熱脫附技術(shù)在化工污染場地中的應(yīng)用前景與趨勢分析

文_唐嘉陽 董余 周健 南京源博環(huán)境科技有限公司

近年來，隨著國內(nèi)城市化的建設(shè)和工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，出現(xiàn)了大量的污染場地。這些污染場地可能會(huì)被作為其他建設(shè)用地和居民住宅地再次利用，因此需要具有較高的修復(fù)效率和土壤修復(fù)技術(shù)進(jìn)行處理。熱脫附技術(shù)具有較高的處理效率，而且修復(fù)時(shí)間短，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于化工污染場地的修復(fù)中。熱修復(fù)技術(shù)是一種物理分離技術(shù)，能夠?qū)⑼寥乐械奈廴疚镛D(zhuǎn)移到尾氣中，如果熱脫附產(chǎn)生的尾氣無法被完全去除，將會(huì)有大量有害氣體擴(kuò)散到外界環(huán)境中并會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生二次污染。選擇不同的熱脫附尾氣處理技術(shù)其處理效果和成本不同。國外熱脫附設(shè)備無法完全滿足國內(nèi)污染場地的修復(fù)需求，因此國內(nèi)要在積極引進(jìn)國外先進(jìn)的熱脫附技術(shù)設(shè)備的基礎(chǔ)上，開發(fā)滿足國情的熱脫附設(shè)備。

1 熱脫附技術(shù)

熱脫附技術(shù)是通過間接或者直接熱交換的方式，將土壤中的污染物加熱到一定溫度之后，使污染物從土壤中揮發(fā)。

熱脫附系統(tǒng)是由預(yù)處理、熱分離和尾氣處理3部分構(gòu)成的。預(yù)處理系統(tǒng)是對土壤進(jìn)行篩分和移除異物，對含水率較大的土壤還要進(jìn)行干燥處理。熱分離系統(tǒng)是通過直接或間接加熱的方式實(shí)現(xiàn)土壤和污染物的有效分離。尾氣處理系統(tǒng)是將氣態(tài)污染物從土壤中分離，并做好進(jìn)一步處理工作，實(shí)現(xiàn)污染氣體的安全排放。

根據(jù)熱脫附技術(shù)的修復(fù)地點(diǎn)、加熱和進(jìn)料方式的差異，可將其分為多種類型。根據(jù)修復(fù)地點(diǎn)的差異，可分為原位和異位熱脫附技術(shù)；根據(jù)熱源和土壤接觸方式可將其分為直接加熱和間接加熱的熱脫附技術(shù)；根據(jù)進(jìn)料方式可將其分為連續(xù)式和序批式熱脫附技術(shù)。

目前國內(nèi)直接加熱熱脫附技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到第三代。第一代產(chǎn)品布袋除塵是與熱分離系統(tǒng)直接相連的，如果尾氣溫度較高時(shí)會(huì)導(dǎo)致布袋除塵器壽命降低，因此這種熱脫附處理系統(tǒng)無法適用于高沸點(diǎn)的化工污染土壤處理。第二代系統(tǒng)將空燃式轉(zhuǎn)移到熱分離系統(tǒng)后，并將氣體冷卻系統(tǒng)安排在布袋陳除塵器之前，使其能夠處理高沸點(diǎn)的化工污染土壤。第三代在前者的基礎(chǔ)上增加濕式除塵裝置，用于處理高沸點(diǎn)且含有大量氟元素的有機(jī)物。

熱脫附尾氣處理是針對含有較高濃度有機(jī)物的處理的。布袋除塵器具有較低的溫度，內(nèi)筒排出的煙氣需要低于230℃才能被處理。利用冷凝法能夠從熱脫附尾氣中分離化工污染物，對于一部分沒有經(jīng)過冷凝的氣體會(huì)經(jīng)過活性炭吸附之后被排入大氣中。國外開展工程化熱脫附技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)有幾十年的時(shí)間。根據(jù)美國修復(fù)報(bào)告對污染場地的修復(fù)信息統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，截至目前共有100多個(gè)污染場地采用熱脫附處理技術(shù)完成了土壤修復(fù)，其中一部分采用原位熱脫附技術(shù)，另一部分采用異位熱脫附技術(shù)。目前熱脫附技術(shù)適用于處理VOC、SVOCs，沸點(diǎn)為1000℃以下的污染物，以及汞污染等。對于一些含有腐蝕性物質(zhì)和大部分無機(jī)污染物來說，這種熱脫附技術(shù)是不適用的。由于水蒸發(fā)時(shí)會(huì)吸收大量熱能，通常采用熱脫附處理技術(shù)時(shí)，其污染介質(zhì)含水率應(yīng)低于20%。對于較粘的土質(zhì)顆粒很容易出現(xiàn)團(tuán)聚或者受熱結(jié)合，從而降低土壤的導(dǎo)熱性，修復(fù)效果也較差。

2 實(shí)現(xiàn)熱脫附尾氣產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)熱脫附尾氣產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用所采用的關(guān)鍵技術(shù)包括收集法和破壞法，其中收集法能夠?qū)崿F(xiàn)離場處理，而破壞法需要在熱脫附尾氣產(chǎn)生之后的短時(shí)間內(nèi)迅速處理。直接加熱熱脫附中，熱源與污染有機(jī)土壤進(jìn)行直接接觸，具有良好的加熱效果。而該技術(shù)會(huì)產(chǎn)生大量的尾氣，因此在熱脫附尾氣產(chǎn)業(yè)化時(shí)，通常使用的是破壞法的方式。間接加熱脫附技術(shù)使熱量通過熱分離系統(tǒng)傳到污染有機(jī)物土壤中，因此相比直接加熱的方法來說熱效率低，但利用該技術(shù)所產(chǎn)生的尾氣量較小，且尾氣中含有的化工污染物濃度高。因此，這種情況下大多采用收集法的方式。

實(shí)現(xiàn)熱脫附尾氣產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用時(shí)，關(guān)鍵技術(shù)的去除機(jī)制及適用范圍具體如下。

收集法主要運(yùn)用于直接加熱熱脫附系統(tǒng)中的污染尾氣處理，包括吸附法和冷凝法，可將大量的水蒸氣和廢氣經(jīng)過冷凝之后形成液體，而沒有冷凝的氣體會(huì)經(jīng)過活性炭吸附。將冷凝水分為水相及有機(jī)相，有機(jī)相能夠完成廢氣的處理并回收，用于燃料補(bǔ)充，而水相可用于除塵及作為冷卻水。

冷凝法主要是利用熱脫附尾氣形成不同組份的飽和蒸氣壓，使用升壓或者降溫的方式，將氣態(tài)有機(jī)物液化，并從尾氣中分離。目前，在熱脫附尾氣產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用過程中，如尾氣中的有機(jī)物體積分?jǐn)?shù)高于0.5%時(shí)，要采用冷凝法，其處理效率可達(dá)到60%以上。對于尾氣具有較高的凈化要求，可以通過降低冷卻水的溫度和增加壓力來實(shí)現(xiàn)。這在一定程度上增加了尾氣的處理難度和成本。經(jīng)過冷凝之后污染物排入水中，還需對污水進(jìn)行再次處理。因此冷凝法也常被用于凈化高濃度有機(jī)物的前處理，需要與其他凈化手段共同使用，進(jìn)一步降低尾氣處理難度，實(shí)現(xiàn)有用物質(zhì)的回收利用。

吸附法主要是利用多孔固體吸附劑，包括活性炭、交換樹脂等，對尾氣中的有機(jī)物進(jìn)行吸附。當(dāng)前，國內(nèi)化工污染土壤尾氣凈化中，在經(jīng)過除塵器、噴淋塔和氧化反應(yīng)池之后，需要采用活性炭的方式去除殘留的污染氣體。該方法簡便操作、凈化效率高，但設(shè)備投資大，所需要的占地面積大。熱吸附尾氣中除含有蒸發(fā)的化工污染物外，通常還伴隨大量的水蒸氣，這些水蒸氣很容易降低活性劑對于化工污染物的吸附效果，并影響最終尾氣處理性能，因此目前需要進(jìn)一步研究吸附劑改性，提升吸附劑的選擇吸附性效果。

破壞法是指通過直接或間接加熱熱脫附系統(tǒng)的尾氣處理方法，常用的技術(shù)包括熱力燃燒和催化燃燒兩種方法。熱力燃燒是將廢氣直接燃燒為二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物等，對于含有氯的污染物燃燒時(shí)可能會(huì)形成二噁英。因此可采用直接加熱熱脫附設(shè)備，使用熱力燃燒的方式作為尾氣處理系統(tǒng)，將生成的氯化氫氣體經(jīng)過冷卻裝置減少二噁英的產(chǎn)量，再經(jīng)過堿性淋洗，和酸性物質(zhì)生成高濃度鹽分物質(zhì)可用于除塵。

3 熱脫附尾氣新型處理技術(shù)

在滴滴涕、666等化工污染物的固體處理中，利用上述方法處理污染土壤還具有一定的局限性。利用熱力燃燒的方式去除污染物需本身具有較高環(huán)境溫度，以利于化工污染物的分解。此外，強(qiáng)堿性環(huán)境有利于含氯有機(jī)物的完全降解，處于全負(fù)壓情況下能夠防止產(chǎn)生有害氣體及氣體的外溢，因此水泥窯共處置技術(shù)適用于熱脫附尾氣處理。處置流程如圖1所示。

圖1 水泥窯共處置技術(shù)流程

低溫等離子體由自由電子、激發(fā)態(tài)原子、自由基等共同構(gòu)成的氣態(tài)物質(zhì)，對于揮發(fā)性有機(jī)物具有較高的去除效率，且不會(huì)產(chǎn)生廢渣、廢水及二次處理副產(chǎn)物，運(yùn)行成本較低。國內(nèi)已經(jīng)開始采用低溫等離子體技術(shù)進(jìn)行熱脫附尾氣處理，且已經(jīng)申請相關(guān)專利。

4 結(jié)語

通過分析目前熱脫附技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析比較，介紹了目前國內(nèi)熱脫附尾氣的新型處理技術(shù)，水泥窯共處置技術(shù)和低溫等離子體技術(shù)，未來在化工污染物土壤尾氣處理中將實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的應(yīng)用。