間接熱脫附過程質量平衡研究

摘要：回轉式間接熱脫附是一種高效、快速的污染土壤熱修復技術。研究表明，加熱溫度為650 ℃，停留時間為40 min時，污染土壤修復可以達標。熱脫附期間，苯并[a]芘和石油烴在處置前后介質中的質量不平衡。經分析，原因可能是苯并[a]芘和石油烴在處置過程中由于高溫發(fā)生裂解轉化。

關鍵詞：間接熱脫附；污染土壤；修復；質量不平衡；裂解轉化

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）08-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.08.016

Study on Mass Balance of indirect Thermal Desorption Process

ZHANG Jicheng

（Zhongrun Wanlong （Chongqing） Environmental Protection Technology Co.， Ltd.， Chongqing 401121， China）

Abstract： Rotary indirect thermal desorption is an efficient and fast thermal remediation technology for contaminated

soil. Research has shown that when the heating temperature is 650 ℃ and the residence time is 40 min， the remediation of contaminated soil can meet the standards. During thermal desorption， there is an imbalance in the mass of benzo [a] pyrene and petroleum hydrocarbons in the medium before and after disposal. After analysis， the reason may be that benzo [a] pyrene and petroleum hydrocarbons undergo pyrolysis and transformation due to high temperature during the disposal process.

Keywords： indirect thermal desorption; contaminated soil; remediation; mass imbalance; pyrolysis and transformation

熱脫附技術是通過直接或間接加熱，將污染土壤加熱至目標污染物的沸點以上，通過控制系統(tǒng)溫度和物料停留時間有選擇地促使污染物氣化揮發(fā)，達到目標污染物與土壤顆粒分離、去除的目的[1]。回轉式間接熱脫附是一種高效、快速的污染土壤熱修復技術[2-4]。黃海[5]采用四溫區(qū)回轉式間接熱脫附設備，研究在加熱溫度、進料速度、土壤污染程度不同的情況下多環(huán)芳烴（PAHs）的去除效果，并對熱脫附過程進行質量平衡分析。本文以重慶市某土壤修復項目為例，研究土壤間接熱脫附過程中目標污染因子的質量平衡關系。

1 熱脫附工藝概述

本項目采用間接熱脫附設備處理場地內污染土壤。該設備設計處理量為10～15 t/h，耐熱溫度為1 000 ℃，設備包括進料系統(tǒng)、熱脫附系統(tǒng)、出料系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。其工藝流程如圖1所示。

2 材料及方法

2.1 供試土壤

該場地原為化工廠，其主要從事炭黑生產活動。根據(jù)風險評估報告，場地土壤中苯并[a]芘、二苯并[a，h]蒽、苯并[a]蒽、苯并[b]熒蒽、萘、茚并[1，2，3-cd]芘及石油烴超標。本研究采集重度污染點位的污染土壤進行試驗。

2.2 試驗條件

土壤粒徑和含水率對熱脫附效率有一定的影響。細顆粒土壤的熱脫附效率高于大顆粒土壤，當土壤含水量過高時，土壤中結晶水層會影響顆粒內部和顆粒間的傳熱傳質，對污染物的熱脫附有抑制作用。研究表明，熱脫附時污染土壤含水率最好保持在10%～20%。

溫度和停留時間是影響熱脫附效率的主要因素，而停留時間對去除效率的影響又取決于加熱溫度，較低的加熱溫度需要較長的停留時間才能保證污染物的有效去除。處理時間相同時，隨著加熱溫度的升高，PAHs去除效率逐漸提高。但溫度達到一定程度后，即使進一步提高溫度，熱脫附效率也不會有顯著的提高。為保證污染土壤處置達標，本研究將熱脫附的加熱溫度設置為650 ℃，將污染土壤在熱脫附設備窯體內的停留時間設置為40 min，土壤粒徑不大于30 mm，土壤含水率不大于20%。

2.3 樣品檢測結果

根據(jù)熱脫附工藝流程，污染土壤經熱脫附處置后，殘留的污染物有多個去向：處置后土、粉塵、廢水、尾氣和泥餅。各介質中目標污染物檢測結果如表1、表2和表3所示。廢水檢測中，石油類執(zhí)行《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質標準》（GB/T 31962—2015）；其他污染因子執(zhí)行《煉焦化學工業(yè)污染物排放標準》（GB 16171—2012）。尾氣檢測位置有兩個，一是熱脫附活性炭箱前（監(jiān)測值1），二是熱脫附排放口（監(jiān)測值2）。臭氣濃度為實測濃度（無量綱）。

2.3.1 熱脫附對土壤中污染物的去除效率

由表1可知，經過熱脫附處置，土壤所有目標污染物都達到修復目標值。其中，苯并[a]芘去除率為97%，二苯并[a，h]蒽去除率為80%，苯并[a]蒽去除率為96%，苯并[b]熒蒽去除率為88%，萘去除率為85%，茚并[1，2，3-cd]芘去除率為88%，石油烴去除率為90%。這說明熱脫附設備能夠有效去除本場地污染土壤中的目標污染物，使其達到修復目標值。

2.3.2 活性炭吸附對廢氣中污染物的去除效率

經尾氣檢測，熱脫附設備尾氣處理系統(tǒng)中，活性炭吸附箱對非甲烷總烴的去除率為82.9%，對顆粒物的去效率為44.2%，對苯并[a]芘的去除率為100%，對臭氣的去除率為76.7%。經過活性炭吸附箱處理，廢氣能夠達標排放。

2.4 質量平衡分析

下面通過檢測試驗土、處置后土、粉塵、泥餅、廢水及尾氣等介質中目標污染物殘留濃度，探究熱脫附過程中污染物的質量平衡問題。試驗過程中，熱脫附設備產能設置為13 t/h，經現(xiàn)場測定，粉塵產生量為0.13 t/h，泥餅產生量為0.13 t/h，廢水產生量為2 m3/h，處置后土產生量為10 t/h。不同介質的性質如表4所示，苯并[a]芘和石油烴在各介質中的含量分別如表5、表6所示。研究結果顯示，廢水和尾氣中殘留的苯并[a]芘質量幾乎可以不計，各介質中苯并[a]芘的總殘留質量占進土中苯并[a]芘質量的3.35%，剩余96.65%的苯并[a]芘去向不明，可能發(fā)生裂解轉化。各介質中石油烴的總殘留質量占進土中石油烴質量的17.16%，剩余82.85%的石油烴去向不明，可能發(fā)生裂解轉化。

3 結論

在加熱溫度650 ℃、停留時間40 min的條件下，間接熱脫附技術能夠將本場地污染土壤中的目標污染因子降低至修復目標值以下，且尾氣經過活性炭吸附系統(tǒng)處理后能夠達標排放。通過對試驗土、處置后土、粉塵、廢水、尾氣以及泥餅檢測結果進行分析可知，污染土壤經過熱脫附設備處置后，其目標污染因子苯并[a]芘和石油烴在處置前后介質中的質量并不平衡，這可能是因為苯并[a]芘和石油烴在處置過程中由于高溫發(fā)生裂解轉化。

參考文獻

1 張欣欣，明曉賀.含多環(huán)芳烴有機污染土壤熱脫附試驗[J].統(tǒng)計與管理，2014（3）：183-184.

2 楊 勇，黃 海，陳美平，等.異位熱解吸技術在有機污染土壤修復中的應用和發(fā)展[J].環(huán)境工程技術學報，2016（6）：559-570.

3 沈宗澤，陳有鑑，李書鵬，等.異位熱脫附技術與設備在我國污染場地修復工程中的應用[J]．環(huán)境工程學報，2019（9）：2060-2073．

4 劉利群，劉春江.間接熱解吸技術在含油污泥處理中的應用[J].天然氣與石油，2017（2）：117-120.

5 黃 海.回轉式間接熱脫附修復多環(huán)芳烴污染土壤工程示范[J].環(huán)境污染與防治，2021（11）：1432-1438.