熱脫附技術在化工污染場地中的應用前景與趨勢分析

文_唐嘉陽 董余 周健 南京源博環境科技有限公司

近年來，隨著國內城市化的建設和工業產業結構的調整，出現了大量的污染場地。這些污染場地可能會被作為其他建設用地和居民住宅地再次利用，因此需要具有較高的修復效率和土壤修復技術進行處理。熱脫附技術具有較高的處理效率，而且修復時間短，目前已經廣泛應用于化工污染場地的修復中。熱修復技術是一種物理分離技術，能夠將土壤中的污染物轉移到尾氣中，如果熱脫附產生的尾氣無法被完全去除，將會有大量有害氣體擴散到外界環境中并會對環境產生二次污染。選擇不同的熱脫附尾氣處理技術其處理效果和成本不同。國外熱脫附設備無法完全滿足國內污染場地的修復需求，因此國內要在積極引進國外先進的熱脫附技術設備的基礎上，開發滿足國情的熱脫附設備。

1 熱脫附技術

熱脫附技術是通過間接或者直接熱交換的方式，將土壤中的污染物加熱到一定溫度之后，使污染物從土壤中揮發。

熱脫附系統是由預處理、熱分離和尾氣處理3部分構成的。預處理系統是對土壤進行篩分和移除異物，對含水率較大的土壤還要進行干燥處理。熱分離系統是通過直接或間接加熱的方式實現土壤和污染物的有效分離。尾氣處理系統是將氣態污染物從土壤中分離，并做好進一步處理工作，實現污染氣體的安全排放。

根據熱脫附技術的修復地點、加熱和進料方式的差異，可將其分為多種類型。根據修復地點的差異，可分為原位和異位熱脫附技術；根據熱源和土壤接觸方式可將其分為直接加熱和間接加熱的熱脫附技術；根據進料方式可將其分為連續式和序批式熱脫附技術。

目前國內直接加熱熱脫附技術已經發展到第三代。第一代產品布袋除塵是與熱分離系統直接相連的，如果尾氣溫度較高時會導致布袋除塵器壽命降低，因此這種熱脫附處理系統無法適用于高沸點的化工污染土壤處理。第二代系統將空燃式轉移到熱分離系統后，并將氣體冷卻系統安排在布袋陳除塵器之前，使其能夠處理高沸點的化工污染土壤。第三代在前者的基礎上增加濕式除塵裝置，用于處理高沸點且含有大量氟元素的有機物。

熱脫附尾氣處理是針對含有較高濃度有機物的處理的。布袋除塵器具有較低的溫度，內筒排出的煙氣需要低于230℃才能被處理。利用冷凝法能夠從熱脫附尾氣中分離化工污染物，對于一部分沒有經過冷凝的氣體會經過活性炭吸附之后被排入大氣中。國外開展工程化熱脫附技術應用已經有幾十年的時間。根據美國修復報告對污染場地的修復信息統計結果表明，截至目前共有100多個污染場地采用熱脫附處理技術完成了土壤修復，其中一部分采用原位熱脫附技術，另一部分采用異位熱脫附技術。目前熱脫附技術適用于處理VOC、SVOCs，沸點為1000℃以下的污染物，以及汞污染等。對于一些含有腐蝕性物質和大部分無機污染物來說，這種熱脫附技術是不適用的。由于水蒸發時會吸收大量熱能，通常采用熱脫附處理技術時，其污染介質含水率應低于20%。對于較粘的土質顆粒很容易出現團聚或者受熱結合，從而降低土壤的導熱性，修復效果也較差。

2 實現熱脫附尾氣產業化應用的關鍵技術

當前，實現熱脫附尾氣產業化應用所采用的關鍵技術包括收集法和破壞法，其中收集法能夠實現離場處理，而破壞法需要在熱脫附尾氣產生之后的短時間內迅速處理。直接加熱熱脫附中，熱源與污染有機土壤進行直接接觸，具有良好的加熱效果。而該技術會產生大量的尾氣，因此在熱脫附尾氣產業化時，通常使用的是破壞法的方式。間接加熱脫附技術使熱量通過熱分離系統傳到污染有機物土壤中，因此相比直接加熱的方法來說熱效率低，但利用該技術所產生的尾氣量較小，且尾氣中含有的化工污染物濃度高。因此，這種情況下大多采用收集法的方式。

實現熱脫附尾氣產業化應用時，關鍵技術的去除機制及適用范圍具體如下。

收集法主要運用于直接加熱熱脫附系統中的污染尾氣處理，包括吸附法和冷凝法，可將大量的水蒸氣和廢氣經過冷凝之后形成液體，而沒有冷凝的氣體會經過活性炭吸附。將冷凝水分為水相及有機相，有機相能夠完成廢氣的處理并回收，用于燃料補充，而水相可用于除塵及作為冷卻水。

冷凝法主要是利用熱脫附尾氣形成不同組份的飽和蒸氣壓，使用升壓或者降溫的方式，將氣態有機物液化，并從尾氣中分離。目前，在熱脫附尾氣產業化應用過程中，如尾氣中的有機物體積分數高于0.5%時，要采用冷凝法，其處理效率可達到60%以上。對于尾氣具有較高的凈化要求，可以通過降低冷卻水的溫度和增加壓力來實現。這在一定程度上增加了尾氣的處理難度和成本。經過冷凝之后污染物排入水中，還需對污水進行再次處理。因此冷凝法也常被用于凈化高濃度有機物的前處理，需要與其他凈化手段共同使用，進一步降低尾氣處理難度，實現有用物質的回收利用。

吸附法主要是利用多孔固體吸附劑，包括活性炭、交換樹脂等，對尾氣中的有機物進行吸附。當前，國內化工污染土壤尾氣凈化中，在經過除塵器、噴淋塔和氧化反應池之后，需要采用活性炭的方式去除殘留的污染氣體。該方法簡便操作、凈化效率高，但設備投資大，所需要的占地面積大。熱吸附尾氣中除含有蒸發的化工污染物外，通常還伴隨大量的水蒸氣，這些水蒸氣很容易降低活性劑對于化工污染物的吸附效果，并影響最終尾氣處理性能，因此目前需要進一步研究吸附劑改性，提升吸附劑的選擇吸附性效果。

破壞法是指通過直接或間接加熱熱脫附系統的尾氣處理方法，常用的技術包括熱力燃燒和催化燃燒兩種方法。熱力燃燒是將廢氣直接燃燒為二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物等，對于含有氯的污染物燃燒時可能會形成二噁英。因此可采用直接加熱熱脫附設備，使用熱力燃燒的方式作為尾氣處理系統，將生成的氯化氫氣體經過冷卻裝置減少二噁英的產量，再經過堿性淋洗，和酸性物質生成高濃度鹽分物質可用于除塵。

3 熱脫附尾氣新型處理技術

在滴滴涕、666等化工污染物的固體處理中，利用上述方法處理污染土壤還具有一定的局限性。利用熱力燃燒的方式去除污染物需本身具有較高環境溫度，以利于化工污染物的分解。此外，強堿性環境有利于含氯有機物的完全降解，處于全負壓情況下能夠防止產生有害氣體及氣體的外溢，因此水泥窯共處置技術適用于熱脫附尾氣處理。處置流程如圖1所示。

圖1 水泥窯共處置技術流程

低溫等離子體由自由電子、激發態原子、自由基等共同構成的氣態物質，對于揮發性有機物具有較高的去除效率，且不會產生廢渣、廢水及二次處理副產物，運行成本較低。國內已經開始采用低溫等離子體技術進行熱脫附尾氣處理，且已經申請相關專利。

4 結語

通過分析目前熱脫附技術的應用現狀，并對其關鍵技術進行分析比較，介紹了目前國內熱脫附尾氣的新型處理技術，水泥窯共處置技術和低溫等離子體技術，未來在化工污染物土壤尾氣處理中將實現進一步的應用。