熱脫附技術在化工廠污染土壤修復中的工程應用

徐飛 沈婷婷

摘 ? ? ?要： 熱脫附技術用于修復土壤有機污染通常具有較好的效果，但對于高濃度有機污染場地的土壤修復，其在國內成功應用的案例還不多見。以異位熱脫附技術修復某化工廠多環(huán)芳烴污染土壤為例，通過中試試驗，確定了土壤含水率、熱脫附溫度、停留時間等影響熱脫附效率的工藝參數。中試結果表明，在土壤含水率為25%、熱脫附溫度為550 ℃、停留時間為30 min時，土壤中苯并（a）芘等多環(huán)芳烴脫附率均在99%及以上，滿足修復目標要求。可見，異位熱脫附技術可有效修復高濃度有機污染土壤。

關 ?鍵 ?詞：熱脫附;高濃度有機污染;污染土壤;修復

中圖分類號：X53 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）05-0997-04

Abstract： Application of thermal desorption technology in soil organic pollutant remediation usually has good effect， but in the soil remediation of high-concentration organic contaminated sites， the successful cases in China are rare. In this paper， the ectopic thermal desorption technique was used to remedy the polycyclic aromatic hydrocarbon contaminated soil in a chemical plant. The pilot test was performed to determine the process parameters， such as soil moisture content， thermal desorption temperature and residence time， which can affect the thermal desorption efficiency. The results of the pilot test showed that the desorption rate of polycyclic aromatic hydrocarbons such as benzo（a）pyrene in the soil was 99% or more when the soil moisture content was 25%， the thermal desorption temperature was 550 °C， and the residence time was 30 min， meeting the target requirements. So the ectopic thermal desorption technology is effective in high concentration organic contaminated soil remediation.

Key words： Thermal desorption; Contaminated soil; High concentration organic compounds; Remediation

土壤是人類賴以生存的重要環(huán)境介質之一，良好的土壤環(huán)境質量是食品安全和人體健康的重要保障。近年來，為滿足城市化發(fā)展和產業(yè)結構調整的需求，眾多工業(yè)企業(yè)實行了關停、搬遷，其遺留場地有很多存在不同程度的土壤和地下水污染，污染物涵蓋了重金屬、揮發(fā)性有機物、半揮發(fā)性有機物、總石油烴和農藥等各種類型。根據相關統(tǒng)計數據，我國關停、搬遷的企業(yè)總數超過10萬，而對其中污染嚴重的場地進行修復已顯得尤為迫切[1，2]。

熱脫附技術作為土壤修復技術中的一項重要技術，針對有機污染場地的土壤修復通常具有較好的效果。按照處置地點的不同，可分為原位熱脫附和異位熱脫附，按照加熱溫度的高低，又可分為低溫熱脫附和高溫熱脫附。異位熱脫附技術采用間接的方式加熱土壤，利用熱傳導使土壤中的有機污染物蒸發(fā)并與土壤介質相分離。在國內，針對高濃度有機污染場地的土壤修復，采用異位高溫熱脫附修復技術成功修復的案例還不多見[3-6]。

本文旨在通過某高濃度有機污染場地土壤異位高溫熱脫附的成功實施案例，分析影響異位高溫熱脫附技術修復效果的因素及工程應用的各項工藝控制參數，為該技術的推廣、應用提供技術支撐和積累實施經驗。

1 ?場地條件

1.1 ?地層條件

某化工廠搬遷后的場地環(huán)境調查結果顯示，場地土壤中存在有機污染，主要為多環(huán)芳烴類的半揮發(fā)性有機物，對人體健康產生的風險水平不可接受，需要開展修復治理工作。

場地埋深6.0 m以上主要由填土（雜填土、素填土）、粉質黏土和粉土夾粉質黏土組成，呈水平成層分布，各土層的理化性質參數如表1所示，典型工程地質剖面圖如圖1所示， 場地地下水埋深較淺，穩(wěn)定水位埋深在0.3～0.5 m。

1.2 ?場地污染特征

場地土壤中的目標污染物為多環(huán)芳烴類的半揮發(fā)性有機物，其中苯并（b）熒蒽、苯并（a）芘、苯并（k）熒蒽和蒽的濃度高，超標倍數大，對淺部土層（0～4 m）造成嚴重污染（表2-3）。

2 ?異位高溫熱脫附技術概述

由于本場地污染土壤具有有機污染程度高和污染組分沸點高的特點，化學氧化和原位熱脫附修復技術難以滿足修復要求。

異位熱脫附技術是將污染土開挖、轉運至異位修復區(qū)，經過預處理后，通過間接加熱的形式，把污染土壤加熱至污染有機物沸點以上的溫度，并在此溫度下停留足夠時間，以確保污染土壤中的有機污染物、水分等轉變?yōu)闅鈶B(tài)從土壤中分離出來，從而達到污染土壤的修復治理[7，8]。與原位熱脫附技術相比，異位熱脫附具備以下優(yōu)勢：對污染土滲透性或異質性的適用范圍寬;污染土的加熱溫度高，對高沸點有機物的去除效果好;修復時間短，效率高。按照加熱方式分類，異位熱脫附技術主要包括電加熱、燃氣加熱和燃油加熱[9，10]。

本次修復采用燃氣加熱形式的異位高溫熱脫附修復技術，相比其他加熱方式，燃氣加熱具有加熱溫度高、能源/燃料形式靈活且成本相對較低等特點，適用于目標污染物沸點高（>400 ℃）且有機污染嚴重的場地。

3 ?現場修復中試試驗

3.1 ?含水率變化對目標污染物去除效果的影響

3.1.1 ?試驗條件

污染土壤原始含水率在30%左右，通過添加生石灰/加水調節(jié)含水率，分別設置15%、20%、25%、35%和原始含水率30%的供試土樣各2 t，熱脫附加熱溫度固定為500 ℃，停留時間固定為30 min。

3.1.2 ?結果及分析

圖2為不同含水率條件下土壤中的污染物脫附情況。

從圖中可以看出，隨著土壤含水率逐步增加，多環(huán)芳烴的熱脫附效率略微增加后又呈現降低趨勢。總體而言，含水率變化對目標污染物熱脫附效率的影響不顯著，但過高的含水率會造成處理成本上升。

3.2 ?溫度變化對目標污染物去除效果的影響

3.2.1 ?試驗條件

供試污染土含水率統(tǒng)一調至25%，停留時間固定為30 min。根據待脫附目標污染物沸點的高低，設置400、450、500和550 ℃ 4種熱脫附溫度。

3.2.2 ?結果及分析

從圖3可以看出，熱脫附溫度對脫附效率的影響明顯，隨著熱脫附溫度的提升，污染物的脫附率逐步提高。當溫度為400 ℃時，苯并（b）熒蒽、苯并（a）芘和苯并（k）熒蒽脫附率均在90%左右，溫度升至550 ℃時，三者的脫附率均達到99%以上。因蒽的沸點相對較低，400 ℃時，其脫附率已達97.6%，至550 ℃時，其脫附率為99.1%。再提升熱脫附溫度對各污染物的脫附率的影響已不明顯，且會增加修復成本。總體而言，在土壤含水率為25%，停留時間為30 min時，550 ℃的熱脫附溫度可滿足各污染物的修復目標要求。

3.3 ?停留時間變化對目標污染物去除效果的影響

3.3.1 ?試驗條件

供試污染土含水率調至25%，熱脫附溫度固定為550 ℃，熱脫附停留時間分別設置為10、20、30和40 min。

3.3.2 ?結果及分析

熱脫附停留時間對目標污染物脫附效果的影響顯著。從圖4可以看出，停留時間為10 min時，各目標污染物的脫附效率均較低，最大僅為72.8%，不能滿足修復目標要求。當停留時間逐步增加，脫附效率亦逐步提高，至30 min時，各目標污染物脫附率均達99%及以上，再增加停留時間，對脫附效率的影響已不大，且會增加成本和降低處理效率。

3.4 ?不同土質類別對目標污染物去除效果的影響

3.4.1 ?試驗條件

根據待修復場地土壤污染深度和土層特性，選取待修復深度范圍內的填土、粉質黏土以及粉土夾粉質黏土，含水率均調節(jié)至25%，熱脫附溫度固定為550℃，設定停留時間分別為10、20、30和40 min。

3.4.2 ?結果及分析

不同土質類別的土壤具有不同的理化性質，可能會對目標污染物的脫附產生影響（圖5）[11，12]。

從圖5中可以看出，在加熱初期（10～20 min），填土和粉質黏土中目標污染物的總脫附率相較粉土夾粉質黏土要低10%～15%，原因可能在于不同土壤類別中有機質含量以及黏粒含量有區(qū)別。二者含量越高，對有機物的吸附作用就越強，也即填土和粉質黏土中的有機物較粉土夾粉質黏土更難脫附[13，14]，但隨著停留時間增加（30～40 min），不同土質類別中有機物的總脫附率基本趨于一致。

對于本土壤修復工程，30 min的停留時間已消除土質類別的影響， 修復施工不考慮該因素的影響。

4 ?結論

（1）土壤含水率大小對多環(huán)芳烴熱脫附效率的影響不顯著，但過高的含水率會造成處理成本上升。

（2）熱脫附溫度對多環(huán)芳烴的脫附效率影響很大，當溫度超過多環(huán)芳烴沸點及以上時，脫附率越高。

（3）停留時間對多環(huán)芳烴的脫附率影響顯著，停留時間為30 min及以上時，各目標污染物均可達到修復目標。

（4）土質類別在熱脫附初期對多環(huán)芳烴的脫附率有較大影響，但隨著停留時間的增加，影響逐步可忽略。

（5）異位熱脫附可有效修復高濃度有機污染土壤，具備大規(guī)模推廣價值。

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