污染土壤的冷冻隔离与原位热解吸一体化系统及处理方法

摘要

本发明涉及污染土壤的冷却隔离与原位热解吸一体化系统和污染土壤处理方法，包括沿修复区域边沿均匀等距分布的多个冷冻井、与冷却井连通的冷却系统、位于修复区域内的加热井、与加热井连通的加热系统、位于修复区域内的抽取井和与抽吸系统相连的抽吸系统；相邻冷冻井间距小于1米，加热井与冷冻井间距大于2米；所述的冷却系统包括置入冷冻井内的冷冻循环管和冷冻流体注入系统，冷冻流体注入系统的出口连通冷冻井，冷冻井的内侧和外侧设置流体压力计；所述加热系统包括设置入加热井中的加热管和热蒸汽注入系统，热蒸汽注入系统的出口连通加热井。结合了冷冻隔离屏障技术和土壤热解吸技术，设计得到污染土壤的冷冻隔离与原位热解吸一体化系统。

说明书

技术领域

本发明属于环境保护中地下水修复领域，具体涉及一种污染土壤的冷冻隔离与原位热解吸一体化系统。

背景技术

近年来，伴随着工业企业的外迁，城市中的污染场地的数量逐渐增多，对周边居民形成了潜在的环境威胁，占据了城市中宝贵的土地资源，影响了城市的可持续发展。污染场地中可能存在种类繁多的污染物，包括重金属污染物和有机污染物等，部分污染物具有累积性，容易对周边人群产生威胁。因此，必须对这类污染场地进行治理修复。常见的土壤治理修复技术有十几种，可分为物理、化学和生物法三大类。

热解吸技术是处理有机物污染土壤的物理处理技术，是指通过直接或间接热交换将污染介质及其所含的有机污染物加热到足够的温度，把有机污染物从固相土壤中转移到气相并使其挥发出来，气相污染物再通过燃烧或冷凝吸附的方式处理，达标后排放。热解吸修复技术适用于处理土壤中的挥发性、半挥发性的有机污染物，不适用于处理重金属污染物。

在污染场地的治理修复过程中经常采取隔离措施限制污染物的迁移和扩散，在有机污染物的热解吸过程中，需要设置隔离屏障限制污染物的迁移，以实现污染物的彻底抽提。常见的隔离屏障主要包括：搅拌桩连续墙、高压旋喷桩、止水帷幕、冷冻隔离屏障。其中，冷冻隔离屏障安装操作简单、工期短、能够在短期内发挥有效的隔离效果、适应性强、隔水性好、环境影响小。冷冻隔离屏障是通过人工制冷技术，将冷冻井周围土层、含水岩层冻结，形成冻结壁来隔离地下水。冻结法可分为间接冻结法和直接冻结法两种。间接冻结法是通过低温盐水循环，带走土体中的热量，使土体冻结。而直接冻结法是将液氮或者干冰，在冻结管内直接气化，利用气化潜热和温升显热实现制冷，最后再将气体排出到空气中。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，结合冷冻隔离屏障技术和土壤热解吸技术，设计得到污染土壤的冷冻隔离与原位热解吸一体化系统。通过短期内在污染区域周围布置冷冻井，形成一道单层不渗透隔离屏障，控制土壤或地下水中污染物迁移，然后利用原位热解吸系统抽取土壤中的污染物。

为达到以上目的，本发明提供了污染土壤的冷却隔离与原位热解吸一体化系统，

包括沿修复区域边沿均匀等距分布的多个冷冻井、与冷却井连通的冷却系统、位于修复区域内的加热井、与加热井连通的加热系统、位于修复区域内的抽取井和与抽吸系统相连的抽吸系统；

相邻冷冻井间距小于1米，加热井与冷冻井间距大于2米；抽取井与加热井的距离小于0.5米，抽取井与冷冻井的距离大于1米；

所述的冷却系统包括置入冷冻井内的冷冻循环管和冷冻流体注入系统，冷冻流体注入系统的出口连通冷冻井，冷冻井的内侧和外侧设置流体压力计；

所述加热系统包括设置入加热井中的加热管和热蒸汽注入系统，热蒸汽注入系统的出口连通加热井；

加热系统和冷却系统进行冷热流体交换，冷却系统的热量交换给加热系统。

一体化系统包括定向冷冻井、冷却管、冷冻流体注入和抽出系统、制冷压缩机、热蒸汽制造装置、热交换器、加热井、加热管、抽取井和流体压力计，一个制冷，一个制热，通过热交换器进行热交换。

本发明将流体压力计安装在冷冻井的内侧和外侧，通过测量水头监测结冰屏障的厚度和深度。一体化系统使用完成后可进行回收，首先关闭冷冻井，延长加热井的运行时间，同时将热蒸汽注入冷冻井中，待冷冻土壤解冻后，取出冷却管，用于其它场地的冷冻隔离。

优选的，修复区域设置成圆形，所述冷冻井按圆周布置于修复区域外延，加热井和抽提井均位于圆周内侧。

优选的，所述冷冻井采用向外倾斜的方式布置于土壤中。

优选的，所述的冷冻井中布置冷冻液注入管和抽出管。

优选的，所述的倾斜角α大于10°，冷冻井底端至污染区底端高度大于2m。

一种污染土壤处理方法，包括，

规划冷冻井、加热井和抽取井的位置步骤：其中沿修复区域周围均匀间隔地在土壤里排布冷冻井，冷冻井的深度至少低于污染区域最下方2米，相邻冷冻井之间的间距小于1米，加热井和抽取井位于冷冻井围成的修复区域内，加热井与冷冻井间距大于2米；抽提井与加热井的距离小于0.5米，抽提井与冷冻井的距离大于1米；

制造冷冻屏障的步骤：首先将冷却管放入冷冻井中，并将液氮或干冰注入冷冻井，进行直接冷冻，然后开启制冷压缩机，向冷冻井底部注入冷冻流体，从冷冻井上方抽出冷冻流体，重新进行冷却，实现冷冻流体的循环，同时利用热交换器收集热量；

热解吸步骤：冷冻屏障形成后，将加热管放入加热井中，通入热蒸汽，利用抽取井抽取污染物。

优选的还包括，回收步骤：在使用完后，将热空气注入冷冻循环管中，待冷冻土壤解冻后，取出冷却管。

优选的，所述的冷冻流体为氯化钙盐水、氯化钠盐水、乙醇或乙二醇。

优选的，规划冷冻井、加热井和抽取井的位置步骤中，冷冻井、加热井和抽取井采用夯管法打孔，其中，冷冻井往外倾斜方向安装。

冷冻井沿着修复区域周围均匀等距分布排列，布置在未污染土壤或基本未污染的土壤里，以倾斜的方向安装。冷冻过程采用间接冷冻的方式，利用冷冻流体作为循环流体带走土壤中的热量，起到冷冻土壤的作用，所用到的冷冻流体为氯化钙盐水、氯化钠盐水、乙醇或乙二醇等。

本发明将流体压力计安装在冷冻井的内侧和外侧，通过测量水头监测结冰屏障的厚度和深度。一体化系统使用完成后可进行回收，首先关闭冷冻井，延长加热井的运行时间，同时将热蒸汽注入冷冻井中，待冷冻土壤彻底解冻后，取出冷却管，用于其它场地的冷冻隔离。

本发明设计得到污染土壤的冷冻隔离与原位热解吸一体化系统，制冷压缩机产生的热量通过热交换器传递到热解吸系统。在修复区域内，现场热解吸土壤修复系统能升高土壤温度，在土壤内污染物汽化，从而促进污染物的抽提。利用冷冻井在一个修复区域周围形成结冰的隔离屏障，阻止污染物在修复区域的迁移和流动(流入或流出)，阻止污染物从修复区域流入未污染土壤中，防止污染扩散。抑制地下水流入修复区域可以减少需要处理地下水的量，因此可以减小处理设施的尺寸，降低在地下水修复成本。同理，抑制污染物流动可以减少现场热解吸修复系统的运行费用。

本发明将冷冻井和热解吸设计在同一套系统，一个制冷，一个制热，通过热交换器进行热交换，节约制热所需的能力，进而节省修复费用。冷冻井跟加热井应具有一定的距离，以免冷冻土壤被快速加热，影响冷冻隔离效果。加热井应靠近抽提井，便于热解气体的抽提。严格控制冷冻井和加热井之间的距离，防止干涉问题的发生，造成能量浪费。

本发明采用直接冷冻和间接冷冻结合的方式进行冷冻，隔水性好、环境影响小、冷冻效果好，形成的冷冻隔离屏障均匀，封闭性好；另外，采用冷冻法制备冷冻隔离屏障所需的工期较短，能够满足快速修复的要求。冷冻隔离屏障与现场原位热解吸土壤修复系统两者可以共用一套打井装置，而且所需的制冷制热装置可放在一起，减少空间占地面积。制冷压缩机产生的热量通过热交换器传递到热解吸系统，减少能量的消耗，进而降低热解吸修复过程的运行费用。

附图说明

图1为本发明中冷冻井、加热井和抽提井布局示意图；

图2为本发明中冷冻井倾斜示意图；

图3为冷冻井中冷冻流体注入口和抽出口的示意图；

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明。

根据图1至图3所示的污染土壤的冷却隔离与原位热解吸一体化系统，包括沿修复区域边沿均匀等距分布的多个冷冻井、与冷却井连通的冷却系统、位于修复区域内的加热井、与加热井连通的加热系统、位于修复区域内的抽取井和与抽吸系统相连的抽吸系统；相邻冷冻井间距L小于1米，加热井与冷冻井间距大于2米；抽取井与加热井的距离小于0.5米，抽取井与冷冻井的距离大于1米；所述的冷却系统包括置入冷冻井内的冷冻循环管和冷冻流体注入系统，冷冻流体注入系统的出口连通冷冻井，冷冻井的内侧和外侧设置流体压力计；所述加热系统包括设置入加热井中的加热管和热蒸汽注入系统，热蒸汽注入系统的出口连通加热井；加热系统和冷却系统进行冷热流体交换，冷却系统的热量交换给加热系统。一体化系统包括定向冷冻井、冷却管、冷冻流体注入和抽出系统、制冷压缩机、热蒸汽制造装置、热交换器、加热井、加热管、抽取井和流体压力计，一个制冷，一个制热，通过热交换器进行热交换。

本发明将流体压力计安装在冷冻井的内侧和外侧，通过测量水头监测结冰屏障的厚度和深度。一体化系统使用完成后可进行回收，首先关闭冷冻井，延长加热井的运行时间，同时将热蒸汽注入冷冻井中，待冷冻土壤解冻后，取出冷却管，用于其它场地的冷冻隔离。

修复区域设置成圆形，所述冷冻井按圆周布置于修复区域外延，加热井和抽提井均位于圆周内侧。优选的，所述冷冻井采用向外倾斜的方式布置于土壤中，夹角为α＞10°，冷冻井底端到污染土壤底部的高度h＞2米。

一体化系统的操作步骤为：(1)规划冷冻井、加热井和抽取井的位置，并进行定向钻井操作；(2)将冷冻循环管放入井中，开启制冷压缩机，然后往井内注入冷冻流体，进行冷冻操作；(3)冷冻屏障形成后，将加热管放入加热井中，通入热蒸汽，利用抽取井抽取污染物。在实施方案中，应先运行冷冻系统，待隔离屏障形成后运行热解吸系统的加热和抽吸系统。

冷冻井沿着修复区域周围均匀等距分布排列，布置在未污染土壤或基本未污染的土壤里，以倾斜的方向安装。冷冻过程采用直接冷冻和间接冷冻相结合的方式，首先利用干冰或液氮进行直接冷冻处理，然后利用冷冻流体作为循环流体带走土壤中的热量，起到冷冻土壤的作用，所用到的冷冻流体为氯化钙盐水、氯化钠盐水、乙醇或乙二醇等。

一、施工准备

1)施工现场整理，配备水、电；

2)规划冷冻井、加热井和抽取井的位置。

二、定向钻孔

1)采用夯管法打孔，冷冻井的孔径为10cm，加热井和抽取井的孔径为5cm，冷冻井往外倾斜的方向安装，偏离垂直方向10度；

2)冷冻井按照圆周布置，圆直径为20米，相邻冷冻井的间距为1米，冷冻井的深度低于污染区域最下方2米；

3)加热井位于圆周内侧，加热井与冷冻井的最短距离为2米。

三、冷冻循环管安装

1)将冷冻流体注入和抽出管放入冷冻井中，然后将液氮加入冷冻井中，开启制冷压缩机，将冷冻流体注入冷冻井中，同时不断抽出上层的冷冻流体；

2)不断进行冷冻流体循环操作。

四、冷冻隔离屏障监测

1)将流体压力计安装在结冻井的内侧和外侧；

2)通过测量水头监测结冰屏障的厚度和深度。

五、污染物抽取

1)冷冻屏障形成后，将加热管放入加热井中；

2)开启加热系统，往加热井中通入热空气，通过抽取井抽取污染物。

六、一体化系统的回收

1)首先将冷冻循环管中的冷却流体抽出；

2)将热空气注入冷冻循环管中，待冷冻土壤解冻后，取出冷却管。

以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述的实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可以作出种种等同的变型或替换，这些等同变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。