的修复效果。为优化原位热修复关键技术参数，本发明研发了一种运行成本低、安全可靠的污染土壤热修复可行性研究实验装置和方法，为原位热修复现场工程提供技术支撑。

技术实现要素：

解决的技术问题：本发明目的在于提供一种污染土壤热修复可行性研究实验装置和方法。通过分析污染土壤在不同温度和时间下污染物的去除率，确定原位热修复的可行性，获取目标温度和加热时间等技术参数；通过分析气体样品、冷凝物和活性炭中污染物组分和重量等，设计合理的尾气处理方案；该装置可根据不同污染场地的实际需求，通过对不同污染物和污染程度的土壤进行热修复实验，为现场工程提供技术支撑。

技术方案：一种污染土壤热修复可行性研究实验装置，包括依次管道连接的进气模块、加热模块、抽提冷凝模块和尾气处理模块；所述进气模块，包括依次管道连接的空气压缩机、压力调节阀、气体流量计、进气管，进气管上设有第一球阀；所述加热模块，包括加热设备、热反应器、加热设备热电偶、土壤热电偶和热电偶数据记录器，加热设备顶部设有供进气管、出气管、加热设备热电偶及土壤热电偶穿入的孔，热反应器设于加热设备内，热反应器由热反应器槽和设于其顶部的热反应器盖组成，热反应器盖上设有进气孔、土壤热电偶孔和出气孔，进气孔与进气管连接，出气孔与出气管连接，土壤热电偶通过加热设备顶部的孔和土壤热电偶孔伸入热反应器内，加热设备热电偶通过加热设备顶部的孔伸入加热设备内，两个热电偶均由热电偶数据记录器记录数据；所述抽提冷凝模块，包括抽提装置和冷凝装置；所述抽提装置，包括依次管道连接的气体流量计和真空泵；所述冷凝装置，包括依次连接的出气管、冷凝管和抽滤瓶，出气管上设有压力表和第二球阀，冷凝管的外管连接有蠕动泵和冷藏箱；冷藏箱中装水并混有蓝冰，蠕动泵从冷藏箱抽取冷凝水至冷凝管以将气态污染物转化为固/液态；所述尾气处理模块，包括活性炭吸附瓶，活性炭吸附瓶的一端与抽滤瓶的出口连接，另一端与抽提装置中的气体流量计管道连接，通过活性炭吸附瓶吸附冷却至室温的残余污染气体。

通过压力调节阀和气体流量计，空气压缩机产生的气体压力定于0-1400kpa，进气流速定于0-200ml/min。

上述加热设备选用干燥箱或马弗炉。

上述热反应器材质为碳钢；进气管材质为不锈钢，管径为3-12mm，出气管材质为不锈钢，管径为6-15mm，外包覆加热带。

上述出气孔孔径大于进气孔。

上述热反应器槽和热反应器盖的边沿留有12个直径5-10mm螺纹孔，供12枚螺栓和螺母密封。

上述气体流量计用以监测抽提速率，真空泵绝对压力30-80kpa，以泵上流量调节阀调节抽提速率，不小于进气速率。

上述装置的污染土壤热修复可行性研究实验方法，包括如下步骤：

1）将污染土壤在通风橱内轻柔混匀并过2目筛网；

2）测定污染土壤理化性质：粒径分布、含水率、密度、孔隙率和有机质含量；

3）测定关注污染物浓度，确定关注污染物的沸点及可能共沸点范围，根据结果设定可行性实验的目标温度和加热时间；

4）将污染土壤置于热反应器中并密封，检测气密性；

5）打开空气压缩机、真空泵和加热设备并加热至实验目标温度，期间使用采样袋采集气体样品；

6）完成预设加热时间后关闭加热设备，待其自然冷却后取土壤样品并保存；

7）分析处理后土壤理化性质和关注污染物浓度，气体样品、冷凝物和活性炭中污染物组分和质量。

原位热修复是常规气相抽提技术的强化，在场地工程应用中，以加热系统（加热棒、电极或蒸汽等）升高污染土壤和地下水的温度，改变污染物的粘度、溶解度和分配系数等性质以强化抽提技术的应用，实现蒸汽和气态污染物的回收，并且通过尾气处理系统吸收残余气态污染物，防止二次污染，利用废水处理系统处置已冷凝回收的油水混合物。四大系统协同作用实现污染物的升温、分离、回收和处理，从而达到高效修复污染土壤的目的。

本发明的实验装置和方法中通过进气模块提供正压，有利于强化抽提冷凝模块的作用，并且可根据不同实验需求将空气换为其他惰性气体；利用加热模块升高污染土壤的温度；通过抽提冷凝模块抽取污染土壤在加热过程中形成的蒸汽和挥发性气体并转化为固/液态；利用尾气处理模块用于残余挥发性气体的收集和处理。

有益效果：污染土壤热修复可行性研究实验装置使用常规设备，造价低，维护管理方便；污染土壤热修复可行性研究实验装置可改造性强，如在进气系统通入惰性气体可模拟缺氧热解过程；污染土壤热修复可行性研究实验方法适用于不同污染物和污染程度的土壤，运行周期短，用少量现场土壤即可获取代表性强的实验数据，可为现场工程提供可靠参数；污染土壤热修复可行性研究实验即对现场工程的实验室模拟，可预知现场发生的突发状况并提前制定应急方案；

附图说明

图1为本发明的污染土壤热修复可行性研究实验装置结构示意图；

图2为本发明的热反应器主视图；

图3为本发明的热反应器俯视图；

图4为处理前后土壤中16种多环芳烃的浓度（mg/kg）对比图。

空气压缩机1，压力调节阀2，气体流量计3，进气管4，第一球阀5，加热设备6，热反应器7，加热设备热电偶8，土壤热电偶9，热电偶数据记录器10，出气管11，压力表12，第二球阀13，冷凝管14，铁架台15，抽滤瓶16，蠕动泵17，冷藏箱18，活性炭吸附瓶19，气体流量计20，真空泵21，热反应器槽22，热反应器盖23，进气孔1a，土壤热电偶孔1b，出气孔1c，螺纹孔1d

具体实施方式

实施例1

一种污染土壤热修复可行性研究实验装置，包括依次管道连接的进气模块、加热模块、抽提冷凝模块和尾气处理模块；所述进气模块，包括依次管道连接的空气压缩机1、压力调节阀2、气体流量计3、进气管4，进气管4上设有第一球阀5；所述加热模块，包括加热设备6、热反应器7、加热设备热电偶8、土壤热电偶9和热电偶数据记录器10，加热设备6顶部设有供进气管4、出气管11、加热设备热电偶8及土壤热电偶9穿入的孔，热反应器7设于加热设备6内，热反应器7由热反应器槽22和设于其顶部的热反应器盖23组成，热反应器盖23上设有进气孔1a、土壤热电偶孔1b和出气孔1c，进气孔1a与进气管4连接，出气孔1c与出气管11连接，土壤热电偶9通过加热设备6顶部的孔和土壤热电偶孔1b伸入热反应器内，加热设备热电偶8通过加热设备6顶部的孔伸入加热设备6内，两个热电偶均由热电偶数据记录器10记录数据；所述抽提冷凝模块，包括抽提装置和冷凝装置；所述抽提装置，包括依次管道连接的气体流量计20和真空泵21；所述冷凝装置，包括依次连接的出气管11、冷凝管14和抽滤瓶16，出气管11上设有压力表12和第二球阀13，冷凝管14的外管连接有蠕动泵17和冷藏箱18；冷藏箱18中装水并混有蓝冰，蠕动泵17从冷藏箱18抽取冷凝水至冷凝管14以将气态污染物转化为固/液态；所述尾气处理模块，包括活性炭吸附瓶19，活性炭吸附瓶19的一端与抽滤瓶的出口连接，另一端与抽提装置中的气体流量计管道连接，通过活性炭吸附瓶19吸附冷却至室温的残余污染气体。通过压力调节阀2和气体流量计3，空气压缩机1产生的气体压力定于0-1400kpa，进气流速定于0-200ml/min。加热设备6选用干燥箱或马弗炉。热反应器材质为碳钢；进气管4材质为不锈钢，管径为3-12mm，出气管11材质为不锈钢，管径为6-15mm，外包覆加热带。出气孔1c孔径大于进气孔1a。热反应器槽22和热反应器盖23的边沿留有12个直径5-10mm螺纹孔1d，供12枚螺栓和螺母密封。气体流量计20用以监测抽提速率，真空泵21绝对压力30-80kpa，以泵上流量调节阀调节抽提速率，不小于进气速率。

本实施例还提供一次污染土壤热修复可行性研究实验步骤和结果，所进行实验基于已搭建完成的污染土壤热修复可行性研究实验装置，包括以下步骤：

1、从现场某区域采集10kg污染土壤装入密封桶，置于冷藏室中低温保存；

2、在通风橱中轻柔混匀污染土壤并过2目筛网，混匀后装回密封桶并置于冷藏室保存；

3、根据前期场地调查，关注污染物为多环芳烃，取少量混匀土壤分析土壤理化性质和多环芳烃浓度；

4、根据结果将目标温度设定为325℃，加热时间48小时；

5、取1kg混匀土壤装于热反应器内，连接进气管、出气管和热电偶并以球阀和压力表检测气密性；

6、将进气和抽提速率分别设为30ml/min，启动马弗炉开始加热；

7、325℃处理2天后，关闭马弗炉，待其自然冷却后取少量土壤样品保存；

8、分析热修复后土壤中多环芳烃浓度，计算修复效率。

上述进行的一次污染土壤热修复可行性研究实验，主要结果如下：

高效液相法测定处理前土壤中16种多环芳烃总浓度95.34mg/kg，处理后16种多环芳烃总浓度0.80mg/kg，去除效率99.16%，冷凝物质量240.0g，主要成分是多环芳烃，处理前后土壤中16种多环芳烃的浓度对比如图4。实施结果表明采用原位热修复将此场地的污染土壤加热到325℃可以达到修复目标。