異位熱脫附土壤修復(fù)相關(guān)影響因素研究

張語情 姚佳斌 蔣 尚 劉 勇

（上海傲江生態(tài)環(huán)境科技有限公司 上海 200120）

引言

土壤是人類和動(dòng)植物生存不可替代的環(huán)境因子，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市化的發(fā)展，污染土壤的面積在不斷擴(kuò)大。土壤環(huán)境污染是世界性的環(huán)境問題，隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市規(guī)模的擴(kuò)大，工業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生的石油類和有機(jī)農(nóng)藥類等有機(jī)物仍滯留在原廠地，這些污染物極易擴(kuò)散到環(huán)境中危害居民健康和環(huán)境安全，為了實(shí)現(xiàn)土壤的可持續(xù)利用，保障人類獲得充足且安全的食品，如何高效且合理的修復(fù)有機(jī)污染土壤成為亟需解決的問題。土壤修復(fù)目前在技術(shù)方面仍面臨很多問題，對土壤污染物（特別是有機(jī)污染物）的種類及分布不明確，修復(fù)技術(shù)理論基礎(chǔ)薄弱，缺乏工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等；相比而言，熱脫附修復(fù)技術(shù)在眾多修復(fù)技術(shù)中優(yōu)勢明顯，具有修復(fù)徹底、土壤再利用率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于修復(fù)大多數(shù)揮發(fā)性和半揮發(fā)性污染物，如多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯、總石油烴和Hg[1]。熱脫附修復(fù)技術(shù)在有機(jī)污染土壤處理中應(yīng)用較為普遍，在某些發(fā)達(dá)國家該技術(shù)的比例占50%左右[2]。但現(xiàn)階段對熱脫附的研究不夠深入，對各類污染物沒有針對性分析，該技術(shù)仍有很大的提升空間。以下對熱脫附機(jī)理、分類和工程應(yīng)用進(jìn)行介紹，從不同角度論述異位熱脫附的影響因素及其原因，旨在為今后異位熱脫附技術(shù)在修復(fù)領(lǐng)域中更好的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 熱脫附修復(fù)技術(shù)

熱脫附修復(fù)技術(shù)屬于土壤物理修復(fù)，通過提高土壤溫度，使目標(biāo)污染物氣化揮發(fā)，進(jìn)而達(dá)到修復(fù)的目的[4]。目標(biāo)污染物主要為揮發(fā)性/半揮發(fā)性污染物，一般不適用于無機(jī)污染土壤修復(fù)。

1.1 熱脫附技術(shù)分類

熱脫附技術(shù)根據(jù)是否對污染物進(jìn)行開挖，分為原位熱脫附和異位熱脫附。相較而言，異位熱脫附更易于對污染土壤進(jìn)行預(yù)處理，易于檢測土壤達(dá)標(biāo)情況，且處理時(shí)間比原位短。異位熱脫附根據(jù)加熱溫度高低，分為高溫?zé)崦摳剑?315°C）和低溫?zé)崦摳剑?50-315°C）。揮發(fā)性有機(jī)物通常采用低溫?zé)崦摳?；由于半揮發(fā)性有機(jī)物需要較高的加熱溫度和較長的停留時(shí)間，故采用高溫?zé)崦摳?。異位熱脫附根?jù)加熱火焰與污染土壤接觸方式不同，又分為直接熱脫附和間接熱脫附。直接熱脫附污染土壤直接與熱源接觸，傳熱效率高，處理能力較大；但廢氣產(chǎn)生量大且易產(chǎn)生二噁英。間接熱脫附不與熱源直接接觸，傳熱效率低，處理能力相對較小，廢氣量小。

1.2 熱脫附技術(shù)發(fā)展

我國的熱脫附技術(shù)起步較晚，第一臺自主研發(fā)直接熱脫附設(shè)備于2010 年在化工污染場地得到應(yīng)用，修復(fù)的目標(biāo)污染物為多環(huán)芳烴，設(shè)備處理能力為2t/h[5]。第一臺間接熱脫附設(shè)備于2009年首次應(yīng)用在多氯聯(lián)苯污染場地中，處理能力約為3t/h。傳統(tǒng)異位熱脫附設(shè)備多為回轉(zhuǎn)窯式熱脫附，目前新興的熱脫附技術(shù)有流化床式、微波熱脫附和遠(yuǎn)紅外線熱脫附等。

2 異位熱脫附應(yīng)用

2.1 工藝流程

異位熱脫附主要包括進(jìn)料系統(tǒng)、脫附系統(tǒng)以及尾氣處理系統(tǒng)三大部分。污染土壤首先經(jīng)過破碎、篩分、調(diào)節(jié)含水率等預(yù)處理后，根據(jù)污染物特性，在真空或通入載氣條件下，調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)（脫附溫度、停留時(shí)間等），使目標(biāo)污染物揮發(fā)、分離，經(jīng)過尾氣處理后達(dá)標(biāo)排放[6]。異位熱脫附修復(fù)技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：可處理不同類型污染土壤且尾氣量小，使用清潔燃料做能源時(shí)，燃燒尾氣可以直接排放；處理高濃度有機(jī)污染土壤效率高且風(fēng)險(xiǎn)低；工藝相對穩(wěn)定，設(shè)備可以移動(dòng)。該技術(shù)同樣存在一些缺點(diǎn)，比如修復(fù)費(fèi)用高；運(yùn)行過程中會有部分污染物滯留在水處理產(chǎn)生的污泥濾餅中，需進(jìn)行再回收或固廢/危廢處置。

2.2 工程應(yīng)用

案例一為云南某深加工焦化廠[7]，污染土壤類型為粘性紅壤土，其中70%為高嶺土，pH 值約為6.5，污染物以PAHs、苯為主，其中萘和苯并[a]芘含量分別超出了建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控值的53.0 和295 倍。修復(fù)技術(shù)為異位間接熱脫附，設(shè)備停留時(shí)間為75min，溫度為750°C，最終污染物的去除率在90%以上，其中多環(huán)芳烴去除率為97%。案例二為南京市某大型化工企業(yè)退役場地[8]，土壤類型以粉砂土為主，場地土壤中的污染物主要為苯、氯苯和二氯苯。修復(fù)方法使用生石灰對場地污染土壤進(jìn)行異位低溫?zé)崦摳教幚?，按?2%的比例添加生石灰，使土壤溫度升至93.4°C 左右，修復(fù)后土壤中各污染物均達(dá)到場地修復(fù)目標(biāo)，去除率均接近或超過99%。案例三為株洲某化工搬遷遺留場地[3]，主要土壤類型為素填土，土壤受有機(jī)氯農(nóng)藥污染主要污染物為五氯苯酚。采用直接熱脫附工藝對場地中污染土壤進(jìn)行修復(fù)，加熱溫度為450°C，停留時(shí)間為20min。經(jīng)熱脫附設(shè)備處理后，土壤中污染物去除率均達(dá)到99%以上。

3 異位熱脫附效率影響因素

目前關(guān)于如何提高熱脫附技術(shù)的修復(fù)效率是研究重點(diǎn)之一[5]。熱脫附的修復(fù)效率受多種因素影響，需要進(jìn)一步探究熱脫附影響因素和效率之間的關(guān)系，其中，因素影響主要分為以下三類。

3.1 土壤本身影響

熱脫附效率受土壤的理化性質(zhì)，如土壤粒徑、含水率、有機(jī)質(zhì)含量和土壤礦物組成等因素影響。株洲某有機(jī)氯農(nóng)藥污染化工場地異位熱脫附試驗(yàn)表明[3]，相同加熱溫度和停留時(shí)間條件下，細(xì)顆粒（10mm）土壤的去除效率高于粗顆粒（30mm）。這是由于細(xì)顆粒具有較大的比表面積，升溫較快，污染物很容易被解吸。然而，過小的粒徑會進(jìn)入尾氣處理系統(tǒng)，增加尾氣處理負(fù)荷[9]。污染土壤最佳含水率一般為10-20%[6]。研究表明，土壤含水率為10%時(shí)，比干燥土壤的污染物去除效率更高[8]，少量水分可以改變土壤結(jié)構(gòu)、增加孔隙度，促使污染物脫附。土質(zhì)類別對熱脫附效率也有較大影響。黏度較大土壤細(xì)顆粒容易聚集發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致團(tuán)聚體難以加熱，土壤導(dǎo)熱性差，在能耗變高的同時(shí)還會影響熱脫附效率。在土壤預(yù)處理過程中加入合適的添加劑，可以有效地提高去除效率。有試驗(yàn)表明，在修復(fù)Hg 污染土壤時(shí)，添加FeCl3后有效地提高了去除效率。這樣一來，可以在較低加熱溫度或較短停留時(shí)間實(shí)現(xiàn)修復(fù)目標(biāo)。

3.2 目標(biāo)污染物影響

熱脫附效率與污染物沸點(diǎn)、初始濃度、加熱時(shí)間和分子結(jié)構(gòu)等關(guān)系密切。通常，隨著加熱溫度的升高，熱脫附效率也逐漸升高[1]。在達(dá)到污染物沸點(diǎn)前升高溫度，去除效率的提升影響更為顯著。但達(dá)到一定溫度后，繼續(xù)升溫不能提高除效率。相同條件下污染物初始濃度大，去除效率高。當(dāng)初始濃度較低時(shí)，污染物被高能吸附位點(diǎn)吸附難以解吸；當(dāng)初始濃度較高時(shí)，吸附位點(diǎn)相對飽和，大量污染物暴露在土壤表面容易去除。停留時(shí)間對效率的影響取決于加熱溫度，低溫需要較長停留時(shí)間來去除污染物。因此，在低溫條件下延長停留時(shí)間可減少對土壤結(jié)構(gòu)的破壞。對多環(huán)芳烴類有機(jī)物的修復(fù)表明[10]，加熱溫度大于污染物沸點(diǎn)，且停留時(shí)間大于30min 時(shí)，目標(biāo)污染物能完全去除。另有研究表明，極性化合物硝基苯的吸附動(dòng)力學(xué)要慢于非極性化合物，所以去除極性化合物所需的停留時(shí)間較長。

3.3 其它影響

熱脫附效率受設(shè)備加熱速率、載氣流量和載氣種類等影響。加熱速率通過控制土壤與載氣之間的傳熱速率和降解速率，從而影響污染物去除效率。多氯聯(lián)苯污染場地使用較高的加熱速率，目前市場中設(shè)備能源一般為天然氣或柴油，柴油能量供給速率大于天然氣。土壤中污染物通過揮發(fā)和熱解從而達(dá)到與土壤分離的目的，通入載氣可以減弱設(shè)備內(nèi)部壓強(qiáng)促使污染物揮發(fā)，同時(shí)將揮發(fā)物輸送至尾氣處理。在微負(fù)壓且隔氧條件下處理污/油泥時(shí)，對含油污泥進(jìn)行間接加熱，可以避免污染物發(fā)生氧化或降解反應(yīng)，在保證修復(fù)安全的同時(shí)，也對殘余油品進(jìn)行了回收利用。

4 異位熱脫附技術(shù)的環(huán)保作用

熱脫附技術(shù)是一種能夠高效去除土壤中污染物的加熱處理技術(shù)，近年來，為解決國內(nèi)熱脫附修復(fù)技術(shù)缺乏的問題，提升在工業(yè)場地治理修復(fù)領(lǐng)域的核心競爭力，很多土壤修復(fù)企業(yè)都加大了對該技術(shù)的研發(fā)和引進(jìn)。污染土壤熱脫附技術(shù)可以分為原位熱脫附和異位熱脫附兩種，其中異位熱脫附的應(yīng)用案例相較于原位熱脫附案例更多。異位熱脫附是一種更加高效的技術(shù)，它可以通過將土壤挖掘出地面后，快速而有效地進(jìn)行前處理、熱脫附、檢測等一系列工序。異位熱脫附技術(shù)的應(yīng)用具有較高的環(huán)保價(jià)值，可以有效解決土壤污染降解的作用，有效改善了被污染土質(zhì)的有效改善，并且環(huán)保成本較低，應(yīng)用實(shí)施環(huán)節(jié)也較為簡單，對我國環(huán)境保護(hù)起到非常大的促進(jìn)作用。

結(jié)語

實(shí)際應(yīng)用中，土壤內(nèi)污染物濃度和種類分布是不均勻的，異位熱脫附修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用需結(jié)合污染場地的污染情況、土壤質(zhì)地和投資成本等因素綜合考慮。目前國內(nèi)土壤修復(fù)需求增大，異位熱脫附技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，節(jié)能型異位熱脫附設(shè)備或?qū)⑹且院蟮闹饕l(fā)展趨勢。除了在異位熱脫附運(yùn)行過程中設(shè)置合理?xiàng)l件來提高熱脫附效率以外，效率提高后如何減少設(shè)備能量損失也值得進(jìn)一步關(guān)注，一方面可以優(yōu)化能源在設(shè)備內(nèi)的重復(fù)利用，另一方面也可關(guān)注新能源或多種能源結(jié)合以及設(shè)備的材料，從而減少能耗，使異位熱脫附技術(shù)在土壤修復(fù)行業(yè)內(nèi)得到更好發(fā)展。