淺談原位熱脫附技術(shù)在我國污染場地的應(yīng)用及其研究進(jìn)展

陳聰聰

福建龍凈環(huán)保股份有限公司

1 引言

近些年來，我國頒布實(shí)施了“退二進(jìn)三”“退城進(jìn)園”等一系列政策，在大批涉及的化工企業(yè)被迫搬遷、改造或關(guān)閉停產(chǎn)的同時(shí)，大量污染場地被遺留在城市及其周邊地區(qū)[1-2]，帶來嚴(yán)重的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也制約了城市的建設(shè)和發(fā)展。以加強(qiáng)土壤污染防治，改善土壤環(huán)境質(zhì)量為出發(fā)點(diǎn)，生態(tài)環(huán)境部于2014年5月14日印發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)工業(yè)企業(yè)關(guān)停、搬遷及原址場地再開發(fā)利用過程中污染防治工作的通知》(環(huán)發(fā)［2014］66號(hào)文)，通知中要求工業(yè)企業(yè)在搬遷、關(guān)停、原址場地的開發(fā)再利用等過程中要加大污染防治工作的力度。2016年國務(wù)院印發(fā)《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，簡稱“土十條”，2019年1月1日《土壤污染防治法》正式實(shí)施，土壤污染防治問題受到了越來越多的重視。

《全國土壤污染調(diào)查公報(bào)》中的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國土壤污染類型以無機(jī)型污染為主，有機(jī)型污染次之，復(fù)合型污染比重較小，但鄭葦?shù)热藢θ珖壳?2家知名修復(fù)公司的108個(gè)場地修復(fù)案例進(jìn)行了全梳理，結(jié)果表明我國修復(fù)場地的污染類型中，主要是有機(jī)污染，其次是重金屬污染，復(fù)合型污染占比相對較小[3]。該結(jié)果與調(diào)查公報(bào)迥異，主要原因?yàn)猷嵢數(shù)热苏{(diào)研案例以工業(yè)企業(yè)污染場地為主，但調(diào)查公報(bào)的調(diào)研范圍囊括了農(nóng)田、礦區(qū)等區(qū)域。由此可以分析出在我國的污染場地中，有機(jī)污染問題需要得到更多的關(guān)注。

目前，對于受有機(jī)物污染的土壤的治理方法主要有自然凈化法、生物法、挖掘處置法、地下水抽出處理法、蒸汽抽提法、化學(xué)注入法、化學(xué)淋洗法和熱脫附法（原位、異位）等[4~8]。原位熱脫附技術(shù)在我國污染場地的應(yīng)用及其相關(guān)研究均處于起步階段[9]，在快速發(fā)展中。

2 原位熱脫附技術(shù)的介紹

原位熱脫附是一項(xiàng)成熟、有效地于原位進(jìn)行土壤和地下水修復(fù)的技術(shù)[10]，主要原理是通過直接或間接加熱的方式，把土壤及地下水中的污染介質(zhì)、污染物加熱升至沸點(diǎn)溫度，使其揮發(fā)、分離或裂解，然后對所產(chǎn)生的氣態(tài)產(chǎn)物收集和捕獲后再進(jìn)行凈化處理[11-12]，具有較大的應(yīng)用潛力。美國EPA于1985年首次將原位熱脫附技術(shù)作為一項(xiàng)行之有效地土壤環(huán)境修復(fù)技術(shù)，隨后該技術(shù)在國外被廣泛應(yīng)用于有機(jī)污染物場地的土壤、沉淀物、污泥、濾渣等的修復(fù)。

原位熱脫附通過原位加熱的方式使深層土壤中有機(jī)污染物得以揮發(fā)，對于土壤污染較深，進(jìn)行異位修復(fù)開挖難度較大，低滲透性黏性土等比較難以處理的場地，效果都很明顯[13-14]。根據(jù)加熱方式的不同，原位熱脫附技術(shù)可以分為三種：①電阻熱脫附；②熱傳導(dǎo)熱脫附；③蒸汽熱脫附[15]。

原位熱脫附技術(shù)由于其具有的安全、節(jié)約成本、適用性強(qiáng)、修復(fù)效率高等優(yōu)點(diǎn)，近年來，在我國有機(jī)污染場地修復(fù)中得到了快速發(fā)展和應(yīng)用，且呈現(xiàn)逐年增長的趨勢［9］。

3 原位熱脫附技術(shù)的參數(shù)研究

原位熱脫附過程的關(guān)鍵影響因素有溫度、加熱持續(xù)時(shí)間、升溫速率、載氣流量、土壤類型（導(dǎo)熱性、含水率、土壤孔隙率、地下水位、水流速率、滲透性、土壤粒徑分布）等，由于我國目前原位熱脫技術(shù)實(shí)際應(yīng)用案例相對較少，同時(shí)竣工項(xiàng)目也相對較少，故對于熱脫附效果的關(guān)鍵參數(shù)深度報(bào)道的文獻(xiàn)較少［16-17］，大部分探索停留在現(xiàn)象的揭露階段。

劉凱，張瑞環(huán)[9]等提道：原位熱脫附過程一般分為低溫（100℃~350℃）和高溫（350℃~600℃）脫附兩個(gè)階段，韓偉等提到由于熱傳導(dǎo)原位熱脫附技術(shù)的普適性，其最高加熱溫度可達(dá)750℃~800℃，李書鵬[18]提到燃?xì)鉄崦摳紾TD（gasthermaldesorp?tion）最高加熱溫度可以達(dá)到500℃，對比國外工程案例可以發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)加熱溫度均在220℃以下。研究表明原位熱脫附技術(shù)效果的影響因素中占主導(dǎo)作用的是溫度和停留時(shí)間，相同的條件下，如果溫度高，停留時(shí)間長，那么熱脫附效率也就越高[19-22]。傅海輝等[20]發(fā)現(xiàn)，在溫度處于200℃～300℃相對較低時(shí)，污染物的去除率較低，在70%左右；但是在高溫段，400℃～450℃時(shí)，污染物去除率高達(dá)99%。

根據(jù)已有的工程經(jīng)驗(yàn)，熱脫附技術(shù)加熱井間距設(shè)置要求一般為1.5m~4.0m[23]；某退役溶劑廠[24]中試地區(qū)加熱井間距2m~3m；某廢棄焦化廠[25]的修復(fù)工藝加熱井分布間距為3m；VOC污染場地的加熱井間隔通常為3.66m~6.10m，SVOCS的污染場地加熱井間距間隔為1.83m~3.66m[9]。

4 原位熱脫附技術(shù)的專利計(jì)量分析

吳嘉茵[26]等人的研究表明：針對我國的有機(jī)污染場地土壤修復(fù)技術(shù)的相關(guān)專利于2003年起步，2010年后如雨后春筍般出現(xiàn)，截止到2018年8月，公開的相關(guān)專利有690余篇，研究創(chuàng)新點(diǎn)主要集中在三個(gè)方面，分別是：高效技術(shù)的開發(fā)、節(jié)能和二次污染的防治。其中熱脫附技術(shù)在該領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，在目前公開的有關(guān)專利中，熱脫附技術(shù)的相關(guān)研究最多，達(dá)170項(xiàng)專利，占專利總數(shù)的24.6%。

本文所采用的專利數(shù)據(jù)信息均獲取于國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局（http://www.pss-system.gov.cn/），在專利檢索入口采用高級(jí)檢索方式，檢索信息：復(fù)合文本=原位熱脫附，檢索日期：2020年12月3日。共計(jì)檢索出專利文獻(xiàn)110余篇。

4.1 專利年度變化

按照專利最早公開（公告）日進(jìn)行分析，首個(gè)關(guān)于有機(jī)污染土壤原位熱脫附修復(fù)技術(shù)的中文專利公開于2013年，各年度專利的申請量見表1以及圖1所示。

表1 各年度原位熱脫附技術(shù)專利申請量表

由表1及圖1可知，原位熱脫附技術(shù)專利申請數(shù)量在2013年-2017年間較少，2014年、2015年兩年的申請數(shù)量均為0篇，2018年起申請量開始有較大的提升，其中2018年、2019年、2020年各年的申請量較前年增長率分別為150%、80%、25%，2020年申請量在總量中占比最大，約為41%。從近幾年有關(guān)原位熱脫附技術(shù)的研究熱度呈持續(xù)增長趨勢可見，該技術(shù)在處理有機(jī)污染場地實(shí)際應(yīng)用中具有一定的被選擇度，且該技術(shù)的探索研究將為今后我國有機(jī)污染場地的處理奠定基礎(chǔ)。

圖1 各年度原位熱脫附技術(shù)專利申請量日期圖

4.2 專利主要研究機(jī)構(gòu)

研究涉及的機(jī)構(gòu)主要包括公司、高等院校、科研院所及個(gè)人等共計(jì)46家，北京高能時(shí)代環(huán)境技術(shù)股份有限公司公開專利數(shù)量最多，共18項(xiàng)，其次是上海格林曼環(huán)境技術(shù)有限公司和中科鼎實(shí)環(huán)境工程有限公司，分別為10項(xiàng)，北京高能時(shí)代環(huán)境修復(fù)有限公司公開專利數(shù)量為7項(xiàng)，北京建工環(huán)境修復(fù)股份有限公司和廣西博世科環(huán)保科技股份有限公司公開專利數(shù)量分別為5項(xiàng)，上海康恒環(huán)境修復(fù)有限公司、中冶南方都市環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司、中冶焦耐（大連）工程技術(shù)有限公司、森特士興集團(tuán)股份有限公司公開專利數(shù)量分別為4項(xiàng)。專利公開分布情況見表2和圖2。

圖2 研究機(jī)構(gòu)相關(guān)專利的公開情況

表2 主要研究機(jī)構(gòu)相關(guān)專利的公開情況表

由原位熱脫附的專利申請機(jī)構(gòu)來看，主要集中在公司類別，這可能與該技術(shù)的引進(jìn)模式及修復(fù)場地的實(shí)際應(yīng)用有關(guān)。

5 原位熱脫附技術(shù)的工程應(yīng)用

KINGSTON的研究結(jié)果表明[27]，1988年~2007年，有182個(gè)地塊修復(fù)采用的是原位熱處理技術(shù)，張攀[28]的研究結(jié)果表明，1982年~2011年間美國共計(jì)31個(gè)超級(jí)基金污染地塊項(xiàng)目采用了原位熱脫附修復(fù)技術(shù)，EPA2017年7月發(fā)布的第十五版超級(jí)基金場地總結(jié)報(bào)告中列明了1982年以來在超級(jí)基金修復(fù)的場地中各類別土壤污染治理技術(shù)應(yīng)用的案例個(gè)數(shù)，其中1982年~2014年33年時(shí)間里，原位熱脫附技術(shù)的應(yīng)用達(dá)到93個(gè)案例，2011年~2014三年時(shí)間里，共計(jì)有62個(gè)案例。

我國原位熱脫附技術(shù)工程應(yīng)用起步比較晚，首篇相關(guān)中文文章發(fā)布于2014年，自從2013年江蘇大地益源從美國GEO引進(jìn)該技術(shù)后，我國的相關(guān)企業(yè)及科研單位先后涉足進(jìn)行探索研發(fā)及相應(yīng)的工程應(yīng)用。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至目前我國原位熱脫附工程應(yīng)用案例數(shù)為25個(gè)，主要施工單位為江蘇大地益源環(huán)境修復(fù)有限公司、北京建工環(huán)境修復(fù)股份有限公司、北京高能時(shí)代環(huán)境技術(shù)股份有限公司、中科鼎實(shí)環(huán)境工程有限公司、永清環(huán)保股份有限公司、上海格林曼環(huán)境技術(shù)有限公司、森特士興集團(tuán)股份有限公司、武漢都市環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司等。

6 結(jié)束語

（1）我國修復(fù)場地類型以有機(jī)污染為主，在有機(jī)污染場地修復(fù)技術(shù)中，原位熱脫附技術(shù)修復(fù)污染土壤研究和工程應(yīng)用剛起步，正處在快速發(fā)展中。

（2）我國目前對影響原位熱脫附技術(shù)修復(fù)效果相關(guān)參數(shù)的研究相對比較少，且文獻(xiàn)報(bào)道深度較淺，集中在揭露工程表象階段，這與我國目前實(shí)際修復(fù)案例有限可能有一定的相關(guān)，各參數(shù)之間的關(guān)系研究以及修復(fù)效果的進(jìn)一步探索期待在更多的項(xiàng)目實(shí)施中有新的進(jìn)展。

（3）我國有關(guān)原位熱脫附修復(fù)技術(shù)的第一個(gè)中文專利公開于2013年，近幾年來專利申請量逐年遞增，且2020年專利申請量占比最大，可以表明，原位熱脫附技術(shù)近幾年的研究熱度持續(xù)增加。在涉及的主要研究機(jī)構(gòu)中，以北京高能時(shí)代環(huán)境技術(shù)股份有限公司公開專利數(shù)量最多。

（4）我國原位熱脫附技術(shù)工程應(yīng)用起步相對比較晚，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至目前，我國原位熱脫附工程應(yīng)用案例為25個(gè)，該技術(shù)在有機(jī)污染場地修復(fù)中具有廣闊的應(yīng)用前景。