熱脫附修復(fù)有機污染土壤過程中影響因素的研究

招商局生態(tài)環(huán)?？萍加邢薰?龍建兵，謝真，李建亮

一、研究背景

（一）土壤污染簡介及現(xiàn)狀

土壤污染是指因從事生產(chǎn)、經(jīng)營、處理、貯存的有毒有害物質(zhì)進入土壤，其濃度超過了土壤的環(huán)境容量，破壞了其中的自然動態(tài)平衡，導(dǎo)致土壤功能失調(diào)、質(zhì)量惡化，且對人體健康或生態(tài)環(huán)境構(gòu)成潛在風(fēng)險。土壤污染的特點是比大氣和水體污染更加隱蔽和滯后，且大多集中在某一范圍或區(qū)域內(nèi)；其不可逆性、累積性和難恢復(fù)性也是土壤污染難以治理的表現(xiàn)。通常情況下，一旦重金屬、POPs等污染物進入了土壤，便會不斷積累[1]。此外，工業(yè)廢水、廢渣、廢氣等無序排放往往造成的是局部區(qū)域嚴重的土壤污染，大氣沉降則會造成大面積且持續(xù)的土壤污染。

調(diào)查結(jié)果顯示：全國土壤環(huán)境狀況總體不容樂觀，部分地區(qū)土壤污染較重，耕地土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂，工礦業(yè)廢棄地土壤環(huán)境問題突出。工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)等人為活動以及土壤環(huán)境背景值高是造成土壤污染或超標(biāo)的主要原因。全國土壤總的超標(biāo)率為16.1%，其中輕微、輕度、中度和重度污染點位比例分別為 11.2%、2.3%、1.5%和 1.1%。污染類型以無機型為主，有機型次之，復(fù)合型污染比重較小，無機污染物超標(biāo)點位數(shù)占全部超標(biāo)點位的82.8%。從污染分布情況看，南方土壤污染重于北方；長江三角洲、珠江三角洲、東北老工業(yè)基地等部分區(qū)域土壤污染問題較為突出，西南、中南地區(qū)土壤重金屬超標(biāo)范圍較大；鎘、汞、砷、鉛4種無機污染物含量分布呈現(xiàn)從西北到東南、從東北到西南方向逐漸升高的態(tài)勢。

（二）熱脫附修復(fù)技術(shù)研究進展

熱脫附技術(shù)[4]是指在真空條件或者通入載氣時，通過直接或者間接熱交換，將土壤中有機物加熱到足夠的溫度，以使有機污染物從土壤中得以揮發(fā)或者分離，進入氣體處理系統(tǒng)的過程。熱脫附可以通過調(diào)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(zhuǎn)化為另一相，在修復(fù)過程中并不出現(xiàn)對有機物的破壞作用。通過控制熱脫附系統(tǒng)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(xué)反應(yīng)。熱脫附主要包括兩個基本過程：一是加熱待處理污染土壤，將目標(biāo)污染物揮發(fā)成氣態(tài)分離；二是將含有污染物的尾氣進行冷凝、收集以及焚燒等處理后達標(biāo)排放至大氣中。

熱脫附技術(shù)在國外始于七十年代，廣泛應(yīng)用于工程實踐，技術(shù)較為成熟。在1982年-2004年，約有70個美國超級基金項目采用異位熱脫附作為主要的修復(fù)技術(shù)。自20世紀80年代以來，包括美國、法國等多個國家研究者開展了含揮發(fā)性污染物(二甲苯、三氯乙烯等)、PCBs、PAHs(菲、芘等)、二噁英、石油以及十六烷和十碳到二十二碳等多種有機物污染對象進行了熱脫附研究。

二、熱脫附的關(guān)鍵影響因素研究

本實驗采用管式電加熱爐，通過對某化工場地污染的有機污染土壤在不同實驗條件下進行熱脫附處置、檢測和分析，探究熱脫附過程中的溫度、停留時間等關(guān)鍵因素對有機污染物去除效率的影響，進而分析有機污染物在土壤中的熱脫附規(guī)律，以期為熱脫附技術(shù)的實際工程提供科研依據(jù)。

（一）污染土壤來源

本實驗用土壤來源于重慶某化工場地，場地土壤中主要為苯并[a]芘、苯并[b]熒蒽、萘1,2,3-三氯丙烷、苯并[a]蒽、二苯并[a,h]蒽、茚并[1,2,3-cd]芘、石油烴。在項目場地內(nèi)選取4個土壤污染點位（1、2、3、4），在點位附近1m、深度為0.5m范圍內(nèi)，分別采集10kg污染土壤開展熱脫附試驗，實驗用土中污染物濃度見表1統(tǒng)計。

表1 實驗用土中污染物濃度

（二）實驗設(shè)計方案

本試驗控制的參數(shù)為土壤粒度、熱脫附溫度、停留時間和含水率。

選擇1號點位樣品開展代表性試驗，試驗分組設(shè)計如下：根據(jù)污染物沸點，在給定的土壤粒徑（5cm）、含水率（＜20%）和停留時間（30min）下，設(shè)計三組試驗溫度：450℃、525℃、600℃。在給定的土壤粒徑（5cm）、含水率（20%）和試驗溫度下，設(shè)計三組停留時間：20 min、30 min、40min。

2、3、4點位樣品在給定的土壤粒徑（5cm）和含水率（＜20%）下，設(shè)計停留時間：30 min；試驗溫度：525℃。

（三）實驗步驟

將土樣篩分破碎預(yù)處理，剔除磚石等雜質(zhì)，使土壤粒徑達到50mm以內(nèi)，預(yù)處理完成后，送實驗室檢測目標(biāo)污染物濃度。

準(zhǔn)備試驗工具、材料、管式電加熱爐及試驗土壤。

取試驗土樣，首先對含水率較高的土壤通過加入生石灰調(diào)節(jié)土壤含水率低于20%，將約200g土壤放于管式電加熱爐，按設(shè)計分組方案進行熱脫附試驗，記錄每組試驗實際參數(shù)。

對每組熱脫附后土壤分別取樣，送實驗室檢測目標(biāo)污染物濃度。

（四）影響因素分析

溫度對熱脫附的影響。熱脫附作為一種污染土壤熱處理方法，其基本原理是在足夠的溫度下加熱土壤以去除有害污染物質(zhì)物。因此，溫度是影響熱脫附效率的主要和關(guān)鍵因素。從表3中的試驗數(shù)據(jù)可以看出，只要土壤最終加熱溫度大于污染物的沸點溫度，都可達到較好的修復(fù)效果，在此基礎(chǔ)上延長加熱時間或提高加熱溫度，去除效果更好。但溫度低于525℃以下，去除效果較低。

表3 熱脫附試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

從理論與實際的試驗結(jié)果均可表明，溫度是熱脫附工藝中重要的影響因素，它在一定程度上決定了熱脫附工藝對污染土壤的修復(fù)效率。在一定范圍內(nèi)，提高熱脫附溫度有利于提高污染土壤的修復(fù)效果。因此，建議熱脫附溫度不低于其污染物沸點溫度。

熱脫附作為工程中廣泛應(yīng)用的一種技術(shù)，如果要求的溫度過高，或者僅僅通過提高加熱溫度來提高脫附效率，并不能達到理想的效果，而且也不科學(xué)。加熱到較高的溫度，不僅會消耗大量的能量，而且會有大量的能量耗散，這都是在實際工程中要盡量避免的。此外，研究發(fā)現(xiàn)過高的加熱溫度會破壞土壤原有結(jié)構(gòu)，會導(dǎo)致土壤中原有的有機質(zhì)和碳酸鹽揮發(fā)和分解，不利于處理后或復(fù)墾后的土壤的再利用。因此，如何在較低的加熱溫度下提高脫除效率，或者如何在較高的脫除效率下大幅度降低溫度，以減少能量消耗和對土壤的破壞，是迫切需要解決的問題。

本次試驗采用粒度50mm土壤樣品進行試驗，結(jié)合本試驗結(jié)果，在場地土壤熱脫附修復(fù)工程中，建議將土壤入料粒度控制在50mm以內(nèi)較為合適，既可保證修復(fù)效果，也能夠?qū)崿F(xiàn)對成本的控制。

三、結(jié)論

有機污染土壤熱脫附處置過程中，加熱溫度、加熱時間對于土壤中多環(huán)芳烴和總石油烴的脫附過程有著直接的影響。

熱脫附溫度對于土壤中多環(huán)芳烴和總石油烴的去除過程有著重要的影響，在熱脫附溫度未達到污染物質(zhì)的沸點時，污染物質(zhì)的去除率僅僅75%，當(dāng)熱脫附溫度達到其沸點后，污染物質(zhì)的去除率達到95%以上。表明污染物氣化的溫度點是影響其脫附效率的關(guān)鍵，這個溫度點應(yīng)高于有機污染物的沸點。

表2 熱脫附試驗分組

隨著加熱時間的延長，土壤中多環(huán)芳烴和總石油烴的殘留濃度會逐漸降低，去除效率逐漸提高。但加熱時間大于30min后，除去率再無明顯變化。表明在一定溫度下通過延長加熱時間來提高去除效率的措施是有極限的，在達到其上限后若想進一步使去除效率明顯提高，則要通過其他途徑，如升高熱脫附溫度等。

一般來說，在場地修復(fù)時，對于土壤溫度的實時和長期監(jiān)測是至關(guān)重要的。本次試驗采用粒度50mm土壤樣品進行試驗，結(jié)合本試驗結(jié)果，在場地土壤熱脫附修復(fù)工程中，將土壤入料粒度控制在50mm以內(nèi)較為合適，熱處理溫度控制在525℃以上，停留時間控制在30min，既可保證修復(fù)效果，也能夠?qū)崿F(xiàn)對成本的控制。