熱脫附技術在土壤污染治理工程中的應用

文_李陽 裴曉輝 龍智勇 周洋 王妙 中機國際工程設計研究院有限責任公司

土壤是經濟社會可持續(xù)發(fā)展的物質基礎，關系人民群眾身體健康，關系美麗中國建設，保護好土壤環(huán)境是推進生態(tài)文明建設和維護國家生態(tài)安全的重要內容。土壤污染修復技術的研究起步于20世紀70年代后期，中國的土壤污染修復技術研究起步較晚，“十五”期間被列入了高技術研究規(guī)劃發(fā)展計劃，但是目前研發(fā)水平和應用經驗都與美、英、德、荷等發(fā)達國家存在相當大的差距。

2016年5月28日，《土壤污染防治行動計劃》由國務院印發(fā)并開始實施，要求通過開展土壤污染治理與修復試點示范，在土壤污染源頭預防、風險管控、治理與修復、監(jiān)管能力建設等方面探索土壤污染綜合防治模式，逐步建立我國土壤污染防治技術體系。

1 土壤熱脫附技術簡介

土壤污染的主要來源為重金屬污染和有機物污染，相關治理與修復技術包括：植物修復技術、微生物修復技術、穩(wěn)定化固化技術、淋洗技術、氧化—還原技術、熱脫附技術、氣相抽提技術、水泥窯協同處置技術、阻隔填埋處理技術、可滲透性反應墻處理技術等。

熱脫附技術是通過直接或間接熱交換，將污染介質及其所含的有機污染物加熱到足夠的溫度，以使有機污染物從污染介質上得以揮發(fā)或分離的過程。根據加熱所達到的溫度可分為低溫熱脫附技術(90～320℃)和高溫熱脫附技術(320～560℃)。

熱脫附可通過調節(jié)加熱溫度和停留時間等方式有選擇地將污染物從一相轉化為另一相，在修復過程中一般并不出現對有機污染物的破壞作用。通過控制熱脫附系統的溫度和污染土壤停留時間有選擇地使污染物得以揮發(fā)，并不發(fā)生氧化、分解等化學反應。

熱脫附技術的顯著優(yōu)點是操作處理效果好、管理方便，其修復費用受溫度和土壤滲透性等因素的影響。熱脫附技術可以處理那些受揮發(fā)性及半揮發(fā)性有機污染物（如石油烴、農藥、多氯聯苯）和汞污染的土壤，不適用于無機物污染土壤（汞除外），也不適用于腐蝕性有機物、活性氧化劑和還原劑含量較高的土壤。

熱脫附技術處理周期為幾周到幾年，國外對于中小型場地（2萬t以下，約合26800m3）處理成本約為100～300美元/m3，對于大型場地（大于2萬t，約合26800m3）處理成本約為50美元/m3。國內處理成本約為600～2000元/t，目前國內已有少量工程應用，但是處理技術有待成熟。

2 技術應用案例

2.1 場地土壤污染情況

澧縣原青云香料廠于1996年開始生產，主要產品為水楊醛，副產品為鹽酸，生產工藝為鄰甲酚、三氯氧磷、氯氣合成。該項目生產過程中未采取有效的環(huán)境保護措施，生產產品和原料直接堆放在廠區(qū)，大量有毒有害的有機生產廢渣和有機化學衍生品直接傾倒進入廠區(qū)前面池塘中，對當地土壤造成嚴重污染，并且污染地下水。2006年，澧縣原香料廠被當地執(zhí)法部門依法關停。澧縣原香料廠雖被關停，但是場地廢渣和污染土壤一直存在，項目規(guī)劃用地類型為商業(yè)與綠化用地。

根據場地內土壤檢測結果顯示：場地內土壤中2,4,6-三氯苯酚、五氯苯酚、苯并（a）芘、茚并[1,2,3-cd]芘最大含量分別達285.26mg/kg、54.78 mg/kg、3.06mg/kg、10.19mg/kg；最大超標倍數分別為7.13倍、13.70倍、15.30倍、16.98倍。同時檢測顯示，場地污染中心處地下水五氯酚超標3.37倍，以上超標物質均屬于半揮發(fā)性有機物。場地環(huán)境污染污染的風險評估結果顯示2,4,6-三氯苯酚、五氯苯酚、苯并（a）芘、茚并（1,2,3-cd）芘四種物質在土壤中致癌風險值分別為：1.28×10-5、9.29×10-6、9.53×10-6、3.17×10-6、3.48×10-6均超過了10-6，存在致癌風險。

廠區(qū)污染土壤0～2m、2～4m、4～6m各層次污染土壤面積，自上而下分別為2339m2、1971m2、1734m2，根據厚度計算得廢渣與污染土壤總體積為12088m3。

參考通過風險評價計算，在滿足法律法規(guī)要求下，充分考慮經濟和技術的可行性，最終確定該場地污染修復目標建議值為：2,4,6-三氯苯酚62mg/kg、五氯苯酚12.46mg/kg、苯并（a）芘0.3mg/kg、茚并[1,2,3-cd]芘0.9mg/kg。

2.2 熱脫附處理工藝設計

澧縣原青云香料廠土壤污染治理工程設計污染土壤處理能力為10m3/h，污染土壤經過預熱處理、粉碎/過篩、回轉窯熱脫附處理檢測達標后回填。過程中產生的有機廢氣，經過廢氣處理設備處理后達標排放。整個熱脫附流程均處于密閉環(huán)境，防止有機廢氣泄漏熱。項目熱脫附工藝流程圖具體如圖1所示，熱脫附主要設備與參數如表1所示。

圖1 熱脫附流程圖

2.2.1 污染土壤的預熱處理

本項目部分污染土壤含水率較高，不便于破碎和篩選，因此首先進行預熱處理，除去水分和部分有機物質，溫度≥120℃，停留時間大于10min，含水率小于10%，預熱過程產生的廢氣進入廢氣處理設備處理后達標排放。

2.2.2 污染土壤的粉碎/過篩

污染土壤預熱處理后的干燥土壤經過錘式破碎機進行破碎，經過粉碎后的污染土壤進行振蕩過篩，過篩直徑為2.0cm。篩中土塊、石塊和樹枝等雜物，超規(guī)格的經過破碎后再次返回振蕩篩進行篩分。

2.2.3 回轉窯熱脫附

本項目熱脫附采用改進后的回轉窯進行熱脫附，在熱解吸過程中，對污染土壤進行不斷翻動，以便于有機物充分解吸出來。本項目主要污染物沸點最大值為茚并[1,2,3-cd]芘，溫度為497℃，設定解吸溫度大于或等于520℃，具體需根據現場實驗進行調整，以保證熱脫附后的土壤達到本項目修復目標。本地區(qū)已通天然氣，因此熱脫附供熱采用天然氣。即2,4,6-三氯苯酚、五氯苯酚、苯并（a）芘、茚并[1,2,3-cd]芘含量分別小于62mg/kg、12.46mg/kg、0.3mg/kg、0.9mg/kg。熱脫附停留時間10min左右，具體可根據現場實驗進行調整，處理能力為10m3/d。處理后土壤進行抽樣檢測，檢測達標后回填原場地，不達標則重新進出回轉窯處理。

表1 熱脫附主要設備與參數

2.3 廢氣處理工藝設計

本項目有機廢氣處理工藝采用“光催化氧化+活性炭吸附”的處理技術，廢氣處理工程如圖2所示。廢氣先由風機管道收集后，送入堿洗滌塔內將大部分氯化物氣體進行化學降解→PATTiO2設備分解氧化治理→活性炭吸附→風機→經15m煙囪達標排放。

圖2 廢氣處理工程示意圖

3 處理效果評估

2017年10月～2018年12月，澧縣原青云香料廠采用熱脫附技術對污染場地進行了治理。2018年12月18日，澧縣人民政府在澧縣主持召開了澧縣原青云香料廠廢渣及土壤修復工程效果評估報告專家評審會，對土壤修復工程進行全面評估，項目工程效果評估結果如下。

(1)熱脫附修復后不同區(qū)域不同深度土壤的2,4,6-三氯苯酚檢出最大值為0.21mg/kg，均小于修復目標值62mg/kg；不同區(qū)域不同深度土壤的五氯苯酚檢出最大值為0.13mg/kg，均小于修復目標值12.6mg/kg；不同區(qū)域不同深度土壤的苯并（a）芘均未檢出，均小于修復目標值12.6mg/kg；不同區(qū)域不同深度的茚并（1,2,3-cd）均未檢出，均小于修復目標值1.36mg/kg。

(2)場調階段污染最嚴重的地下水監(jiān)測點位監(jiān)測時段內，各檢測因子均能滿足《地下水質量標準》（GB/T14848-2017）Ⅲ類標準要求，特征污染物五氯酚在監(jiān)測時段內未檢出，較場調階段的0.0394mg/L，大幅下降。因此，本工程對于該場地內地下水環(huán)境改善有明顯的效果。

(3)本項目采用熱脫附處理技術對污染地塊土壤進行異位修復治理，通過清挖、熱脫附、回填、黏土壓實等工程措施，有效減少了污染土壤目標污染物，使其滿足審查意見所提出的修復治理目標，通過修復后的土壤可作為商業(yè)和綠化用地。

4 治理經驗

本項目熱脫附技術對2,4,6-三氯苯酚、五氯苯酚、苯并（a）芘、茚并[1,2,3-cd]芘四種目標污染物有較好的去除效果，去除率均在95%以上；對污染土壤中基本所有揮發(fā)性及半揮發(fā)性有機污染物均具有良好的處理效果，經處理后大部分有機污染物已低于檢出限。受污染土壤經過熱脫附設備處理后，從進料到出料只有約20min，處理速度快，處理完后土壤監(jiān)測即可達標。由于本項目熱脫附技術采用的是物理處理技術，無化學添加劑，無二次污染，處理后土壤除含水率降低外，無其他影響，可作為一般土壤利用。

本項目土壤含水率較高，余熱回用少，能耗總體較高，本項目有機物污染土壤熱脫附處理綜合單價在1000元/m3，處理成本中能耗費用占50%左右，因此有必要進一步提高熱量利用效率，從而降低單位處理成本。

根據本項目經驗，采用異位熱脫附技術對受有機物污染的土壤進行處理，處理效果好、去除率高、處理周期短、對土壤性質影響小，優(yōu)勢比較明顯。在優(yōu)化處理工藝，提高熱量利用效率后，可作為異位熱脫附技術案例進行的利用和推廣。