CN114309038A - 一种丙二醇强化的混合蒸汽去除土壤中有机物的原位修复方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种丙二醇强化的混合蒸汽去除土壤中有机物的原位修复方法和系统。通过将丙二醇与水的混合液共同加热成混合蒸汽注入到含有机污染物的土层中，1)混合蒸汽强化了丙二醇在土壤中的穿透能力；2)混合蒸汽中的丙二醇，提高了土壤中有机物的迁移性；3)丙二醇的沸点高于水强化了蒸汽对有机物的吹脱作用，从而解决现有原位热脱附修复周期长和能耗高等问题。系统包括：混合蒸汽发生与注入单元，丙二醇与水的混合液经蒸汽发生器产生100‑180℃混合蒸汽，混合蒸汽经蒸汽增压泵后注入到蒸汽注入井中，对目标土层进行修复；尾气抽提处理单元，由抽提装置和活性炭吸附罐组成，可对脱附的有机物和增溶剂丙二醇收集处理。

Description

一种丙二醇强化的混合蒸汽去除土壤中有机物的原位修复方 法和系统

技术领域

本发明涉及土壤原位修复技术领域，具体涉及一种丙二醇强化的混合蒸汽去除土壤中有机物的原位修复方法和系统。

背景技术

土壤是人类社会赖以生存和物质发展的基础。随着我国经济高速发展的同时，土壤和地下水环境的污染问题也日益严重。我国环境保护部与国土资源部2014年发布《全国土壤污染状况调查公报》后，我国土壤污染程度之深已受到社会各界的重视。土壤污染物中，有机物污染物比如PAHs、DNAPL等，因其具有高迁移性和高毒性给人类健康和生态环境带来严重威胁。而由于其具有水溶性差、修复标准低和迁移性大(污染深度可达地下几十米)等特点给修复工作带来严重的技术和经济挑战。

近年来，因其修复周期短、无需挖掘污染土壤、修复效果好等特点，原位热脱附技术被国内外日益广泛应用于修复受有机物污染的土壤。蒸汽强化气相抽提技术(SEE)作为一种使用最多的原位热脱附技术之一，通过向土壤注入高温蒸汽实现土壤中有机污染物的脱附。蒸汽热强化气相抽提技术从90年代开始使用，国外的工程实践表明，通过高温水蒸汽来加热土壤，通过解吸、溶解和蒸发地下污染物质，可加速有机物脱附，修复效果良好。另外，其独特优势在于能够治理处于高流速地下水的土壤环境，但其最大加热温度只能达到100℃左右。该技术在大型修复场地应用推广过程中，特别是针对污染物沸点较高的多环芳烃及其复合污染场地，存在修复周期长和能耗高等问题。

另一方面，土壤淋洗修复技术具有效率高、周期短等特点，对消除或减轻土壤中的PAHs具有明显的优势。然而，原位土壤淋洗技术受制于淋洗剂在土壤中有效的传输。尤其是，在应用于渗透性较差的土壤时，原位土壤淋洗技术的修复效果大打折扣。同时，残余表面活性剂的环境隐患对它的实际应用产生了不利影响。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种丙二醇强化的混合蒸汽去除土壤中有机物方法和系统。丙二醇可溶解有机物、可与水混溶、沸点较低可以和水蒸汽形成混合气体共同注入目标土层当中，丙二醇随蒸汽均匀快速穿透土层。此方法增加有机物的迁移性和强化蒸汽对有机物的吹脱作用，解决现有原位热脱附修复周期长和能耗高等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种丙二醇强化的混合蒸汽去除土壤中有机物的原位修复方法，将丙二醇与水的混合溶液经蒸汽发生器，将产生的混合蒸汽注入到目标土层中，再进行抽提，对土壤中有机物进行热脱附。

进一步的，所配置的丙二醇与水的混合液可以现场混合或预制，丙二醇与水体积比范围在5％-30％。

进一步的，丙二醇增溶剂混合液被输送至混合蒸汽发生器，产生温度范围在100℃～180℃的混合蒸汽。

进一步的，运行一段时间后，尾气中污染物浓度显著下降并出现拖尾现象，此时土壤中残留污染浓度较低，此时注入新鲜空气，同时减小抽提速率。

进一步的，在污染土壤表面覆盖一层不透气的保护盖。

上述的一种丙二醇强化的混合蒸汽去除土壤中有机物的原位修复方法用于多环芳烃及多环芳烃复合污染场地的修复。

本发明还提供一种丙二醇强化的混合蒸汽去除土壤中有机物的原位修复系统，所述系统包括：

混合蒸汽发生与注入单元，包括溶剂罐、蒸汽发生器、蒸汽增压泵和蒸汽注入井，蒸汽发生器与蒸汽增压泵通过管道连接，蒸汽增压泵的输出端通过分布歧管连接有多个蒸汽注入井，丙二醇与水的混合液经蒸汽发生器产生100-180℃混合蒸汽，混合蒸汽经蒸汽增压泵后注入到蒸汽注入井中，对目标土层进行修复；

尾气抽提和处理单元，包括蒸汽抽提井、液体收集罐、抽提动力设备和活性炭吸附罐，依次通过抽提管道连接，尾气抽提和处理单元可对脱附的有机物和丙二醇有效收集处理，气相污染物的混合物从蒸汽抽提井被抽提出后经液体收集罐气液分离，分离出的气体再进入活性炭吸附罐被吸附。

进一步地，系统还包括计量泵，计量泵连接在溶剂罐和蒸汽发生器之间。

进一步地，抽提动力设备为罗茨风机。

进一步地，系统还包括监测单元，监测单元包括温度表和压力表以及监测井，蒸汽注入井和压力表之间连接有阀门，温度表和压力表对注入井和监测井中蒸汽的温度和压力、土层的温度和压力进行实时监测。

进一步地，蒸汽增压泵为控制蒸汽注入地层的动力设备，蒸汽增压泵的注入压力介于40Kpa～50Kpa之间，耐高温200℃以上，丙二醇水混合蒸汽注入分布歧管，再注入蒸汽注入井。

进一步地，最大抽提压力介于-50KPa～-70Kpa之间。

进一步地，混合蒸汽注入井布置在污染区域，井的深度要大于污染最深土层0.5m。

进一步地，监测单元中的温度表、压力表与PLC控制器连接，实现对整个运行设备和场地情况的实时监测。

进一步地，所述液体收集罐具有温度调节装置和温度传感器，能对液体收集罐进行降温，方便冷凝液体。温度传感器将温度信息传递给PLC控制器，PLC控制器控制温度调节装置调节温度。

本发明的有益效果是：丙二醇由于沸点较低可以和水蒸汽形成混合气体共同注入目标土层当中，丙二醇和水蒸汽均匀有效穿透土层，实现对有机物的高效热脱附。本发明方法通过混合蒸汽从以下三方面作用提升污染物去除效率和降低能耗：1)混合蒸汽强化了丙二醇在土壤中的穿透能力；2)混合蒸汽中的丙二醇，提高了土壤中有机物的迁移性；3)丙二醇的沸点高于水，强化了蒸汽对有机物的吹脱作用。其他小分子增溶剂比如丙酮、甲醇、乙醇和丙醇等，虽然也可溶解有机物、与水混溶，但是他们沸点过低(<100℃)，其蒸汽进入土壤中无法有效冷凝，因此无法起到对有机物的溶解作用。而其他高分子表面活性剂由于其沸点过高，无法与水形成混合蒸汽。丙二醇沸点在187℃，其蒸汽进入土壤中会冷凝下来，并溶解土壤中的有机物。另外，由于其沸点较高，因此产生的混合蒸汽沸点要高于纯水蒸汽，也强化了蒸汽对污染物的吹脱作用，适用于多环芳烃及其复合污染场地。同时，丙二醇易降解对环境影响较小。本方法显著强化了常规蒸汽强化抽提技术和原位淋洗技术修复效果，解决现有原位热脱附修复周期长和能耗高等问题。本发明具有工艺简单，污染物去除效率高等特点；提升常规原位热脱附修复效果，实现了降低能耗和成本的目的。

附图说明

图1为实验室开展混合蒸汽去除土壤中PAHs的土柱装置示意图；

图2为不同混合蒸汽去除土壤中芘的效果图；

图3为本发明提供的一种丙二醇强化的混合蒸汽去除土壤中有机物的原位修复系统的示意图。

图中，1-溶剂罐；2-蒸汽发生器；3-增压泵；4-注入井；5-抽提井；6-监测井；7-收集罐；8-罗茨风机；9-活性炭吸附罐；10-温度表；11-压力表；12-阀门；13-压力表。

具体实施方式

为了更好的理解该修复方法和系统，下面将结合实验室研究和工程实施说明书附图以及具体的实施方式对上述方案进行详细说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

实施例1

实验室研究结果：

如图1所示，实验建立了用于研究混合蒸汽去除土壤中PAHs的土柱装置。土柱材质为聚四氟乙烯，内直径为5cm，长为15cm，一次装土300g。丙二醇增溶剂与水的混合液经计量泵输送至蒸汽发生器，产生的混合蒸汽注入到土柱中。土柱的蒸汽进口处、土柱中和土柱尾部安装温度表10和压力表11。从土柱尾部出来的丙二醇水混合物进入液体收集罐，液体收集罐放入冰水里冰浴。

实验室人工配置浓度为200mg/kg的芘污染土壤，老化7天后，称取300g上述污染土壤放入土柱中。实验分别考察了丙酮、甲醇、乙醇、正丙醇和丙二醇溶液所产生混合蒸汽对土壤中芘的去除能力。分别配置浓度(体积比)为20％的上述小分子增溶剂溶液。计量泵以1g/min的速率将上述溶液注入到蒸汽发生器中，产生的混合蒸汽注入到土柱中，实验运行6小时后。待温度土壤冷却至室温，取样分析芘的去除率。如图2所示，丙酮、甲醇、乙醇混合蒸汽相比与纯蒸汽，去除率没有提升，均在15％左右；正丙醇混合蒸汽的去除率略有提升，去除率在20％；丙二醇混合蒸汽的去除率显著提升，去除率在80％。

实施例2

实际工程实施方案：

见图2，一种丙二醇强化的混合蒸汽去除土壤中有机物的原位修复方法和系统，所述系统包括：

混合蒸汽发生与注入单元，包括溶剂罐1、蒸汽发生器2、蒸汽增压泵3和蒸汽注入井4，蒸汽发生器2与蒸汽增压泵3通过管道连接，蒸汽增压泵3的输出端通过分布歧管连接有多个蒸汽注入井4，丙二醇与水的混合液经蒸汽发生器2产生100-180℃混合蒸汽，混合蒸汽经蒸汽增压泵3后注入到蒸汽注入井4中，对目标土层进行修复；

尾气抽提和处理单元，包括蒸汽抽提井5、液体收集罐7、抽提动力设备和活性炭吸附罐9，依次通过抽提管道连接，尾气抽提和处理单元可对脱附的有机物和丙二醇有效收集处理，气相污染物的混合物从蒸汽抽提井被抽提出后经液体收集罐7气液分离，分离出的气体再进入活性炭吸附罐9被吸附。

系统还包括监测单元，监测单元包括温度表10和压力表11以及监测井6，蒸汽注入井4和压力表11之间连接有阀门12，温度表10和压力表11对蒸汽的温度和压力，土层的温度和压力进行实时监测。

在溶剂罐1中放入丙二醇溶液，溶液可经预配好后放入溶剂罐内或者在溶剂罐内配制，丙二醇5％-30％(体积比)；溶剂罐内溶剂经计量泵注入蒸汽发生器2中。蒸汽发生器2迅速将混合液加热成混合蒸汽，其热效率高于98％。

蒸汽增压泵3的输入端和蒸汽发生器2连接，增压泵3是控制混合蒸汽注入地层的动力设备，混合蒸汽发生与注入单元的注入压力介于40Kpa～50Kpa之间，耐高温200℃以上，混合蒸汽注入分布歧管，再注入混合蒸汽注入井4。混合蒸汽注入井4布置在污染区域，井的深度要大于污染最深土层0.5m。

抽提井5将携带有机污染物的丙二醇水混合物抽出；抽提井5四周均匀布置多个蒸汽注入井4。在污染土壤表面覆盖一层不透气的保护盖，一方面提升抽提井的抽提效率，同时防止有机物受热从地表溢出。

抽提井输出端与液体收集罐7连接；将气相污染物的混合物进行气液分离，少量液相污染物随冷凝水进入液体收集罐存储，统一分离。液体收集罐7输出端与罗茨风机8输入端连接端连接，罗茨风机产生最大抽提压力介于-50KPa～-70Kpa之间。罗茨风机的输出端与活性炭吸附罐9相连接，对尾气中有机物进行吸附。

所述监测单元，包括监测井6和布置在气路上的温度表10和压力表11(如图1)。为了实时了解土体状态，设置有监测井6，其内连接有土壤温度表和压力表，用于实时监测土体温度和压强，为原位修复系统的工作提供参考，全面了解系统运行状态，提升修复效率。另外，在蒸汽发生器2出口连接温度表，监测蒸汽注入温度；在蒸汽注入和抽提井前段连接压力表11，监测蒸汽注入压力和抽提压力，蒸汽注入井和压力表之间连接有阀门12。

下面将通过具体的实施方案进行说明：

第一步，根据场地调查与风险评估报告，确定场地污染特征包括污染物类型、污染分布和场地水文地质情况；设计蒸汽注入井和抽提井布置和蒸汽注入和抽提运行等操作参数。系统的设计和运行满足标准(HJ 1165—2021)的要求。

第二步，根据设计安装混合蒸汽发生与注入单元、尾气抽提和处理单元。

第三步，按照设计参数运行系统，控制蒸汽发生器的混合蒸汽输出温度和压力以及抽提井的抽提压力，让土壤快速升温和污染物加速脱出。

第四步，运行一段时间后，尾气中污染物浓度显著下降并出现拖尾现象，此时土壤中残留污染物浓度较低，此时注入新鲜空气，同时减小抽提速率，利用土壤中的土著微生物好氧降解作用去除剩余污染物。

Claims (6)

1.一种丙二醇强化的混合蒸汽去除土壤中有机物的原位修复方法，其特征在于，将丙二醇与水的混合溶液经蒸汽发生器，将产生的混合蒸汽注入到目标土层中，再进行抽提，对土壤中有机物进行热脱附。

2.根据权利要求1所述的一种丙二醇强化的混合蒸汽去除土壤中有机物的原位修复方法，其特征在于，所配置的丙二醇与水的混合液现场混合或预制，丙二醇与水体积比范围在5％-30％。

3.根据权利要求1所述的一种丙二醇强化的混合蒸汽去除土壤中有机物的原位修复方法，其特征在于，丙二醇增溶剂混合液被输送至蒸汽发生器，产生温度范围在100℃～180℃的混合蒸汽。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种丙二醇强化的混合蒸汽去除土壤中有机物的原位修复方法用于多环芳烃及多环芳烃复合污染场地的修复。

5.一种丙二醇强化的混合蒸汽去除土壤中有机物的原位修复系统，其特征在于，所述系统包括：

混合蒸汽发生与注入单元，包括溶剂罐、蒸汽发生器、蒸汽增压泵和蒸汽注入井，蒸汽发生器与蒸汽增压泵通过管道连接，蒸汽增压泵的输出端通过分布歧管连接有多个蒸汽注入井，丙二醇与水的混合液经蒸汽发生器产生100-180℃混合蒸汽，混合蒸汽经蒸汽增压泵后注入到蒸汽注入井中，对目标土层进行修复；

尾气抽提和处理单元，包括蒸汽抽提井、液体收集罐、抽提动力设备和活性炭吸附罐，依次通过抽提管道连接，尾气抽提和处理单元可对脱附的有机物和丙二醇有效收集处理，气相污染物的混合物从蒸汽抽提井被抽提出后经液体收集罐气液分离，分离出的气体再进入活性炭吸附罐被吸附。

6.根据权利要求5所述的一种丙二醇强化的混合蒸汽去除土壤中有机物的原位修复系统，其特征在于，所述抽提动力设备为罗茨风机。

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