具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

需要解释的是，术语“高度”、“宽度”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或位置关系为基于本申请附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的显示。

微波修复技术是以微波为热源对污染土壤进行加热，使土壤污染物得以挥发、分解或固定，达到土壤修复的目的。微波不仅能处理挥VOCs和SVOCs，还能处理诸如重金属类的非挥发性物质。根据修复对象不同，可将微波修复分为有机物污染土壤修复和重金属污染土壤的修复。通过模拟的和场地的石油污染土壤，以USEPA优控的16种PAHs中的萘作为石油污染土壤的目标污染物，以萘模拟的石油污染土壤的微波修复为核心内容，进行研究：单因素实验探究微波土壤修复过程中4种因素对萘去除效率的影响，即改变体系中微波功率、处理时间、土层厚度和土壤含水率，每组实验设置3组平行实验，确定各影响因素的最佳取值范围。

取20 g Nap污染土壤样品，土壤中Nap的残留量随微波辐照时间的增加而降低，土壤中Nap的去除率随微波辐照时间的增加而增加，当微波加热时间延长到20～30 min，土壤中剩余的Nap含量没有明显变化，Nap去除率随时间的变化曲线趋于平缓，由此可知，微波辐照时间达到一定程度后，继续延长微波加热时间，对Nap的去除效果没有明显提高。分析原因是由于当微波加热时间较短时，土壤吸收的微波能量较少，热能的转化率低，土壤不能上升到较高的温度，而且在短时间内土壤水分蒸发不充分，Nap脱附不充分。微波加热时间增加至30 min以后，Nap去除率略有下降，分析原因是由于微波辐照时间过长导致一部分Nap污染物可能重新吸附到土壤颗粒上，从而出现土壤中Nap含量稍有增加的情况。将经济性因素和污染物去除效率综合考虑，确定微波辐照时间的最佳范围为15～25 min。

污染土壤的微波加热特性与所施加的微波场的电场强度有关。微波输出功率的变化将会改变微波场强从而影响微波场中污染土壤的加热效果，进而影响污染土壤中石油物质的去除效果。实验取20 g Nap污染土壤，土壤中Nap的初始浓度为325.24 mg·kg-1，土壤含水率为16%，微波加热时间为20 min，考察不同微波功率对土壤中剩余的Nap浓度以及Nap去除率的影响效果。

实验结果表明，微波功率过小时，微波场的场强较弱，污染土壤无法获得足够的能量，影响了污染土壤的升温速率，导致土壤在短时间内无法达到高温状态，而在较低的微波功率下使污染土壤达到污染物的理想去除温度，就需要通过延长微波加热时间来使土壤获得足够的能量。此外，虽然微波功率的增加有利于土壤中污染物的脱附，但在过大的微波输出功率下，吸收微波的介质会极速升温，这可能会影响吸波介质的热传导。除此之外，施加较高的辐射功率，可能导致反应过程的可控性降低，微波过剩不仅对微波反应器造成不必要的损害，而且还会造成能量的浪费。因此，微波功率的范围为540～720W。

污染土壤的水分含量的变化将会改变改变土壤样品的电导率和介电常数，水具有较高的介电损耗因子，土壤样品之间水分含量的相对差异将导致反应温度的不同，从而影响污染物的去除效率。污染土壤Nap的初始浓度为325.24 mg·kg-1，配制不同系列含水率的污染土壤，分别为3%、5%、7%、10%、13%、16%、19%、22%，土壤样品中GAC的添加量均为5 wt%，考察不同土壤含水率对污染土壤中Nap的剩余浓度以及Nap去除率的影响。

Nap的去除率随着土壤水分含量的增加呈先增大再减少的趋势。土壤含水率从3%增加到16%，土壤中剩余的Nap浓度从81.20 mg·kg-1减少到19.84 mg·kg-1，Nap的去除率从75.0%增加到93.8%。Nap的去除率在土壤含水率为16%时达到最大值93.9%，此时土壤中残留的Nap为19.84 mg·kg-1。在室温下土壤的相对介电常数为2.6，介电损耗因子为0.02，水的相对介电常数77，介电损耗因子为13，相比于土壤，水具有很高的介电损耗因子值，水分可以增加土壤体系的有效介电损耗因子值，从而提高土壤的微波加热能力。因此，在相同的微波功率和辐照时间下，土壤中含有一定量的水分会有效提高土壤的升温速率，有利于土壤较快的进入高温。另一方面，由于Nap属于SVOCs，具有挥发特性，Nap会随着水分的蒸发而挥发，因此，土壤水分含量的增加有助于土壤中Nap的去除。但是，当污染土壤含水率大于16%时，土壤中Nap的去除率出现下降趋势，实验数据显示，含水率增加到22%，土壤中Nap的去除率相比于在16%的土壤含水率条件下，去除率下降了4.5%，此时土壤中剩余Nap浓度为34.58 mg·kg-1。分析原因是由于水的比热容比土壤更大，土壤水分含量的增加会导致土壤混合物体系比热容的增加，从而削弱了土壤体系的微波加热升温能力。而且当土壤含水率达到20%以上，土壤呈泥浆状，质地黏稠，土壤的通透性明显下降，阻碍了土壤污染物的迁移。另一方面，土壤含水率过高将会抑制土壤升温，因为水分会吸收更多的微波能量，水分的蒸发会消耗大量的热能导致土壤无法达到较高的温度，不利于土壤污染物的脱附，这与刘爱宝等的研究结果一致。但是由于水具有较高的介电常数，随着微波加热过程水分的蒸发，土壤中剩余的水分仍能快速吸波升温，导致了微波辐照20 min后Nap的去除效率仍高于含水率在10%以内的污染土壤。因此，污染土壤在微波热修复过程中最佳的含水率为13%～19%。

不同的土壤量意味着反应器中土壤的体积和高度不同，研究的土层厚度系列为1、2、3、4、5、6 cm，土壤质量约为10、20、30、40、50、60 g，提供700 W微波功率，辐照20 min，土壤中Nap的初始浓度为325.24 mg·kg-1，土壤含水率为16%，实验过程中，GAC与土壤的比例保持不变，为5 wt％，考察不同土层厚度对污染土壤中剩余的Nap含量以及Nap去除率的影响。

土层厚度的增加，Nap的去除率逐渐降低。土层厚度从1 cm增加到4 cm，污染土壤中剩余的Nap浓度从60.49 mg·kg-1减少到11.38 mg·kg-1，土壤中Nap的去除率从81.4%增加到96.5%，其中土层厚度为1～3 cm，Nap去除率的增加幅度相对较大。当土层厚度从4cm增加到6 cm时，土壤中剩余的Nap浓度增加到27.75 mg·kg-1，Nap的去除率由96.5%下降到91.5%，Nap去除率下降了5.0%。当土层厚度为4 cm时，Nap的去除率达到了最大值，该条件下土壤中剩余的Nap浓度为11.38 mg·kg-1。分析原因是在微波能量足够的情况下，同一容器内污染土壤土层厚度的增加的表示土壤质量也增加，使得暴露于微波辐射下的污染土壤与微波场的接触度增加，土壤体系将吸收的微波能量转化为热能，维持污染土壤微波加热的热能功率也随之增加，因此，微波能量转化为热能的总量会相应增加。实验结果表明，石油污染土壤微波热修复的效率不随土壤厚度的增加而降低。另外，以往研究表明土壤的微波加热温度与微波场的电场强度、土壤有效介电损耗因子等有关，并没有表现出土壤的微波加热温度与土壤质量有直接关系。因此，一定范围内污染土壤处理量的增加不会减弱土壤的升温效果和Nap的去除效率，但是需要注意的是，这并不意味着污染土壤的处理能量可以无限提高而土壤的微波加热温度和污染物去除效率仍不受影响。是由于微波对材料的穿透深度是具有一定限度的。微波可以通过电磁能的介电损耗直接对处于微波场中的污染土壤的内部和外部同时进行加热，而且可以在不需要媒介的传导的情况下直接进入土壤内部，微波能量不断地被土壤吸收并转化为热能，此时微波场场强和功率将发生衰减。用微波的穿透深度来表示微波穿透到土壤介质内部的能力，超出微波的穿透极限将导致处理的污染土壤样品无法吸收足够的微波能量。在微波修复污染土壤的过程中，虽然土层厚度的增加会提高微波对污染物的去除率，但是，土层厚度的增加需有一定的限度，因此，在微波强度等实验条件范围内，确定土层厚度的实验条件为3～5 cm。

根据试验结果确定适用本发明的使用条件为微波功率为540～720 W，微波辐照时间为15～25 min，土层厚度为3～5 cm，土壤含水率为13%～19%。

如图1-7所示，一种有机污染土壤微波修复装备及其修复方法包括一种有机污染土壤微波修复装备，其特征在于：包括微波土壤修复装置和尾气微波催化燃烧装置；所述微波土壤修复装置包括上料传输带1、连接在所述上料传输带1出口的物料输送机2、设置在所述物料输送机2后端的微波反应腔4、固定连接在所述微波反应腔4出气口的集气管5以及连接在所述集气管5出口的尾气微波催化燃烧装置6；所述微波土壤修复装置还包括连接在微波反应腔4末端的输出传送带7以及设置在所述物料输送机2出口和微波反应腔4之间的均质器8；所述微波反应腔4前端设置有水分调节器3；所述物料输送机2包括驱动电机21、主动输送辊筒22、从动输送辊筒23、物料传送带24以及支撑架25；所述物料传送带24套设在所述主动输送辊筒22、从动输送辊筒23上；所述驱动电机21输出轴固定连接在主动输送辊筒22上；所述主动输送辊筒22、从动输送辊筒23、水分调节器3、均质器8均固定连接在支撑架25上；所述微波反应腔4设置在所述所述物料传送带24上端。

所述微波反应腔4包括反应腔体41、设置在所述反应腔体41上部中心位置的集气管接管42、套设在所述尾气回收管上的斗型回收腔43以及固定连接在所述集气管接管42下端的第一磁控管44；所述物料传送带24设置在所述第一磁控管44下端；所述反应腔体41的前端和后端均设置有微波抑制器45；所述微波抑制器45下端固定连接有测温探头46；所述集气管接管42与所述集气管5连通；所述测温探头46设置在所述物料传送带24上端。所述微波反应腔4还包括设置在所述反应腔体41一侧面的炉门49、开设在所述炉门49上的观察窗、设置在观察窗上的密目金属屏蔽层47以及设置在所述反应腔体41四周的扼流槽48；所述扼流槽48与所述炉门49连接紧密。

微波土壤修复装置的微波功率连续可调（250～1 500 W），皮带传送器的转动速度分为3个档位，皮带宽度为1.5 m，其中一档位转速为0.33 cm·s-1，可微波辐照30.8 min，二档位转速0.9 cm·s-1，可微波辐照11.2 min，三档位转速为1.37 cm·s-1，可微波辐照7.4 min。污染的土壤从装置前端的入料口放置在传送带上，通过带式输送机进入微波反应腔。

所述第一磁控管44的频率为2.45HZ。微波土壤修复装置的磁控管采用2.45 GHz的频率，基于微波谐振腔的工作原理，必须保证微波的工作模式在中心谐振频率范围内，在微波修复污染土壤的运行过程中，当选取频率为2.45 GHz时，电场可以比较均匀的分布。微波抑制器45安装在微波反应腔4两端，防止微波土壤修复系统在运行的过程中微波从反应腔内泄露，产生的辐射释放到环境中危害人体健康。测温探头46用于实时检测装备在运行过程中土壤温度的变化情况，微波反应腔4还设置有测压探头，用于检测微波反映腔内压力的变化情况，以确保土壤能够达到目标污染物去除所需的温度和系统的安全性能。水分调节器3安装在微波反应腔4前端，与外源接水管连接，土壤含水率对微波修复效率的影响显著，因此，通过水分调节器3可以实现对土壤水分含量的调节。微波反应腔4炉门的观察窗上设有密目金属屏蔽层47可以有效阻抗微波，在炉门49的四周都设置扼流槽48结构以阻抗从门缝处泄露的微波，门体与炉腔前板紧密结合在一起可以将大部分微波反射回炉腔，一小部分泄漏的微波被反射到门体的扼流槽中，并且可以在扼流槽中反射消耗。从扼流槽中泄漏的微量微波可以被门密封件481吸收，有效地防止了微波辐射从门间隙泄漏。微波反应腔的炉门设置了安全联锁，不关闭微波炉门的情况下系统则不能正常运行，有效避免了在炉门49敞开状态下微波反应腔4启动工作，确保了人体和周围环境的安全。均质器8安装在水分调节器3和微波反应室4（前端）之间，所述均质器8包括固定连接在所述支撑架25固定架81、固定连接在所述固定架81上的连接挡板82以及设置在所述连接挡板82下方的均压齿83。

通过本发明修复设备对前期小型实验的使用条件进行验证：

在土壤修复过程中我们发现，当微波功率不同时，微波反应腔内电场分布规律基本不变，微波场的电场强度峰值会随微波输入功率的增加而增加。微波功率的变化会影响微波反应腔的最大电场强度，但是几乎不影响微波反应腔的电场分布规律，微波功率增加的同时微波反应腔内微波场强也随之增加，而微波场强度与微波的加热升温过程密切相关，因此，可以通过增加功率来促进污染土壤的微波加热过程。经测得污染土壤的含水率为11.25%，土壤中Nap的浓度为75.37 mg·kg-1。在土壤进料厚度为4 cm，传送带转速为0.33cm·s-1的条件下，设定不同的微波功率，即250、500、750和1000 W，考察石油污染土壤的加热温度和Nap去除率随微波辐照时间的变化情况，如图8和图9所示。

由图8可以看出，污染土壤的升温速率和所能达到的最高加热温度随着微波功率和辐照时间的增加而总体增加，具体表现为，污染土壤在微波辐照初始阶段（＜20 min）迅速升温，在20～30 min，污染土壤的温度变化趋于稳定。微波功率为250 W，污染土壤在微波辐照20 min可升温至155℃。微波功率从250 W增加到750 W，污染土壤的升温速率显著提高，微波辐照20 min，污染土壤可加热至245℃。当施加1 000 W的微波功率时，土壤最高加热温度为256℃。

图9显示在污染土壤的微波辐照期间，萘污染物的去除效率与土壤的微波加热升温曲线表现出相似的趋势。在微波土壤修复装置的微波输出功率设定为1000 W条件下，可以在1000 W微波辐照20 min内实现94.1%的Nap去除率，残留的Nap浓度为4.45 mg·kg-1，达到第一类建设用地土壤污染风险筛选标准（20 mg·kg-1）。微波功率为750 W，微波加热20 min，污染土壤中Nap的去除率为92.3%，剩余的Nap浓度为5.80 mg·kg-1。微波功率分别为250 W和500 W，微波加热20 min，Nap的去除率分别为59.5%、71.5%，土壤中剩余的Nap浓度分别为30.52 mg·kg-1、21.48 mg·kg-1。与污染土壤的温度变化趋势相似，随着微波输出功率的增加，土壤污染物Nap的去除率也相应地增加，当微波功率大于750 W以后，Nap去除率的增加幅度减小。实验结果表明，微波功率的增加可以提高微波反应腔的微波场强，增强了石油污染土壤的微波加热效果，有效提高石油污染物的去除效率。

土壤理化性质分析验证

为了考察微波修复过程对土壤理化性质的影响，实验分析对比了微波修复前后土壤理化性质的变化，如下表所示。结果表明，微波热修复后土壤的阳离子交换量和土壤的有机质含量小幅度减少，土壤的pH值和土壤密度略有增加。污染土壤微波加热20 min，最高反应温度为290℃，土壤中有机质由原来的4.01 g·kg-1减少到3.47 g·kg-1，仅减少13.47％，加热引起的有机质的减少降低了土壤阳离子交换量。但是总体上，微波修复前后土壤的基本理化性质与修复前的土壤相差不大。这是因为在微波辐照过程中土壤的最高温度维持在290℃左右，在较短的微波辐照时间内对土壤理化性质的破坏相比于其它热修复方法较小。

表3-1土壤理化性质分析

为了从微观层面观察微波热脱附前后土壤表面形貌结构的变化，实验对微波热修复前和微波热修复后的的土壤进行了扫描电子显微镜（SEM）表征。结果表明微波修复前，土壤颗粒大小不一且呈不均匀分布，部分土壤颗粒团聚在一起。由于石油污染的土壤中含有高粘度的胶质和沥青类物质，而且浓度较大，使部分土壤颗粒会发生粘结团聚。经微波热脱附处理20 min后，微波加热过程中土壤最高温度在280～290℃，随着土壤中污染物的去除，土壤的黏性略有降低，土壤颗粒比处理前较分散，土壤颗粒表面逐渐粗糙。验证了微波对石油污染土壤的可修复性。

土壤水分对土壤升温和Nap去除率的影响验证

一般情况下，实际石油污染场地的土壤含水率在百分之几到百分之十几的范围内。实验的供试石油污染土壤经测得含水率为11.25%，Nap的浓度为75.37 mg·kg-1为了更好的研究土壤水分含量对微波修复过程中石油污染物的去除效果，人为配制了不能系列含水率的污染土壤。在微波功率为750 W，污染土壤进料厚度约为4 cm的条件下，调节传送带转动速度为0.33 cm·s-1，考察在不同土壤含水率下，即5%、11.25%、16%、20%，污染土壤的微波加热温度和Nap去除率随辐照时间的变化曲线，见图10、图11。

由图10可知，随着污染土壤含水率从5%增加到16%，土壤在相同的微波加热时间内达到的最高温度随之提高。微波加热20 min，含水率为5%的污染土壤温度为213℃，而含水率为16%的污染土壤温度为280℃。但是随着土壤含水率从16%增加到20%，土壤的的升温曲线呈下降趋势。含水率为20%的污染土壤微波加热20 min，温度为270℃，与16%含水率的污染土壤温度相比有所降低。究其原因，一方面，水具有介电常数和介电损耗因子值，在室温下水的相对介电常数约为77，介电损耗因子约为2，而土壤和石油类物质的介电损耗因子值分别在0.02、0.002左右，由此可见，水的介电损耗因子值要比土壤和石油物质高的多，因此土壤水分含量的增加增强了土壤体系的微波加热。另外，水的比热容通常是大于土壤比热容的，随着土壤含水量的增加，土壤体系的比热也会相应增加，减弱了土壤的微波加热升温能力。土壤含水量增加的综合结果可能会导致这样一种趋势，即有效介电损耗因子与物质的比热容之比，先增加，然后随着含水量的增加而逐渐稳定。由3-7可知，不同土壤含水率下，Nap去除率随时间的变化与土壤升温曲线随时间的变化表现出相似的趋势。污染土壤含水率从5%增加到16%，Nap的去除率在20 min内由81.4%增加到95.6%，土壤中残留的Nap由14.01 mg·kg-1减少到3.32 mg·kg-1。远小于第一类建设用地土壤污染风险筛选值。随着含水率从16%增加到20%，Nap的去除率开始下降，微波加热20 min，Nap去除率为93.4%，此时土壤中残留的Nap为4.97 mg·kg-1。由此可见，当土壤水分含量增加到一定程度后，土壤中Nap的去除率随着土壤含水率的增加而降低，这与实验室小试的实验结果保持一致。分析原因是由于污染土壤在微波加热过程中，土壤水分的蒸发会消耗一部分能量，导致随着土壤含水率的增加，水分蒸发所消耗的微波能量也随之增加，因此，当土壤含水率过高时，减弱了污染土壤的吸波升温行为，进而引起了土壤中污染物去除率下降。

均质器8通过固定架81依次连接挡板82和均压齿83，均质器8的安装可以调整进入微波反应腔的传送带上污染土壤的土层堆积厚度，并且可以使土壤更加均匀分布。在其他实施例中，可以在固定架81上增加高低调节装置，以适应不同土壤土质的修复对土层厚度的调整需求。

土层厚度对土壤升温和Nap去除率的影响验证

试验中土层厚度对土壤升温和Nap去除率的影响，设置微波功率为750 W，传送带转速0.33 cm·s-1，在不同土壤的进料厚度下，即为1、2、3、4、5 cm，污染土壤的微波加热温度和Nap去除率随辐照时间的变化，见图12、图13。在微波热修复过程中，污染土壤的温度和Nap去除率并没有因土壤进料厚度的增加而降低，而是在一定范围内随着土层厚度的增加而有所提高。当土壤进料厚度从1 cm增加到4 cm，微波辐照20 min，污染土壤的微波加热温度由173℃提升到246℃，Nap的去除率由82.3%增加到了92.3%，土壤中剩余的Nap浓度由13.34 mg·kg-1减少到5.80 mg·kg-1。但当土壤进料厚度增加到5 cm，发现污染土壤的升温曲线出现了稍有下降的趋势，土壤所达到的最高温度为210℃，该条件下， Nap的去除率为88.6%，Nap剩余浓度为8.59 mg·kg-1。这是因为当提供足够的微波能量时，土壤进料厚度的增加意味着微波反应腔内污染土壤质量的提高，从而导致污染土壤转化的微波能的热能总量增加，在相同的微波辐射条件下，维持污染土壤加热温度的热能功率会随土壤质量的增加而增大。当污染土壤微波热修复过程中，传送带上的土层厚度从1 cm增加到4 cm，并没有出现土壤的升温行为减弱的情况。污染土壤处理量的增加虽然在一定程度上可以增强微波辐照下的污染土壤的热效应，有利于土壤热能的转化，但是并无意味着污染土壤量可以无限增大，是由于微波的穿透深度是有限的，而微波的穿透渗透受土壤进料厚度的影响，如果土壤的进料厚度超过了微波的穿透限度，则会减弱土壤的微波加热效应，不利于污染物的去除。另一方面，污染土壤处理量增加的同时其所消耗的微波能也更多，就需要提供更多的微波能量以满足土壤升温，如增大微波功率和延长微波辐照时间，但是微波功率过大会造成能源的浪费，影响对微波辐射过程的控制，可能对仪器造成损坏，所以，土层厚度需要控制在合理的范围内，实验表明在约4 cm时为最佳条件。

本发明还可以在带式输送机的末端安装了一个接收罐，用于接收冷却水循环冷却。集气管5装在微波修复装置的后端，主要用于收集从微波反应腔4中挥发出的有机气体。

所述尾气微波催化燃烧装置包括与所述集气管5连通的微波催化燃烧反应腔51、设置在微波催化燃烧反应腔体51上部的第二磁控管52、与所述第二磁控管52连接的波导管53以及设置在所述微波催化燃烧反应腔51下部的换热器54；

在所述微波催化燃烧反应腔51和换热器54外周设置有尾气圆壳体；所述尾气圆壳体上部设置有微波控制系统56；所述微波催化燃烧反应腔51四周内壁设置有透明陶瓷管；所述陶瓷管两端设置有金属挡板58。所述尾气微波催化燃烧装置还包括垂直插入微波催化燃烧反应腔51中的热电偶57。所述尾气微波催化燃烧装置还包括循环水冷系统55；所述循环水冷系统55与换热器54连接形成冷热水循环。

微波催化燃烧装置与集气管5紧密连接，对进入集气管5的有机废气进行微波催化燃烧处理，有效防止从污染土壤中脱附的有害气体对环境造成污染微波催化燃烧装置为金属材质，催化燃烧反应室结构为圆筒结构，由透明陶瓷管制成。在陶瓷管的两端设有带孔的金属挡板58以防止微波辐射的泄漏，微波反应室与第二磁控管52通过波导管53连接，两者保持一定的距离，以防止反应腔内过高的温度导致第二磁控管52使用寿命降低。此外，为减少微波对热电偶57测温的干扰，将热电偶57垂直插入腔体中的催化反应中心，可实时监测催化床的反应温度。

本申请一种有机污染土壤微波修复装备的修复方法：

首先，将土壤沿上料传输带1提升至一定高度；

再次，通过微波反应腔4产生的微波对提升路径上的土壤进行微波辐照；

再次，通过控制驱动电机21输出速度控制物料传送带24的速度来调节污染土壤的进料速度；

再次，通过水分调节器3调节污染土壤的水分含量；

再次，并通过均质器8来调节进入微波反应腔4的物料传送带24的土壤的进料厚度；

另外，引进热电偶57用于实时监测微波场中污染土壤的温度的变化。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下，对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。