污染土壤復合式物化與生物處理工藝

李東明，施烈焰

(中環(huán)循（北京）環(huán)境技術中心，北京 100102)

污染土壤復合式物化與生物處理工藝

李東明，施烈焰

(中環(huán)循（北京）環(huán)境技術中心，北京 100102)

有機污染土壤的修復與治理是當前我國城市土地重新開發(fā)與利用過程中面臨的嚴峻挑戰(zhàn)之一。本文介紹了一套可應于多種類型有機污染土壤修復的裝置—污染土壤復合式物化與生物處理裝置，闡述了該裝置的原理、工藝配置、運行控制以及典型工藝過程等方面。與國內外其它同類土壤修復裝置相比，該裝置具有適用面廣、修復效果良好、修復成本低、不產生二次污染等優(yōu)點。

有機污染土壤;修復與治理;生物處理

1 前言

隨著我國社會經濟的快速發(fā)展，由土地污染引起的環(huán)境問題日趨增多。特別是近年來，城市工業(yè)企業(yè)搬遷遺留的污染土地大量出現(xiàn)，在城市中心區(qū)域留下了大量亟需修復治理的污染土壤，制約了土地的重新利用，威脅著居民的身體健康。根據(jù)污染物類型，我國城市工業(yè)污染土壤大致可以分為以下幾類：1）重金屬污染土壤；2）持久性有機污染物（POPs）污染土壤；3）有機污染土壤；4）電子廢棄物污染土壤等。有機污染土壤是以有機污染為主的石油、化工、焦化等污染的土壤。污染物以有機溶劑類、石油烴類（如苯系物、多環(huán)芳烴、鹵代烴）為代表，也常復合有其它污染物，如重金屬等[1]。

我國政府對土地污染問題高度重視，2005年12月國務院發(fā)布《關于落實科學發(fā)展觀加強環(huán)境保護的決定》，明確要求對污染企業(yè)搬遷后的原址進行土壤監(jiān)測、風險評估和修復[2]。環(huán)境保護部在《關于加強土壤污染防治工作的意見》中指出，中國目前土壤環(huán)境面臨嚴峻形勢，各地應充分認識加強土壤污染防治的重要性和緊迫性，全面加強土壤污染防治工作[3]。

對于有機污染土壤的修復治理，中國開展了多個類型場地的修復技術設備研發(fā)與示范項目，也開展了多個污染土地的土壤污染修復工作。例如，對于焦化污染土壤（以多環(huán)芳烴和苯系物為主要污染物），主要采用生物反應堆及異位通風耦合修復技術、原位化學氧化修復技術；對于有機氯農藥類污染土壤，增效洗脫修復技術和催化氧化修復技術的應用較多；對于揮發(fā)性有機物污染土壤，常采用土壤氣提和生物通風修復技術；對于多氯聯(lián)苯類污染場地，比較常用的技術為土壤熱脫附修復技術和生物強化修復技術。這些修復技術取得了一定的修復效果，但也存在一些問題：1）國外一些效果好的修復技術，其修復成本偏高，目前國內經濟能力尚無法承受；2）經濟實用的修復技術很少，很多技術還處于實驗室研究階段；3）有些污染土地處于亟需開發(fā)的城市中心地帶，這就限制了污染土壤修復治理的時間。這些因素對有機污染土壤的修復治理帶來了很大的困難。

目前國內已有企業(yè)自主研發(fā)出一套適合我國國情、適用面廣、造價低、宜于市場推廣的有機污染土壤處置裝置——污染土壤復合式物化與生物處理裝置，并獲得國家專利（專利號：ZL 2009 2 0229130.7）。該裝置將主要應用于有機污染土壤的治理，主要領域包括企業(yè)搬遷之后遺留污染場地的土壤治理、現(xiàn)有生產企業(yè)的土壤污染防治以及場地再開發(fā)之前的土壤治理。該裝置可以與土壤氣提、生物通風和低溫熱脫附等技術聯(lián)用，治理加油站石油污染、化工企業(yè)有機溶劑污染等易揮發(fā)有機氣體的污染。

2 處置裝置的工藝配置

2.1 工藝裝置系統(tǒng)組成

該處置裝置由管網(wǎng)系統(tǒng)、抽氣系統(tǒng)、氣液分離系統(tǒng)、廢氣焚燒凈化系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)等五套系統(tǒng)組成。其中管網(wǎng)系統(tǒng)由抽氣管道、濾料、流量計和真空表等組成；抽氣系統(tǒng)由抽氣泵、空氣真空球閥和系統(tǒng)排氣口等組成；氣液分離系統(tǒng)由真空平衡分離排液罐、自動排液泵、初濾器和空氣真空球閥組成；廢氣焚燒凈化系統(tǒng)由焚燒氧化爐、通氣管道、熱交換器和引風、排風機等組成。五套系統(tǒng)的有機結合應用，首先通過抽氣系統(tǒng)對土壤中有機氣體進行分離抽取，再將含有機污染物的氣體送入氣液分離系統(tǒng)，去除顆粒物和水分，然后再通過熱交換裝置和廢氣焚燒凈化系統(tǒng)，實現(xiàn)廢氣的達標排放，最終達到去除土壤中的污染物且不產生二次污染的目的。

氣液分離系統(tǒng)和抽氣系統(tǒng)可以分為進氣單元、氣液分離單元、計量單元、氣泵單元和取樣與排放單元等五個功能單元。進氣單元的主要作用是調節(jié)進氣量；氣液分離單元的作用是將土壤氣里的水分和顆粒物分離出來，分離出的水和顆粒物自動排出；計量單元的作用是計量抽出土壤氣體的流量和壓力；氣泵單元的作用是提供抽氣真空度，并控制氣流方向；取樣與排放單元的作用是將抽出氣體排放，并可以按要求取樣。圖1為氣液分離系統(tǒng)和抽氣系統(tǒng)工藝流程圖。

圖1 氣液分離系統(tǒng)和抽氣系統(tǒng)工藝流程

廢氣焚燒凈化系統(tǒng)可以分為進氣預熱單元、氧化焚燒單元、廢氣排放單元、自控單元和燃料供應單元等五個功能單元。進氣預熱單元的作用是對進氣提前加熱，并回收余熱；氧化焚燒單元的作用是在高溫條件下焚毀廢氣中的有機物；廢氣排放單元是為廢氣流動提供動力，將廢氣排放至指定高度；自控單元的作用是檢測控制溫度、氣體流量，自動調節(jié)控制閥門；燃料供應單元為氧化焚燒單元提供燃料。圖2為廢氣焚燒凈化系統(tǒng)工藝流程圖。

圖2 廢氣焚燒凈化系統(tǒng)工藝流程

2.2 工藝裝置系統(tǒng)說明

（1）管網(wǎng)系統(tǒng)、氣液分離系統(tǒng)與抽氣系統(tǒng)

管網(wǎng)系統(tǒng)結構見圖3，氣液分離系統(tǒng)與抽氣系統(tǒng)見圖4。

圖3 管網(wǎng)系統(tǒng)結構示意

圖4 氣液分離系統(tǒng)與抽氣系統(tǒng)

管網(wǎng)系統(tǒng)掩埋于土壤的底部，由抽氣管道、濾料、流量計和真空表等組成；濾料采用石英砂、礫石配置；調節(jié)閥安裝于主要支管和干管上，用于調節(jié)氣流量和關閉作用；流量計和真空表安裝于主要抽氣管道上，用于了解參數(shù)和控制氣體的流量。管網(wǎng)抽氣口與抽氣系統(tǒng)進氣口相連接。打開抽氣系統(tǒng)的進氣口球閥、單臺氣泵的進出口閥門、吸氣系統(tǒng)的出口閥門及機組的總進口閥門，設定好自動控制程序，啟動自動程序后系統(tǒng)開始自動工作：在氣泵負壓的作用下，廢氣由前端的收集管網(wǎng)系統(tǒng)被吸入真空氣液平衡分離罐，其中絕大部分水分滯留在罐中，干燥氣體再經過初濾器，將進入其中的固體顆粒濾掉。然后，經過氣泵，由系統(tǒng)出口閥門將其送入尾氣處理工序。由于真空氣液平衡分離罐上裝有液位計，當罐中下部的液位升漲到極限位時，液位計閥門動作，接通排液泵的控制線路，排液泵開始工作。由于及時排水并通過止回閥防止流體倒灌，系統(tǒng)將保持連續(xù)性工作。當該系統(tǒng)的尾氣處理發(fā)生故障或有特殊需求時，打開緊急排氣通道的閥門，使殘余氣體排出設備，以便對系統(tǒng)設備進行維護、檢修工作。

（2）廢氣焚燒凈化系統(tǒng)

廢氣焚燒凈化系統(tǒng)結構見圖5。

圖5 廢氣焚燒凈化系統(tǒng)結構示意

對于污染物濃度較高和含有較難降解污染物的廢氣，采用氧化焚燒的方法比其它方法如吸附、生物過濾和膜分離等技術更加經濟，并且可以達到較好的處理效果。根據(jù)實驗結果選擇熱氧化處理技術，采用帶有熱回收功能的直接高溫焚燒氧化裝置。高溫焚燒氧化裝置設計處理氣量為100～500m3/h，焚燒溫度范圍是500℃～1000℃，有機物的焚毀率不低于98%。廢氣經過預熱器進入氧化焚燒爐，經過焚燒后的氣體通過通氣管道進入熱交換裝置，其熱能被利用后，通過引風機，由系統(tǒng)出氣口排出。

3 處置裝置的運行與控制

3.1 處置裝置的運行

高濃度有機污染氣體處理：當土壤中揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機污染物濃度較高時，經抽氣系統(tǒng)進入裝置的廢氣中污染物含量較高，采用廢氣焚燒凈化系統(tǒng)焚燒處理廢氣。

低濃度有機污染氣體處理：對于低濃度的抽取氣體，采用活性炭吸附，待活性炭飽和后進行再生重復利用。

在自動控制條件下，裝置有四種可選的運行狀態(tài)：1）一臺氣泵運行。該氣泵根據(jù)設定的頻率參數(shù)穩(wěn)定運轉，不受氧氣濃度參數(shù)控制。在運行的過程中，控制人員可以根據(jù)檢測出的真空度與氣體流量，隨時人工調整設定的頻率參數(shù)，直至達到運行控制人員所滿意的真空度與氣體流量。2）一臺氣泵運行。該氣泵根據(jù)檢測到的氣體流量參數(shù)運行，保證系統(tǒng)穩(wěn)定在設定的氣體流量值運行。當檢測到的氣體流量低于設定的流量值，則增加氣泵的轉速，直到達到設定的氣體流量值；當檢測到的氣體流量高于設定的流量值，則降低氣泵的轉速，直到達到設定的氣體流量值。3）一臺氣泵運行。該氣泵根據(jù)檢測到的氣體中氧氣濃度參數(shù)運行，保證系統(tǒng)穩(wěn)定在設定的氧氣濃度值運行。當檢測到的氧氣濃度低于設定的氧氣濃度值，則增加氣泵的轉速，直到達到設定的氧氣濃度值；當檢測到的氧氣濃度高于設定的氧氣濃度值時，則降低氣泵的轉速，直到達到設定的氧氣濃度值。4）兩臺氣泵并聯(lián)同時運行。將與氣泵連接的所有閥門打開。兩臺氣泵根據(jù)設定的頻率參數(shù)穩(wěn)定運轉，不受氧氣濃度參數(shù)控制。兩臺氣泵的運行參數(shù)保持一樣。在運行的過程中，控制人員可以根據(jù)檢測出的真空度與氣體流量，隨時人工調整設定的頻率參數(shù)，直至達到運行控制人員所滿意的真空度與氣體流量。

3.2 處置裝置的控制

該裝置的操作方式有手動和自動兩種，用戶可以根據(jù)裝置的運行情況選擇操作方式。操作方式的切換可以通過轉動控制柜上面的旋鈕來進行。

一般情況下，手動方式只做設備測試用。裝置初始運行時，需要經過調試，檢查裝置是否正常運轉，各參數(shù)指標是否正常，確定運行工況并設定合理的運行參數(shù)。

正常運行時全部使用自動控制。當手動測試完成，裝置運轉無異常時，可以切換為自動方式。自動控制系統(tǒng)可以根據(jù)對土壤的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，例如氧氣含量、二氧化碳含量、濕度、溫度等，根據(jù)設定的參數(shù)和程序自動調節(jié)抽氣量，使處理達到優(yōu)化運行。該裝置的自動控制系統(tǒng)示意圖見圖6。

4 處置裝置利用的幾種典型工藝過程

4.1 生物堆與通風處置工藝過程

對于主要含有揮發(fā)性和半揮發(fā)性易降解的有機污染物土壤，常用的技術為異地堆放、通風和生物降解。當土壤結構較為松散，透氣性良好，有機污染物易于降解時，可以采用通風生物堆法修復污染土壤。通風生物堆法是將土壤挖掘出來堆置于裝有滲濾液收集系統(tǒng)的區(qū)域，供給適量的水分、養(yǎng)分和氧氣，以促進微生物生長和分解土壤中有機物的一種方法。該裝置是通風生物堆法的核心設備，可將生物堆中的高濃度有機氣體抽出并進行凈化，降低生物堆中污染物濃度，并通過營養(yǎng)液投加，為微生物的繁殖與生長提供良好的環(huán)境，加速微生物降解污染物的效率，實現(xiàn)土壤污染的徹底治理，以及抽出氣體的達標排放。通風生物堆處置示意見圖7。

圖6 自動控制系統(tǒng)示意

圖7 生物堆與通風處置示意

4.2 原位通風處置工藝過程

對于主要含有揮發(fā)性有機污染物的土壤，常用的技術為原位通風（又稱土壤氣相抽提）。當需要修復的土壤所處地層復雜，不具備開挖處置的條件，將土壤挖掘運出場地進行異位修復在技術上很難實現(xiàn)，且經濟上也是不可行的。因此采用土壤氣相抽提的方法進行原位修復。這是通過特制的抽提井，利用抽真空產生的動力迫使土壤氣體發(fā)生流動，從而將土壤中的揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機污染物驅出，達到清除土壤氣體中的揮發(fā)性污染物的一種處理技術[4]。該裝置作為原位土壤氣相抽提技術的核心設備，可以有效地去除抽出的有機氣體，基本實現(xiàn)零排放，實現(xiàn)修復效果，且成本低廉。原位通風處置示意見圖8。

圖8 原位通風處置示意

4.3 異位通風處置工藝過程

對于主要含有揮發(fā)性有機污染物的土壤，另一種常用的技術為異位通風技術。該技術主要應用于地層結構簡單，場地具備開挖條件，土壤易于挖掘，且開發(fā)時間緊迫的場地。異位通風技術是將污染土壤挖掘運至帶有防滲漏和簡單濾液收集的地上密封系統(tǒng)內，在土壤堆的內部建立通風系統(tǒng)和尾氣處理系統(tǒng)。通過通風將大部分揮發(fā)性有機污染物去除。本裝置作為異位通風處置工藝的核心設備，首先將揮發(fā)性氣體污染物抽出，通過氣液分離系統(tǒng)去除雜質和水分，再送入廢氣焚燒凈化系統(tǒng)處置。異位通風處置示意見圖9。

圖9 異位通風處置示意

[1]李發(fā)生.中國污染土地修復與再開發(fā)管理的現(xiàn)狀評估[R].世界銀行報告，2010-1-5.

[2]國務院.關于落實科學發(fā)展觀加強環(huán)境保護的決定[Z].2005.

[3]環(huán)境保護部.關于加強土壤污染防治工作的意見[Z].2008.

[4]李發(fā)生，顏增光.污染場地術語手冊[M].北京：科學出版社，2009.

Complex Physical-chemical and Biological Treatment Technology in Contaminated Soil

LI Dong-ming, SHI Lie-yan

X53

A

1006-5377（2011）07-0047-04