多環(huán)芳烴類有機(jī)污染場地原位電熱脫附修復(fù)工程實例

謝炳坤，韓 進(jìn)，李書鵬，2，曾 俊，奚龍晶，籍龍杰，2

（1. 北京建工環(huán)境修復(fù)股份有限公司，北京 100015；2. 污染場地安全修復(fù)技術(shù)國家工程實驗室，北京 100015）

近年來，在城市污染企業(yè)搬遷后遺留、遺棄的工業(yè)污染場地中，多環(huán)芳烴（PAHs）等典型有機(jī)污染物被高頻率檢出。PAHs是一類廣泛存在于各類環(huán)境介質(zhì)中的持久性有機(jī)污染物，具有較高的致癌、致畸、致突變性和較強(qiáng)的生物毒性［1］。隨著《土壤污染防治行動計劃》和《土壤污染防治法》的頒布，PAHs污染土壤的修復(fù)工作亟待進(jìn)一步加強(qiáng)［2］。

常用的PAHs污染土壤修復(fù)方法有生物修復(fù)、化學(xué)氧化和熱脫附等［3］。受限于嚴(yán)苛的修復(fù)目標(biāo)值和修復(fù)時限，采用熱脫附技術(shù)時通常采取異位修復(fù)［4］。原位電熱脫附技術(shù)作為一種新型的土壤修復(fù)技術(shù)，具有廣譜、高效、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，有待推廣應(yīng)用。

本工作采用原位電熱脫附技術(shù)對華東某PAHs污染場地進(jìn)行修復(fù)，介紹了修復(fù)工程的場地污染情況、工程設(shè)計概況、運(yùn)行管理情況及修復(fù)效果，為該技術(shù)在PAHs污染場地的工程應(yīng)用提供借鑒。

1 場地污染情況

該場地PAHs污染物包括二苯并［a，h］蒽、苯并［a］芘、苯并［a］蒽、苯并［b］熒蒽、苯并［k］熒蒽、菲、萘、芘、等，主要污染物含量見表1。

表1 待修復(fù)場地主要PAHs含量

由表1可知，該場地的PAHs污染物大都為高沸點(diǎn)、難降解的有機(jī)污染物，沸點(diǎn)大都在300 ℃以上，不易揮發(fā)。該場地PAHs含量較高，其中苯并［b］熒蒽超標(biāo)940倍。

2 原位電熱脫附技術(shù)的原理

原位熱脫附技術(shù)（in-situ thermal desorption，ISTD）是通過對土壤加熱，促使有機(jī)污染物揮發(fā)，由固相、液相向氣相轉(zhuǎn)化，進(jìn)而借助氣相抽提系統(tǒng)形成的負(fù)壓對其進(jìn)一步收集并去除［5］。

根據(jù)能量傳遞方式的不同，ISTD可分為熱傳導(dǎo)（thermal conductive heating，TCH）、蒸汽/熱空氣注入（steam/air injection，SAI）、電阻加熱（electrical resistive heating，ERH）和射頻加熱（radio frequency heating，RFH）等［6］。原位電熱脫附屬于熱傳導(dǎo)的一種，是在污染場地中建設(shè)一定間距的豎直加熱井，在加熱井中布置電加熱棒，電加熱棒通過電流作用產(chǎn)生熱量，運(yùn)行溫度控制在600～700 ℃，通過熱傳導(dǎo)的作用伴隨著真空抽提，揮發(fā)性、半揮發(fā)性和難揮發(fā)性有機(jī)污染物將通過蒸發(fā)、蒸餾、沸騰、氧化和高溫分解等過程揮發(fā)或被降解［7］。

3 工程設(shè)計概況

3.1 工程規(guī)模

污染土壤位于華東某退役化工場地，污染面積為4 996 m2，污染深度為6 m，污染總土方量29 976 m3。

3.2 工藝流程

原位電熱脫附工藝技術(shù)示意圖見圖1。原位電熱脫附系統(tǒng)由加熱-抽提系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、電力分配系統(tǒng)等構(gòu)成。

圖1 原位電熱脫附工藝技術(shù)示意圖

3.3 加熱-抽提系統(tǒng)設(shè)計

加熱井由電加熱棒和套管（無縫碳素鋼管）組成，結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。電加熱棒功率1.3 kW/m，工作溫度700 ℃，額定電壓380 V。

圖2 加熱井結(jié)構(gòu)示意圖

加熱-抽提系統(tǒng)布井方式示意圖見圖3。加熱井按照等邊三角形布設(shè)，確保加熱井傳熱區(qū)域均勻覆蓋污染區(qū)，并盡量減少重疊。加熱井的間距為2.5 m。

圖3 加熱-抽提系統(tǒng)布井方式示意圖

抽提井采用DN100無縫碳素鋼管，每根管長度為9.8 m（其中處理地面以上0.8 m，地面以下9.0 m），進(jìn)行均勻布設(shè)，由開篩段（透水層）、非開篩段、沉淀段組成。由上而下，非開篩段1.8 m，開篩段7.5 m，沉淀段0.5 m。加熱井和抽提井的數(shù)量比值約為4∶1。在加熱井和抽提井附近設(shè)置測溫井和測壓井。加熱井與測溫井的數(shù)量比值約為10∶1，抽提井與測壓井的數(shù)量比值約為10∶1。

3.4 廢氣處理系統(tǒng)設(shè)計

廢氣處理系統(tǒng)采用“噴淋除塵+氣體冷凝+活性炭吸附”處理工藝。廢氣處理工藝流程圖見圖4。廢氣先進(jìn)入噴淋塔以去除氣體中的顆粒物，再進(jìn)入氣水換熱器，通過冷卻水的冷凝作用將高溫廢氣中的污染物冷卻為液體，冷凝后的廢氣通過真空風(fēng)機(jī)進(jìn)入活性炭吸附單元，凈化后的氣體經(jīng)過煙囪排入大氣。氣水分離器后產(chǎn)生的廢液進(jìn)入廢水處理單元，氣水換熱器的冷卻水回冷卻塔經(jīng)過風(fēng)冷后循環(huán)使用。

圖4 廢氣處理工藝流程圖

該系統(tǒng)的廢氣處理能力為2 000～4 000 Nm3/h，進(jìn)口溫度為90～120 ℃。

3.5 廢水處理系統(tǒng)設(shè)計

廢水處理工藝流程圖見圖5。廢水處理能力為10 t/h。廢水統(tǒng)一收集至集水池，在酸調(diào)節(jié)池中將廢水pH調(diào)至2～3，進(jìn)入化學(xué)氧化池，通過芬頓試劑的強(qiáng)氧化作用將廢水中的有機(jī)污染物氧化降解成CO2、H2O及其他無害無機(jī)鹽，在堿調(diào)節(jié)池中將廢水pH調(diào)至7～8后進(jìn)入混凝沉淀池，在聚合氯化鋁（PAC）和聚丙烯酰胺（PAM）的作用下絮凝沉淀水中的懸浮物，經(jīng)過石英砂過濾器和活性炭吸附器的進(jìn)一步過濾作用后進(jìn)入清水池，清水池中的污水經(jīng)過檢測水質(zhì)達(dá)到《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 31962—2015）［8］的指標(biāo)后排入市政污水管網(wǎng)。廢水處理系統(tǒng)產(chǎn)生的污泥經(jīng)脫水干化后送至危廢處置單元進(jìn)行處置。

圖5 廢水處理工藝流程圖

3.6 輔助系統(tǒng)設(shè)計

3.6.1 止水帷幕設(shè)計

為防止修復(fù)區(qū)域周邊地下水對原位電加熱效果產(chǎn)生影響，在距離修復(fù)區(qū)域邊界3 m處設(shè)置密閉止水帷幕（水泥土墻），見圖1。止水帷幕深9.0 m，厚度為80 cm。

3.6.2 地表保溫層設(shè)計

為降低原位電加熱運(yùn)行后地表散熱帶來的熱量損失，在地表鋪設(shè)厚度約為600 mm的保溫層，由上而下，采用100 mmC20抗?jié)B混凝土+400 mm泡沫混凝土+100 mm黃沙構(gòu)成，見圖2。C20抗?jié)B混凝土（抗?jié)B等級p4）施工過程中加入抗裂纖維（鋼筋網(wǎng)片），防熱脹冷縮的地表切縫用環(huán)氧樹脂填充。泡沫混凝土設(shè)計干密度500 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.10～0.12 W/（m·K），抗壓強(qiáng)度1.8 MPa。黃沙粒徑為1～2 mm。

3.7 場地土壤溫度監(jiān)測設(shè)計

土壤溫度是原位電熱脫附的重要運(yùn)行參數(shù)。距離加熱井越近，土壤溫度越高。加熱井構(gòu)成的正三角形中心位置為土壤溫度最低點(diǎn)，故測溫井設(shè)置在此。通過在測溫井內(nèi)設(shè)置K型熱電偶進(jìn)行溫度測量，測溫井的測溫信號直接通過信號線接入可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）采集模塊讀取。

場地測溫井布置圖見圖6。從場地的34個測溫井中選擇有代表性的6個測溫點(diǎn)3#點(diǎn)位、13#點(diǎn)位、18#點(diǎn)位、19#點(diǎn)位、24#點(diǎn)和26#點(diǎn)位進(jìn)行土壤溫度溫升分析。因地表散熱的影響，表層土壤的溫度低于深層土壤的溫度，故每個測溫井的測溫探頭設(shè)置在距離地表保溫層表面1.5 m處（修復(fù)地面地下0.9 m處）。

圖6 場地測溫井布置圖

3.8 樣品的采集和檢測

根據(jù)《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 166—2004）［9］，采用Geoprobe 7822DT型直推式土壤采樣鉆機(jī)（美國Geoprobe公司制造）采樣后，立即密封保存采樣管，然后將采樣管置于制冷的空調(diào)房間進(jìn)行冷卻，第二天進(jìn)行土壤樣品的分樣、裝瓶，樣品制備完成后置于冷藏箱中0～4 ℃保存，并在48 h內(nèi)送至具有中國計量認(rèn)證（CMA）資質(zhì)的專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)。采用《土壤和沉積物 半揮發(fā)性有機(jī)物的測定 氣相色譜-質(zhì)譜法》（HJ 834—2017）［10］檢測目標(biāo)污染物的含量。

4 工程的運(yùn)行管理

當(dāng)土壤溫度超過200℃后，混凝土表面易產(chǎn)生裂縫，影響電加熱的保溫效果，造成能量損失。對于原位電熱脫附技術(shù)，場地土壤升溫能耗是該技術(shù)能否可持續(xù)用于土壤修復(fù)的考慮重點(diǎn)［11-14］。本工程在表層混凝土澆筑過程中加入鋼筋網(wǎng)片以增強(qiáng)表層混凝土的抗裂能力，當(dāng)表層混凝土出現(xiàn)裂縫時及時用耐高溫密封膠對裂縫進(jìn)行填充，防止土壤中熱量的損失，降低加熱能耗。

在原位電熱脫附中，氣體抽提流量直接影響熱脫附的效果［15］，因此需重點(diǎn)關(guān)注氣體流量的變化。當(dāng)氣體流量明顯下降時，需檢查抽提管道是否堵塞，特別是抽提風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口濾網(wǎng)是否堵塞，保證風(fēng)機(jī)處于正常工況。

5 修復(fù)效果

5.1 土壤溫升曲線分析

場地內(nèi)有代表性的6個測溫井的土壤溫升曲線見圖7。由圖7可見：因各區(qū)域土壤的含水率不同，散熱導(dǎo)致熱量損失的程度也不同，故各測溫點(diǎn)土壤溫升速率存在差異，經(jīng)過40～70 d原位電加熱運(yùn)行后，土壤溫度均達(dá)到110 ℃；在后續(xù)的100～150 d內(nèi)土壤溫度一直停留在110～120 ℃，這是因為土壤中的毛細(xì)水等未去除完全；當(dāng)土壤中水分完全去除后，土壤溫度快速升高，在加熱時間到達(dá)250 d后，土壤溫度均到達(dá)300 ℃以上。

圖7 場地內(nèi)有代表性的6個測溫井的土壤溫升曲線

由圖7還可知，邊界點(diǎn)位3#、18#、26#的土壤升溫速率較加熱區(qū)域中心點(diǎn)位13#、19#、24#慢，最后到達(dá)的溫度也更低，這是因為邊界點(diǎn)位土壤散熱更多，因而可以在邊界區(qū)域布置較中心區(qū)域更為密集的電加熱棒。

5.2 污染物去除效果分析

電熱脫附修復(fù)工程運(yùn)行約250 d后，場地內(nèi)主要PAHs的實測值見表2，各PAHs的去除率均達(dá)到99.99%以上，修復(fù)后土壤中PAHs濃度低于修復(fù)目標(biāo)值。各PAHs的沸點(diǎn)大都在400 ℃以上，個別的達(dá)到了500 ℃以上，但在土壤溫度達(dá)到300 ℃時PAHs均得到有效去除，這是因為共沸現(xiàn)象的存在［16］。在原位電熱脫附布置設(shè)計時，應(yīng)充分考慮污染物共沸現(xiàn)象，避免設(shè)置過高的目標(biāo)加熱溫度，以減少能耗，節(jié)約成本。

表2 修復(fù)后主要PAHs的實測值

苯并［a］芘去除率隨加熱時間的變化見圖8。由圖8可見：場地加熱60 d后雖然場地土壤整體溫度不高，但在電加熱棒附近土壤溫度較高，在氣體抽提作用下，土壤中少量苯并［a］芘被去除；在場地加熱180 d后，隨著場地大部分區(qū)域土壤溫度升至300 ℃以上，在高溫及氣體抽提作用下，苯并［a］芘去除率達(dá)90%以上；加熱250 d后，場地土壤溫度均到達(dá)300 ℃以上，苯并［a］芘去除率達(dá)到99.99%，去除效果顯著。

圖8 苯并［a］芘去除率隨場地加熱時間的變化

5.3 修復(fù)技術(shù)優(yōu)勢分析

項目場地附近有居民小區(qū)，周邊敏感點(diǎn)較多。若產(chǎn)生的污染物不能被高效去除，大量有毒有害物質(zhì)將擴(kuò)散到空氣中，有產(chǎn)生二次污染的風(fēng)險，容易發(fā)生嚴(yán)重的異味擾民問題［17］，二次污染的負(fù)面效應(yīng)甚至可能超過修復(fù)本身帶來的正面效應(yīng)［18］。

本工程運(yùn)行期間場地?zé)o明顯異味，周邊居民無投訴。

6 結(jié)論

a）原位電熱脫附對高沸點(diǎn)、難降解的PAHs污染物具有良好的去除效果，電加熱250 d后的土壤溫度整體到達(dá)300 ℃以上，各PAHs的去除率均達(dá)到99.99%以上，修復(fù)后土壤中PAHs濃度低于修復(fù)目標(biāo)值。

b）修復(fù)邊界區(qū)域土壤的升溫速率不及中心區(qū)域，可在邊界區(qū)域布置更為密集的加熱棒以縮短整體加熱時間。

c）通過添加鋼筋網(wǎng)片及裂縫及時用高溫密封膠填充可降低地表保溫層裂縫影響。需檢查抽提管道是否堵塞，特別是抽提風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口濾網(wǎng)是否堵塞，保證風(fēng)機(jī)處于正常工況。

d）原位電熱脫附工程運(yùn)行期間，場地?zé)o明顯異味。