電熱脫附在某有機污染土壤修復的應用實例

馮 凱

（上海格林曼環(huán)境技術有限公司， 上海 200001）

0 引言

對于有機物污染的土壤而言，在單純采用氣相抽提（SVE）方法進行修復時，往往難以實現理想的去除率，特別是針對半揮發(fā)性和難揮發(fā)性有機物。近年來，熱強化的SVE（或熱脫附）技術在國內外得以越來越多的應用和研究[1-7]。一般而言，原位熱脫附中較為成熟的主要有GTR技術，系采用天然氣作為燃料，引入國內后曾在浙江寧波等有機污染場地得以應用[8]。異位熱脫附，則不局限于天然氣等化石能源，電能作為能源的加熱方法亦越來越多的采用，一般是通過大功率電阻絲實現電能到熱能的轉換[9-10]。

通過在華東某2,4-二氯苯酚污染土壤的熱修復實例，介紹了其主要設備、試驗過程、試驗結果，以期為國內類似的工程應用提供參考。本案例的特殊之處在于：①獨創(chuàng)地采用了熱風機作為主要熱源，避免了采用燃燒器的尾氣排放；②獨創(chuàng)地采用了三防布可伸縮風管作為通氣管道，相對于傳統(tǒng)的鐵管更便于加工和布置；③獨創(chuàng)地在土堆內設置了高精度的溫度探頭，并能通過集成的顯示裝置在線監(jiān)測各個部位的溫度變化情況。

1 背景概況

本場地位于華東某搬遷化工廠，場地內局部土壤受2,4-二氯苯酚污染，最高質量分數達120.6 mg/kg，超過荷蘭干預值（22 mg/kg）5.5倍。污染土壤為粉質黏土，平均含水率為25%。由于2,4-二氯苯酚是一種半揮發(fā)性有機物，沸點為210℃，若采用常規(guī)的SVE技術，預計難以獲得理想的污染物去除效率。因此設計采用大功率的電加熱器，形成出風溫度達350℃的熱風通入土壤中，預期使土堆內溫度達到180℃或以上，從而促進目標污染物的快速揮發(fā)，從而在較短的時間內達到修復目標值（23 mg/kg，系采用HJ 350—2007展覽會用地土壤環(huán)境質量評價標準（暫行）土壤環(huán)境質量目標值）。

2 修復設備

本項目主要涉及熱風機、離心風機、噴淋塔、纖維過濾器、活性炭罐，以及在線溫度探測儀等設備。設備材料清單見表1。設備的組織形式見圖1。

表1 修復主要設備材料清單

圖1 修復設備組織形式

3 修復流程

3.1 場地準備

所選修復場地為一塊長30 m、寬20 m的矩形平坦地面。場地四周開挖排水溝，用于收集可能的滲濾液，并可導排雨水。首先進行場地平整，并將場地內的碎石等雜物清理干凈。為防止修復過程對下墊土壤造成污染，在修復場地范圍內滿鋪600 g土工布，上覆1.5 mm厚的HDPE防滲膜。隨后，在防滲膜上方鋪設約30 cm厚度的潔凈土壤，并壓實作為緩沖層，防止上部的高溫氣體造成下部防滲膜的變形甚至燃燒。

3.2 土壤堆置

在緩沖墊層上每隔1 m鋪設一根Φ 180三防布通風管，通風管設置密布出風孔。通風管為三防布外包、螺旋鋼夾內襯材質，可以拉伸和彎折，并能夠耐受1 m的土堆高度的重量。采用挖掘機鋪設約0.6 m的污染土，在其上間隔1 m鋪設Φ 180抽氣管，并與下部的通氣管平面上錯開布置。最后，上覆0.2 m的潔凈土壤，用于密封抽氣管道，防止形成優(yōu)先氣流通道。通風管道的一端，則采用白鐵皮三通、90°彎頭與Φ 220總管連接，使用抱箍包扎密實防止漏氣，修復土堆內管道平面布置見圖2。土堆外滿覆耐350℃高溫的防火棚布，其邊沿覆土固定。

圖2 修復土堆內管道平面布置

3.3 設備安裝

本項目所使用的熱風機是在普通離心風機上加設電阻加熱組件，并在出風口配有熱電偶，能夠實現常溫至350℃連續(xù)可調的溫度輸出。熱風機的額定風量為2 500 m3/h。在系統(tǒng)的末端，配置了1臺額定風量達4 000 m3/h、風壓2 kPa的離心風機，用于抽出修復土堆內的滯留氣體。通過通風和抽風的結合，實現了修復土堆內氣體的快速流動。

同時，配備了一套尾氣處理設備，包括1臺噴淋塔，通過冷水的循環(huán)流動將高溫的尾氣降溫；1臺纖維過濾器，用于去除尾氣中殘留的粉塵等顆粒物；1臺抽屜式活性炭箱，內裝500 kg柱狀活性炭。尾氣經凈化后，通過連接于離心風機出口的3 m高煙囪排出。所有用電設備均為三級配電，即工地總配電箱、熱修復配電箱、各設備配電箱。

此外，在土堆的不同位置和深度處埋置了共計10只溫度探頭，通過熱電偶測溫線補償線將土堆內的溫度信息傳送至土堆外的16通道顯示器，可以對10個探頭溫度信息進行動態(tài)顯示，以便研究加熱對土堆內不同位置和深度處溫度場的動態(tài)影響。

3.4 設備運行

將熱風機出風溫度調至最高的350℃，風量相應調低至800 m3/h，持續(xù)作業(yè)了72 h。此時，土堆內各區(qū)域溫度在160～200℃之間。經在土堆內采樣檢測，修復后土壤含水率均不高于15%，最低處含水率僅8%，土壤已經非常干燥（外表為淡黃色，手感堅硬，結塊狀）；修復后2,4-二氯苯酚質量分數不超過2.6 mg/kg，即已達到修復目標。

3.5 尾氣處理

如前所述，本項目中產生的尾氣通過冷凝、過濾和活性炭吸附后達標排放。此外，冷凝水循環(huán)使用后，通過現場的廢水處理設施處理達標排放。現場處置期間，使用光離子化檢測儀PID定期檢測排放口的尾氣濃度。經現場實測，排氣口處尾氣PID最高讀數折算為15.3 mg/m3，小于上海市的大氣排放標準（20 mg/m3）；以 PID 的平均讀數（折算為 8.7 mg/m3）計，在平均通風量（800 m3/h）的情況下，2,4-二氯苯酚的排放速率不超過7 g/h，遠低于其最高允許排放速率（360 g/h），從而保證了尾氣達標排放。

3.6 土堆溫度和污染物濃度監(jiān)測

通過埋置于土堆內部不同位置的溫度探頭實測，在土壤自由水基本蒸發(fā)后繼續(xù)加熱36 h，靠近加熱管的部分區(qū)域溫度達到了200℃左右，隨著與熱風管的距離增加而溫度降低，但均不低于160℃。溫度上升的速率上，以埋置于土堆中部的某監(jiān)測點為例，土壤的溫度加熱后迅速上升，但速率逐漸變緩，在持續(xù)加熱56 h左右達到穩(wěn)定，而土壤2,4-二氯苯酚的濃度（通過持續(xù)采樣監(jiān)測獲得）亦于加熱56 h左右達到穩(wěn)定，詳見圖3。

圖3 土堆中部溫度及2,4-二氯苯酚濃度隨加熱時間的變化規(guī)律

4 修復效果

在3 d的修復周期結束后，從土壤內不同位置和深度采集了3個代表性的土壤樣品，經有資質實驗室檢測，其2,4-二氯苯酚濃度均低于修復目標值，具體見表2。

表2 修復結束后代表性土壤樣品中2,4-二氯苯酚的濃度

所參考的標準值為展會用地土壤環(huán)境A級標準值，代表了土壤未受污染的環(huán)境水平，可適用于各類土地利用類型。結果表明，通過本次電熱脫附修復施工，土壤中目標污染物的去除率達97%以上，且修復后的土壤質量能夠滿足相當于背景值的環(huán)境標準。

5 結 論

基于本次2,4-二氯苯酚污染土壤的電熱脫附修復試驗，得到以下主要結論。

（1）電熱脫附修復技術能夠在短時間內（數小時至數天），有效提高沸點較高的半揮發(fā)性有機物的去除率和脫附效率，特別是針對含水率較高、土質偏黏土的情況。

（2）目前普遍采用的通過通風管道配送熱能的方式存在一定局限性，即靠近熱風管道處溫度提升較高較快，而遠離熱風出口的區(qū)域則溫度上升較慢，在一定程度上存在冷熱不均的現象，從而影響了修復效果的均勻性。

（3）在選擇修復設備時，需注意送風機、抽風機、管道、尾氣處理設備的配套。例如，送風量、抽風量和尾氣處理設備的處理能力應匹配，以保證尾氣能夠達標排放。