原位熱脫附技術在有機污染地塊中的修復效果研究

胡 正，沈 青

（1.北辰（上海）環境科技有限公司，上海 200030：2.中船第九設計研究院工程有限公司，上海 200090）

0 引言

土壤污染是人類密切關注的一個問題，調查顯示，我國的土壤總體超標率達到16.1%[1]，污染場地類型涵蓋工業用地、農業用地及耕地，主要污染物為無機污染與有機污染，其中有機污染是土壤污染重要的組成部分，主要包括有機農藥、多環芳烴（PAHS）、石油類、合成洗滌劑、酚類等污染，整體污染狀況不容樂觀[2-3]。有機污染物極具隱蔽性和積累性，可通過食物鏈在動植物體內傳遞，遷移能力強，生物毒性大[4]，可直接進入人體，破壞人體正常的生理機能，導致疾病產生，嚴重危害人類身體健康[5]。

目前，常見的有機污染土壤去除方法有物理法、化學法和生物法[6]，物理法中應用較多的是熱脫附技術和氣相抽提技術，其中熱脫附技術[7-9]適用于低滲透性和污染深度較深的土壤[10-11]，具有修復范圍廣、處理效率高等優點。該技術主要通過將土壤中有機污染物加熱至沸點后蒸發出來，再通過分離和收集后，對氣體污染物集中處理，修復完成后的土壤可以再次利用，是一種具有廣闊前景的修復技術[12]。

1 材料與方法

1.1 項目概況

修復地塊位于我國北方某廢棄焦化廠區內，原焦化廠曾生產苯、萘、酚、瀝青等20 余種化工產品，現已停產搬遷。場地調查結果顯示，地塊主要污染物為有機物污染，包括萘、苯并（a）芘和總石油烴等污染，修復地塊面積913.2 m2，污染深度8.0 m，修復土方量7 305.9 m3。具體污染狀況及修復目標值見表1。

表1 污染物濃度及修復目標 mg·kg－1

地質勘察結果顯示，地塊分為人工填土層、輕亞粘土層、卵石層、砂巖層4個土層，見表2。淺層地下水埋深在55～60 m 左右，含水層單層厚度較大，巖性以礫石、卵石為主，累計厚30 m 左右，滲透系數500～600 m/d，深層地下水埋深60～110 m，含水層巖性為礫卵石、砂礫石，累計厚40 m 左右，滲透系數300～600 m/d。

表2 土層分布

該地塊未來用途規劃為公共設施用地，針對地塊內污染物類別、地層性質及地下水埋深情況，結合經濟效益、修復效果等綜合因素，選擇燃氣熱脫附工藝去除地塊中污染物。

1.2 熱脫附工藝介紹

原位燃氣熱脫附系統由供電供氣系統、加熱系統、抽提系統、地面隔熱系統、尾水尾氣處理系統與監測系統組成。熱脫附工藝修復系統見圖1。首先，燃氣燃燒產生的高溫氣體從燃燒器進入加熱內管，在離心風機的作用下自下而上在內外管循環流動，管內溫度不斷升高，通過熱傳導使土壤溫度不斷升高，揮發性污染物和水分受熱成氣態被蒸發出來，再經抽提系統抽到地面收集，抽出的氣體和液體經過冷凝和氣液分離系統分開，分別經過處理后達標排放。在系統運行過程中，通過監測系統實時監控，根據監測數據調控運行狀況，確保加熱過程持續穩定運行。

圖1 熱脫附工藝修復系統示意

1.3 井位布設

土壤加熱溫度與加熱井間距有關，加熱井間距較近時，土壤加熱更充分，但加熱井間距過近時，加熱區域重疊，會造成能源的浪費[13]，本次修復加熱井間距為2.0～2.5 m，以等邊三角形排列為1 個單元。每3 口加熱井之間布設1 口抽提井，抽提井表面包裹不銹鋼鋼絲網，防止抽提井被土壤物質堵塞和腐蝕。監測井均勻布設在加熱單元的中心，設定監測深度為－1.0，－4.5 和－8.0 m，對地塊土壤壓力和土壤溫度進行實時監測。本次修復場地共設置169 個加熱井，44 個抽提井，4 個溫度監測井和4 個壓力檢測井。井位布置見圖2。

圖2 井位布設

1.4 目標溫度

溫度是影響熱脫附去除效率的重要因素。研究顯示，當溫度達到目標污染物沸點時，可以有效去除污染物，溫度越高，去除效率越高[14]。本次修復萘、苯并(a)芘和多環芳烴等目標污染物為半揮發有機污染（SVOCs），沸點在170～350℃范圍內，綜合污染物特征和經濟效益，為保證修復質量，設定本次修復目標溫度為350℃。

1.5 采樣分析

根據HJ 25.5 —2018 《污染地塊風險管控與土壤修復效果評估技術導則（試行）》，本次修復面積912 m2，采用系統布點法共布設4 個采樣點位，每個點位設置5 個采樣深度，分別為－0.2，－1.5，－3.0，－5.0和－8.0 m。具體采樣點布設見圖3。樣品采集完成后置于－4℃冷藏箱保存，48 h 送檢測實驗室測定。

圖3 采樣點布設

2 結果與分析

2.1 溫度曲線

原位熱脫附系統運行穩定，能持續加熱保證地塊內溫度正常緩慢升高達到目標溫度，使土壤中污染物能夠有效的氣化分離。根據原位熱脫附系統中的溫度監測系統監測結果繪制溫度曲線見圖4。由圖4可以看出，修復過程中土壤升溫主要有3 個階段。

圖4 溫度曲線

緩慢升溫階段：土壤溫度上升較緩，加熱升溫至100℃，大量水汽蒸發；快速上升階段：土壤水氣蒸發完成，穩定加熱至目標溫度；穩定加熱階段：持續加熱保持目標溫度穩定。

3 個深度整體升溫趨勢保持一致，－4.5 m 深度溫度升高速率較－1.0，－8.0 m 處快，主要是因為表層土壤（－1.0 m）較深層土壤更易與外界產生熱交換，深層土壤（－8.0 m）距離燃燒器較遠，因此升溫過程相對滯后。

運行過程中，應根據不同的升溫階段來控制燃燒火力大小，保持土壤溫度有規律的上升，節約資源，防止火力過大增加經濟成本。

2.2 燃燒尾氣

燃燒廢氣通過離心風機抽至煙囪排放，煙囪排放口處安裝監控探頭 （包括CO，NOx和SO2監測探頭以及粉塵監測儀等）實時在線監測顆粒物、CO、NOx和SO2排放濃度，見表3。

表3 燃燒器尾氣排放

由表3可知，SO2，NOx，CO 等尾氣排放濃度均小于北京市地方標準DB 11/501—2017《大氣污染物綜合排放標準》排放限值[15]，說明燃氣燃燒充分，運行穩定。修復過程中排煙溫度在60～160℃范圍，排煙初始溫度＞300℃，熱損耗較大，有較大的的利用空間，后續設計可針對性的增加熱利用設備，提高天然氣熱利用效率。目前國內外對中高溫煙氣余熱回收技術利用比較成熟[16－17]，后續可以與熱脫附項目結合起來，提升整體經濟效益。

2.3 污染物質量分數

修復后各采樣點污染物質量分數見表4。

表4 修復后各采樣點污染物質量分數 mg·g－1

經過原位燃氣熱脫附工藝修復后的土壤，各深度萘、苯并(a)芘的檢出質量分數≤0.8 mg/kg，總石油烴檢出質量分數≤96 mg/kg，均遠小于污染物修復目標值，符合GB 36600—2018《土壤環境質量建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》中建設用地二類用地標準，修復效果較好，滿足后續規劃開發要求。

2.4 影響因素探究

熱脫附修復效果取決于土壤性質、加熱時間等因素[18-20]。結合本研究結果，分析這些因素對修復效果的影響。

（1）土壤性質

不同的場地土壤具有不同的性質，其土壤的滲透性、含水率等均會影響熱脫附的修復效率。在滲透性方面，滲透性高的土壤污染物更易被抽提出來，熱脫附效率高。一般來說，砂土、粉土比黏土滲透性更好[21]。含水率方面，土壤水分在蒸發時會吸收大量熱，對土壤的升溫速率會有較大影響，影響整體土壤的升溫時間。土壤含水率還會影響土壤的通透性，限制空氣的流動路徑，從而影響有機污染物的揮發效率。研究表明，含水率過高或過低均不利于熱脫附的去除效率[22]。含水率過高需要加熱大量的水，能量消耗較大；含水率過低，不利于熱傳導，熱損失較快[23]。

（2）加熱時間和溫度

溫度和加熱時間是影響熱脫附效率的重要因素，一般來說，溫度越高，加熱時間越長，熱脫附效果越好[24]。溫度在熱脫附過程中呈階段性上升趨勢，緩慢升溫階段，溫度是影響熱脫附去除效果的主要因素；穩定加熱階段，加熱時間是主要因素。當溫度達到目標污染物沸點并保持穩定。加熱時間越長，熱脫附效率越高，加熱溫度超過污染物沸點后，提高溫度對熱脫附的去除效率影響不大。實際運行中，溫度和加熱時間應結合起來，根據目標污染物狀況，設置合理的目標溫度，控制各階段的加熱時間，保證修復效果的同時盡可能節約資源[25-26]。

3 結論

（1）熱脫附法對有機污染土壤有良好的去除效果，修復后萘、苯并(a)芘的檢出質量分數≤0.8 mg/kg，總石油烴檢出質量分數≤96 mg/kg，遠小于污染物修復目標值，修復效果較好。

（2）熱脫附升溫過程穩定，具有一定的階段性，可分為緩慢、快速和穩定加熱階段。中層土壤（-4.5 m）相較于表層土壤（-1.0 m）和深層土壤（-8.0 m）升溫過程更加快速。

（3）運行過程尾氣排放正常，符合地方大氣污染排放標準。排放熱損耗較大，后續工程實踐中可在保證經濟和處理效率的基礎上增加熱利用設施，提高燃氣的利用率。

（4）土壤性質、溫度、加熱時間是影響熱脫附效率的重要因素。土壤滲透性高，污染物更容易被抽提去除；含水率過高過低不利于熱脫附效果，含水率過高，能量消耗較大，含水率過低，熱損失較快；溫度在熱脫附過程中呈階段性上升趨勢，緩慢升溫階段，溫度是影響熱脫附去除效果的主要因素：穩定加熱階段，加熱時間是影響熱脫附去除效果主要因素。