一种针对含水层NAPL污染的热强化多相抽提的系统和方法

技术领域

本发明涉及污染土壤及地下水污染修复处理的技术，尤其涉及一种针对含水层NAPL污染的热强化多相抽提系统和方法。

背景技术

近年来，随着我国城市化进程的加速和“退二进三”产业结构的调整，大中城市的农药、化工等工业企业关停或搬离市区，遗留了大量有机物污染场地。污染场地中的土壤和地下水典型的有机污染物包括苯系物、石油烃类、有机卤化物、多环芳烃类、农药和多氯联苯等。针对不同的污染物，市场上产生了多种土壤和地下水修复技术，包括原位修复技术与异位修复技术两大类。原位修复技术是指在不破坏土壤基本结构的基础上，污染土壤不经搅动或移动，在原位和易残留部位进行的修复技术。该方法无需开挖、移运土方，操作灵活简便，修复成本相对低廉，环境影响小，可最大限度降低污染物浓度，应用广泛、可处理不同种类的有机污染物。

典型的原位修复技术包括:原位气相抽取技术、原位生物修复技术、原位土壤冲洗技术、原位电磁波频率加热技术、原位玻璃化技术等物理、化学、生物等不同类型的修复方法。其中，多相抽提(multi－phase extraction，MPE)技术是一种环境友好型的原位修复技术，该技术是通过真空提取手段，抽取地下污染区域的土壤气体、地下水和浮油层到地面进行相分离及处理，以控制和修复土壤与地下水中的有机污染物，达到场地修复的目的。多相分离指对抽出物进行的气液及液液分离的过程，分离后的气体进入气体处理单元，液体通过其他方法进行处理。油水混合的液相可利用重力沉降原理除去浮油层，分离出含油量低的水。它具有投资低、扰动小、修复效率高、修复范围大、占地面积小以及可处理高浓度的污染土壤等优点，且同时处理污染区域的土壤气体、地下水、非水相液态污染物(non－aqueous liquid phase，NAPL)等。

目前多相抽提技术存在一些问题：1.多相抽提单纯靠真空设备(如液体环式泵、射流泵)和水泵等通过在抽提井中施加气相压力梯度和水力梯度，地下连续相相应压力梯度而流入抽提井中，强化气相污染物回收的同时也去除地下水中的溶解态污染物，目前常规的多相抽提技术受场地土壤和含水层介质的渗透性制约，不宜用于渗透性差或者地下水水位变动较大的场地；2.当针对含水层存在的非水相液体(NAPL)的抽提处理，因NAPL进入土壤后因其溶解度低而累积在地下水面上形成一层自由相物质，其带来的土壤含水层污染是一个普遍严重的污染问题。NAPL进入包气带和含水层后，其运移为重力与毛细压力间的一个平衡过程，如在低渗透率地层上易发生侧向扩散，在高渗透率地层中的重力作用下发生垂向扩散，污染物按照比重分为轻质非水相液体(LNAPL)和重质非水相液体(DNAPL),其中LNAPL主要集中在含水层的饱和地带(又称毛细管带)，形成“毛细障碍栅”的污染界面，DNAPL主要存在包气带和含水层中，对于LNAPL污染则是通过其高真空作用，降低土壤气体压力，使得土壤孔隙中污染物在毛细力作用下释放到土壤气体中，从而被真空设备抽提捕获从而去除，对于DNAPL污染则是通过高真空作用，提高NAPL的相对渗透性，水分子和包气带中的DNAPL相互置换，通过持续的真空抽取作用，使得含水层中该类污染物被真空设备捕获，但是均存在捕获不彻底，污染物残留在土壤中，在修复完成后一段时间又缓慢释放到地下水中，形成“拖尾”和反弹现象。

鉴于目前针对含水层NAPL污染物的多相抽提技术处理方法和系统的种种不足与局限，开发一种修复彻底，无“拖尾”和反弹、经济适用、高效节能、资源化利用度高的技术具有重要的社会意义和环境意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种针对含水层NAPL污染的热强化多相抽提系统和方法。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种针对含水层NAPL污染的热强化多相抽提系统，包括热强化系统、垂直抽提管路系统和水平抽提管路系统，所述热强化系统包括加热井，加热井垂直布置在土壤中以进行分层定点加热，所述垂直抽提管路系统包括垂直抽提管以及配套潜污泵，垂直抽提管设置在加热井周围，并与加热井保持一定高度差，所述水平抽提管路系统包括水平抽提管以及配套真空泵，所述水平抽提管设置在土壤含水层之上。

进一步地，该系统还包括废水处理系统和尾气净化系统，所述废水处理系统由油水分离器、化学氧化反应槽、高级氧化器和活性炭脱色塔组成，对垂直抽提管路系统抽提出的废水进行处理；所述尾气净化系统由喷淋塔、冷凝反应器和气液分离器组成，对水平抽提管路系统抽提出的气体进行处理。

油水分离器采用双级滤芯油水分离器，尾水中油浓度低于10ppm，分离的高浓度NAPL采用添加药剂方式进行化学强氧化处理，活性炭脱色塔中填充一定的负载稀有重金属(镧、Ce等)活性炭催化剂；冷凝反应器采用冷凝剂冷却方式，气液分离后尾气进入热强化燃烧器空气助燃管路，喷淋塔均配备紧急检修尾气回路，至热强化燃烧器空气助燃管路。

进一步地，所述热强化系统还包括燃烧器、套管和喷嘴，所述套管套设在加热井内，所述燃烧器通过喷嘴对加热井提供加热热源。

进一步地，所述垂直抽提管包括管井、不锈钢套管、筛管。

进一步地，所述水平抽提管周围铺设有3cm-5cm厚度的砂砾，所述水平抽提管采用PVC或不锈管，管材上开设有气孔，管材的开孔比例为60％。

进一步地，所述尾气净化系统和废水处理系统均采用一体化设计，组成设备均设置在可移动撬装结构中。

更进一步地，该系统还包括控制系统，所述控制系统由计算机、PLC、流量计、调节阀、切断阀、热电偶、压力变送器等组成，所述流量计、调节阀、切断阀、热电偶、压力变送器均安装在所述热强化系统、垂直抽提管路系统、水平抽提管路系统、尾气净化系统、废水处理系统中，并通过控制电缆与PLC和计算机相连接。

本发明还提供一种针对含水层NAPL污染的热强化多相抽提方法，采用上述针对含水层NAPL污染的热强化多相抽提系统，通过热强化系统进行分层加热，对特定深度及范围土壤及地下水进行加热，通过垂直抽提管路对加热区域的地下水进行抽提收集处理，收集到的地下水进入废水处理系统处理后达标排放，通过水平抽提管路对加热区域的废气进行抽提收集处理，收集到的废气进入尾气净化系统处理。

包括下列步骤：

S1、布置加热井，对指定深度的土壤及地下水进行热强化加热；

S2、启动垂直抽提系统，对地下水进行抽提；当含水层土壤温度达到80℃时，启动水平抽提系统；

S3、污染地下水进入废水处理系统处理后达标排放；

S4、废气进入尾气净化系统处理。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明针对含水层NAPL污染物进行热强化多相抽提技术，采用热强化方式，对含水层中的水加热到50℃，土壤加热到80℃，可以有效保证污染物在土壤中解吸附、实现水相和气相的迁移，更好提高抽提效果。

2、本发明采用垂直抽提管路和水平抽提管路以及加热井的井从设计，加热井布置距离5～10m、垂直管路布置距离在5～8m，水平抽提管路的间距在10m，且采用分层加热，分层垂直抽提的方式，水平抽提管路设置在含水层上方，更利于气相收集。

3、本发明采用的分级启动方式，更优于系统对NAPL污染物的各种相态的精准捕集，其中先启动热强化加热系统，待含水层中水体温度达到50℃后启动垂直抽提系统，抽提污地下水及其中溶解态有机物，待含水层土壤温度达到80℃后启动水平抽提系统，抽提土壤中解吸附的有机物，有效保证各吸附态的NAPL污染物的彻底收集。

4、本发明采用的尾气净化系统通过喷淋及冷凝方式，将有机物富集到液态并进行针对性处理，剩下不凝气过尾气回路进入热强化燃烧器空气助燃管路进行燃烧器燃烧净化处理，达到不凝气中剩余有机物100％去除，避免对环境产生二次污染。

5、本发明采用的废水处理系统则是采用油水分离以及化学氧化和高级氧化技术路线，通过添加合适的氧化药剂和控制臭氧发生器臭氧浓度，达到有机物彻底氧化分解，能保证抽提出废水能达标排放。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例中热强化多相抽提系统中加热井、垂直抽提管路和水平抽提管路的布置结构示意图；

图2为本发明实施例中加热区域地面剖面图；

图3为本发明的工艺流程图。

图中：1-加热井；2-垂直抽提管；3-水平抽提管；4-止水帷幕；5-温度检测井；6-砂砾；7-土壤层；8-保温层；9-混凝土层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种针对含水层NAPL污染的热强化多相抽提系统，包括热强化系统、垂直抽提管路系统和水平抽提管路系统，所述热强化系统包括加热井，加热井垂直布置在土壤中以进行分层定点加热，所述垂直抽提管路系统包括垂直抽提管以及配套潜污泵，垂直抽提管设置在加热井周围，并与加热井保持一定高度差，所述水平抽提管路系统包括水平抽提管以及配套真空泵，所述水平抽提管设置在土壤含水层之上。

参见图1、2，加热井所构建成的分层加热区域外采用止水帷幕进行保护，垂直抽提管间隔设置在加热井周围，加热区域内还设有多个温度检测井，可随时检测加热区域内土壤的温度，方便分步开启垂直抽提系统和水平抽提系统，水平抽提管周围铺设有3cm-5cm厚度的砂砾，为了维持土壤层温度，土壤层上方依次设有保温层和混凝土层。

该系统还包括废水处理系统和尾气净化系统，所述废水处理系统由油水分离器、化学氧化反应槽、高级氧化器和活性炭脱色塔组成，对垂直抽提管路系统抽提出的废水进行处理；所述尾气净化系统由喷淋塔、冷凝反应器和气液分离器组成，对水平抽提管路系统抽提出的气体进行处理。

该系统还包括控制系统，所述控制系统由计算机、PLC、流量计、调节阀、切断阀、热电偶、压力变送器等组成，所述流量计、调节阀、切断阀、热电偶、压力变送器均安装在所述热强化系统、垂直抽提管路系统、水平抽提管路系统、尾气净化系统、废水处理系统中，并通过控制电缆与PLC和计算机相连接。

具体地，热强化系统由加热井、套管、燃烧器及喷嘴组成，加热井垂直布置在土壤中，进行分层定点加热；垂直抽提管路系统，其中采用井从设置，抽提管路设置在加热井周围，与加热井保持一定高差，主要用于抽提地下水，抽提系统包括管井、不锈钢套管、筛管以及配套耐腐蚀潜污泵；水平抽提管路系统用于抽取热强化过程中产生的气相污染物，设置在含水层的上层，在水平抽提区域铺设粒径为3cm～5cm的一定厚度砂砾，水平抽提管采用PVC或不锈管，管材的开孔比例在60％左右，确保真空泵工作中管路内能形成良好的气流通道。

废水处理系统由油水分离器、化学氧化反应槽、高级氧化器、活性炭脱色塔组成，油水分离器采用双级滤芯油水分离器，尾水中油浓度低于10ppm，油水分离器中分离的高浓度NAPL采用添加药剂方式进行化学强氧化处理；活性炭脱色塔中填充一定的负载稀有重金属(镧、Ce等)活性炭催化剂；尾气净化系统由喷淋塔、冷凝反应器、气液分离器组成，冷凝反应器采用冷凝剂冷却方式，气液分离后尾气进入热强化燃烧器空气助燃管路，喷淋塔均配备紧急检修尾气回路，至热强化燃烧器空气助燃管路。

尾气净化系统和废水处理系统采用一体化设计，组成设备均设置在可移动撬装结构中，方便组装和移动。

参见图3，本发明还提供一种针对含水层NAPL污染的热强化多相抽提方法，采用上述针对含水层NAPL污染的热强化多相抽提系统，通过热强化系统进行分层加热，对特定深度及范围土壤及地下水进行加热，通过垂直抽提管路对加热区域的地下水进行抽提收集处理，收集到的地下水进入废水处理系统处理后达标排放，通过水平抽提管路对加热区域的废气进行抽提收集处理，收集到的废气进入尾气净化系统处理。

具体地，包括下列步骤：

步骤1：对指定深度的土壤及地下水进行热强化加热，在加热过程中保持燃烧器的加热温度在150～200℃左右，结合含水层深度、厚度、污染物特性进行加热井布置，加热井间距在5～10m范围内，采用正四边形布置；

步骤2：启动垂直抽提系统进行液相的地下水抽提，将污染地下水抽提出来，水泵的扬程根据地下水深度及沿程压损后确定，垂直抽提井的布置根据土壤渗透系数以及含水层深度进行设计，布置间距在5～8m，当热强化对含水层土壤加热温度达到80℃时，启动水平抽提系统，通过加热降低NAPL污染物的气相饱和蒸气压，促使更多水相污染物和土壤吸附态污染物变为气相，由水平抽提系统抽出，其中保证水平抽提系统的真空度在40～90kpa，布置间距在10m；

步骤3：经步骤2抽提出的污染地下水进入废水处理系统，经过油水分离器后进行油水分离，油相污染物单独收集后添加10％～20％质量比的氧化药剂进行彻底氧化处理，剩下废水进入化学氧化反应槽，投加芬顿试剂进行初级氧化处理后，氧化效果约50％，然后进入高级氧化器，采用二级臭氧氧化处理后，臭氧浓度在10～30mg/L，废水中有机物95％被氧化分解为二氧化碳和水，以及少量的小分子有机物，最后经高级氧化器出口的浆液泵输送至活性炭脱色塔，活性炭采用稀有重金属(镧、Ce等)改性，具备一定催化分解能力，保证清液在脱色过程中再次催化分解，有机物分解率在95％以上，满足达标排放要求；

步骤4：经步骤2抽提出的废气，则经过喷淋塔，将废气温度由120℃降低至60℃左右，尾气中99.5％粉尘在喷淋过程中去除，然后经过空冷冷凝反应器中，温度进一步降低至10℃左右，冷凝后废气进入气液分离器进行气液分离处理，以上步骤能将气体中约70％～85％有机物富集至液相，经过冷凝和分离出的液相污染物经过自流作用集中收集后采用步骤3的油相污染物单独处理，气液分离后的不凝气则通过尾气回路进入热强化燃烧器空气助燃管路进行燃烧器燃烧净化处理，达到不凝气中剩余有机物100％去除。

本发明针对土壤的含水层存在非均质情况，为保证NAPL污染物的彻底收集，采用热强化手段对地下污染特定深度进行分层分区域加热，通过加热快速降低污染物在水相和气相的饱和蒸汽压后，再通过双泵系统持续的真空抽取，使得含水层中NAPL污染物能快速被抽提管路捕获，其中抽提管路由垂直抽提井及水平抽提井组成，水平抽提管抽提出的饱和气则通过尾气处理系统进行净化处理，垂直抽提井抽提出的污水则由污水处理系统进行净化处理修复合格。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。