一種原位壓裂曝氣輔助電化學陣列井修復裝置及方法

2023-06-04 19:18:11

專利名稱：一種原位壓裂曝氣輔助電化學陣列井修復裝置及方法
技術領域：
本發明屬於汙染土壤原位修復領域，特別涉及一種原位壓裂曝氣輔助電化學陣列井修復裝置及方法。
背景技術：
土壤重金屬汙染主要來源為大氣中重金屬的沉降、農藥及化肥和塑料薄膜的使用、汙泥施肥、汙水灌溉、含有重金屬的廢物的堆積和金屬礦山的酸性廢水汙染。目前，修復土壤重金屬汙染的途徑是通過改變重金屬在土壤中的存在形態，使其由活化態轉變為穩定態，以此減弱重金屬對植物和生物的毒性，如固化法，穩定法；或者從土壤中去除重金屬，使其存留濃度接近或達到背景值，如化學淋洗法，熱解析法，電動力法。在這些方法中土壤淋洗過程中所使用的大量化學試劑對環境的影響也非常嚴重。熱解析法法主要是針對具有揮發性的有機汙染物以及金屬汞汙染的土壤，土壤有機質和結構水在治理過程中遭到破壞，並難以恢復，且經濟成本較高。固化法，穩定法是一種原位修複方法，對土壤擾動較大，易破壞土壤的結構和生產力，且一旦破壞，土壤不易恢復原狀。並不能從根本上清除汙染物，一旦環境條件發生較大改變，汙染物就可能重新釋放。電化學技術在重金屬土壤汙染修復中的應用成為解決此問題的很有前景的一項汙染治理技術，特別是土壤的滲透性比較低的情況下，優勢更為明顯。主要是通過在汙染土壤兩側施加直流電壓形成電場梯度，土壤中的汙染物質在電場作用下被帶到電極兩端從而清潔汙染土壤。袁華山等以Pb(NO3)2為模擬汙染物，研究了電動力技術對鉛汙染紅壤修復的適應性{《南華大學學報(自然科學版)》，2007年，第01期，電動力土壤修復技術對鉛汙染紅壤的適應性分析}。結果表明大部分鉛能在陰極附近富集。土壤的PH值是影響電動力土壤修復的主要因素，PH值可以通過降低土壤的電導率而導致槽電壓升高和土壤發熱；還可以通過改變鉛的存在形態而降低其修復效率。電動力技術需經過改進才能用於鉛汙染紅壤的修復。他的研究也只是針對單一的金屬的適用性研究。中國專利200920073584. X提出了一項電動力修復鉻汙染的土壤裝置，它由陽極區、陰極區電源組成，在陽極區與陰極區的相對面上依次設置多孔介質砂石層和鐵屑層。但這個裝置只是針對一種重金屬，而且在大面積推廣方面還有其局限性。總的來說，目前我國的土壤重金屬汙染修復技術和設備大多是異位修復技術和設備，且處在研發和實驗樣機階段，修復設備的產業化應用很少。

發明內容
針對現有技術不足，本發明提供了一種原位壓裂曝氣輔助電化學陣列井修復裝置及方法。一種原位壓裂曝氣輔助電化學陣列井修復裝置，其自動控制系統分別通過線路與充氣泵、陽極緩衝液加藥裝置和陰極緩衝液加藥裝置相連，其中與陰極緩衝液加藥裝置相連的線路分別與高壓水動壓裂泵、抽吸泵廢氣處理裝置和汙染緩衝液處理裝置相連；陽極緩衝液加藥裝置和抽吸泵廢氣處理裝置分別通過線路與陽極井相連，充氣泵通過線路與曝氣管相連，組成曝氣系統，曝氣管設置在陽極井中；高壓水動壓裂泵通過線路與I 口以上水動震裂井相連；抽吸泵廢氣處理裝置、汙染緩衝液處理裝置和陰極緩衝液加藥裝置分別通過線路與陰極井相連；2 口以上陽極井和陰極井分別組成陽極井陣列和陰極井陣列，陽極井和陰極井的線路分別與電源相連，所述陽極井中設置陽極電極，陰極井中設置陰極電極。相鄰陽極井和陰極井的間距為4米飛.5米，相鄰陽極井或相鄰陰極井的間距為2米 3. 2米，陽極井或陰極井的井深為I米飛米，所述相鄰水動震裂井的間距為5米 20米。所述陽極井內設置一層直徑為I米 1. 5米的開有槽溝的PVC井套，井套外包裹一 層亞麻織物，亞麻織物外設置I層外環封隔層，所述外環封隔層由質量分數分別為20%的高嶺土和80%的沙混合物組成；所述陰極井內設置一層直徑為O. 6米米的多孔陶瓷管井套，井套外包裹一層亞麻織物，亞麻織物外設置I層外環封隔層，所述外環封隔層由質量分數分別為20%的高嶺土和80%的沙混合物組成。所述每個陽極井、陰極井和水動震裂井中都設置有溶液溫度傳感器、溶液水平傳感器、電壓傳感器、PH值傳感器和電流傳感器，各傳感器分別與電腦相連，由電腦控制系統直接控制所有設備的運轉和反應狀態。所述陽極電極為鍍氧化銥的鈦合金管，陰極電極為不鏽鋼柵管。一種原位壓裂曝氣輔助電化學陣列井修複方法，其具體步驟如下a.在汙染土壤區域分別打陽極井陣列和陰極井陣列，在汙染土層區域打一口以上檢測井，了解土層結構和地下水汙染情況；打一口以上水動震裂井，井深到達滲透係數小於O. 5 m/d的低滲透性的土層；b.對水動震裂井進行水動壓裂，使土層產生裂縫，使電流密度增大，減少能耗；c.向陽極井和陰極井中分別灌入緩衝液，開啟電源，對汙染土層進行電動力修復；汙染金屬離子將在電動力驅動下向陰極富集；d.開啟曝氣系統，進行曝氣處理，促進電機極產生的汙染氣體的釋放，通過抽吸泵廢氣處理裝置將汙染氣體收集並進行處理。所述步驟b中水動震裂的壓強為1200 psi^2000 psi，裂隙產生後，將壓力顆粒支撐劑以70 psi^lOO psi的壓強注入到空隙中以支撐裂隙。所述步驟c中電動力修復過程中所使用的電極由若干個10 kw"20 kw的電源供電，所提供電壓為30 T220 V，所提供電量為90 amps^330 amps ;陰極井內所使用的緩衝液為12 wt°ri5 wt%的檸檬酸，陽極井內所使用的緩衝液為5mol/L的NaOH溶液。所述步驟d中進行曝氣處理時的曝氣量為20 ml/min 300 ml/min。修復過程中土壤或電極溫度不高於45度時，土壤pH值不低於2. 3。所述曝氣系統和抽吸泵廢氣處理裝置聯動控制，通過連續曝氣提高汙染氣體的收集效率，抽吸泵廢氣處理裝置將電機極產生的汙染氣體，抽出集中處理。當陽極井或陰極井中重金屬汙染物的濃度達到50 mg/L時，自動控制系統將控制抽水泵間歇性的將緩衝液抽出到廢水罐裡，重金屬汙染物被提取出來後，緩衝液將被重新注入陽極井或陰極井中。
本發明的有益效果為本發明的水動震裂能連通裂縫，提高電化學修復的修復效果，曝氣裝置能提高陽極汙染氣體的修復效率。電化學陣列井的間隔設計，能保證相對穩定的電場梯度，使汙染物能均勻的向陰極聚集。相較化學固定方法，本發明方法能徹底的清楚汙染物，不會有其汙染物重新釋放的方法，而且相對成本較低，處理效率高。


圖1為本發明裝置結構示意圖；圖2為本發明電源與陽極井陣列和陰極井陣列連接示意圖；圖中標號1-陽極井；2-陰極井；3_水動震裂井；4_充氣泵；5_抽吸泵廢氣處理裝置；6_高壓水動壓裂泵；7_電源；8_自動控制系統；9_陽極緩衝液加藥裝置；10_陰極緩衝液加藥裝置；11_汙染緩衝液處理裝置；12_曝氣管。
具體實施例方式本發明提供了一種原位壓裂曝氣輔助電化學陣列井修復裝置及方法，下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明。一種原位壓裂曝氣輔助電化學陣列井修復裝置，其自動控制系統8分別通過線路與充氣泵4、陽極緩衝液加藥裝置9和陰極緩衝液加藥裝置10相連，其中與陰極緩衝液加藥裝置10相連的線路分別與高壓水動壓裂泵6、抽吸泵廢氣處理裝置5和汙染緩衝液處理裝置11相連；陽極緩衝液加藥裝置9和抽吸泵廢氣處理裝置5分別通過線路與陽極井I相連，充氣泵4通過線路與曝氣管12相連，組成曝氣系統，曝氣管12設置在陽極井I中；高壓水動壓裂泵6通過線路與I 口以上水動震裂井3相連；抽吸泵廢氣處理裝置5、汙染緩衝液處理裝置11和陰極緩衝液加藥裝置10分別通過線路與陰極井2相連；2 口以上陽極井I和陰極井2分別組成陽極井陣列和陰極井陣列，陽極井I和陰極井2的線路分別與電源7相連，所述陽極井I中設置陽極電極，陰極井2中設置陰極電極。相鄰陽極井I和陰極井2的間距為4米飛.5米，相鄰陽極井I或相鄰陰極井2的間距為2米 3. 2米，陽極井I或陰極井2的井深為I米飛米，所述相鄰水動震裂井3的間距為5米 20米。所述陽極井I內設置一層直徑為I米 1. 5米的開有槽溝的PVC井套，井套外包裹一層亞麻織物，亞麻織物外設置I層外環封隔層，所述外環封隔層由質量分數分別為20%的高嶺土和80%的沙混合物組成；所述陰極井2內設置一層直徑為O. 6米米的多孔陶瓷管井套，井套外包裹一層亞麻織物，亞麻織物外設置I層外環封隔層，所述外環封隔層由質量分數分別為20%的高嶺土和80%的沙混合物組成。所述每個陽極井1、陰極井2和水動震裂井3中都設置有溶液溫度傳感器、溶液水平傳感器、電壓傳感器、PH值傳感器和電流傳感器，各傳感器分別與電腦相連，由電腦控制系統直接控制所有設備的運轉和反應狀態。所述陽極電極為鍍氧化銥的鈦合金管，陰極電極為不鏽鋼柵管。一種原位壓裂曝氣輔助電化學陣列井修複方法，其具體步驟如下
a.在汙染土壤區域分別打陽極井陣列和陰極井陣列，在汙染土層區域打一口以上檢測井，了解土層結構和地下水汙染情況；打一口以上水動震裂井3，井深到達滲透係數小於O. 5 m/d的低滲透性的土層；b.對水動震裂井3進行水動壓裂，使土層產生裂縫，使電流密度增大，減少能耗；c.向陽極井I和陰極井2中分別灌入緩衝液，開啟電源7，對汙染土層進行電動力修復；汙染金屬離子將在電動力驅動下向陰極富集；d.開啟曝氣系統，進行曝氣處理，促進電極產生的汙染氣體的釋放，通過抽吸泵廢氣處理裝置5將汙染氣體收集並進行處理。所述步驟b中水動震裂的壓強為1200 psi^2000 psi，裂隙產生後，將壓力顆粒支撐劑以70 psi^lOO psi的壓強注入到空隙中以支撐裂隙。 所述步驟c中電動力修復過程中所使用的電極由若干個10 kw"20 kw的電源供電，所提供電壓為30 V^220 V，所提供電量為90 amps^330 amps ;陰極井2內所使用的緩衝液為12 wt°ri5 wt%的檸檬酸，陽極井內所使用的緩衝液為5mol/L的NaOH溶液。無水檸檬酸粉和水混合成濃度為12 wt°ri5 wt%的溶液，儲存在溶液管內。自動控制系統8通過控制電磁閥門，可對每一口陰極井2添加檸檬酸溶液，添加的量由流量計控制。所述步驟d中進行曝氣處理時的曝氣量為20 ml/min 300 ml/min。修復過程中土壤或電極溫度不高於45度時，土壤pH值不低於2. 3。當土壤或電極溫度高於45度時，自動控制系統8將自動調節電壓和電流。過高的溫度將會要求更大的電流消耗來維持重金屬離子的聚集速度。當土壤中的PH值低於2. 3時，將向陽極井I添加NaOH溶液並控制電流流量。所述曝氣系統和抽吸泵廢氣處理裝置5聯動控制，通過連續曝氣提高汙染氣體的收集效率，抽吸泵廢氣處理裝置5將電極產生的汙染氣體，抽出集中處理。當陽極井I或陰極井2中重金屬汙染物的濃度達到50 mg/L時，智能控制系統8將控制抽水泵階段性的將緩衝液抽出到廢液罐裡，重金屬汙染物將被逆滲析出來，處理過的緩衝液將被重新注入陽極井I或陰極井2中。加入緩衝液和抽取汙染的緩衝液的頻率和流量取決於負電極金屬離子的濃度和金屬離子的去除效率。
權利要求
1.一種原位壓裂曝氣輔助電化學陣列井修復裝置，其特徵在於其自動控制系統(8) 分別通過線路與充氣泵(4)、陽極緩衝液加藥裝置(9)和陰極緩衝液加藥裝置(10)相連，其中與陰極緩衝液加藥裝置(10)相連的線路分別與高壓水動壓裂泵(6)、抽吸泵廢氣處理裝置(5 )和汙染緩衝液處理裝置(11)相連；陽極緩衝液加藥裝置(9)和抽吸泵廢氣處理裝置(5)分別通過線路與陽極井(I)相連， 充氣泵(4)通過線路與曝氣管(12)相連，組成曝氣系統，曝氣管(12)設置在陽極井(I)中；高壓水動壓裂泵(6)通過線路與I 口以上水動震裂井(3)相連；抽吸泵廢氣處理裝置(5)、汙染緩衝液處理裝置(11)和陰極緩衝液加藥裝置(10)分別通過線路與陰極井(2)相連；2 口以上陽極井(I)和陰極井(2)分別組成陽極井陣列和陰極井陣列，陽極井(I)和陰極井(2)的線路分別與電源(7)相連，所述陽極井(I)中設置陽極電極，陰極井(2)中設置陰極電極。
2.根據權利要求1所述的一種原位壓裂曝氣輔助電化學陣列井修復裝置，其特徵在於相鄰陽極井(I)和陰極井(2 )的間距為4米飛.5米，相鄰陽極井(I)或相鄰陰極井(2 ) 的間距為2米 3. 2米，陽極井(I)或陰極井(2)的井深為I米 5米，所述相鄰水動震裂井(3)的間距為5米 20米。
3.根據權利要求1所述的一種原位壓裂曝氣輔助電化學陣列井修復裝置，其特徵在於所述陽極井(I)內設置一層直徑為I米 1. 5米的開有槽溝的PVC井套，井套外包裹一層亞麻織物，亞麻織物外設置I層外環封隔層，所述外環封隔層由質量分數分別為20%的高嶺土和80%的沙混合物組成；所述陰極井(2)內設置一層直徑為O. 6米米的多孔陶瓷管井套，井套外包裹一層亞麻織物，亞麻織物外設置I層外環封隔層，所述外環封隔層由質量分數分別為20%的高嶺土和80%的沙混合物組成。
4.根據權利要求1所述的一種原位壓裂曝氣輔助電化學陣列井修復裝置，其特徵在於所述每個陽極井(I )、陰極井(2 )和水動震裂井(3 )中都設置有溶液溫度傳感器、溶液水平傳感器、電壓傳感器、PH值傳感器和電流傳感器，各傳感器分別與電腦相連，由電腦控制系統直接控制所有設備的運轉和反應狀態。
5.根據權利要求1所述的一種原位壓裂曝氣輔助電化學陣列井修復裝置，其特徵在於所述陽極電極為鍍氧化銥的鈦合金管，陰極電極為不鏽鋼柵管。
6.一種基於權利要求1飛任一所述修復裝置的原位壓裂曝氣輔助電化學陣列井修複方法，其特徵在於，具體步驟如下a.在汙染土壤區域分別打陽極井陣列和陰極井陣列，在汙染土層區域打一口以上檢測井，了解土層結構和地下水汙染情況；打一口以上水動震裂井，井深到達滲透係數小於 O. 5 m/d的低滲透性的土層；b.對水動震裂井進行水動壓裂，使土層產生裂縫，使電流密度增大，減少能耗；c.向陽極井和陰極井中分別灌入緩衝液，開啟電源，對汙染土層進行電動力修復；汙染金屬離子將在電動力驅動下向陰極富集；d.開啟曝氣系統，進行曝氣處理，促進電極產生的汙染氣體的釋放，通過抽吸泵廢氣處理裝置將汙染氣體收集並進行處理。
7.根據權利要求6所述的一種原位壓裂曝氣輔助電化學陣列井修複方法，其特徵在於所述步驟b中水動震裂的壓強為1200 psi^2000 psi，裂隙產生後，將壓力顆粒支撐劑以70 psi^lOO psi的壓強注入到空隙中以支撐裂隙。
8.根據權利要求6所述的一種原位壓裂曝氣輔助電化學陣列井修複方法，其特徵在於所述步驟c中電動力修復過程中所使用的電極由若干個10 kw^20 kw的電源供電，所提供電壓為30 T220 V，所提供電量為90 amps^330 amps ;陰極井內所使用的緩衝液為12 wt°ri5 wt%的檸檬酸，陽極井內所使用的緩衝液為5 mol/L的NaOH溶液。
9.根據權利要求6所述的一種原位壓裂曝氣輔助電化學陣列井修複方法，其特徵在於所述步驟d中進行曝氣處理時的曝氣量為20 ml/min 300 ml/min。
10.根據權利要求6所述的一種原位壓裂曝氣輔助電化學陣列井修複方法，其特徵在於修復過程中土壤或電極溫度不高於45度時，土壤pH值不低於2. 3。
11.根據權利要求6所述的一種原位壓裂曝氣輔助電化學陣列井修複方法，其特徵在於所述曝氣系統和抽吸泵廢氣處理裝置聯動控制，通過連續曝氣提高汙染氣體的收集效率，抽吸泵廢氣處理裝置將電極產生的汙染氣體，抽出集中處理。
12.根據權利要求6所述的一種原位壓裂曝氣輔助電化學陣列井修複方法，其特徵在於當陽極井或陰極井中重金屬汙染物的濃度達到50 mg/L時，自動控制系統將控制抽水泵間歇性的將緩衝液抽出到廢水罐裡，重金屬汙染物被提取出來後，緩衝液將被重新注入陽極井或陰極井中。
全文摘要
本發明屬於汙染土壤原位修復領域，特別涉及一種原位壓裂曝氣輔助電化學陣列井修復裝置及方法。本發明自動控制系統分別通過線路與充氣泵、陽極緩衝液加藥裝置和陰極緩衝液加藥裝置相連，其中與陰極緩衝液加藥裝置相連的線路分別與高壓水動壓裂泵、抽吸泵廢氣處理裝置和汙染緩衝液處理裝置相連；陽極緩衝液加藥裝置和抽吸泵廢氣處理裝置分別通過線路與陽極井相連，充氣泵通過線路與曝氣管相連；高壓水動壓裂泵通過線路與水動震裂井相連；抽吸泵廢氣處理裝置、汙染緩衝液處理裝置和陰極緩衝液加藥裝置分別通過線路與陰極井相連；本發明能提高電化學修復的修復效果和陽極汙染氣體的修復效率，能徹底的清楚汙染物，相對成本較低，處理效率高。
文檔編號B09C1/08GK102989759SQ20121046150
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月15日 優先權日2012年11月15日
發明者張一梅, 陸駿, 盧宏瑋 申請人:華北電力大學