土壤熱脫附技術在化工污染場地修復中的應用

史福生(中科檢測技術服務(廣州)股份有限公司，廣東 廣州 510000)

0 引言

原位熱脫附由于修復成本低、無二次污染，同時對于一些不均質污染區(qū)域和低滲透污染區(qū)域具有較高的修復效率，在化工污染場地修復中逐漸得到應用和推廣。但我國對于原位熱脫附技術應用起步較晚，對于大面積的工程應用及工藝路線的分析較少。本研究在系統(tǒng)梳理熱脫附技術特點的基礎上，結合項目給出修復工藝技術路線和修復意見，以期為熱脫附修復技術在化工污染場地工程應用提供借鑒。

1 熱脫附技術分類及應用

按照處理場所的不同，熱脫附技術主要分為原位熱脫附技術和異位熱脫附技術，通過加熱方式將污染土壤的污染物加熱至佛點，進行物料停留時間和系統(tǒng)溫度控制污染物的氣化和揮發(fā)，以實現(xiàn)土壤中污染物的去除與分離，最終達到土壤修復目標[1]。

1.1 原位熱脫附技術

結合能量轉換和傳熱方式的不同，原位熱脫附技術主要為熱傳導加熱、蒸汽/熱氣注入、射頻加熱、電阻加熱和玻璃化等5種技術，主要適用于多環(huán)芳烴、揮發(fā)性及半揮發(fā)性有機物、多氯聯(lián)苯、農(nóng)藥等污染土壤。下面將各原位熱脫附技術特點概括如表1所示。目前我國原位熱脫附技術研究尚處于中試階段，技術修復設備大多還是需要從國外購買。根據(jù)目前國內(nèi)原位熱脫附案例分析總結，如果污染地土壤含水量低，采用原位熱脫附技術所需修復成本約為1 000元/m3，如果污染地土壤含水量高，所需修復成本約為到2 000元/m3。

表1 原位熱脫附技術特點

1.2 異位熱脫附技術

結合加熱方式的不同，異位熱脫附技術主要分為直接熱脫附和間接熱脫附2種技術，主要適用于有機污染土壤和Hg污染土壤等污染土壤。

國內(nèi)直接熱脫附技術已經(jīng)發(fā)展至第三代，適用于大型污染場地，具有效率高、可處理污染物類型多、技術較成熟等優(yōu)點，但同時也存在對土壤的結構破壞嚴重、易產(chǎn)生二噁英等污染物、尾氣處理成本高和處理高濃度污染物有爆炸風險等缺點。目前我國一些企業(yè)均有自主研發(fā)直接熱脫附設備，所需修復運行成本在150～800元/m3之間。間接熱脫附技術通過中間媒介實現(xiàn)對土壤的熱量轉換，主要有導熱介質間接接觸加熱、熱氣接觸加熱和夾套式燃燒幾種加熱方式。間接熱脫技術具有對土壤結構破壞小、能夠處理高濃度污染物、尾氣量相對少、較易處理等優(yōu)點，但同時存在單套設備處理規(guī)模較小和溫度受限，處理污染物種類有限的缺陷，難以在大型修復項目中應用，在日后的技術突破中要重視其設備處理能力[2]。

2 熱脫附技術在化工污染場地應用

2.1 工程概況

某化工污染土壤場地面積為5 001 m2，污染總土方量為29 981 m3，污染深度為6 m。經(jīng)過對污染地土壤進行調(diào)查分析顯示，該場地的污染物主要為苯并[a]蒽、苯并[a]芘、苯并[b]熒蒽、二苯并[a, h]蒽、菲、萘等。其中苯并[a]蒽最大含量為363.0 mg/kg、最大超標倍數(shù)573，沸點為438 ℃；苯并[a]芘最大含量為73.2 mg/kg、最大超標倍數(shù)157，沸點為475 ℃；苯并[b]熒蒽最大含量為598.0 mg/kg、最大超標倍數(shù)940，沸點為468 ℃；二苯并[a, h]蒽最大含量為57.2 mg/kg、最大超標倍數(shù)260，沸點為524 ℃；萘最大含量為4 480.0 mg/kg、最大超標倍數(shù)90，沸點為218 ℃；菲最大含量為3 700.0 mg/kg、最大超標倍數(shù)10，沸點為340 ℃。場地的污染物都是難降解的有機污染物，污染物含量高，且具有高沸點特征，難以揮發(fā)。

2.2 修復技術的選定

結合本場地的污染物特征和修復目標值(苯并[a]蒽為0.634 mg/kg、苯并[a]芘為0.466 mg/kg、苯并[b]熒蒽為0.636 mg/kg、二苯并[a, h]蒽為0.220 mg/kg、萘為50.000 mg/kg、菲為366.000 mg/kg)，綜合以上熱脫附技術分類及應用特點，確定采用原位電熱脫附技術對本污染場地進行修復。

原位電熱脫附屬于熱傳導的一種，系統(tǒng)主要由加熱-抽提、尾氣處理、廢水處理和電力分配系統(tǒng)等組成，結合污染場地污染物分布，在場地中建設一定間距的豎直加熱井，同時在加熱井中布置電加熱棒，加熱溫度保持在600～700 ℃之間。在熱傳導的作用下，同時與真空抽提配合，通過蒸發(fā)、蒸餾、沸騰、氧化和高溫分解等作用，實現(xiàn)對污染場地中的有機污染物降解和去除。

2.3 修復技術應用

本項目的加熱井由電加熱棒和無縫碳素鋼管組成，加熱溫度為700 ℃。為了確保加熱井均勻覆蓋污染區(qū)，加熱井進行間距為2.5 m的等邊三角形布設，本污染場地的加熱井和抽提井的數(shù)量比值約為4∶1。本污染場地原位電熱脫附技術的廢氣處理系統(tǒng)選用“噴淋除塵+氣體冷凝+活性炭吸附”處理工藝，進口溫度為90～120 ℃，能處理2 000～4 000 Nm3/h廢氣。廢氣首先通過噴淋塔以實現(xiàn)氣體中的顆粒物的去除，然后再進入氣水換熱器，借助冷卻塔的冷卻水將廢氣進行降溫，降溫后的廢氣經(jīng)過氣水分離器，其中廢液排至污水處理單元，廢氣通過真空風機進入活性炭吸附器進行凈化，凈化后的氣體經(jīng)過排氣筒排入大氣。

廢水處理系統(tǒng)廢水處理能力為10 t/h，本項目的廢水進行統(tǒng)一收集至集水池，然后轉入酸調(diào)節(jié)池進行pH的調(diào)整，廢水pH調(diào)至2～3后進入化學氧化池，在雙氧水和硫酸亞鐵的作用下實現(xiàn)有機污染物的降解，降解后進入堿調(diào)節(jié)池調(diào)整廢水pH為7～8，然后進入混凝沉淀池，在PAC和PAM的作用下沉

淀污泥，上清液經(jīng)過石英砂過濾器和活性炭吸附器的過濾后排入清水池，并進行污水檢測，符合標準后最終排入市政污水管網(wǎng)。

場地土壤溫度監(jiān)測。原位電熱脫附技術應用的重要運行參數(shù)是土壤溫度，因此要特別加強對場地土壤溫度的監(jiān)測。本項目的加熱井為等邊三角形布設，因此三角形中心位置為土壤的最低溫度，因此將測溫井設計在中心位置，同時設計K型熱電偶于測溫井內(nèi)測量溫度。當高溫下混凝土表面出現(xiàn)裂縫而影響電加熱的保溫效果，導致能量損失，這也是原位電熱脫附技術能否持續(xù)用于項目土壤修復的重要需要克服的技術難點。本項目在原位電熱脫附技術過程中，在表層混凝土澆筑時加入鋼筋網(wǎng)以提高表層混凝土的抗裂能力。同時，一旦混凝土出現(xiàn)裂縫，及時用耐高溫密封膠填充裂縫，避免出現(xiàn)能耗損耗。另外，在氣體抽提流量也是影響原位電熱脫附熱脫附的效果的關鍵因素，所以，在技術應用過程中，要時刻關注氣體流量的變化，確保風機正常運作。污染土壤各PAHs的沸點大部分是在400 ℃以上，但土壤加熱溫度滿足300 ℃時，土壤中的PAHs能得到有效去除，主要是由于共沸現(xiàn)象的影響。因此在進行原位電熱脫附技術應該過程中，需要把污染物共沸現(xiàn)象考慮進去，進行合理目標加熱溫度的設計，避免因為過高溫度加大技術應用難度、能耗的損耗和提高運行成本[3]。

2.4 修復效果

電熱脫附修復工程運行約250 d后，對修復后土壤主要PAHs進行測量，修復后的苯并[a]蒽未檢出、苯并[a]芘實測值為0.200 mg/kg、苯并[b]熒蒽為0.400 mg/kg、二苯并蒽未檢出、萘實測值為0.480 mg/kg、菲未檢出。各PAHs的去除率均達到99.99%以上，滿足修復目標值要求。另外，污染項目場地周邊有居民小區(qū)，周邊環(huán)境敏感點多，如出現(xiàn)二次污染存在的負面效應會高于污染場地本身的正面效應，本項目通過應用電熱脫附修復技術，高效去除污染物，運行期間場地無明顯異味，具有較好社會效應。

3 結語

污染場地修復技術應用是進行污染場地整個修復方案制定的重點，是決定化工污染場地修復成敗的關鍵環(huán)節(jié)。近幾十年的應用探索研究中，包括物理修復、化學修復、生物修復及聯(lián)合修復等典型技術已在化工污染場地土壤修復中逐漸應用，并逐漸積累一些單一或復合污染化工類型場地土壤的工程修復實踐經(jīng)驗。本項目在參考相關學者研究和借鑒國內(nèi)外實踐項目經(jīng)驗的基礎上，從項目實際現(xiàn)狀出發(fā)，選用原位電熱脫附技術，實現(xiàn)對污染場地高沸點、難降解的PAHs污染物高效去除，滿足于修復目標值，且運行成本可控。