用于修復污染土地的方法和裝備的制作方法

專利名稱：用于修復污染土地的方法和裝備的制作方法
用于修復污染土地的方法和裝備
本發明涉及一種用于修復或凈化被可燃材料污染的土地的方法和裝
備。特別地，但不排外地，本發明涉及一種用于修復被非水相液體(NAPL) 污染的土地區域的改進方法和裝備。
歷史上不健全的處理實踐和危險的工業化學制品持續的意外泄露對 地下水和地表水的污染正在影響世界上成千上萬的地方。這些化學制品 中最常見且最成問題的是不可混合的有機液體，尤其是非水相液體
(NAPL )。比水輕的NAPL稱為LNAPL;這些包括汽油(汽油)和柴油。 比水稠的NAPL稱為DNAPL;這些包括氯化溶劑，如三氯乙烯(TCE ) 和四氯乙烯(PCE )、多氯聯苯(PCB )以及合成的烴混合物(例如煤焦 油和雜酚油)。由于NAPL的普遍性、毒性、持久性和對標準修復工作
(standard remediation effort)的抵抗性，NAPL造成了對水質量嚴重且長 期的威脅。
大不列顛聯合王國環境署已經顯示，在英格蘭和威爾士有高達20,000 個地方被NAPL污染物所影響，且其要求在大不列顛聯合王國環境保護法 下處理。的確，據估計，僅氯化溶劑就占英格蘭和威爾士地下水污染實例 的約30%。在美國，美國國防部估計，在略高于3,000個嵌入溶劑的地方 中的約11%具有存在于在地下的DNAPL源區。源區是包括不可混合的液 體(NAPL)的地下區域，其可持續數十年或者甚至數百年，且繼續在地 下水中以一定的濃度釋》文溶解相污染物，該污染物通常遠超過那些被認為 產生人類健康風險的污染物。此外，這些化合物通常是可揮發的，且因此 部分也成為存在于高于水位的土壤中的氣相，從此處，這些汽可遷移到地 上，并進入建筑物中。因此，NAPL源區對土地、水和空氣的持續污染是 有責任的。
在過去的一個多世紀，大范圍的工業都產生了 NAPL，包括得到的副
產品和廢棄物源于(由煤)制造氣體而產生的煤焦油、由木材防腐操作 產生的雜酚油以及在電元件去油中使用并用于千清潔的溶劑。由這些不可 混合的有機液體產生的地下污染物在制造、運輸、存儲、使用及處理場地 產生。尤其是，在過去，通過在使用這些材料后將其灌注到土地中而處理 這些材料是比較普遍且允許的實施。僅在過去的20年已經意識到NAPL 帶來的風險，已經規范它們的處理，并開始尋找NAPL污染地方的修復方 法。但是，NAPL在地下是高度持久穩固的，且用目前的修復技術難以圓 滿地解決。當^L回收到地面時，它們對于處理是危險的，且安全地處理或 處置代價高。
工業副產品/廢棄物材料通常形成液體或液體/氣體沉淀物，{旦在某些 材料的情況下，也可能出現固體沉淀物。可能出現固體污染物的一種典型 場所是在已經制造有機化學爆炸物的地方和生產過程和/或制造過程已經 產生排放的地方。包括在有機爆炸物制造中的2,4,6-三硝基曱苯(TNT)、 2, 4-二硝基曱苯(DNT )、六氫-1, 3 , 5-三硝基-1, 3, 5-三。秦 (RDX )、以及 八氫-1, 3 , 5, 7-四硝基-1, 3, 5, 7-四。秦(tetrazocine ) (HMX )的排放尤其成 問題。這是因為，在環境溫度顯著低于排放水溫度的環境下(并非不常見 -地下水通常是l(TC)，爆炸物可能從溶液沉淀出來，并在土壤中產生單 獨的固相材料。
在地下發現為固相的另一種有機污染物是由剛從煤制造的氣體的冷 卻和凈化產生的凈化廢棄物(purifier waste)(在20世紀早期到中期普遍 實施)。在此過程中，雜質通過使氣體通過由摻雜有鐵屑的石灰或木屑制 成的"凈化床(purifierbed)"而被去除。凈化床最終裝載有焦油和其它材 料，且變得不可使用。如果這種凈化廢棄物(也稱為"箱廢棄物(box waste )，，)沒^皮覆蓋，且被遣送到垃圾場或用于填充場地的低地區域，其具 有自發點燃的趨勢。凈化廢棄物通常被發現是混合了固體片(典型為焦油) 與木屑的深色混合物。
已經提出了用于處理NAPL的幾種方法，且取得了不同程度的成功。 例如，處理^皮NAPL污染的土地區域的標準方法是挖掘并處理，或者稱為
"挖掘和傾倒(dig and dump)"。這種方法包括確認和挖掘污染土i裏，并 將其運送到垃圾場，在這里，其被堆積。但是，這種實施簡單地將污染問 題從一個區域移到另一個區域，而且通過將NAPL帶到地面以上而經常增 加暴露的風險。這種實施目前由于不能成立而不被支持，且最近在大不列 顛英國由于新的立法和垃招^兌而變得昂貴得多。
已經用于努力處理NAPL的第一原位(即，在地面內)方法是"抽取 和處理(pump and treat)"技術。這包括安裝NAPL源區的順梯度 (downgradient)地下水回收井(recovery well )。回收井的連續抽耳又收集由 源區排出的溶解相化合物。這種回收污染水必須在地面處理。但是，這種 技術實質上是用于由NAPL產生的溶解相流的遏制策略，且已經顯示對修 復源區是無效的。因此，它們經常被不確定地簡易操作，以限制污染地下 水的蔓延。
很多處理技術存在處理地下水中的溶解相化合物。但是，與"抽取和 處理" 一樣，這些技術不處理將化合物連續地"供應"到這些地下水流的 源區。僅有很少的技術用于處理源區的NAPL本身。
各種原位化學處理已經用于嘗試從污染的場地移除NAPL。例如，在 一種才支術中，將表面活性劑或醇通過注入井泵送到地下，并輔助NAPL溶 解和運用，其可隨后^^皮泵送出第二順梯度井。產生的NAPL和污染水的混 合物然后可在地面分離成水相和非水相，以便處理和/或焚化。但是，這種 技術遭受很多不利條件。尤其是，它包括昂貴的連續添加物和有時候危險 的化學添加劑；在一些地下安裝中可能不是特別有效；可能導致DNAPL 向下再活化，這使形勢變得更壞；包括難于從NAPL中分離或重復利用的 流體；以及重新獲得大量需要處理的流體。
用于從污染場地原位移除NAPL的進一步化學處理包括它們的氧化。例 如，可將高錳酸鉀抽取至污染場地中，其隨后借助氧化反應與NAPL反應， 以將NAPL轉變成沒有危險的化合物。但是，由于同時反應形成的礦物固體 阻塞了 NAPL周圍的孔隙，因此阻止了反應物之間的進一步接觸，所以這種 技術的成功受到限制。此外，在土壤中自然產生的有機材料通常具有大量的 氧化劑需求，需要注入額外的氧化劑。大量氧化劑的使用通常是昂貴的。
生物技術也已經用于努力修復被NAPL污染的場地。這種生物修復技 術通常包括添加養分和有機食物源到污染土壤中，使得土壤中的細菌組繁 殖并相互作用，以降解危險的化合物。異位生物修復(ex-situ bioremediation)包括掘出污染土i裏，并在地表的反應堆中或土墩中處理。 原位生物修復已經被執行，用于處理源區的順梯度溶解相化合物，起到流 遏制策略，而不是減小NAPL體積的作用。最近，已經努力使源區本身中 的生物修復成為可能；同時在一些試驗室中也顯示了一些成功，這在本領 域中尚待論證。
NAPL源區的生物修復存在一些問題。添加劑(有機基質和養分)的 連續輸入可能使得處理代價高。此外，對于每個污染場地，有必要獲得場 地的細菌、食物和養分的特定平衡。因此，生物修復技術是具有特定的場 地特性的。與生物修復技術有關的另一個問題是"生物淤積"問題，其中 在NAPL和抽取井(pumpingwell)附近的孔隙被過度的微生物生長堵塞。
些情況下，也需要注入已知的生物降解器(biological degrader),此過程稱 為"生物強化(bio-augmentation )"。但是，在某些權限中，不主動阻礙該 實施，且在很多情形下，由于培植非本土 (non-native)有機體的限制，該 實施是不被允許的。
所有以上描述的原位(即，在地下)化學和生物處理技術都包括將流 體注入到源區上流(upgradient)的地下，且依靠化學物質和NAPL之間的 隨后接觸。然而，所有這種流體注入技術的重大問題是實現源頭的期望的 沖洗可能是成問題的。流體分流(fluidbypassing)經常發生，其中注入的 流體趨向于在NAPL周圍流動，從而限制它暴露到注入的化學物質部分， 并因此限制與注入的化學物質部分的接觸。這主要由兩種原因引起NAPL 趨向于停在地下材料較低滲透性的透鏡狀礦體(lens )(例如，淤泥或粘土 ) 上，這自然地使流動轉移離開它們；且NAPL自身阻擋使水或注入的流體 更容易且快速在源區周圍流動的孔隙。此外，注入的流體的稀釋可能使它 們的濃度降低，使得它們的有效性降低。
已經用于努力從污染場地去除NAPL的另一種方法包括熱修復技術，
其包括蒸汽清洗、電阻加熱(ERH )和電導加熱(electrical conductive heating) (ECH)。熱修復技術的益處在于，它們可在數月到數年左右減少 NAPL物質(對比上面描述的用于更4皮動才支術(passive technology)的凄史 年到數十年)，且它們在低滲透性介質中是有效的，因為與流體流動相比， 熱傳導通常受水力特性的影響較小。
蒸汽清洗包括將蒸汽注入到地下，以揮發和減小NAPL的粘性，因此 有助于它們朝產出井(withdrawal well)流動。ERH和ECH包括將大的電 極植入到地下(在源區)，并持續加熱水和/或土壤本身。熱方法通常將地 下加熱到約100。C的溫度。這樣做，它們并不是要原位破壞污染物，而是 要改變它們的相和/或性質，使得它們能被移動和回收。主要的修復機制是 使NAPL化合物揮發，使得它們可以在地下或在地表面被從氣相收集。也 常見的液體回收是由于它們減小的粘性而被移動。在一些情形中， 一些 NAPL化合物可被熱降解，因為吸收的熱量促使吸熱降解(高溫分解)或 與水反應(水解)。然而，這些技術展示了各式各樣的成功，且都具有顯 著的缺點。尤其是，這些技術需要大量并連續的能量輸入，以便獲得并維 持給定的溫度。因此，這些技術通常證實是過于昂貴的。
因此，概要地說，修復(或凈化)被NAPL污染的場地的已有技術方 法在其被操作的時間量程、使用技術的有效性及產生的花費方面通常具有 顯著的局限性。
消除或緩解與已有技術有關的缺點中的至少一個是本發明實施方式 的目的之一。
從閱讀下述描述，本發明進一步的目標和目的將變得明顯。
才艮據本發明的第 一方面，提供了 一種修復被可燃材料污染的土地的方 法，該方法包括以下步驟
在待修復的土地中確定地下可燃材料體積(a subterranean volume of combustible material)的位置；以及
點燃可燃材料，以燃燒所述材料，并由此修復土地。本發明由此提供了一種方法，通過該方法，被可燃材料污染的土地可 通過原位燃燒該材料而^^凈化或祐L修復。這克服了與已有清除技術如"挖
掘和傾倒"有關的問題。材料的燃燒可以自維持(self-sustaining),因為其 僅需要供給足夠的能量來點燃該材料； 一旦被點燃，只要有足夠的燃料(可 燃材料)和用于進行燃燒的氧，該材料的燃燒就可繼續。例如，這與已知 的需要連續的能量輸入的熱修復過程形成對比。
包括很多常見NAPL和一些固體有機污染物的材料是可燃的，并包括 豐富的能量。當燃燒時，它們釋放大量的熱。例如，TCE和氯丹的燃燒熱 (HOC )分別相當于木材燃燒熱的90 %和300 % ;切碎的輪胎，其HOC 僅為木材的5%，已經在廢棄物回收計劃中被成功地燃燒。燃燒包括在有 氧化劑的情況下可燃材料的自維持放熱反應，在此過程中氧化(并因此破 壞)可燃材料。當可燃材料被埋入多孔介質中時，多孔介質對于燃燒具有 非常有益的影響固體起到能量儲存的作用，且然后將能量供給到反應中。 這種能量反々貴機制意味著，有效的自蔓延燃燒(self-propagating combustion) 過程對于其他導致熄滅的條件是有可能的。在異位焚化的應用中，多孔燃 燒器和提高的油回收預示著重大的潛在性，但是用于地下修復的原位燃燒 的概念是新穎的。
可以理解，可燃材料是地下的，因為它處于地平面以下或在地下，且 可包括流體和/或固體，或其的任意組合物。然而，預期大部分材料主要是 流體相。也可以理解，地下通常是多孔的，且可包括具有可燃液體的土;t裏 或相似物，可燃液體通常存在于界定在土壤的固體顆粒之間的孔中(或者 在斷裂巖石環境(fractured rock environment)的情況中，存在于在巖石/ 粘土塊之間和/或在巖石/粘土基質自身的孔隙中的破裂網中)。
在點燃可燃材料之后，可產生燃燒前沿(combustionfront),并且該燃 燒前沿可向外4亍進，離開點燃點(point of ignition),并通過可燃材并牛的體 積。燃燒前沿可跟隨由包括流體體積形狀和沿土壤中相互連接的孔界定的 路徑的因素界定的路徑。燃燒前沿應在沒有提前已知具體分布(路徑)的 (地面上)操作者的情況下跟隨可燃材料的分布(即，路徑)離開點燃點。 因此，該過程也將是自引導的。
優選地，該方法包括監控材料的燃燒。監控材料的燃燒可包括監控一 個或多個參數的步驟，上述參數包括在多個位置被可燃材料污染的土地的 溫度。監控燃燒還可包括監控燃燒過程的副產品，如由材料燃燒引起的氣 體副產品的組成和/或體積。該方法可包括實時并因此在燃燒過程期間監控 材料的燃燒。在很多情況下，僅僅通過繪制NAPL和在處理前及然后在處 理后的順梯度氣體/水濃度的分布，并著眼于不同點以確定該技術的"有效
性"來在本領域中評價現有的NAPL修復技術。實時監控提供超過已有方 法的顯著優點。可選擇地，或額外地，這種方法可包括在燃燒之后，也就 是，在燃燒停止之后監控材料燃燒的程度。
通過實時監控或者通過在燃燒停止后監控燃燒的程度來監控材料的 燃燒，可有利于確定材料已經燃燒的程度以及包括材料正經歷或已經經歷 的燃燒的類型以及燃燒前沿通過材料行進的速度這些因素。例如，如果燃 燒前沿比預期行進齊f曼，那么可能是相對缺乏氧。可選擇地，如果燃燒前 沿比預期行進得快，可能是相對于材料的體積具有過多的氧。
因此，通過監控材料的燃燒，可采取措施，以便實現最優的或期望的 燃燒形式及燃燒率。例如，該方法可包括監控材料的燃燒，并在一個或多 個位置中供給(或改變供給量或供給率)空氣/氧。可供選擇地，該方法可 包括供給額外的燃料，如其他可燃材料，例如，以輔助點燃材料體積。可 供選擇地，該方法可包括供給燃燒抑制劑(combustion suppressant )，如氮 或水，以便抑制并由此控制燃燒。在進一步的可選方案中，該方法可包括 使點燃裝置(ignition device)(用于點燃材料)不起作用和/或減少或終止 氧化劑的添加，以控制(或抑制)燃燒。可根據燃燒發生的類型控制燃燒， 這將在下面描述。
有焰燃燒指在氣相中進行的燃燒。例如，當NAPL聚積物(例如，煤 油)位于開口容器中并被點燃時，熱將持續地使該燃料揮發，且氣體燃料 燃燒產生火焰。有焰燃燒也被稱為均勻燃燒，因為在燃燒發生的位置，氧 化劑(空氣中的氧)和燃料兩者都處于相同的(氣體)相，此處它們容易 混合。有焰燃燒相對快地消耗燃料，并產生相對高的溫度(例如，通常大 于900 °C )。
無焰燃燒(smouldering combustion)指材料在固體/液體材料本身表面 上的燃燒。例如，當可燃材料(例如，煙草)^皮壓緊，以形成多孔固體(例 如，香煙)，并被點燃時，氧化劑(氧)擴散至材料表面，且燃燒在煙草 表面繼續。無焰燃燒被稱為非均勻燃燒(heterogeneous combustion )，因為 氧化劑(氣體)和燃料(液體或固體)不處于相同的相。無焰燃燒相對有 焰燃燒通常進行得較慢，且產生較低的溫度(例如，通常在400。C和600 。C之間)，但是在特定的條件下，可獲得超過100(TC的溫度。通過監控和 控制燃燒，可以促進無焰燃燒。
在特定的實施方式中，該方法可包括監控燃燒，以便促進和維持材料 的無焰燃燒。可供選擇地，該方法可包括監控燃燒，以便促進有焰燃燒。 可通過監控/控制氧化劑(空氣/氧/臭氧)的供給/比率來實現這些不同的燃 燒機制。例如，無焰燃燒，是氧不夠的，使得其可通過管理氧供給來控制； 可在較低溫度傳播；且需要較少的氧化劑。因此，通過監控燃燒和控制氧 化劑的供給，可促進無焰燃燒。如果需要的話，可供給燃燒抑制劑，如氮， 以維持燃燒處于無焰燃燒狀態。該方法可包括超絕熱地(super-adiabatically) 燃燒材料，使得材料經歷超絕熱燃燒。在超絕熱燃燒中，燃燒前沿與燃料 和氧化劑的遷移一起經歷朝向支配燃燒過程的反應區的最小移動。
該方法可包括控制材料燃燒的程度，并可包括在期望或確定的時間段 后熄滅燃燒；和/或跟隨燃燒前沿行進期望或確定的距離通過材料，并因此 到達期望位置。
在期望的時間熄滅燃燒可:t要下述內容實現。如果燃燒還不夠熱充分以達 到熱自維持，且因此用于點燃材料的點燃元件(ignition element)仍然被激 活時，則點燃裝置可祐:停掉，以由此熄滅燃燒。如果燃燒以熱充分、熱自維 持模式發展，且因此點燃元件被關閉，但是燃燒缺少/缺乏氧，使得繼續燃 燒要農靠繼續添加氧化劑(例如，空^/lL/臭氧)，于是可減小或停止氧化劑 流，以由此熄滅燃燒。實現這點的可選方法是通過用諸如氮或水的抑制劑稀 釋氧化劑流。如果燃燒在沒有氧化劑供給和不需要維持激活的點燃裝置的情 況下繼續進行，那么可注入諸如氮或水的燃燒抑制劑；這對于通常具有埋入 的氧化劑的化學爆炸物污染的土地的修復可能是有特殊功效的。
通過創建一個或多個燃燒屏障(combustion barrier)可實現在期望的 位置熄滅燃燒。在本發明的實施方式中，場地邊界或周界可通過設置一個 或多個燃燒屏障而形成。形成一個或多個燃燒屏障的步驟可包括構造物理 屏障。例如，剛性的板樁墻(例如，由鋼制成)可被打入地下，以形成截 斷墻(cut-off wall )。或者，例如，時間設定材料(time-setting material )， 如包括膨潤土的水泥材料，可被注入地下，通常注入到挖掘的溝渠或鉆孔 中，以形成截斷墻。可選擇地，或此外，形成屏障的步驟可包括通過將流 體注入地下多個位置中形成流體抑制墻(fluid suppression wall)，例如氣體 墻。例如，可鉆取多個鉆孔/井孔，和/或可形成溝渠(填充有砂礫或相似 物)，且流體抑制劑通過鉆孔注入，和/或注入到溝渠中。這些技術可提供 在由此界定的邊界中熄滅燃燒過程的屏障。
材料優選地是非水流體，并因此在水中是不可混合的，但是也可以是 或者可供選擇地是固體。可燃材料可以是NAPL，且更特別地可以是 DNAPL或LNAPL。
該方法可包括從地表進入可燃材料體積。進入材料體積可包括鉆取從 地表到與材料體積交匯的位置或到與材料體積相鄰的位置的入口鉆孔 (access borehole )、通道或相似物。這可方便可燃材料隨后的點燃。鉆孔 或相似物可以是實質上垂直的，或可以是水平鉆孔。可以理解，水平鉆孔 是包括從垂直鉆孔偏離的至少一部分的鉆孔；這種鉆孔在油氣體勘探和生 產工業是已知的，且方便從橫向間隔的位置進入到材料體積。鉆取水平鉆 孔也可方便隨后的材料點燃及燃燒前沿通過材料的傳播。這是因為鉆孔可 被引導到在該體積的下界或周界的位置或相鄰的位置處與該體積交匯。因 此，燃燒前沿可在污染區域的底部開始，并向上傳播。這樣，可產生飄浮 的或強迫的空氣流，從而輔助燃燒過程。這可促進能量(熱)保存，從而 提高該方法的有效性，因為在燃燒期間產生的熱上升，或被強迫的空氣流 向上推動通過土地，有助于燃燒過程的自維持。這可使得在存在冷源(heat sink)(例如包括較大量水的區域)中燃燒非常低濃度的燃料是可能的。此 外，從下面點燃可允許因其減小的粘性(由于增加的溫度)而引起流動的 材料(NAPL)向下慢慢流動，并保留在燃燒區，由此在點燃鉆孔或用于
此目的的其它鉆孔中仍然被燃燒，或可選擇地被復原。
在備選方案中，鉆孔可被引導成在上界或鄰近上界處與材料體積交 匯，且燃燒前沿向下傳播通過材料體積。可供選擇地，鉆孔可被引導成在 橫向邊界與材料體積交匯，且燃燒前沿水平傳播穿過材料體積，或者定位 在中心，且燃燒從材料體積的中心朝向它的極端向外傳播。
點燃可燃材料的步驟可包括將點燃裝置定位在材料體積內或鄰近材 料體積，且可尤其包括將點燃裝置定位成沿鉆孔延伸或相似地從表面到與
材料體積交匯或相鄰的位置。在其中將要把調節燃燒的流體(combustion regulating fluid)(例如，氧化劑或抑制劑)注入到地下的地方，注入裝置 可配備有點燃裝置，且因此共同定位在鉆孔中。
優選地，包括氣體和類似物的燃燒副產品-波收集，用于分析和/或處理。 燃燒副產品可在地表收集，且被裝在合適的存儲室中。額外地或可供選擇 地，當通過鉆孔或相似物實現進入材料體積時，副產品可沿相同的鉆孔或 被特別地設置用于此目的的其它鉆孔返回到地表。因此，通過鉆孔或相似 物進入可燃流體體積可額外地有利于從燃燒過程收集氣態副產品。在地下 存在大量水時，氣體產品的部分(例如，二氧化碳，它是高度可溶解的) 可溶解到水中，且因此不能被收集。
可以通過取土i裏/地下水的樣品并分析來實現。
根據本發明的第二方面，提供了用于修復被可燃材料污染的土地的裝 備，該裝備包括點燃裝置，該點燃裝置適合于被定位在地平面以下，用于 在待修復的土地中點燃地下可燃材料體積，以燃燒材料，并由此修復土地。
為了點燃該材料，點燃裝置可適合于加熱可燃材料，且可包括電阻加 熱器。電阻加熱器可包括電元件或線，當電流通過該元件時，該元件發熱， 且該元件可具有適合于保護該元件避免腐蝕性材料的抗腐蝕涂層或覆蓋 層。
可供選擇地，點燃裝置可適合于產生放電或火花或其它熱源，以由此 點燃該材料。如果需要的話，點燃裝置可包括耦合到燃料供給的燃燒器或
類似物，用于產生火焰或其它的熱源，以點燃材料。可以理解的是，對一 些材料，火焰或其它熱源可僅需要被維持到其將可燃材料點燃時止。
該裝備可包括至少一個流體注入裝置，用于注射適合于促進燃燒進入 材料體積中的流體(特別是氣體)，例如包括或包含空氣/lu/臭氧的氧化劑。
這可通過能夠注入氧化劑而方便控制材料的燃燒。流體注入裝置可包括從 表面延伸到體積中的至少一個流線。可選擇地，流體注入裝置可包括具有 多個出口的集流管，該集流管連接到主流體供給線，用于通過單獨的供給 線將流體供給到該體積內的多個位置。該供給線可被包含在點燃鉆孔內， 或者在點燃裝置旁邊，或者可適合于在移去點燃裝置后被插入。
流體注入裝置也可用于將燃燒抑制劑，如水或氮，供給到材料體積中， 以選擇性地熄滅燃燒，或限制未燃燒材料的燃燒。該流體注入裝置可包括 用于氧化劑/燃燒抑制劑流的單獨的流線，或者可適合于選擇性地供給兩者 之一。
該裝備可包括至少一個傳感器，用于監控材料的燃燒。優選地，該裝 備包括貫穿整個體積間隔的多個傳感器。該裝備可包括溫度傳感器和/或氣 體傳感器，用于確定由流體燃燒引起的氣體副產品的體積和/或組成。
現將通過舉例，參考附圖，描述本發明的實施方式，其中


圖1是被可燃材料污染的土地區域的示意性截面圖2是圖1所示土地區域在使用根據本發明實施方式的方法進行修復 期間的一見圖3是顯示了燃燒前沿通過圖1中所示可燃材料體積行進的示意圖4是圖1所示污染土地中的土壤的放大示意圖5是與圖2類似的被可燃材料污染的土地區域的視圖，顯示為使用 根據本發明可選實施方案的方法修復期間；
圖6是圖5顯示的被可燃流體污染的土地區域的視圖，顯示為圖5方 法的變化形式；
圖7是圖5顯示的被可燃流體污染的土地區域的視圖，顯示為圖5方
法的進一步變化形式；
圖8是圖5顯示的被可燃流體污染的土地區域的視圖，顯示為圖5方 法的又一變化形式；
圖9給出了在為證實本發明方法和裝備的耐久性而進行的試驗中使用 的裝備的示意性圖示；
圖10是詳細描述了為證實本發明方法和裝備的耐久性而進行的進一 步試驗的結果的表；
圖11是顯示了測量溫度對時間、以及在燃燒產物中CO和C02的百分 比(體積)的曲線圖，在使用圖9裝備進行的煤焦油/砂試驗期間測量；
首先轉到圖1,顯示了土地區域IO，其已經被可燃材料，尤其是被可 燃流體12污染。可燃流體通常包括NAPL，且尤其可包括DNAPL，其可 以是氯化溶劑，如三氯乙烯、四氯乙烯、或復雜的烴混合物，如煤焦油或 雜酚油。DNAPL 12可通過傾倒至土地10的地表14上而纟皮先處置，或者 可能是意外泄出的結果。如圖所示，DNAPL已經向下滲透通過區域IO中 的土;襄11,且已經形成非均勻的污染物體積或源區16。可以理解，體積 16的形狀取決于大量因素，包括被釋放的NAPL體積、NAPL的物理流體 性質以及土壤或巖石滲透性在土地區域10中的空間分布。DNAPL12已經 形成很多NAPL "池(pool)"(即，通過土壤/巖石中大量的孔連接的穩定 的NAPL區域)，包括下部池18，其積聚在不可滲透的巖層20上。DNAPL 12也可包括"殘余"NAPL區域，其中，分離的NAPL滴(單個孔)和中 樞(橫跨數個孔)被限制在孔隙中，通常在NAPL所通過的路徑中，但是 不積聚成池。
圖1所示的DNAPL 12已經向下滲透通過土地區域10中的土i裏11, 到達低于目前水位22的平面。因此，經過一段時間，在DNAPL 12中的 化合物從體積16中溶解出來，與地下水混合，并流入水道，如溪、河等， 從而形成污染問題。本發明涉及一種修復或清除土地10污染區域(即，
源區)的方法，如也將參照圖2描述的。值得注意的是，該方法也應用到
LNAPL的情況，只是LNAPL基本上不滲透水位；而是它在水位頂部形成 透鏡狀(且經常壓低^f吏其局部圍繞LNAPL池)，其將在下面更詳細地描述。
也可以理解，存在于體積16中的材料的類似相或多相(液體、氣體/ 蒸汽和固體)取決于污染物材料和環境條件，例如周圍溫度和壓力、以及 地下水的存在。因此，在這些環境下，氣體/蒸汽和/或固體也可以或可選 擇地存在于體積16中。
概括地，該方法包括通過首先確定地下DNAPL 12體積的位置來修復 污染的土地區域IO。這可通過使用一種或多種技術的組合來實現；例如， ^f吏用遠禾呈^罙測i也3求4勿玉里裝置(remote detection geophysical equipment)(未 顯示)，或通過在土地的疑似污染區域的地表14周圍隔開的多個位置和深 度處鉆孔和取樣(對土壤、氣體或水)多個測試井或鉆孔(未顯示)。這 便于確定土地區域10的被DNAPL 12污染的一般形狀和體積16。在顯示 的示例中，且如上面描述的，體積12包括下部池18，下部池18位于不可 滲透的巖層20上；但是，這樣的下界池(lower bounding pool)不是該方 法的必要條件。
一旦已經采用這些技術確定了體積16的位置，就通過點燃DNAPL 12 以由此燃燒DNAPL來修復污染的土地區域10。這通過從地表14鉆取鉆 孔26實現，鉆孔26延伸通過土壤11到鄰近流體體積16的下界24的位置 28。這種鉆孔:f支術，例如在油氣勘探和生產工業中是已知的。雖然可鉆取 通過體積16到達位置28的垂直鉆孔，但是鉆孔26是偏斜的，以方便進 入下界24。
在鉆取鉆孔26，且如果需要的話，襯以適當的管道(例如多段相互連 接的套或村套)之后，將氣體注入集流管和材料點燃裝置30從地表14插 入鉆孔26，并向下到達位置28。裝置30連接到控制裝置，并經由臨時管 道及電纜32連接到在地表14上的壓縮空氣/ll/臭氧(未顯示)源。裝置 30也包括具有多個氣體出口 33的集流管31。
點燃裝置30包括鎧裝電纜加熱器或線(未顯示)，當被激活時，鎧裝 電纜加熱器或線快速發熱，以依次加熱已經進入鉆孔26屏蔽內和在裝置30周圍區域內的DNAPL12。雖然可使用其它材料，但是用于電纜加熱器 護套的適當材料是INCONEL 。這促使DNAPL 12點燃，由此開始DNAPL 的燃燒。護套保護加熱器避免暴露到存在地下的腐蝕性化合物，尤其是 DNAPL 12本身。在可供選擇的配置中，當希望在體積16中燃燒DNAPL 12 時，通過從地表提供適當的控制信號，裝置30產生放電或電火花(或其 它任何真正產生熱的方式)，由此點燃DNAPL 12。 一旦DNAPL 12已經被 點燃，產生燃燒前沿34，如在圖3的示意性視圖中所示，其從位置28行 進通過體積16，燃燒前沿從裝置30向外蔓延。
可通過點燃鉆孔集流管31將氧化劑注入至地下。土地區域10中土壤 11的多孔特性及在與點燃相同的位置的氧化劑的注入確保燃燒前沿向前 (沿流動方向)傳播，借此，從DNAPL體積的熱的燃燒區域16a重新獲 得能量，且纟皮傳遞到未燃燒區域16b。很可能，燃燒將繼續處于無焰燃燒 模式，其中燃燒發生在材料表面，且氧化劑擴散到此表面。在點燃后，燃 燒前沿34行進通過體積16，以燃燒與池18流體相通的DNAPL 12的剩余 池，如圖2箭頭所示。由于多孔介質保持并傳遞支持燃燒的溫度的能力， 甚至當NAPL貫穿整個孔隙不是連續的流體連接時，剩余DNAPL區域也 被燃燒。燃燒過程的氣態副產品向上通過土壤到達地表14,且可被允許進 入大氣，或可被收集，用于使用合適的收集和存儲裝置(未顯示)進一步 處理和/或存儲。氣態副產品也可通過鉆孔26 (或用于該目的的其它安裝 鉆孔)引出，并以相似的方式收集。當與燃燒前沿以上的冷土壤或水接觸 時，燃燒產物的一小部分有可能被冷凝回到液相。通常，預期燃燒產物大 部分是水、CO和C02。
因此，該方法通過燃燒體積16中的DNAPL而有利于修復污染的土地 區域10。
現也參照圖4更詳細地描述本發明的方法和裝備，圖4是污染體積16 中土i裏11的;^文大的示意性圖示。
DNAPL 12從地表14滲入土地10中的土壤11，并存在于土壤顆粒38 之間相互連接的孔隙36內，如圖4所示。然而，可以理解，NAPL也可以 包括在斷裂巖石/粘土環境和/或在破裂所嵌入的總多孔基質(porous matrix) 中的敞開式斷裂或裂縫內。經燃料的燃燒，例如像土壤ll的多孔基質內的
DNAPL 12的燃燒產生在孔隙36內的自維持放熱反應，在此期間，熱從燃 燒的DNAPL 12a (圖3 )傳遞到孔隙36和固體基質(土壤顆粒38 )。多孔 介質的存在對燃燒過程具有顯著有益的影響，因為固體顆粒38具有高的 熱慣性，從而發熱，并存儲來自燃燒反應中能量。該熱通過多孔介質并經 由以與燃燒前沿相同的方向行進的加熱的氧化劑(氣體)的傳遞可在前沿 前面產生預熱區域。這樣，當大部分釋出能量到達預熱位置時，其可被傳 遞回到反應處。因此，熱損失小，從而允許甚至非常低濃度的燃料和/或氧 化劑的燃燒前沿的傳播。
因此，該能量反饋機制可導致在反應區34的溫度顯著超過給定的 DNAPL 12通常可能的溫度。燃燒產物將它們大部分的能量釋放到燃燒 (即，反應)前沿34附近未燃燒的DNAPL 12b，從而使得燃燒前沿區域 立刻冷卻。這樣，在以其他方式導致燃燒過程熄滅的條件中，有效的自蔓 延燃燒過程是可能的。
放熱反應通過土壤的傳播率也可受到氧化劑流方向的顯著影響，氧化 劑流方向即攜氧的空氣流的方向。因此，該方法可包括在燃燒過程期間將 空氣(或可選擇的氧、氮和其它氣體，例如臭氧的混合物)供給到區域IO 中的土壤。的確，放熱反應通過土壤ll的多孔基質的傳播率受到空氣(氧 化劑)流方向的顯著影響。圖3顯示了向前傳播如何使用注入的氧化劑(空 氣/氧)來重新獲得能量，且由此輔助反應的傳播。當處理低熱輸出、非常 低的燃料濃度或存在諸如水的冷源的燃料(NAPL)時，有必要確保由放 熱反應產生的大部分能量由未燃燒的燃料和氧化劑重新獲得。因此，傳播 通常是前進才莫式，如圖3所示。在前進模式內，基于氧化劑的流率可確認 三種機制促使反應前沿加速的過量熱；導致減速的缺乏熱；以及確切地 在反應前沿34處的熱積累。這種理想的第三種情況被稱為超絕熱燃燒。 因此，可根據期望的結果，通過控制通過注入裝置30的空氣/氧的注入， 和/或控制諸如氮或水的抑制劑的供給，來掌控在任何應用中實現的具體機 制，如將在下面描述的。傳播率也受到土壤ll的孔36的直徑和被燃料、 空氣及其它未反應材料占據的孔隙率分數的影響。
在多孔基質，如土壤11內的向前反應前沿的傳播可在寬范圍的條件下 存在。最重要的變量是多孔介質的性質、可燃材料的熱性質以及氧的供給。 對于大的空氣流率(大量氧供給)，有大量的能量釋放，且反應前沿的傳 播將加速。如果氧供給減少，產生的能量減少，且反應前沿將減速，進一 步減少氧供給將導致熄滅。在這些條件下，放熱反應主要由液體燃料表面 的氧化引起；這種燃燒模式稱為無焰燃燒(例如，香煙)。無焰燃燒通常
比有焰燃燒進行得慢，且產生較低的溫度(例如，通常在40(TC到600°C 之間)，但是在特定的條件下，可實現超過IOO(TC的溫度。此外，無焰燃 燒在極低的空氣-燃料比下是可能的，且甚至在沒有任何外部氧供給的情況 下也是可能的。因此， 一定范圍的操作機制是可能的緩慢的NAPL無焰 燃燒在沒有充氣的多孔結構中是可能的，而定期的或連續的空氣(氧)注 入(通過裝置30)將增加溫度，并加速燃燒前沿通過源區的傳播(即，修 復)。
因此，為了實現最佳燃燒，并由此實現燃燒前沿34通過DNAPL 12 的體積16的繼續，可監控DNAPL的燃燒。這可通過使用適合的溫度傳感 器(例如，熱電偶；在圖2中顯示并給定參考數字40、 42和44的三個熱 電偶)在整個體積和周圍土壤隔開的多個位置處監控體積16中及其周圍 的土壤的溫度來實現。這些傳感器40、 42和44設置在從地表14鉆取至 體積16和周圍區域的土壤中的小的鉆孔或通道46、 48和50中。同樣地， 由燃燒過程引起的氣態副產品的組成和/或體積可按與獲得溫度數據相同 的方式在地表14或者通過在貫穿體積16的不同位置處取樣進行監控。這 些氣態副產品也可以或可供選擇地通過鉆孔26提取。通過監控氣態副產 品的溫度和組成/體積，可實時確定燃燒發生的性質，從而如果需要的話， 改變所采取的措施。例如，通過改變氧供給，對燃燒前沿34的傳播因而 產生的效果。在燃燒過程期間供給空氣或氧的情況下，根據需要，這可以 是在連續基礎上或者是在周期間隔中。同樣，可在單個位置或多個位置供 給氧化劑，以方便燃燒前沿貫穿源區繼續，如將在下面描述的。
現轉到圖5，顯示了與圖2類似的被LNAPL，如油(汽油)、噴氣燃 料、加熱用油或柴油污染的土地區域。在該圖中，土地區域被指定為100,
且LNAPL ^皮給定為參考數字112。 LNAPL與圖1所示的DNAPL不同， 因為它比水輕，且因此趨向于集中在現有地下水水位上或上方(地下水水 位實質上是水飽和區的上表面，在該區上方，空氣部分地填充孔隙)的巖 石/粘土層的孔隙或縫隙中。
用于纟務復土地區域100以去除LNAPL 112的方法實質上與上面關于圖 1至圖4描述的方法相似，且在這里僅描述實質上的不同。與圖1至圖4 所示用于清除土地10的裝備類似的用于清除土地100的裝備的部件被給 定相同的參考數字加上100。
在顯示的實施方式中，已經從地表114到鄰近LNAPL 112的流體體積 116的下界或周界的位置128鉆取了垂直鉆孔126。點燃裝置130被插入， 且然后#_激活，以燃燒流體體積116中的LNAPL 112。監控LNAPL 112 的燃燒，且以與上面描述相同的方式選擇性的收集副產品。
現轉到圖6，顯示了被圖5所示LNAPL 112污染的土地區域100的視 圖。然而，在圖6中，希望限制燃燒前沿從點燃點通過LNAPL的體積116 的前進，使得燃燒前沿不進入存在于區域52的土壤中。這通過從地表鉆 取鉆孔54、插入燃燒抑制裝置56、且注入燃燒抑制流體58 (如水或氮) 至污染土壤中來實現，如圖中箭頭所示。注入的流體形成屏障60,其限制 燃燒前沿進入區域52中的未燃燒LNAPL 112的通道。
現轉到圖7，再次顯示了被圖5所示LNAPL 112污染的土地區域100 的視圖。再次，希望限制燃燒前沿從點燃點通過LNAPL的體積116的前 進，使得燃燒前沿不進入區域52中存在的土壤中。在顯示的實施方式中， 這通過構造物理燃燒抑制屏障62來實現。通常通過挖掘溝渠63,并將時 間設定的基于膨潤土的水泥材料64傾注至溝渠中來形成屏障62。 一旦材 料64凝固，便產生固體屏障62，從而防止燃燒前沿行進至區域52中。可 采用可選擇的方法形成屏障62。例如，金屬板(未顯示)可^l打樁至地下。
圖8顯示了圖5所示土地區域100的示意性平面圖。在這種情況下， 需要限制燃燒前沿進入區域52的通道，且也限制燃燒前沿進入地面區域 66的通道。采用關于圖6和圖7顯示和描述的方法與圖8方法相結合，且 基于包括污染區域100中土壤的特定性質的因素選擇最合適的技術。例如，在區域52中的土地可主要包括不適于關于圖7中描述的挖掘/
打樁方法的巖層。因此，可采用圖6的方法，并使用鉆頭鉆取大量鉆孔54a、 54b和54c。氣體供給線56a、 56b和56c (相應地)形式的燃燒抑制裝置 安裝在每個鉆孔54中，且通過每個鉆孔54注入抑制流體，以形成屏障60。 相反地，區域66中的土地可主要包括軟土或基于粘土的層，于是可采用 圖7的挖掘/打樁方法形成屏障62。
可以理解，如果需要的話，可鉆取在體積116周圍間隔開的大量鉆孔 54,以允許在燃燒過程期間注入燃燒抑制流體。例如，為了維持無焰燃燒， 或者在發現燃燒速度超過期望的傳播率時抑制反應，可在燃燒過程期間注 入水或者氮。這可在反應前沿接近地表時進行。以這種方式注入燃燒抑制 劑的需求可通過如上所述監控燃燒溫度和燃燒副產品的溫度、壓力和/或含 量來確定。
在圖8中還顯示了多個點燃裝置30a、 30b，其橫貫體積116的寬度間 隔開。裝置30a、 30b通常被同時激活，以在體積116中開始LNAPL 112 的燃燒。而且，顯示了多個氧化劑供給鉆孔68a至68d，可通過這些鉆孔 注入氧化劑，例如空氣或氧(由箭頭70a至70d所示)。可以理解，為了促 進、維持和/或加速燃燒，在燃燒過程期間可注入氧化劑。例如，萬一存在 的氧甚至不足以發生無焰燃燒，且燃燒處于熄滅的危險中，可能就需要注 入氧化劑。以這種方式注入氧化劑的需求又可通過如上所述監控燃燒溫度 和燃燒副產品的溫度、壓力和/或含量來確定。
可以理解，使用裝置30a、 30b之中的一個，LNAPL 112的燃燒可從 體積116內的單個點燃點繼續下去。但是，如果在燃燒前沿通過體積116 的前進過程中，燃燒過程的監控顯示需要在其它位置點燃LNAPL112,可 激活裝置30a、 30b之中的另一個或甚至其它裝置(未顯示)。
可以理解，LNAPL 112的燃燒可以是熱自給自足的(thermally self-sufficient),這樣，可關閉點燃裝置30a、 30b或每一個點燃裝置30a、 30b;且可以是氧充足(oxygen sufficient)的，使得不需要通過抑制裝置 56供給氧化劑。因此，燃燒可以是自維持的，在于其可以是熱自給自足的、 和/或自維持的，因為，其可具有充足的氧，且因此不缺乏氧。 一旦燃燒是
自給自足的，如上面描述的監控燃燒允許采取適當的措施(如關掉點燃裝
置或氧化劑流)。如果確定燃燒不是熱充足的，點燃裝置30a、 30b之中的 一個或多個可維持在激活狀態。
概況地，在上述的每種實施方式中，期望促進/維持無焰燃燒，且可采 取適當的補救措施促進或維持這樣的燃燒。
下面描述了所進行的初步試驗，以驗證上面描述的本發明的方法和裝 備的有效性。
用于初步試驗的裝備和方法 裝備
試-瞼元件石英^皮璃燒杯(2種尺寸，H. Baumbach & Co.， Ltd., Ipswich,
UK)
1 ) OD=103mm, H=175mm (不透明)
2 ) 0D= 106mm, H= 195mm (透明)
空氣4廣散器打有2mm孑L的8mm盤4同管(coiled copper tube )
點燃器240V， 450WInconel 涂層的電纜加熱器，3.25mm方形截面 x 762mm長度(0.128"方形截面x30，，長)(Watlow Ltd, Linby, UK, part 弁125PS30A48A)
氣體分析CO和C02分析儀部件(ADC Gas Analysis Ltd, Hoddesdon,
UK)
熱電偶1.5mm和3mm x o.5m Inconel K型護套熱電偶 (RS Components Ltd.,. Corby, UK, #219-4488 (3mm) and #159-095 ( 1.5mm))
數據采集和記錄多功能轉換/測量部件(Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA, #34980A)
隔熱襯墊240V, 1045W加熱帶2.54cm x 254 cm, 1.33W/cm2 ( Omega Engineering Ltd., Manchester, UK)
多孔介質(土壤)類型
a)津且石英砂、(Leighton Buzzard 8/16砂-,WBB-.Minerals, Sandbach,
UK)
b )細石英砂(Lochaline L60A珪砂，Tarmac Central Ltd., Buxton, UK) c )泥炭(場地樣品)
d)油砂(場地樣品；天然地涂有固體汽油的細砂) 注入的氧〗匕劑
周圍空氣，流率從零L/min到約20L/min 污染物
a) 新近制造的煤焦油(AlfaAesar,Heysham, UK, item #42488;粘性 多組分的DNAPL)
b) 植物油(Sainsbury's Supermarkets Ltd, London, UK; 代表物，無 毒的代表性的粘性LNAPL )
c )十二烷 (Fisher Scientific UK Ltd, Loughborough, UK, item #36577-0010;低粘性LNAPL)
d)三氯乙烯(TCE) (Fisher Scientific UK Ltd, Loughborough, UK, item#15831-0010;氯化溶劑DNAPL)
e ) 1,2-二氯乙烷(DC A) (Fisher Scientific UK Ltd,. Loughborough, UK, item #D/1756/15;氯化乙烷(chlorinated ethane) DNAPL )
f) 油脂(Electrolube多用途MPG50T油脂；粘性的多組分LNAPL )
g) 煤焦油場地樣品(最近從大不列顛英國場地重新獲得，20世紀 早期制造氣體工廠在該場地上操作；DNAPL)
h) 固體爆炸性化合物(粒狀硝酸銨-TNT或DNT的主要組分-與惰性組分混合；加入氧化劑的固體化合物)
i) 汽油(在油砂上自然產生的固化涂層，作為場地樣品心部部分獲得)。
注意在本領域中，氯化溶劑通常不被形成為純(即，試驗室級別)
化學物，而是與多達30 %的油和油脂混合(Dwarakanath, V., R. E. Jackson, and G.A. Pope, 2002. Influence of Wettability on the Recovery of NAPLs from Alluvium. Environmental Science and Technology, 36 (2 ) , 227 -231 )。 因jt匕， 帶溶劑的試驗使用多組分混合物(見結果)75% TCE + 25%油(按重量)， 75%十二烷+25%油(按重量)，75。/。DCA+25。/。油脂(按重量)。
試驗程序
圖9給出了試驗的示意性顯示。研究用于修復污染的多孔介質的原位 燃燒的基本概念的初步試驗在約1L的石英玻璃燒杯72 ( 103mm OD x 175mm H或106mm OD x 195mm H, H. Baumbach & Co.， Ltd.)中進行。 燒杯一皮填充少量粗砂(Leighton Buzzard 8/16 sand, WBB Minerals ),足以在 燒杯底部上方數毫米放置空氣擴散器74。空氣擴散器74由8mm長的銅管 組成，彎進線圈，并沿管的底部部分打1.5-2mm的孔，使得空氣流被向 上引導。選擇的多孔介質用于將空氣擴散器掩埋數毫米。點燃元件76，盤 形3.25mm方形截面x 762mm長Inconel⑧涂層的電纜加熱器(240V, 450W, part #125PS30A48A, Watlow Ltd )被放置在空氣擴散器74之上。然后，將 選擇的多孔介質75添加到燒杯，以掩埋點燃元件5厘米。如果污染物是 固體，它在此步驟中與被放置的砂混合。如果污染物是液體，它被隨后添 加，并^f皮允許向下過濾通過介質，通常浸沒電纜加熱器76。因此，祐:放置 的污染物區通常在點燃元件76上5cm高。選擇的多孔介質然后被填充到 裝備頂部的5cm內。在放置的多孔介質頂部擱放三厘米細砂(Lochaline L60A silica sand， Tarmac Central Ltd.)， 以當作頂蓋。多達五個1.5mm或 3mmx0.5m Inconel K型護套熱電偶78a到78e (parts #219-4488 ( 3mm ) 和#159-095 ( 1.5mm) , RS Components Ltd.)被插入到多孔介質中，其 中它們的測量頂端以1cm間隔的位置暴露在電纜加熱器76上，且最后一 個熱電偶78e通常^fc故置在污染物區的外面。熱電偶78a至78e被連接到 多功能轉換/測量部件(34980A, Agilent Technologies),其記錄數據，將電 壓輸出轉換成溫度，并將結果傳送到電腦上。
在這些初步試驗中使用的較小直徑的裝備意味著系統傾向于過多的 熱損耗(這在較大的試驗或原位應用中是不被期望的)。為了減少熱損耗，
玻璃燒杯72被包裹進加熱帶(240V, 1045W, 1.33W/cm2, Omega Engineering, Ltd.)。加熱帶首先被打開使用，將系統帶到升高的(但是不足以燃燒，即， 大約200°C )起始溫度，以便不使熱損失到周圍空氣中。 一旦達到那個溫 度，電纜加熱器點燃元件76用1.7安培的電流轉向激活。不久后，以20L/min 的流動率供給引進空氣流。 一旦空氣流開始，點燃器76被允許保持打開， 直到在從熱電偶78a讀取的溫度最接近點燃器76的峰值并開始下降后。 CO和C02氣體測量(ADC Gas Analysis Ltd.)由存在于多孔介質75頂部 的氣流構成，這些是燃燒的副產品。在點燃元件被關閉后，繼續注入空氣， 溫度也一樣，CO和C02繼續記錄，直到在氣態廢物中出現很少量的CO 或co2且反應溫度下降到不可能支持燃燒反應的水平。在系統已經冷卻后， 小心地挖出多孔介質。拍照片，以區分修復的范圍，并視覺上評估剩余污 染的程度。在一些情況中，采用氣相色譜法對剩余的污染物樣品進行分析， 下面4苗述it方法。
氣相色譜-質譜儀(GC/MS )用于三氯乙烯(TCE)和1, 2-二氯乙烷 (DCA)試驗。每種土壤的約10克被放置在20mL的頂部空間小瓶中， 并用PTFE/硅隔膜(silicon septum)巻邊密封。使GC/MS方法最優化，以 確認低水平的DCA和三氯乙烯TCE。 TCE和DCA的探測極限大約是 0.5ppm。
氣相色譜-火焰離子化檢測器(GC/FID)用于包括十二烷、植物油和 煤焦油的試驗。每種砂的約10克放置在20mL的玻璃小瓶中。二氯曱烷被 添加到砂上大約lcm的水平。小瓶用PTFE/硅隔膜巻邊密封，搖動并放置 在5(TC的恒溫箱中12小時。然后搖動小瓶，允許砂沉淀，并將提取物移 除，且轉移到2mL的自動取樣瓶，以分析。在保溫前和保溫后記錄質量， 以確保在加熱期間損失量是有限的。釆用這種方法，化合物的探測極限大 約是0.5ppm。
結果
已經進行了超過30次試驗，檢測不同的點燃源、試驗設置、裝備裝 置、燃料類型、砂類型等。這些中的很多都沒有給出，盡管它們有助于改 進最終的點燃和試驗程序(在上述的試驗程序中概述的)。這部分詳細地
描述了一個試驗，即在粗石英砂中煤焦油的燃燒，作為在描述的試驗程序 后的一組代表性的試驗結果。使用上述程序的其它試驗的結果總結在圖10 中的表格中。
粗砂內煤焦油的試驗
圖11給出了粗石英砂內液體污染物煤焦油的結果，其中圖表曲線80a 到80e代表了在相應的熱電偶78a到78e的測量溫度對時間的關系。圖11 也顯示了燃燒產物中CO和C02的百分比(體積)。
初始溫度的升高與加熱帶相關。在沒有帶的情況下進行的試驗中，觀 察到的相似的溫度升高是點燃元件的結果，但是熱不平等地分配，而是在 點燃器旁邊的最低的熱電偶78a處最高。測試裝備的比例導致增加的熱損 失，這需要釆用低溫加熱帶(即，大約200°C)來補償。需要注意的是， 僅由于該"概念驗證"試驗裝備的小尺寸而需要加熱帶；在全比例(full scale)試驗裝備中，與在該領域中一樣，多孔介質體積大到足以起到絕緣 體的作用，且因此這種類型的熱損失不會發生，且不需要這種額外的熱應 用。這與按比例確定的較大系統的結果的理論分析是一致的，并與在各種 比例下固體多孔泡沫(例如，墊子)的無焰燃燒中的大量試驗經驗一致。
圖11顯示了當點燃元件76打開時，在其附近的溫度快速增加。當開 始空氣(氧化劑)流時，溫度增加再一次加速。圖11顯示了原位燃燒在這 段時間后開始相對較快，這由是氣態燃燒產物的CO和C02的出現所證實。 它們的出現呈現出與點燃溫度和點燃時間 一致，在此試驗中觀察到的分別 是400。C和57分鐘。在燃燒開始后，原位溫度通常快速上升，其中最大溫 度被作為在任意熱電偶78中達到的最大峰值(在這種情況下，點燃元件 76的第二熱電偶78b )。
在此試驗中，點燃元件在燃燒開始后10分鐘被關閉，但維持氧化劑 的輸送。在此時間后，圖11顯示在此試驗中觀察到了自維持燃燒，意味著 燃燒前沿在沒有額外的外部能量的情況下傳播通過污染區。對于此的證據 包括在遠離點燃點的連續位置處的連續的溫度峰值(例如，在熱電偶78a 和78b( TC1和TC2 )之間的持續的最大溫度以及在熱電偶78c和78d( TC3 和TC4)之間的持續的最大溫度，如圖表曲線80a到80d顯示的)。進一步
的證據是溫度測線圖的連續橫跨(例如，在TC4溫度仍然增加，而在TC3 溫度減少；注意TC5沒有在污染區內)。熱從高溫向低溫傳遞，因此橫跨 顯示，熱/人熱電偶78d (TC4)向熱電偶78c ( TC3 )傳遞，-〖正明顯著的熱 產生在熱電偶78d (TC4)的位置處發生。燃燒氣體(CO和C02)的連續 生產為點燃元件76關閉后燃燒的繼續提供進一步的證據。通過用熱電偶 78之間的空間距離除以最大溫度峰值之間的時間，測量了傳播的燃燒前沿 的速度；在這種情況下，速度估計為4.1 x l(T5m/s。不同燃料的文獻價值顯 示，這些是典型的無焰燃燒傳播速度。在相似分布后每個位置的溫度最終 下降，代表在所有的污染物被破壞且反應已經局部自熄滅后能量的消散。
通過比較，基礎情況試驗被精確地重復，但是在多孔介質中沒有燃料 /污染物。熱電偶78d ( TC4 -只有砂)溫度分布80f與煤焦油試驗的TC4 是直接相似的。在溫度隨時間的變化下的面積與該過程期間釋放的能量成 正比，因此兩者之間的差別代表了由污染物燃燒所產生的能量。對每條曲 線下的面積的估計顯示，由在4個熱電偶附近的燃燒過程產生的能量比在 此位置由點燃系統傳遞的能量的四倍還多。這提供了明顯的證據， 一旦點 燃被實現，自維持傳播所需要的能量可通過污染物的燃燒傳遞，而沒有進 一步需要后續的點燃裝置。所有多余的能量將向前傳遞，并因此用來加速 反應前沿。
在試驗前和試驗后均拍攝污染物和多孔材料的照片，其顯示在燃燒區 的完全修復沒有可觀察到的污染物剩余。在前和在后的修復土壤的物理 處理及比較體積密度的測量結杲也確認沒有污染物剩余。該照片也顯示位 于點燃器76下(并因此不在燃燒區)的煤焦油沒有得到修復，雖然其實 質上^皮加熱；代替，煤焦油和砂在冷卻時變成部分地被固化。也可以觀察 到，原位燃燒的修復將土壤顏色改變成紅色，這是高溫鐵氧化的結果，且 通常在溫度超過60(TC的森林火所影響的土壤中被觀察到。
的程度。如在圖10的最后一列中所指示的，只有剩余化合物的微量水平 被探測，其中信號接近該方法的探測極限，且量不充足。
圖10給出了用與給出的用于煤焦油/粗砂試驗所描述的方法相同的方
法進行的13個其它試驗的總結結果。圖IO顯示了在所有試驗中成功地實
現了原位燃燒。這包括3種額外普通的NAPL和兩種固體材料。該圖也顯 示了用于各種多孔介質類型、用于各種流體飽和度(水和NAPL兩者)、 用于源自場地的樣品以及試驗室樣品、和在源區(即，燃燒區)的不同條 件成功的原位無焰燃燒。僅在兩個試驗中觀察到在燃燒區有任意污染物剩 余；在這些情況中，氧化劑的引導明顯地促使氧化劑繞開一個位置，而沒 有實現燃燒。GC分析確認，在進行該分析的8個試驗中，燃燒區的所有 有機化合物實質上消失。圖10中的燃燒傳播速度是典型的無焰燃燒，其 是這些試驗中最主要的燃燒形式。
進行兩種重復基本情況的(即，粗砂中的煤焦油)試驗，且獲得與圖 IO描述非常類似的結果，顯示該方法的再現性。進行第三種重復，但是在 這種情況中，空氣流在點燃元件關閉后大約5分鐘被終止；換句話說，在 自維持燃燒已經建立，但所有污染物被燃燒之前。該試驗顯示，在氧化劑 輸入^f皮終止后不久，在這種情況下燃燒停止。這顯示通過移去氧化劑注入 流可熄滅該反應。而且，在冷卻時，發現因而形成的砂堆沒有被完全修復， 而取代的是，包括實質上大量固化的加熱的煤焦油和砂。這些物質不能被 從試驗裝備中移除；因此，此時，點燃過程被應用到冷卻的物質，且成功 地重新開始原位燃燒。在該試驗的第二燃燒階段的最后，輕易地提取出砂， 且在燃燒區沒有可觀察的煤焦油剩余。這表明，該過程可被停止且成功地 重新開始，并強調，至少對于測試的情況中，在沒有燃燒情況下的加熱不 能實現修復。
上述的試驗數據清楚地顯示，本發明的方法和裝備對于原位修復被諸 如DNAPL和LNAPL的可燃材料污染的土地是可行的。
現有的熱方法承諾可用于原位NAPL修復，但是價格高得驚人。在本 發明中，如果反應以前進模式傳播(圖3)，則對于非常低的燃料含量就可 實現燃燒前沿通過多孔介質的傳播。研究表明，這可應用于埋在地下的烴 液體，且可調整該工藝，以便以最佳的方式傳播。能量輸入可限于在源區 16的底部附近NAPL 12的初始點燃，這之后，可進行自維持反應。這種 技術展示了現有熱技術的優點(包括有效的量減少和無差別的滲透性對
照)，且因為通常不需要連續的能量輸入(即，自維持)而將是更加成本
有效的。而且，燃燒前沿將自然地跟隨連接狀態的NAPL12 (即，燃料) 的路徑通過孔隙36，即使這些不能預先已知/確定。該方法以及由此的燃
燒過程可因此^皮有效地自引導。因此，提供了超過現有的化學、物理以及
生物技術的顯著優點，現有技術經常無效率地瞄準比NAPL12本身大得 多的地下體積；依靠昂貴的化學添加物，其往往繞過污染區，并被稀釋低 于有效水平；以及在NAPL 12趨向于聚積的低滲透性區域附近是效率低下 的。
可對前述內容做出各種修改，而不偏離本發明的主旨和范圍。
權利要求
1.一種修復被可燃材料污染的土地的方法，所述方法包括如下步驟在待修復的土地中確定地下可燃材料體積的位置；以及點燃所述可燃材料，以燃燒所述材料，并由此修復土地。
2. 如權利要求l所述的方法，其包括原位燃燒所述材料。
3. 如權利要求1或2中任一項所述的方法，其包括在自維持燃燒過 程中燃燒所述材料。
4. 如權利要求3所述的方法，其包括在熱自給自足的燃燒過程中燃 燒所述材料。
5. 如權利要求3所述的方法，其包括在氧充足的燃燒過程中燃燒所 述材料。
6. 如權利要求4所述的方法，其包括使用點燃裝置來點燃所述材料， 且一旦燃燒過程是熱自給自足的，就使所述點燃裝置無效。
7. 如前述任一項權利要求所述的方法，其中所述可燃材料是流體。
8. 如前述任一項權利要求所述的方法，其包括點燃所述可燃材料， 以產生向外行進、離開點燃點、并通過所述可燃材料體積的燃燒前沿。
9. 如前述任一項權利要求所述的方法，其包括在所述材料體積內的 多個位置點燃所述材料。
10. 如權利要求8或9所述的方法，其包括控制燃燒，使得所述燃燒 前沿跟隨所述可燃材料的分布而離開所述點燃點。
11. 如前述任一項權利要求所述的方法，其包括監控所述材料的燃燒。
12. 如權利要求11所述的方法，其包括在被所述可燃材料污染的土地 中的多個位置處監控溫度。
13. 如權利要求11或12中任一項所述的方法，其包括監控燃燒過程 的副產品。
14. 如權利要求13所述的方法，其包括監控由所述材料的燃燒引起 的氣體副產品的組分和體積。
15. 如權利要求11至14中任一項所述的方法，其包括在燃燒過程中實時監控所述材料的燃燒。
16. 如權利要求11至15中任一項所述的方法，其包括在燃燒停止后 監控所述材料的燃燒范圍。
17. 如權利要求11至16中任一項所述的方法，其包括采取措施以改 變所述材料的燃燒。
18. 如權利要求17所述的方法，其包括供給氧化劑。
19. 如權利要求17或18中任一項所述的方法，其包括供給氧化劑， 并在監控燃燒后，改變所供給的氧化劑的流動率。
20. 如權利要求17至19中任一項所述的方法，其包括在至少另一個 位置中點燃所述材料。
21. 如權利要求11至17中任一項所述的方法，其包括供給燃燒抑制 劑，以便抑制并由此控制燃燒。
22. 如權利要求11至17中任一項所述的方法，其包括使用于點燃所 述材料的點燃裝置無效，以控制燃燒。
23. 如前述任一項權利要求所述的方法，其包括超絕熱地燃燒所述材料。
24. 如前迷任一項權利要求所述的方法，其包括點燃所述材料，以在 無焰燃燒過程中燃燒所述材料。
25. 如前述任一項權利要求所述的方法，其包括監控燃燒，以便促進 所述材料的無焰燃燒。
26. 如權利要求1至18中任一項所述的方法，其包括監控燃燒，以 便維持所述材料的無焰燃燒。
27. 如權利要求25或26中任一項所述的方法，其包括控制氧化劑的 供給，以由此促進或維持無焰燃燒。
28. 如權利要求25或26中任一項所述的方法，其包括供給燃燒抑制 劑，以在無焰燃燒狀態中維持燃燒。
29. 如前述任一項權利要求所述的方法，其包括在期望時間期間后熄 滅燃燒。
30. 如前述任一項權利要求所述的方法，其包括在燃燒前沿通過所述 材料行進期望距離后熄滅燃燒。
31. 如權利要求29或30中任一項所述的方法，其包括使用點燃裝置 點燃所述材料；監控燃燒，并在燃燒不是自維持處，維持所述點燃裝置被 激活；以及選擇性地熄滅所述點燃裝置，以熄滅燃燒。
32. 如權利要求29或30中任一項所迷的方法，其包括使用點燃裝置 點燃所述材料；監控燃燒，并在燃燒缺氧處，供給氧化劑，以維持燃燒； 以及選擇性地改變氧化劑的供給，以控制燃燒的傳播率。
33. 如權利要求29或30中任一項所述的方法，其包括使用點燃裝置 點燃所述材料；監控燃燒，并在燃燒缺氧處，供給氧化劑，以維持燃燒； 以及選擇性地改變氧化劑的供給，以熄滅燃燒。
34. 如權利要求29或30中任一項所述的方法，其包括使用點燃裝置 點燃所述材料；監控燃燒，并在燃燒不缺氧處，選擇性地注入燃燒抑制劑， 以控制燃燒的傳播率。
35. 如權利要求29或30中任一項所述的方法，其包括使用點燃裝置 點燃所述材料；監控燃燒，并在燃燒不缺氧處，選擇性地注入燃燒抑制劑， 以熄滅燃燒。
36. 如權利要求30所述的方法，其包括通過產生一個或多個燃燒屏 障來在期望的位置熄滅燃燒。
37. 如權利要求36所述的方法，其包括通過建立一個或多個燃燒屏 障來形成燃燒邊界。
38. 如權利要求37所述的方法，其包括構造物理屏障。
39. 如權利要求38所述的方法，其包括挖掘溝渠，并將材料供給到 所述溝渠中，以形成截斷墻。
40. 如權利要求38所述的方法，其包括將一個或多個板打樁到地面中，以形成截斷墻。
41. 如權利要求37所述的方法，其包括通過在多個位置將抑制劑流 體注入到地面中而形成流體抑制墻。
42. 如前述任一項權利要求所述的方法，其包括通過鉆取從地表到與 所述材料體積交匯的位置的入口鉆孔而進入所述可燃材料體積。
43. 如權利要求42所述的方法，其包括引導所述鉆孔，以在所述體 積的下界與所述體積交匯，并點燃所述材料，以促使燃燒前沿在所述體積 的底部開始，并向上傳播。
44. 如前述任一項權利要求所述的方法，其包括將點燃裝置定位在所 述鉆孔內，并激活所述裝置。
45. 如權利要求44所述的方法，其包括收集燃燒副產品，用于分析 和處理。
46. 如前述任一項權利要求所述的方法，其包括在燃燒后監控土地中 的燃燒副產品。
47. 如前述任一項權利要求所述的方法，其包括在燃燒期間監控土地 中的燃燒副產品。
48. 用于修復被可燃材料污染的土地的裝備，所述裝備包括點燃裝置， 所述點燃裝置適合于被定位在地平面以下，用于在待修復的土地中點燃地 下可燃材料體積，以燃燒所述材料，并由此修復土地。
49. 如權利要求48所述的裝備，其中所述點燃裝置適合于加熱所述 可燃材料，以便點燃所述材料。
50. 如權利要求48所述的裝備，其中所述點燃裝置是電阻加熱器。
51. 如權利要求50所述的裝備，其中所述加熱器包括具有抗腐蝕涂 層的電元件，所述抗腐蝕涂層適合于保護所述元件抵抗腐蝕性材料。
52. 如權利要求48所述的裝備，其中所述點燃裝置適合于產生電火 花，以點燃所述材料。
53. 如權利要求48至52中任一項所述的裝備，其包括至少一個流體 注入裝置，用于將氧化劑注入到材料體積中，以促進和/或改變燃燒率、燃 燒程度或燃燒范圍。
54. 如權利要求53所述的裝備，其中所述流體注入裝置包括從地表 延伸到所述體積中的至少 一個流線。
55. 如權利要求54所述的裝備，其中所述流體注入裝置包括具有多 個出口的集流管，所述集流管連接到主要流體流線，用于將流體通過單個 流線供給到達體積內的多個位置。
56. 如權利要求48至55中任一項所述的裝備，其包括至少一個流體 注入裝置，所迷流體注入裝置用于將燃燒抑制劑注入到所述材料體積中， 以抑制燃燒。
57. 如權利要求48至56中任一項所述的裝備，其包括至少一個傳感 器，所述傳感器用于監控所述材料的燃燒。
58. 如權利要求57所述的裝備，其包括至少一個傳感器，所述傳感 器選自包括以下的組溫度傳感器；壓力傳感器；以及氣體傳感器，用于 確定由所述材料的燃燒引起的氣體副產品的體積和組分。
全文摘要
本發明涉及一種用于修復被可燃材料(12)污染的土地(10)，尤其是修復被非水相液體(NAPL)污染的土地的方法和裝備。在本發明的實施方式中，公開了一種用于修復被可燃材料污染的土地的方法，其包括如下步驟確定待修復的土地(10)中地下可燃材料如DNAPL(12)的體積的位置，并點燃可燃材料(12)，以燃燒所述材料，并由此修復土地(10)。通過監控材料的燃燒，可通過例如供給氧化劑或燃燒抑制劑而使燃燒最優化。
文檔編號B09C1/06GK101365550SQ200680052554
公開日2009年2月11日 申請日期2006年12月8日 優先權日2005年12月10日
發明者喬塞·托萊洛, 保羅·皮諾尼, 克里斯廷·斯維茨特, 古伊萊莫·瑞恩, 詹森·格哈德 申請人:愛丁堡大學董事會