燃氣熱脫附技術在某有機污染場地的中試應用

梅志華 劉志陽 王從利 臧常娟

（江蘇大地益源環境修復有限公司 江蘇南京 210002）

燃氣熱脫附技術在某有機污染場地的中試應用

梅志華 劉志陽 王從利 臧常娟

（江蘇大地益源環境修復有限公司 江蘇南京 210002）

針對某化工廠原址的有機污染場地，我公司采用新型的燃氣熱脫附技術對有機污染土壤進行修復。中試結果表明：系統運行1個月后，主要污染物的去除率達到99%。該中試的實施證明了燃氣熱脫附技術是一項效果較好的修復技術，為今后類似有機污染場地的修復提供了工程和技術經驗。

燃氣熱脫附；粘性土；有機污染物；原位修復

近年來，因產業結構調整造成污染企業搬遷，大量的污染場地被遺留在城區，帶來嚴重的環境風險，同時也制約了城市建設和發展。與其他類型的土壤污染相比，城市工業場地具有污染物濃度高、污染深、空間變異大、土壤和地下水可能同時存在污染等特點[1]。在中國江南地區，經濟條件發達，使得城市建設和污染場地之間的矛盾尤為突出，但江南以粘性土為主，土壤的低滲透性和復雜性制約了一些修復技術的應用。

針對上述情況，我公司從美國GEO公司引進了其公司專有的燃氣熱脫附技術，并成功應用于蘇州某有機污染場地。

1 燃氣熱脫附技術簡介

熱脫附是通過直接或者間接的熱交換，加熱土壤中有機污染物組分到足夠高的溫度，使其蒸發并與土壤介質相分離的過程。熱脫附技術適用于處理土壤中揮發性有機物、半揮發性有機物、農藥和高沸點氯代化合物，具有能應用于各種類型的土壤且修復后土壤性質不改變等優點，特別適用于存在NAPL（Non-Aqueous Phase Liquid）或重度有機物污染場地[2-4]。熱脫附技術實現工程化應用主要有三種方式：異位爐式熱脫附技術，熱傳導加熱（TCH）和原位電阻加熱(ERH)。而燃氣熱脫附（GTR）技術屬于熱傳導加熱的一種，包括原位（In-situ）和異位（Ex-situ）兩種方式。

原位燃氣熱脫附技術可分為兩個過程：熱解吸過程和抽提過程。其整個工藝過程描述如下：在燃燒器中通入天然氣或液化石油氣，同時通過抽風機產生的負壓吸入清潔空氣，二者在燃燒器內混合后點火燃燒，產生高溫氣體；將高溫氣體注入加熱井中，并使其在井內往返流動；高溫氣體間接加熱土壤，通過熱傳導方式加熱目標修復區域，使得土壤溫度升高到目標溫度；在加熱過程中，土壤中的污染物從土壤中解吸出來，形成含污染物的蒸汽，此時用雙相抽提將含有污染物的地下水和蒸汽提取至地表，然后進入后續的尾氣治理設備，并對分離出來的水和氣做進一步處理，達標排放。

圖1 原位燃氣熱脫附技術原理

GTR技術采用間接加熱方式加熱土壤，利用熱傳導使修復區域土壤升溫到目標值。對于任何土壤類型，土壤熱導率僅僅在一個很窄的范圍內變化，所以GTR技術能適用于任何土壤。在國際上，GTR技術已被廣泛地成功應用于各種場地去除各種有機污染物。

2 場地情況

本中試場地修復面積為100m2，修復深度達到18m，污染因子為苯和氯苯，苯的最大污染濃度達到42.69mg/kg、氯苯的最大污染濃度為897mg/kg。

根據地質資料和污染數據，并結合目標污染物的理化性質，分析本次中試具有以下特點：（1）本場地地下水埋藏很淺（地表以下1.0m～1.5m），地下水豐富；污染深度18m內自上而下分布有填土、粘土、粉質粘土、粉土、粉質粘土五個工程地質層，土層分布較為復雜。（2）表層土壤中局部分布有殘留建筑基礎，對原位修復工程實施造成了一定難度。（3）本場地土壤污染程度較為復雜，目標污染物包含了VOCs（苯和氯苯）以及NAPL，而且分布不均勻。

3 工藝設計

綜合考慮污染物的特性、分布及場地水文地質條件，并通過計算機模擬來輔助設計。最終確定的工藝參數如下：（1）目標溫度為100℃；（2）加熱井的間距為2m，井的深度為18m。（3）每個燃燒器控制一個加熱井。

另外，GTR還有抽提系統，包括SVE井，水平SVE管道和雙相抽提井。通過在土壤中形成的真空來抽提產生的土壤蒸汽和地下水。其中SVE井鄰近加熱井，并共用一個鉆井井位，用于系統運行早期抽提加熱井周圍的污染蒸汽，待雙相抽提井發揮作用后就關閉；水平SVE管位于地下0.5m，在系統運行的中后期開啟，用于抽提逃逸上來的土壤蒸汽，避免其進入大氣。

溫度測點位于冷點位置，定時監測，以確保整個修復區域的整體加熱。壓力監測點將測量和監控地面下的壓力狀況，以保證地面以下處于負壓狀態，避免土壤蒸汽逃逸到大氣中。

圖2 原位燃氣熱脫附系統運行

4 修復工程實施

修復工期為60天，自2013年10月8日正式開工，11月4日所有設備安裝結束并進行調試，11月5日系統正式運行，12月8日系統停止，并提出驗收申請。業主和環境監理于12月12日進行土壤驗收取樣。

5 數據監測與結果分析

5.1 溫度數據監測

中試的關鍵參數為溫度，故本系統建立一套監測體系來對溫度進行監測。

在修復過程中，對土壤的冷點位置進行溫度測量。冷點位于三口加熱井所形成的三角形的中心位置。土壤中溫度利用監測井中的K型溫度線測量。系統運行時，熱量通過傳導方式從加熱井傳出，這樣，溫度在不同的地點以不同的速度升高。靠近加熱井的溫度升高最快，而三口井之間的冷點位置則升溫最慢。系統運行時間是由冷點位置達到目標溫度及保持該溫度所需的時間決定的。當冷點溫度達到目標溫度時，修復區域內大部分土壤已在目標溫度下加熱了更長的時間，可以確保修復效果。

每口溫度監測井中放置4根K型溫度線，深度分別為1m，6m，12m和18m，用來檢測不同深度的土壤溫度。

5.2 土壤溫度變化及分析

GTR技術主要通過升高土壤溫度以提高污染物的揮發率來達到土壤修復效果，因此，土壤溫度是處理效果的一個重要指標。在中試過程中，土壤的溫度變化通過4口分布在場地四角的溫度監測井來測量，4個溫度點升溫曲線見圖3。

4個溫度監控點在不同深度的溫度監測值隨時間變化曲線和模型曲線對照分析可見：在4個溫度測點，所有深度都顯示了和模型大致相同的溫度趨勢。在多數的溫度讀數中，土壤升溫速率隨深度增加而降低。這是由于1m的含水率比6m低，較低的含水率有助于提高溫度，減少能耗。12m和18m都處于地下水位以下，因而升溫速率相對較慢。而且地下水的流動也可能增加能量被帶走的損耗。在18m的深度里，熱量還會因為向更深的土壤擴散而損耗。

圖3 溫度監測點升溫曲線

5.3 修復效果

經過第三方檢測，修復后土壤中苯和氯苯的檢出值均遠低于修復目標值，達標率100%，去除效果顯著。對比業主提供的修復前土壤污染物數值和驗收采樣的土壤污染物數值可知：在-3m深度，苯的去除率為100%，氯苯的去除率為99.5%；在-9m深度，苯的去除率為100%，氯苯的去除率為99.9%見表1。

表1 修復前后土壤中污染物濃度對比

修復前，土壤中含有大量NAPL，屬于重度污染。而在修復后的土壤中看不到該類污染物，且無異味。修復后的土壤和地下水污染程度都明顯減輕。

6 結語

6.1 本次中試證明GTR技術能有效的原位修復中試區域內苯和氯苯污染的深部粘性土壤。根據業主提供的驗收結果可知：經GTR技術修復后，-3m處的采樣點苯濃度＜0.05mg/kg（未檢出），氯苯濃度0.14mg/kg；-9m處的采樣點苯濃度＜0.05mg/kg（未檢出），氯苯濃度0.15mg/kg，均遠低于修復目標值，苯和氯苯的去除率在99%以上。

6.2 本次中試證明GTR修復技術可以在短期內達到修復目標，能滿足客戶對項目的時間要求。

6.3 本次中試證明GTR技術具有良好的性價比。大部分設備和管道都可以重復利用，而且通過在系統運行過程中對系統參數的檢測和不斷的優化，可以在確保達到修復目標的前提下，盡可能降低成本。

6.4 修復工程不影響后期開發建設。通過中試項目的撤場后情況可以看出，我方的中試區域基本保持原有狀態。原位燃氣熱脫附技術沒有向土壤中加入藥劑，對土壤性質沒有太大改變，不影響土壤的承載力，對后續的開發建設不會造成影響。

[1]李玉雙，胡曉鈞,等，城市工業污染場地土壤修復技術研究進展，安 徽 農 業 科 學 ，Journal of Anhui Agri．Sci．2012，40(10)：6119-6122.

[2]EPA ，A Citizen's Guide to in Situ Thermal Treatment，542-F-12-013，2012.

[3]EPA，Engineering Paper:In Situ Thermal Treatment Technologies: Lessons Learned，2014.

[4]George L.Stegemeier and Harold J.Vinegar，THERMAL CONDUCTION HEATING FOR IN-SITU THERMAL DESORPTION OF SOILS，Reprinted with permission from Hazardous&Radioactive Waste Treatment Technologies Handbook,Ch.4.6-1,Oh,Chang H. (Ed.)Copyright2001.

梅志華（1978—），男，江蘇南京人，從事污染場地調查與修復工程工作。