化工廠原位熱脫附的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

摘 要：本文以化工廠原位熱脫附為例，進(jìn)行綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，包括項(xiàng)目背景、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施方案、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等內(nèi)容。本文調(diào)研分析了土壤原位熱脫附技術(shù)的影響因素，設(shè)計(jì)出合理的方案，完成了實(shí)驗(yàn)，并對土壤修復(fù)及二次污染處理效果進(jìn)行了分析，對將工程實(shí)踐融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了探究，鍛煉了學(xué)生的文獻(xiàn)調(diào)研能力、儀器及軟件使用能力，推動了具備實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力人才的培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，原位熱脫附技術(shù)不僅能有效去除化工廠有機(jī)物，還能很好控制二次污染物的排放。

關(guān)鍵詞：綜合實(shí)驗(yàn)；原位熱脫附；化工廠

中圖分類號：G642；X54" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

目前，高校開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大多是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。不可否認(rèn)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)在提高低年級學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力、原理的掌握等方面起著至關(guān)重要的作用［1］。但是大多學(xué)生缺乏思考，只是機(jī)械地重復(fù)預(yù)習(xí)報(bào)告中的實(shí)驗(yàn)步驟，直接將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，缺乏運(yùn)用專業(yè)知識分析及解決實(shí)際問題的能力。

環(huán)境污染問題是一個綜合性、交叉性問題，為解決此問題通常需要對各種修復(fù)工藝進(jìn)行仔細(xì)分析和對比后選取合適的工藝方案，而且在工藝運(yùn)行過程中也可能遇到各種各樣復(fù)雜的問題需要分析解決。這對環(huán)境類專業(yè)畢業(yè)生的專業(yè)知識的掌握能力、分析解決問題的能力、創(chuàng)新能力等提出較高要求。目前，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)效果遠(yuǎn)達(dá)不到社會的要求。因此，將環(huán)境工程中的實(shí)際案例應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有創(chuàng)新性、實(shí)用性。本文以原位熱脫附技術(shù)在某退役化工廠中的運(yùn)用為背景設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)，旨在培養(yǎng)高年級環(huán)境專業(yè)學(xué)生使其在掌握基本實(shí)驗(yàn)原理與核心操作技能的同時提高創(chuàng)新能力及解決實(shí)際問題的綜合能力。

1 項(xiàng)目背景

隨著城市的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)的升級改造，某些大型城市周邊存在部分因化工廠搬遷及關(guān)閉留下的地塊。隨著城市的發(fā)展和擴(kuò)建，這些地塊逐漸顯現(xiàn)，終將成為城市發(fā)展的絆腳石。國家頒發(fā)的《土壤環(huán)境保護(hù)和污染治理行動計(jì)劃》到《中華人民共和國土壤污染防治法》《建設(shè)用地土壤修復(fù)技術(shù)導(dǎo)則》等文件無不體現(xiàn)出國家對土壤環(huán)境的重視［23］。土壤修復(fù)是環(huán)境領(lǐng)域的熱點(diǎn)，已形成規(guī)?？捎^的市場空間，同時該領(lǐng)域的就業(yè)崗位存在大量缺口。開展原位熱脫附技術(shù)在某場地應(yīng)用的綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，能較好地培養(yǎng)學(xué)生與實(shí)際項(xiàng)目接軌的能力，無論是對未來的就業(yè)還是當(dāng)下知識體系的應(yīng)用都起著積極作用。

某退役溶劑廠土壤及地下水中關(guān)注的污染物分別為苯、氯苯、石油烴。其中，土壤中苯和氯苯的超標(biāo)率分別達(dá)到15%和27%，苯的最高濃度為50mg/kg，氯苯的最高濃度為4000mg/kg。本次設(shè)計(jì)只以其中一片區(qū)域?yàn)檠芯繉ο螅迯?fù)深度為0～18m。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

2.1 文獻(xiàn)調(diào)研——完成方案設(shè)計(jì)

學(xué)生提供項(xiàng)目相關(guān)的基礎(chǔ)資料，包括項(xiàng)目的招標(biāo)文件、地質(zhì)勘測報(bào)告、場地調(diào)查報(bào)告、國內(nèi)外已有類似項(xiàng)目的施工方案等。要求學(xué)生廣泛調(diào)研文獻(xiàn)資料從污染物性質(zhì)、土層性質(zhì)、土壤含水率等方面考慮場地修復(fù)的因素，完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，從而提高學(xué)生的文獻(xiàn)調(diào)研能力與CAD、Surfer等計(jì)算機(jī)軟件的運(yùn)用能力。

2.2 合作共贏——完成實(shí)驗(yàn)

原位熱脫附系統(tǒng)包括四個系統(tǒng)：加熱系統(tǒng)、抽提系統(tǒng)、廢氣廢水處理系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)［4］。首先通過加熱系統(tǒng)讓土壤整體溫度上升至污染物的沸點(diǎn)以上，控制污染加熱時間及土壤上升溫度。在加熱過程中，土壤中的有機(jī)化合物及目標(biāo)污染物會發(fā)生揮發(fā)和裂解等一系列的物理變化與化學(xué)變化。目標(biāo)污染物在解吸之后，其流動性將大大提高。然后通過抽提系統(tǒng)收集和捕獲揮發(fā)出來的產(chǎn)物，目標(biāo)污染物被從地面以下轉(zhuǎn)移至地面上，經(jīng)氣體處理系統(tǒng)凈化處理，在監(jiān)測系統(tǒng)檢測達(dá)標(biāo)后排放［5］。該實(shí)驗(yàn)周期長且工作量較大，需要各小組分工合作完成各個系統(tǒng)的運(yùn)行及二次污染防治效果的分析，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的合作能力、解決實(shí)際問題的綜合能力。

2.3 樣品檢測——效果分析

采集樣品后將其立即放置于0～4℃的冷藏箱中保存，并在48h以內(nèi)送往實(shí)驗(yàn)室測定。目標(biāo)污染物苯、氯苯采用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）測定，參照美國環(huán)境保護(hù)署（USEPA）的相應(yīng)分析方法執(zhí)行；石油類污染物采用紅外光度法測定?；诳蒲谐晒臉悠凡杉胺治霏h(huán)節(jié)，可引導(dǎo)學(xué)生在分析樣品的過程中逐步基本儀器使用能力及分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、反饋實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力。

3 教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施方案

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多是課前抄寫預(yù)習(xí)報(bào)告，課中教師講解實(shí)驗(yàn)原理并示范實(shí)驗(yàn)步驟、學(xué)生自己實(shí)驗(yàn)并處理數(shù)據(jù)等。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中機(jī)械操作，沒有調(diào)動主觀能動性，只是為了完成學(xué)習(xí)任務(wù)。學(xué)生缺乏興趣，態(tài)度不夠嚴(yán)謹(jǐn)，沒能將所學(xué)知識融會貫通，更無法做到各學(xué)科間的知識交叉與創(chuàng)新實(shí)踐。本實(shí)驗(yàn)摒棄原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，將課程實(shí)驗(yàn)和教師科研項(xiàng)目相融合，明確學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)主體，教師從旁指導(dǎo)并給出意見；學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理及分析全過程，把科研思維植入實(shí)驗(yàn)過程中，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新及解決實(shí)際問題的能力。

3.1 分析污染物性質(zhì)確定加熱溫度

本項(xiàng)目原位熱解吸區(qū)域內(nèi)目標(biāo)污染物為苯、氯苯等。要求學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)分析選擇合適的加熱溫度。污染物的沸點(diǎn)、飽和蒸氣壓直接影響原位熱解吸的目標(biāo)溫度。污染物的性質(zhì)如表1所示。

3.2 分析土壤性質(zhì)確定加熱井間距

本場地各土層可分為5個工程地質(zhì)層，9個工程地質(zhì)亞層，具體見表2。

調(diào)查表明，場地淺層地下水埋深為地下1m，含水層厚度為4m，由北向南流經(jīng)場地；深層含水層頂板埋深為9m，含水層厚度為8m，由東北向西南流經(jīng)場地。該地塊0～-2.4m為黏土或雜填土；-2.4～-15.6m為黏土或粉質(zhì)黏土、偶有粉土，黏土大部分為密實(shí)黏土；-9m以上硬度較大，有藍(lán)灰色片層；-9～-15m土壤含水率較高，包含飽和粉質(zhì)黏土，并且在樣品采集過程中發(fā)現(xiàn)有類似油狀物質(zhì)滲出，氣味較重；15.6～-18.0m為粉質(zhì)黏土或粉土。土壤-2.4m以上土壤為雜色填土，向下至-7～-8m處為棕黃色，再向下至-18m處為灰色。

分析場地土層性質(zhì)可知，原位熱解吸技術(shù)對應(yīng)區(qū)域?yàn)榉圪|(zhì)黏土層、粉土夾粉砂層。不同的場地土層性質(zhì)，直接影響電加熱井的加熱半徑，進(jìn)而影響電加熱井的布設(shè)間距。根據(jù)文獻(xiàn)資料，電加熱井在黏土地質(zhì)情況下的影響半徑約以4m計(jì)。

3.3 完成方案設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用原位電流加熱熱脫附進(jìn)行處置。本實(shí)驗(yàn)通過校企合作，在某污染場地修復(fù)現(xiàn)場完成。實(shí)驗(yàn)區(qū)域大小為20m×20m，共設(shè)有20口18m深電極井，各電極井間距設(shè)置為4m，鉆孔直徑為300mm，井孔內(nèi)填充專利性導(dǎo)電物質(zhì)。每個電極井加熱電壓為40V，加熱功率為30kW，其能源利用效率超過80%，分為三段電極單獨(dú)控制，每段電極分別對0～6m，6～12m，12～18m深度污染土壤進(jìn)行加熱，加熱最高溫度超過100℃。

原位熱解吸方案設(shè)計(jì)過程中需考慮諸多影響因素，包括修復(fù)方案的技術(shù)要求、目標(biāo)污染物性質(zhì)、場地土層性質(zhì)、土壤含水率、升/降溫時間等，應(yīng)科學(xué)合理地分析技術(shù)方案設(shè)計(jì)的影響因素。要較好地完成設(shè)計(jì)工作不僅要求學(xué)生熟練掌握所學(xué)“水文地質(zhì)學(xué)”“環(huán)境工程原理”“環(huán)境化學(xué)”“環(huán)境土壤學(xué)”等課程內(nèi)容，還要求學(xué)生具備資料調(diào)研、文獻(xiàn)閱讀、CAD制圖等基本科研能力。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 溫升分析

原位熱解吸常見工藝為電阻熱解吸及熱傳導(dǎo)熱解吸。電阻熱解吸是利用土壤和地下水的導(dǎo)電性，通過電流對土壤和地下水加熱，從而加熱土壤和地下水中的污染物［6］；而熱傳導(dǎo)熱解吸是利用加熱棒通過熱傳導(dǎo)方式將熱量傳遞給土壤使土壤溫度上升，進(jìn)而去除有機(jī)污染物。本次實(shí)驗(yàn)對兩塊試驗(yàn)田分別進(jìn)行電阻熱解吸及熱傳導(dǎo)熱解吸，以比較兩個方案的優(yōu)缺點(diǎn)。兩塊試驗(yàn)田的溫度上升情況如圖1所示。

圖1 兩種原位熱解吸工藝溫升圖

由圖1可知，兩塊試驗(yàn)田的溫度穩(wěn)步上升趨勢良好，均在大約20周的時候達(dá)到了100℃左右，這表明電阻熱解吸及熱傳導(dǎo)熱解吸前期的加熱效果區(qū)別不大。根據(jù)相關(guān)研究熱傳導(dǎo)熱解吸在一直加熱的情況下最終能使土壤溫度超過500℃，而電阻熱解吸一般穩(wěn)定在130℃左右。電阻加熱熱脫附技術(shù)具有以下特點(diǎn)：（1）整個修復(fù)系統(tǒng)的運(yùn)行不需要進(jìn)行降水，便于施工和運(yùn)營管理；（2）加熱均勻，溫度可控，加熱溫度一般不超過水的沸點(diǎn)，對土壤結(jié)構(gòu)破壞小，可處理建（構(gòu)）筑物下被污染的土壤。綜合考慮本項(xiàng)目污染物的特點(diǎn)及耗能等多方面因素，后續(xù)實(shí)驗(yàn)選用電阻熱解吸工藝。

本項(xiàng)目共對受污染土壤加熱了140天，加熱期間對土壤深度-2～-18m處每隔2m設(shè)置一個溫度傳感器，對整個場地溫度進(jìn)行監(jiān)控，得到如圖2所示示意圖。

由圖2可知，整個場區(qū)的溫度隨著加熱時間的增加逐漸上升，最后呈現(xiàn)出中間層土壤溫度高于上層與低層土壤溫度的現(xiàn)象。造成這種現(xiàn)象的原因可能是上層土壤孔隙率較高且表層與對流層接觸、存在空氣流動，因此散熱較快，而深層土壤由于初始溫度較低且含水量可能較高，其溫度上升速率較慢。

4.2 修復(fù)效果分析

根據(jù)采樣檢測結(jié)果可知在修復(fù)之前石油烴、氯苯及苯的最高濃度分別為17300mg/kg、491mg/kg、15mg/kg（見表3），分別超過土壤風(fēng)險(xiǎn)控制值（基于保護(hù)人體健康）27倍、245.5倍、100倍，表明該場地污染嚴(yán)重不利于被運(yùn)用。而經(jīng)過原位熱修復(fù)以后，分別于第20周、"""""" 第24周、第28周、第32周的采樣檢測均低于風(fēng)險(xiǎn)控制值，見表4，達(dá)標(biāo)率為100%，說明原位熱脫附技術(shù)對退役溶劑廠的土壤修復(fù)效果顯著。

4.3 二次污染防治效果分析

二次污染防治效果不好一直是制約污染場地修復(fù)技術(shù)的因素之一。本試驗(yàn)在修復(fù)污染土壤的同時檢測了廠區(qū)的空氣質(zhì)量，以及佐證原位熱脫附技術(shù)在控制廢氣排放方面的優(yōu)越性。場地四周及場地內(nèi)共設(shè)置5個大氣取樣點(diǎn)，具體檢測方案見表5。整個修復(fù)周期共完成63次大氣檢測，發(fā)現(xiàn)共有7次污染物超標(biāo)。針對這7次超標(biāo)對試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)在加熱過程中部分加熱井硬化，這表明出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。在進(jìn)行及時修補(bǔ)后再次檢測，結(jié)果均達(dá)標(biāo)。檢測結(jié)果表明原位熱脫附技術(shù)能較好地控制二次污染物的排放。

結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)將教師科研項(xiàng)目與學(xué)生實(shí)驗(yàn)相融合，把環(huán)境工程原理中的傳熱學(xué)知識應(yīng)用到有機(jī)污染場地修復(fù)工程設(shè)計(jì)中。從場地修復(fù)工程設(shè)計(jì)到加熱方式選擇，最后到修復(fù)效果分析，整個過程中學(xué)生自主展開調(diào)研，查閱文獻(xiàn)，完成設(shè)計(jì)方案、分析數(shù)據(jù)并做出實(shí)驗(yàn)調(diào)整，教師只從旁進(jìn)行指導(dǎo)和給出意見。這不僅培養(yǎng)了學(xué)生的計(jì)算機(jī)運(yùn)用能力以及實(shí)驗(yàn)操作能力，還在校企合作過程中培養(yǎng)了學(xué)生溝通能力。本實(shí)驗(yàn)結(jié)合了理論與實(shí)踐，融合了各學(xué)科的知識，使學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ玫搅颂岣摺?/p>

參考文獻(xiàn)：

［1］白藍(lán)，劉媛.基于科研成果的綜合性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2019，38（11）：179182，222.

［2］葉志成，周艷，陳明高.電加熱原位熱脫附修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用及效果分析［J］.寧波工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2022，34（3）：4046.

［3］李玉萍，樊寶云，董康冉，等.熱脫附修復(fù)石油烴污染土壤室內(nèi)試驗(yàn)研究［J］.環(huán)境工程，2024，42（4）：242249.

［4］王勇，陳日，高月昆，等.天津某復(fù)雜有機(jī)污染地塊原位熱脫附修復(fù)技術(shù)中試研究［J］.環(huán)境污染與防治，2023，45（4）：458463.

［5］范婷婷，靳德成，劉鵬，等.原位熱脫附能效評價方法構(gòu)建及應(yīng)用研究［J］.生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2023，39（9）：12131220.

［6］姜春旭，馮俊小，黃顯模，等.基于原位熱脫附技術(shù)修復(fù)污染土壤的加熱井?dāng)?shù)值優(yōu)化［J］.環(huán)境工程，2023，41（3）：163171.

基金項(xiàng)目：馬鞍山學(xué)院校級科重點(diǎn)科研項(xiàng)目：電加熱原位熱脫附在化工污染場地的修復(fù)研究（QS2022007）；馬鞍山學(xué)院教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目：新工科背景下非環(huán)境專業(yè)環(huán)境工程概論公選課改革與實(shí)踐（202322）；安徽省高?？蒲兄攸c(diǎn)項(xiàng)目：耐饑餓型低COD降解菌株篩選技術(shù)研究（2024AH051779）

作者簡介：葉志成（1992— ），男，漢族，安徽東至人，碩士研究生，講師，工程師，研究方向?yàn)楣腆w廢物處置及資源化。