原位燃氣熱脫附技術在有機污染土壤修復工程的應用

熊櫻 蔡云 王永敏 楊曉東(北京京誠嘉宇環境科技有限公司，北京 100053)

0 引言

許多國家自20 世紀80 年代即開始將原位熱處理修復技術應用于污染地塊的修復中，已在上百項污染地塊修復工程中使用了原位熱處理技術。在美國、加拿大、丹麥、意大利以及布魯塞爾等國家和地區，使用了燃氣熱脫附技術用于處理石油烴、多環芳烴、總碳氫化合物等污染場地[1-2]。我國的原位熱脫附修復工程應用起步較晚，但發展極為迅速，在長三角、京津冀、中部和南方等地區均有應用。其中燃氣熱脫附以燃氣運輸方便，對于場地基礎條件要求較低、運行靈活等優勢得到了較快的發展。相比于國外，我國目前燃氣熱脫附應用場地主要以焦化廠、農藥廠、油氣和化工廠等為主，處理的污染物以苯系物、多環芳烴和石油烴等為主，修復目標溫度高，并且修復面積和方量大。在工程項目實施過程中，存在熱效率低、過程控制難度大、修復成本高、二次污染治理復雜等諸多問題。通過對某工程案例的分析，分析應用過程中的關鍵問題，并提出下一步改進的方向，以期為國內污染土壤原位燃氣熱脫附修復領域的工程應用提供參考。

1 原位燃氣熱脫附技術

在眾多土壤修復技術中，熱脫附技術是目前應用較為廣泛的技術之一，特別適合石油類、氯化溶劑、揮發性有機物、半揮發性有機物污染土壤的修復。從形式上可以分為原位熱脫附和異位熱脫附。相比原位化學注入法和化學淋洗法，原位熱脫附技術能夠處理滲透性差的粘土地塊[3]。從修復周期而言，針對苯、苯系物、多環芳烴等目標污染物，原位熱脫附修復周期要短于化學注入、化學淋洗以及生物修復等技術[4]。根據加熱方式不同，原位熱脫附可分為蒸汽強化提取技術、電阻加熱技術和熱傳導技術[5,6]。其中，蒸汽強化提取技術不適用于沸點高于100℃且無法產生共沸現象的半揮發性有機污染物，使用 ERH 技術時，除了需要考慮污染物沸點和地下水情況，還需注意污染地塊地下構造等因素，基巖的存在對電阻率的影響[5]。相比而言，熱傳導技術的應用條件更為廣泛。近年來，國內成功引進新型TCH—燃氣熱脫附技術(gas thermal remediation, GTR)，該技術利用天然氣、丙烷等燃料燃燒提供熱能加熱土壤實現熱脫附，其技術優勢在于燃氣便于運輸、輸送方便。相比電加熱方式，對于場地基礎條件要求較低、啟動快速、運行靈活[7]。燃氣熱脫附成為目前最具潛力的技術之一。

2 工程應用案例分析

2.1 場地概況

該工程項目場地位于北方，歷史上為大型煤炭和化工產品綜合生產加工基地。包括備煤、煉焦、篩焦、煤氣凈化、焦油化產品回收、精苯等生產環節。特征污染物為多環芳烴，超標覆蓋面積較大,超標深度較大的污染物為萘、苯并(a)芘、茚并(1,2,3-cd)芘、二苯并(a,h)蒽、苯并(a)蒽等。此外，還存在VOCs 以及石油烴的污染，污染物的含量及超標范圍詳見表1。場地地層大致分為四個土層：人工填土層、輕亞粘土層、卵石層、沙巖層，整個場地一期污染土壤風險管控土方量為4 萬多立方米。

表1 土壤污染物含量及修復目標值

2.2 工藝設計

經過技術比選和篩選，確定采用原位燃氣熱脫附處理工藝。工藝流程為：天然氣在燃燒器中燃燒后產生的高溫氣體通過風機高溫氣體引入單個的加熱井中；高溫氣體(450～600℃)，通過加熱管間接加熱土壤，通過熱傳導方式加熱目標修復區域，使得土壤溫度升高(升溫速率最高可達20℃/天)到目標溫度；再利用真空抽提井對氣相/液相的污染物進行抽提，通過冷凝分離，再對提取出的氣體和液體分別進行處理，最后達標排放。具體工藝流程如圖1 所示。

原位熱脫附系統主要包括加熱單元、抽提單元、廢氣廢水處理單元和監測控制單元等。所有修復區的豎直加熱井都采用三角形網格分布，水平加熱井采用長管單層分布。根據前期場地調查獲得的場地地質條件、土壤物理參數、污染物性質，結合修復深度、修復范圍及項目工期的要求，通過土壤加熱模型計算獲得加熱井布置間距的范圍，即豎直加熱井井間距為2m，水平加熱井井間距為1.3m。具體原位燃氣熱脫附主要工藝參數如表2 所示。

圖1 原位燃氣熱脫附技術工藝流程圖

表2 原位燃氣熱脫附主要工藝參數

抽提單元包括地下抽提井和表面抽提管；廢水廢氣處理單元包括冷凝、氣液分離和廢水廢氣處理等單元。抽提出的尾氣經過換熱器后進入氣液分離裝置，尾氣采取火炬燃燒+活性炭吸附的處理方式。廢水采用斜管沉淀+絮凝過濾+活性炭吸附的處理方式。整個加熱過程中，對單個燃燒器的燃燒狀況、溫度、壓力以及土壤中關鍵位置的溫度、壓力進行實時監測。

2.3 修復效果

各地塊的升溫時間略有差異，整體而言土壤溫度隨著加熱時間的推移整體呈現出逐漸升高的趨勢，表明在地塊保溫層效果良好的情況下，隨著燃氣的不斷消耗，土壤溫度會不斷升高。單地塊加熱過程時間長度不等，土壤加熱升溫需要約45～50 天左右，個別地塊加熱時長在60 天以上，達到350℃后，繼續保持該溫度5～10 天，保證污染物處理達標。修復后土壤污染物檢測值與修復目標值對標詳見表3，場地土壤污染物的去除效果明顯，能夠滿足修復目標值的要求。

2.4 存在的關鍵問題

2.4.1 熱效率低

當燃燒器在理想情況下操作時，所有的燃料都將被轉化為二氧化碳，同時其能量轉換效率將能達到65%～80%，而實際燃氣加熱能源利用率不到60%，加熱系統出口的排煙溫度一般為200～400℃，未進行循環利用，造成大量的能量浪費。項目抽提尾氣中有機物濃度較高，經過氣液分離器后，尾氣進入二次燃燒室，對尾氣中所含有的揮發性有機污染物進行徹底燃燒，再通過活性炭等后續處理工藝實現達標排放。雖然采用熱交換器加熱廢氣，可充分利用熱能，廢氣溫度由1100℃降至500℃，進入噴淋急冷塔和噴淋吸收塔后最終排放，熱量損失較大。在燃氣加熱土壤的過程中，雖然在地表鋪設了保溫層，冬季條件下熱損耗依然很高。個別地塊由于位置及局地包氣帶含水條件在加熱過程中水汽蒸發導致大部分熱量損失。

2.4.2 過程控制精準性不高

本工程設定的加熱目標溫度350℃，對比國外工程案例，其目標加熱溫度均在220℃以下[1]。可能是由于共沸現象的存在，一般混合物的沸騰溫度會低于他們各自的沸點，使得目標加熱溫度無須超過污染物的沸點[8]。本工程確定的加熱溫度主要依靠同類項目經驗，由于每個項目的污染物不同，場地條件各異，這個過程中主要依靠工程師經驗判斷。

燃氣加熱時，其底部加熱溫度最高，煙氣由下往上溫度逐漸降低，淺層達到目標溫度比較困難，會產生受熱不均勻的現象[9]。從現場溫度監測情況來看，不同深度土壤溫度差異較大，深層土壤溫度遠超過350℃目標值。加熱時間及修復終點沒有明確的標準，本工程的17 個地塊在達到目標溫度后保持的時間主要結合抽提尾氣的污染物含量變化和工程師的經驗來判斷，加熱的精準性及污染物去除的精準性尚難控制，可能造成過度修復。

2.4.3 無組織排放

工程實施過程中的廢氣無組織排放控制非常關鍵。項目現場實施過程中，在表面覆蓋一層15mm 厚的隔熱材料和25～30mm 厚的混凝土用作隔熱層防止污染物擴散。通過抽提井的抽提，對場地的真空度進行監控來確保污染氣體不逸出。現階段，對真空度以及抽提氣量的控制很大程度依賴于工程應用經驗，沒有確切的參數范圍。

工程開展過程中，定期進行了無組織排放的監測，檢測指標包括二氧化硫、氮氧化物等常規項目，以及非甲烷總烴、苯、二甲苯、苯并芘等幾項特定指標。現有的在線監控設備不能實現對特征污染物的快速分析，需要通過現場采樣和實驗室分析，分析結果存在一定的滯后性，檢測結果出現非甲烷總烴等超標時不能及時有效反映場地的無組織排放情況。而快速自檢儀器PID 讀數反映的是揮發性有機化合物和其他有毒氣體的濃度，區分不同化合物的能力比較差；只能通過讀數高低變化判斷現場的情況，沒有相應的執行標準。目前國家標準并沒有萘、多環芳烴部分組分的檢測指標，未針對上述污染物進行檢測。

表3 土壤污染物修復目標值與檢測最大值對比表 單位：mg/kg

3 改進方向

3.1 降低能耗

原位燃氣熱脫附技術主要依靠溫度來去除有機污染物，產熱的能耗是用來評估該技術的重要指標。杜玉吉等[10]發明了一種利用分布式能源的污染土壤原位熱修復系統和方法，通過使用燃氣內燃機所產生的高溫煙氣和電力對污染土壤進行原位加熱修復。程功弼等[11]發明了一種異位燃氣加熱抽提一體式熱脫附裝置，多個加熱抽提一體化井修復土壤區域的外周設有多個隔熱板，隔熱板上設有用于感應土壤溫度的溫度傳感器。李書鵬等[1]對比了國內外的工程案例，總結了3 種降低能耗的方式，包括分批次處理、耦合原位化學氧化技術、設置伴熱抽提管道。通過上述分析，在降低能耗方面可以進行異位燃氣加熱+原位抽提的工藝研究，通過設置燃燒爐燃燒高溫煙氣再通過分散送風的方式提高一次燃燒的熱效率，同時將與土壤換熱后的低溫煙氣與高溫煙氣進行混合，得到修復污染土地所需的熱煙氣再回到加熱井進行循環利用，抽提尾氣可考慮送入燃燒器中進行摻燒，或者在通過火炬燃燒后，預熱抽提尾氣來降低熱損耗節省一部分能量。

3.2 提高過程控制

針對大型原位修復場地的修復過程，如何保證裝置的運行穩定性，實現高效加熱與精準修復研究也是工程應用的一個重點研究方向。張學良等[6]提出運用原位熱脫附技術需將溫度和時間這兩個重要影響因素相結合，根據污染物種類和濃度，經過試驗得出最佳搭配方式后，再進行大面積的推廣。李書鵬等[1]提出通過開發原位熱脫附全過程熱傳導數值模擬及應用軟件，在輸入目標污染物沸點和溶解度、修復周期、加熱溫度、土工參數等現場條件即可得到加熱井間距、加熱井溫度及升溫速率等推薦值。原位熱脫附的能力和加熱溫度息息相關。而不同類型污染的土壤，對于熱脫附的溫度要求也不同，尤其是對于沸點較高的半揮發性污染物，需要的加熱溫度較高。設置合適的溫度目標，合理考慮共沸點效應下的運行溫度，避免過度加熱和修復；提高加熱原件的效率、優化地表的保溫層的設計和場地周邊阻隔層的設計都是重要的方向。關于場地的加熱時間，結合工程經驗的同時應該通過分析特征污染物的濃度變化曲線，來進一步判斷。

針對抽提尾氣不僅設置在線的PID 檢測，可在集中處理前設置采樣點，定期進行抽提尾氣的成分分析，跟蹤場地各項污染物的變化情況，進一步判斷加熱時間。

3.3 嚴格二次污染防控

原位燃氣熱脫附過程中的二次污染主要包括燃氣燃燒產生的廢氣、高濃度抽提廢氣、冷凝廢水以及廢氣廢水處理過程中產生的廢活性炭、含油污泥等。開發安全、高效、集成化的尾水尾氣處理系統是目前該技術工程應用的關鍵。針對廢氣的有組織排放，需要保證廢氣處理設施設備的穩定運行，保證達標排放；針對無組織排放的控制，仍然是相對薄弱的環節，需要通過做好前期地表的阻隔、過程中強化抽提控制、建立抽提控制強度與PID 檢測濃度的動態調節，提高檢測頻次等措施。

4 結語

我國燃氣熱脫附修復技術在污染場地應用尚處于起步階段，實際工程應用過程中存在熱脫附設施熱效率低、煙氣余熱未實現循環利用，工程實施過程中控制水平難以固化和提高；無組織排放控制難度大、針對特征污染物難以實現在線檢測等問題。

鑒于目前我國存有較多大型復雜的有機物污染場地的現實情況，且由于場地周邊條件、修復周期等多種因素影響，原位燃氣熱脫附技術在我國依然有較高的應用需求。節能降耗，減少二次污染，降低環境管理成本，最大程度上實現綠色可持續修復是該技術未來發展的核心。

為此，必須全面分析該技術的適用條件、加熱溫度、加熱周期、過程控制，通過煙氣循環、增加熱回收單元進行余熱利用等方式降低能耗。進而優化工程設計，研究能效高、過程控制精準、污染物排放可控的成套技術裝備。同時開展組合工藝的應用，包括燃氣熱脫附技術與生物修復、化學氧化等修復技術耦合聯用。在此基礎上結合我國污染地塊實際情況，發展快速高效、成本低廉、應用便捷、綠色可持續的原位燃氣熱處理修復技術。