有机污染场地的原位热脱附-氧化修复系统及修复方法

摘要

一种有机污染场地的原位热脱附‑氧化修复系统及修复方法，该系统及方法通过对原位热脱附‑氧化修复过程中流量、温度以及污染物的实时监控，对鼓风装置、加热装置、抽出装置和供氧装置等进行自动控制，可有效解决进气量、温度和尾气排放之间相互控制的关键问题，保证了系统运行过程中流量、温度的稳定控制，实现原位热脱附‑氧化过程自动、高效、节能、连续稳定的控制，确保污染场地有机污染物连续节能高效的去除。

说明书

技术领域

本发明涉及有机物污染土壤和地下水修复技术领域，尤其涉及一种有机污染场地的原位热脱附-氧化修复系统及修复方法。

背景技术

原位热脱附技术是处理工业企业有机污染场地常用的修复方法。热脱附技术是直接对污染土壤进行加热，将土壤中的挥发和半挥发性污染物加热至沸点以上，提高污染物的饱和蒸汽压，使其从土壤表面或者土壤空隙中挥发出来，再对进入气相后的气相污染物进行处理的技术。该技术处理效果较好，对土壤破坏小，操作设备简单易操作，但能耗较高，而且需要对挥发出来的有机物进行进一步处理。

原位化学氧化修复技术主要是通过添加氧化能力较强的氧化剂，使土壤或地下水中的污染物转化为无毒或相对毒性较小的物质。常见的氧化剂包括高锰酸盐、过氧化氢、芬顿试剂、过硫酸盐和臭氧。该技术修复速度快、适用面广，但消耗量较大，且在渗透性较差的区域，药剂传输速率可能较慢，可能会发生产热、产气等不利影响。

由于污染场地地质条件的复杂性、挥发性有机污染物的性质和土壤中污染物分布不均等问题，单一的修复技术往往不能达到预期的修复目标，联合修复技术的需求显得尤为迫切。原位热脱附技术和化学氧化技术的结合，可以有效地强化场地的有机污染物去除。但是，如何实现原位热脱附-氧化系统运行过程中进气量、温度及尾气排放等相互之间的控制是该系统亟需解决的关键问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种有机污染场地的原位热脱附-氧化修复系统及修复方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

作为本发明的一个方面，提供一种有机污染场地的原位热脱附-氧化修复方法，包括以下步骤：

(1)通过鼓风装置将受热空气鼓入加热井内，所述受热空气的初始流量Q₁，通过所述加热井进入有机污染场地的污染土壤中进行有机污染物的热脱附，通过抽出装置将热脱附产生的有机污染气体以流量Q₂自抽提井中抽出；

(2)将所述有机污染气体和氧气送入热催化氧化反应室内进行催化氧化并产出尾气，其中氧气流量Q₃根据实时监测的有机污染物的浓度和有机污染气体的流量进行调节；

(3)对尾气中的有机污染物浓度进行实时监测，若有机污染物浓度达到排放标准，则将尾气排空；若有机污染物浓度数据没有达到排放标准，则将尾气回注入加热井中，并对回注入加热井中的尾气流量Q₄进行监测；

(4)若尾气回注入加热井，则判断回注入加热井中的尾气流量Q₄是否超过受热空气的初始流量Q₁，若Q₄大于或等于Q₁，则关闭所述鼓风装置，反之，则调节鼓风装置运行，使其产生的受热空气流量为Q₁与Q₄的差值；

(5)若所述有机污染气体和尾气中的有机污染物浓度数据均达到排放标准，则完成有机污染场地的原位热脱附-氧化修复，反之，则继续步骤(1)至步骤(4)的流程。

优选地，步骤(1)中，在受热空气进入加热井内时还包括调节加热井内温度的步骤：调节受热空气的温度，以使加热井内温度在设定范围T₁内；

步骤(3)中，在受热空气和/或尾气进入加热井内时还包括调节加热井内温度的以下步骤：(I)判断尾气是否回注入加热井中：若无尾气回注，则单独调节受热空气的温度，以使加热井内温度在设定范围T₁内；若有尾气回注，则进入下一步；(II)判断尾气流量Q₄是否超过受热空气的初始流量Q₁：若Q₄大于或等于Q₁，则单独调节尾气温度，使加热井内温度在设定范围T₁内，反之，则同时调节尾气和受热空气的温度，使加热井内温度在设定范围T₁内。

优选地，调节所述尾气的温度T₂和受热空气的温度T₃相同。

优选地，步骤(2)还包括调节氧气加热温度的步骤，以使热催化氧化反应室内温度在设定范围T₄内。

优选地，步骤(2)中，氧气流量Q₃大于有机污染物流量的1～2倍，所述有机污染物流量为有机污染物的浓度和有机污染气体的流量之积。

作为本公开的另一个方面，提供一种有机污染场地的原位热脱附-氧化修复系统，包括：

原位热脱附单元，包括鼓风装置、加热井、抽提井和抽出装置，所述鼓风装置将受热空气输送至加热井内，通过加热井进入有机污染场地的污染土壤中进行有机污染物的热脱附，并在抽出装置的作用下将热脱附产生的有机污染气体自抽提井中抽出；

氧化单元，包括供氧装置和热催化氧化反应室，供氧装置向热催化氧化反应室内输送氧气，热催化氧化反应室包括有机污染气体入口和尾气出口，有机污染气体入口连接至所述抽出装置，以使有机污染气体进入热催化氧化反应室内进行催化氧化并产出尾气，尾气出口通过一控制阀连接至加热井，该控制阀控制尾气排空或回注加热井中；

监测单元，包括位于鼓风装置、抽出装置、供氧装置和尾气出口处的流量传感器、设置于抽出装置处的第一污染物在线监测装置以及设置于尾气出口处的第二污染物在线监测装置；

控制单元，包括中心控制器和变频器，所述中心控制器根据监测单元监测的数据，并通过变频器控制所述鼓风装置、抽出装置、供氧装置和控制阀来执行前述的原位热脱附-氧化修复方法。

优选地，所述原位热脱附单元还包括：位于所述鼓风装置处的第一加热装置，以对所述鼓风装置鼓出的空气加热，形成所述受热空气；

所述氧化单元还包括：位于所述控制阀处的第三加热装置，以对回注加热井中的尾气进行加热；

所述监测单元还包括：设置于所述加热井、第一加热装置和第三加热装置内的温度传感器；

所述中心控制器根据所述温度传感器的数据，并通过变频器控制所述第一加热装置和第三加热装置来执行以下步骤：

(I)判断尾气是否回注入加热井中：若无尾气回注，则单独调节受热空气的温度，以使加热井内温度在设定范围T₁内；若有尾气回注，则进入下一步；

(II)判断尾气流量Q₄是否超过受热空气的初始流量Q₁：若Q₄大于或等于Q₁，则单独调节尾气温度，使加热井内温度在设定范围T₁内，反之，则同时调节尾气和受热空气的温度，使加热井内温度在设定范围T₁内。

优选地，所述控制系统还包括太阳能供电单元，所述太阳能供电单元连接至所述第一加热装置和第三加热装置。

优选地，所述原位热脱附单元还包括：位于供氧装置处的第二加热装置，用于对所述供氧装置输出的氧气进行加热；

所述监测单元还包括：设置于所述热催化氧化反应室内的温度传感器；

所述中心控制器根据所述温度传感器的数据，并通过变频器控制第二加热装置来执行以下步骤：

调节氧气加热温度以使热催化氧化反应室内温度在设定范围T₄内。

优选地，所述中心控制器为PLC可编程逻辑控制器。

基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：

(1)本发明将原位热脱附和热催化氧化相结合，根据污染物浓度数据和流量监测数据对氧气进气量进行自动调节，根据产生的尾气流量和污染物浓度数据，控制尾气排空或回注加热井，并对空气进气量进行自动调节，保证了原位热脱附-氧化处理过程中流量的稳定控制，有利于有机污染物的持续高效的去除。

(2)将没有达到排放标准的尾气回注加热井，充分利用了尾气的余热，实现能源再利用的同时，通过气相有机污染物的多次循环降解，提高了降解率。

(3)进一步结合流量数据和温度监测数据，对加热装置的运行进行自动控制，以自动调节空气和尾气加热温度，保证了加热井内温度的稳定控制，以及自动调节氧气加热温度，保证气相有机污染物的持续高效的去除。

(4)通过太阳能供电单元对加热装置进行加热，可以实现节约能源的目的。

附图说明

图1是本发明一种有机污染场地的原位热脱附-氧化修复系统的组成及控制流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明针对原位热脱附-氧化修复系统运行过程中进气量、温度及尾气排放相互之间控制问题，根据污染物浓度数据和流量监测数据对氧气进气量进行自动调节，根据产生的尾气流量和污染物浓度数据，控制尾气排空或回注加热井，并对空气进气量进行自动调节，保证了原位热脱附-氧化处理过程中流量的稳定控制，有利于有机污染物的持续高效的去除；进一步结合流量数据和温度监测数据，对加热装置的运行进行自动控制，以自动调节空气和尾气加热温度，保证了加热井内温度的稳定控制，以及自动调节氧气加热温度，保证气相有机污染物的持续高效的去除。

图1是本发明一种有机污染场地的原位热脱附-氧化修复系统的组成及控制流程示意图。如图1所示，本发明有机污染场地的原位热脱附-氧化修复系统包括：

原位热脱附单元，其包括鼓风装置、加热井、抽提井和抽出装置，鼓风装置将受热空气输送至加热井内，通过加热井进入有机污染场地的污染土壤中进行有机污染物的热脱附，并在抽出装置的作用下将热脱附产生的有机污染气体自抽提井中抽出；

氧化单元，包括供氧装置和热催化氧化反应室，供氧装置向热催化氧化反应室内输送氧气，热催化氧化反应室包括有机污染气体入口和尾气出口，有机污染气体入口连接至抽出装置，以使有机污染气体进入热催化氧化反应室内进行催化氧化并产出尾气，尾气出口通过一控制阀连接至加热井，该控制阀控制尾气排空或回注加热井中；

监测单元，包括位于鼓风装置处的第一流量传感器、位于抽出装置处的第二流量传感器、位于供氧装置处的第三流量传感器和位于尾气出口处的第四流量传感器、设置于抽出装置处的第一污染物在线监测装置以及设置于尾气出口处的第二污染物在线监测装置；

控制单元，包括中心控制器和变频器，该中心控制器优选为PLC可编程逻辑控制器，该根据监测单元监测的数据，并通过变频器控制所述鼓风装置、抽出装置、供氧装置和控制阀来执行以下流程，以便在原位热脱附-氧化修复过程中保持流量的稳定，并保证修复效果：

(1)控制鼓风装置和抽出装置运行，以使第一流量传感器测量受热空气的初始流量在设定范围Q₁内，以及使第二流量传感器测量的有机污染气体流量在设定范围Q₂内；

(2)根据第二流量传感器的流量和第一污染物在线监测装置测量的污染物浓度获取催化氧化所需的供氧量，控制供氧装置运行，以使第三流量传感器测量的氧气流量Q₃等于该供氧量；

作为优选，供氧量大于有机污染物流量的1～2倍，有机污染物流量由第二流量传感器的流量数据和第一污染物在线监测装置测量的污染物浓度数据求得。

(3)根据第二污染物在线监测装置测量的污染物浓度判断尾气是否能够排空，若污染物浓度达到排放标准，则排空，若污染物浓度没有达到排放标准，则将尾气回注入加热井中，并通过第四流量传感器对该尾气流量进行测量；

(4)判断第四流量传感器的流量Q₄是否超过设定范围Q₁，若Q₄大于或等于Q₁，则关闭鼓风装置，反之，则调节鼓风装置运行，使第一流量传感器测量的流量为Q₁与Q₄的差值；

(5)若第一污染物在线监测装置和第二污染物在线监测装置测量的污染物浓度均达到排放标准，则完成有机污染场地的原位热脱附-氧化修复，反之，则继续步骤(1)至步骤(4)的流程。

进一步地，原位热脱附单元还包括：位于鼓风装置处的第一加热装置，对所述鼓风装置鼓出的空气加热形成受热空气；

氧化单元还包括：位于控制阀的出口处的第三加热装置，以对回注加热井中的尾气进行加热；

监测单元还包括：设置于加热井内的第一温度传感器；

中心控制器根据第一温度传感器的数据，通过变频器控制第一加热装置和第三加热装置来执行以下流程，以便保持加热井内温度的稳定：

(I)判断尾气是否回注入加热井中，若无尾气回注，则控制第一加热装置运行，以使第一温度传感器的温度数据在设定范围T₁内，反之，则进入下一步；

(II)判断第四流量传感器的流量Q₄是否超过设定范围Q₁，若Q₄大于或等于Q₁，则控制第三加热装置单独运行，使第一温度传感器的温度数据在设定范围T₁内，反之，则控制第一加热装置和第三加热装置同时运行，使第一温度传感器的温度数据在设定范围T₁内。

进一步地，第一加热装置内设置有第二温度传感器，第三加热装置内设置有第三温度传感器，当第一加热装置和第三加热装置同时运行时，通过对第一加热装置和第三加热装置运行控制，使第二温度传感器的温度数据T₂和第三温度传感器的温度数据T₃相同。

进一步地，原位热脱附单元还包括：位于供氧装置处的第二加热装置，以对供氧装置输出的氧气进行加热；

监测单元还包括：设置于热催化氧化反应室内的第四温度传感器；

中心控制器根据第四温度传感器的数据，并通过变频器控制第二加热装置来执行以下流程：

控制第二加热装置的运行以使第四温度传感器的温度在设定范围T₄内。

进一步地，控制系统还包括太阳能供电单元，太阳能供电单元连接至第一加热装置、第二加热装置和第三加热装置，该太阳能供电单元借助太阳能光伏电板将光能转化为电能储存在蓄电池中，用于给加热装置供电。

以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步解释说明：

某VOC污染场地，污染物主要是石油烃和多环芳烃。根据图1所示，连接好各个相应的装置，先通过PLC可编程逻辑控制器上的控制面板将加热井温度T₁、鼓风装置初始流量Q₁、抽出装置流量Q₂、及热催化氧化反应室内温度T₄等相关参数依次输入，PLC可编程逻辑控制器根据相关程序计算，输出相对应的4～20mA控制信号至带有4～20mA信号接收功能的变频器，通过变频器对鼓风装置、抽出装置、供氧装置和加热装置进行自动控制。设置加热井的温度T₁为400℃和鼓风装置的初始流量Q₁为1.0m³/min，PLC可编程逻辑控制器自动调节第一加热装置的加热温度大约450℃。第一污染物在线监测装置监测石油烃和多环芳烃浓度变化，设置第二流量传感器数据Q₂为0.3m³/min，设置热催化氧化反应室内温度T₄为400℃，PLC可编程逻辑控制器通过预先设定的运算程序自动调节供氧装置的供氧流量Q₃为1.5m³/min和第二加热装置的加热温度400℃。根据在线监测装置2#监测数据D₂为石油烃、多环芳烃和氧气浓度变化，PLC可编程逻辑控制器通过预先设定的程序判断尾气是否符合排放标准，若符合排放标准，则开启排放程序，打开尾气排气阀；若不符合排放标准，则进入第三加热装置后，再一次回注至加热斜井。此时，第四流量传感器检测到尾气的流量Q₄为1.5m³/min，超过鼓风机的流量Q₁>3/min，PLC可编程逻辑控制器通过预先设定的程序自动断开鼓风机和第一加热装置，此时PLC可编程逻辑控制器根据加热井内第一温度传感器的数据的变化经预先设定的运算程序自动调节第三加热装置的加热温度T₄。随着原位热脱附-氧化系统的运行，PLC可编程逻辑控制器继续根据第一污染物在线监测装置的监测数据D₁和第二流量传感器的流量数据Q₂自动调节供氧流量；根据第二污染物在线监测装置监测数据D₂和尾气的流量Q₄的变化控制尾气是否排空以及自动调节鼓风装置的流量，根据加热井内第一温度传感器的数据自动调节第一加热装置和第三加热装置的加热温度，根据热催化氧化反应室内温度自动调节第二加热装置的加热温度，如此往复，当第一污染物在线监测装置的监测数据D₁和第二污染物在线监测装置的监测数据D₂均符合排放标准时，即完成了有机污染场地原位热脱附-氧化修复。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。