原位熱脫附技術(shù)在有機(jī)污染地塊中的修復(fù)效果研究

胡 正，沈 青

（1.北辰（上海）環(huán)境科技有限公司，上海 200030：2.中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200090）

0 引言

土壤污染是人類密切關(guān)注的一個(gè)問題，調(diào)查顯示，我國的土壤總體超標(biāo)率達(dá)到16.1%[1]，污染場(chǎng)地類型涵蓋工業(yè)用地、農(nóng)業(yè)用地及耕地，主要污染物為無機(jī)污染與有機(jī)污染，其中有機(jī)污染是土壤污染重要的組成部分，主要包括有機(jī)農(nóng)藥、多環(huán)芳烴（PAHS）、石油類、合成洗滌劑、酚類等污染，整體污染狀況不容樂觀[2-3]。有機(jī)污染物極具隱蔽性和積累性，可通過食物鏈在動(dòng)植物體內(nèi)傳遞，遷移能力強(qiáng)，生物毒性大[4]，可直接進(jìn)入人體，破壞人體正常的生理機(jī)能，導(dǎo)致疾病產(chǎn)生，嚴(yán)重危害人類身體健康[5]。

目前，常見的有機(jī)污染土壤去除方法有物理法、化學(xué)法和生物法[6]，物理法中應(yīng)用較多的是熱脫附技術(shù)和氣相抽提技術(shù)，其中熱脫附技術(shù)[7-9]適用于低滲透性和污染深度較深的土壤[10-11]，具有修復(fù)范圍廣、處理效率高等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)主要通過將土壤中有機(jī)污染物加熱至沸點(diǎn)后蒸發(fā)出來，再通過分離和收集后，對(duì)氣體污染物集中處理，修復(fù)完成后的土壤可以再次利用，是一種具有廣闊前景的修復(fù)技術(shù)[12]。

1 材料與方法

1.1 項(xiàng)目概況

修復(fù)地塊位于我國北方某廢棄焦化廠區(qū)內(nèi)，原焦化廠曾生產(chǎn)苯、萘、酚、瀝青等20 余種化工產(chǎn)品，現(xiàn)已停產(chǎn)搬遷。場(chǎng)地調(diào)查結(jié)果顯示，地塊主要污染物為有機(jī)物污染，包括萘、苯并（a）芘和總石油烴等污染，修復(fù)地塊面積913.2 m2，污染深度8.0 m，修復(fù)土方量7 305.9 m3。具體污染狀況及修復(fù)目標(biāo)值見表1。

表1 污染物濃度及修復(fù)目標(biāo) mg·kg－1

地質(zhì)勘察結(jié)果顯示，地塊分為人工填土層、輕亞粘土層、卵石層、砂巖層4個(gè)土層，見表2。淺層地下水埋深在55～60 m 左右，含水層單層厚度較大，巖性以礫石、卵石為主，累計(jì)厚30 m 左右，滲透系數(shù)500～600 m/d，深層地下水埋深60～110 m，含水層巖性為礫卵石、砂礫石，累計(jì)厚40 m 左右，滲透系數(shù)300～600 m/d。

表2 土層分布

該地塊未來用途規(guī)劃為公共設(shè)施用地，針對(duì)地塊內(nèi)污染物類別、地層性質(zhì)及地下水埋深情況，結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益、修復(fù)效果等綜合因素，選擇燃?xì)鉄崦摳焦に嚾コ貕K中污染物。

1.2 熱脫附工藝介紹

原位燃?xì)鉄崦摳较到y(tǒng)由供電供氣系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、抽提系統(tǒng)、地面隔熱系統(tǒng)、尾水尾氣處理系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。熱脫附工藝修復(fù)系統(tǒng)見圖1。首先，燃?xì)馊紵a(chǎn)生的高溫氣體從燃燒器進(jìn)入加熱內(nèi)管，在離心風(fēng)機(jī)的作用下自下而上在內(nèi)外管循環(huán)流動(dòng)，管內(nèi)溫度不斷升高，通過熱傳導(dǎo)使土壤溫度不斷升高，揮發(fā)性污染物和水分受熱成氣態(tài)被蒸發(fā)出來，再經(jīng)抽提系統(tǒng)抽到地面收集，抽出的氣體和液體經(jīng)過冷凝和氣液分離系統(tǒng)分開，分別經(jīng)過處理后達(dá)標(biāo)排放。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)控運(yùn)行狀況，確保加熱過程持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 熱脫附工藝修復(fù)系統(tǒng)示意

1.3 井位布設(shè)

土壤加熱溫度與加熱井間距有關(guān)，加熱井間距較近時(shí)，土壤加熱更充分，但加熱井間距過近時(shí)，加熱區(qū)域重疊，會(huì)造成能源的浪費(fèi)[13]，本次修復(fù)加熱井間距為2.0～2.5 m，以等邊三角形排列為1 個(gè)單元。每3 口加熱井之間布設(shè)1 口抽提井，抽提井表面包裹不銹鋼鋼絲網(wǎng)，防止抽提井被土壤物質(zhì)堵塞和腐蝕。監(jiān)測(cè)井均勻布設(shè)在加熱單元的中心，設(shè)定監(jiān)測(cè)深度為－1.0，－4.5 和－8.0 m，對(duì)地塊土壤壓力和土壤溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本次修復(fù)場(chǎng)地共設(shè)置169 個(gè)加熱井，44 個(gè)抽提井，4 個(gè)溫度監(jiān)測(cè)井和4 個(gè)壓力檢測(cè)井。井位布置見圖2。

圖2 井位布設(shè)

1.4 目標(biāo)溫度

溫度是影響熱脫附去除效率的重要因素。研究顯示，當(dāng)溫度達(dá)到目標(biāo)污染物沸點(diǎn)時(shí)，可以有效去除污染物，溫度越高，去除效率越高[14]。本次修復(fù)萘、苯并(a)芘和多環(huán)芳烴等目標(biāo)污染物為半揮發(fā)有機(jī)污染（SVOCs），沸點(diǎn)在170～350℃范圍內(nèi)，綜合污染物特征和經(jīng)濟(jì)效益，為保證修復(fù)質(zhì)量，設(shè)定本次修復(fù)目標(biāo)溫度為350℃。

1.5 采樣分析

根據(jù)HJ 25.5 —2018 《污染地塊風(fēng)險(xiǎn)管控與土壤修復(fù)效果評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則（試行）》，本次修復(fù)面積912 m2，采用系統(tǒng)布點(diǎn)法共布設(shè)4 個(gè)采樣點(diǎn)位，每個(gè)點(diǎn)位設(shè)置5 個(gè)采樣深度，分別為－0.2，－1.5，－3.0，－5.0和－8.0 m。具體采樣點(diǎn)布設(shè)見圖3。樣品采集完成后置于－4℃冷藏箱保存，48 h 送檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。

圖3 采樣點(diǎn)布設(shè)

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度曲線

原位熱脫附系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能持續(xù)加熱保證地塊內(nèi)溫度正常緩慢升高達(dá)到目標(biāo)溫度，使土壤中污染物能夠有效的氣化分離。根據(jù)原位熱脫附系統(tǒng)中的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制溫度曲線見圖4。由圖4可以看出，修復(fù)過程中土壤升溫主要有3 個(gè)階段。

圖4 溫度曲線

緩慢升溫階段：土壤溫度上升較緩，加熱升溫至100℃，大量水汽蒸發(fā)；快速上升階段：土壤水氣蒸發(fā)完成，穩(wěn)定加熱至目標(biāo)溫度；穩(wěn)定加熱階段：持續(xù)加熱保持目標(biāo)溫度穩(wěn)定。

3 個(gè)深度整體升溫趨勢(shì)保持一致，－4.5 m 深度溫度升高速率較－1.0，－8.0 m 處快，主要是因?yàn)楸韺油寥溃ǎ?.0 m）較深層土壤更易與外界產(chǎn)生熱交換，深層土壤（－8.0 m）距離燃燒器較遠(yuǎn)，因此升溫過程相對(duì)滯后。

運(yùn)行過程中，應(yīng)根據(jù)不同的升溫階段來控制燃燒火力大小，保持土壤溫度有規(guī)律的上升，節(jié)約資源，防止火力過大增加經(jīng)濟(jì)成本。

2.2 燃燒尾氣

燃燒廢氣通過離心風(fēng)機(jī)抽至煙囪排放，煙囪排放口處安裝監(jiān)控探頭 （包括CO，NOx和SO2監(jiān)測(cè)探頭以及粉塵監(jiān)測(cè)儀等）實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)顆粒物、CO、NOx和SO2排放濃度，見表3。

表3 燃燒器尾氣排放

由表3可知，SO2，NOx，CO 等尾氣排放濃度均小于北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB 11/501—2017《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》排放限值[15]，說明燃?xì)馊紵浞?，運(yùn)行穩(wěn)定。修復(fù)過程中排煙溫度在60～160℃范圍，排煙初始溫度＞300℃，熱損耗較大，有較大的的利用空間，后續(xù)設(shè)計(jì)可針對(duì)性的增加熱利用設(shè)備，提高天然氣熱利用效率。目前國內(nèi)外對(duì)中高溫?zé)煔庥酂峄厥占夹g(shù)利用比較成熟[16－17]，后續(xù)可以與熱脫附項(xiàng)目結(jié)合起來，提升整體經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)

修復(fù)后各采樣點(diǎn)污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表4。

表4 修復(fù)后各采樣點(diǎn)污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù) mg·g－1

經(jīng)過原位燃?xì)鉄崦摳焦に囆迯?fù)后的土壤，各深度萘、苯并(a)芘的檢出質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.8 mg/kg，總石油烴檢出質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤96 mg/kg，均遠(yuǎn)小于污染物修復(fù)目標(biāo)值，符合GB 36600—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》中建設(shè)用地二類用地標(biāo)準(zhǔn)，修復(fù)效果較好，滿足后續(xù)規(guī)劃開發(fā)要求。

2.4 影響因素探究

熱脫附修復(fù)效果取決于土壤性質(zhì)、加熱時(shí)間等因素[18-20]。結(jié)合本研究結(jié)果，分析這些因素對(duì)修復(fù)效果的影響。

（1）土壤性質(zhì)

不同的場(chǎng)地土壤具有不同的性質(zhì)，其土壤的滲透性、含水率等均會(huì)影響熱脫附的修復(fù)效率。在滲透性方面，滲透性高的土壤污染物更易被抽提出來，熱脫附效率高。一般來說，砂土、粉土比黏土滲透性更好[21]。含水率方面，土壤水分在蒸發(fā)時(shí)會(huì)吸收大量熱，對(duì)土壤的升溫速率會(huì)有較大影響，影響整體土壤的升溫時(shí)間。土壤含水率還會(huì)影響土壤的通透性，限制空氣的流動(dòng)路徑，從而影響有機(jī)污染物的揮發(fā)效率。研究表明，含水率過高或過低均不利于熱脫附的去除效率[22]。含水率過高需要加熱大量的水，能量消耗較大；含水率過低，不利于熱傳導(dǎo)，熱損失較快[23]。

（2）加熱時(shí)間和溫度

溫度和加熱時(shí)間是影響熱脫附效率的重要因素，一般來說，溫度越高，加熱時(shí)間越長，熱脫附效果越好[24]。溫度在熱脫附過程中呈階段性上升趨勢(shì)，緩慢升溫階段，溫度是影響熱脫附去除效果的主要因素；穩(wěn)定加熱階段，加熱時(shí)間是主要因素。當(dāng)溫度達(dá)到目標(biāo)污染物沸點(diǎn)并保持穩(wěn)定。加熱時(shí)間越長，熱脫附效率越高，加熱溫度超過污染物沸點(diǎn)后，提高溫度對(duì)熱脫附的去除效率影響不大。實(shí)際運(yùn)行中，溫度和加熱時(shí)間應(yīng)結(jié)合起來，根據(jù)目標(biāo)污染物狀況，設(shè)置合理的目標(biāo)溫度，控制各階段的加熱時(shí)間，保證修復(fù)效果的同時(shí)盡可能節(jié)約資源[25-26]。

3 結(jié)論

（1）熱脫附法對(duì)有機(jī)污染土壤有良好的去除效果，修復(fù)后萘、苯并(a)芘的檢出質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.8 mg/kg，總石油烴檢出質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤96 mg/kg，遠(yuǎn)小于污染物修復(fù)目標(biāo)值，修復(fù)效果較好。

（2）熱脫附升溫過程穩(wěn)定，具有一定的階段性，可分為緩慢、快速和穩(wěn)定加熱階段。中層土壤（-4.5 m）相較于表層土壤（-1.0 m）和深層土壤（-8.0 m）升溫過程更加快速。

（3）運(yùn)行過程尾氣排放正常，符合地方大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)。排放熱損耗較大，后續(xù)工程實(shí)踐中可在保證經(jīng)濟(jì)和處理效率的基礎(chǔ)上增加熱利用設(shè)施，提高燃?xì)獾睦寐省?/p>

（4）土壤性質(zhì)、溫度、加熱時(shí)間是影響熱脫附效率的重要因素。土壤滲透性高，污染物更容易被抽提去除；含水率過高過低不利于熱脫附效果，含水率過高，能量消耗較大，含水率過低，熱損失較快；溫度在熱脫附過程中呈階段性上升趨勢(shì)，緩慢升溫階段，溫度是影響熱脫附去除效果的主要因素：穩(wěn)定加熱階段，加熱時(shí)間是影響熱脫附去除效果主要因素。