多環芳烴類有機污染場地原位電熱脫附修復工程實例

謝炳坤，韓 進，李書鵬，2，曾 俊，奚龍晶，籍龍杰，2

（1. 北京建工環境修復股份有限公司，北京 100015；2. 污染場地安全修復技術國家工程實驗室，北京 100015）

近年來，在城市污染企業搬遷后遺留、遺棄的工業污染場地中，多環芳烴（PAHs）等典型有機污染物被高頻率檢出。PAHs是一類廣泛存在于各類環境介質中的持久性有機污染物，具有較高的致癌、致畸、致突變性和較強的生物毒性［1］。隨著《土壤污染防治行動計劃》和《土壤污染防治法》的頒布，PAHs污染土壤的修復工作亟待進一步加強［2］。

常用的PAHs污染土壤修復方法有生物修復、化學氧化和熱脫附等［3］。受限于嚴苛的修復目標值和修復時限，采用熱脫附技術時通常采取異位修復［4］。原位電熱脫附技術作為一種新型的土壤修復技術，具有廣譜、高效、無二次污染等優點，有待推廣應用。

本工作采用原位電熱脫附技術對華東某PAHs污染場地進行修復，介紹了修復工程的場地污染情況、工程設計概況、運行管理情況及修復效果，為該技術在PAHs污染場地的工程應用提供借鑒。

1 場地污染情況

該場地PAHs污染物包括二苯并［a，h］蒽、苯并［a］芘、苯并［a］蒽、苯并［b］熒蒽、苯并［k］熒蒽、菲、萘、芘、等，主要污染物含量見表1。

表1 待修復場地主要PAHs含量

由表1可知，該場地的PAHs污染物大都為高沸點、難降解的有機污染物，沸點大都在300 ℃以上，不易揮發。該場地PAHs含量較高，其中苯并［b］熒蒽超標940倍。

2 原位電熱脫附技術的原理

原位熱脫附技術（in-situ thermal desorption，ISTD）是通過對土壤加熱，促使有機污染物揮發，由固相、液相向氣相轉化，進而借助氣相抽提系統形成的負壓對其進一步收集并去除［5］。

根據能量傳遞方式的不同，ISTD可分為熱傳導（thermal conductive heating，TCH）、蒸汽/熱空氣注入（steam/air injection，SAI）、電阻加熱（electrical resistive heating，ERH）和射頻加熱（radio frequency heating，RFH）等［6］。原位電熱脫附屬于熱傳導的一種，是在污染場地中建設一定間距的豎直加熱井，在加熱井中布置電加熱棒，電加熱棒通過電流作用產生熱量，運行溫度控制在600～700 ℃，通過熱傳導的作用伴隨著真空抽提，揮發性、半揮發性和難揮發性有機污染物將通過蒸發、蒸餾、沸騰、氧化和高溫分解等過程揮發或被降解［7］。

3 工程設計概況

3.1 工程規模

污染土壤位于華東某退役化工場地，污染面積為4 996 m2，污染深度為6 m，污染總土方量29 976 m3。

3.2 工藝流程

原位電熱脫附工藝技術示意圖見圖1。原位電熱脫附系統由加熱-抽提系統、尾氣處理系統、廢水處理系統、電力分配系統等構成。

圖1 原位電熱脫附工藝技術示意圖

3.3 加熱-抽提系統設計

加熱井由電加熱棒和套管（無縫碳素鋼管）組成，結構示意圖見圖2。電加熱棒功率1.3 kW/m，工作溫度700 ℃，額定電壓380 V。

圖2 加熱井結構示意圖

加熱-抽提系統布井方式示意圖見圖3。加熱井按照等邊三角形布設，確保加熱井傳熱區域均勻覆蓋污染區，并盡量減少重疊。加熱井的間距為2.5 m。

圖3 加熱-抽提系統布井方式示意圖

抽提井采用DN100無縫碳素鋼管，每根管長度為9.8 m（其中處理地面以上0.8 m，地面以下9.0 m），進行均勻布設，由開篩段（透水層）、非開篩段、沉淀段組成。由上而下，非開篩段1.8 m，開篩段7.5 m，沉淀段0.5 m。加熱井和抽提井的數量比值約為4∶1。在加熱井和抽提井附近設置測溫井和測壓井。加熱井與測溫井的數量比值約為10∶1，抽提井與測壓井的數量比值約為10∶1。

3.4 廢氣處理系統設計

廢氣處理系統采用“噴淋除塵+氣體冷凝+活性炭吸附”處理工藝。廢氣處理工藝流程圖見圖4。廢氣先進入噴淋塔以去除氣體中的顆粒物，再進入氣水換熱器，通過冷卻水的冷凝作用將高溫廢氣中的污染物冷卻為液體，冷凝后的廢氣通過真空風機進入活性炭吸附單元，凈化后的氣體經過煙囪排入大氣。氣水分離器后產生的廢液進入廢水處理單元，氣水換熱器的冷卻水回冷卻塔經過風冷后循環使用。

圖4 廢氣處理工藝流程圖

該系統的廢氣處理能力為2 000～4 000 Nm3/h，進口溫度為90～120 ℃。

3.5 廢水處理系統設計

廢水處理工藝流程圖見圖5。廢水處理能力為10 t/h。廢水統一收集至集水池，在酸調節池中將廢水pH調至2～3，進入化學氧化池，通過芬頓試劑的強氧化作用將廢水中的有機污染物氧化降解成CO2、H2O及其他無害無機鹽，在堿調節池中將廢水pH調至7～8后進入混凝沉淀池，在聚合氯化鋁（PAC）和聚丙烯酰胺（PAM）的作用下絮凝沉淀水中的懸浮物，經過石英砂過濾器和活性炭吸附器的進一步過濾作用后進入清水池，清水池中的污水經過檢測水質達到《污水排入城鎮下水道水質標準》（GB/T 31962—2015）［8］的指標后排入市政污水管網。廢水處理系統產生的污泥經脫水干化后送至危廢處置單元進行處置。

圖5 廢水處理工藝流程圖

3.6 輔助系統設計

3.6.1 止水帷幕設計

為防止修復區域周邊地下水對原位電加熱效果產生影響，在距離修復區域邊界3 m處設置密閉止水帷幕（水泥土墻），見圖1。止水帷幕深9.0 m，厚度為80 cm。

3.6.2 地表保溫層設計

為降低原位電加熱運行后地表散熱帶來的熱量損失，在地表鋪設厚度約為600 mm的保溫層，由上而下，采用100 mmC20抗滲混凝土+400 mm泡沫混凝土+100 mm黃沙構成，見圖2。C20抗滲混凝土（抗滲等級p4）施工過程中加入抗裂纖維（鋼筋網片），防熱脹冷縮的地表切縫用環氧樹脂填充。泡沫混凝土設計干密度500 kg/m3，導熱系數為0.10～0.12 W/（m·K），抗壓強度1.8 MPa。黃沙粒徑為1～2 mm。

3.7 場地土壤溫度監測設計

土壤溫度是原位電熱脫附的重要運行參數。距離加熱井越近，土壤溫度越高。加熱井構成的正三角形中心位置為土壤溫度最低點，故測溫井設置在此。通過在測溫井內設置K型熱電偶進行溫度測量，測溫井的測溫信號直接通過信號線接入可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）采集模塊讀取。

場地測溫井布置圖見圖6。從場地的34個測溫井中選擇有代表性的6個測溫點3#點位、13#點位、18#點位、19#點位、24#點和26#點位進行土壤溫度溫升分析。因地表散熱的影響，表層土壤的溫度低于深層土壤的溫度，故每個測溫井的測溫探頭設置在距離地表保溫層表面1.5 m處（修復地面地下0.9 m處）。

圖6 場地測溫井布置圖

3.8 樣品的采集和檢測

根據《土壤環境監測技術規范》（HJ/T 166—2004）［9］，采用Geoprobe 7822DT型直推式土壤采樣鉆機（美國Geoprobe公司制造）采樣后，立即密封保存采樣管，然后將采樣管置于制冷的空調房間進行冷卻，第二天進行土壤樣品的分樣、裝瓶，樣品制備完成后置于冷藏箱中0～4 ℃保存，并在48 h內送至具有中國計量認證（CMA）資質的專業檢測機構。采用《土壤和沉積物 半揮發性有機物的測定 氣相色譜-質譜法》（HJ 834—2017）［10］檢測目標污染物的含量。

4 工程的運行管理

當土壤溫度超過200℃后，混凝土表面易產生裂縫，影響電加熱的保溫效果，造成能量損失。對于原位電熱脫附技術，場地土壤升溫能耗是該技術能否可持續用于土壤修復的考慮重點［11-14］。本工程在表層混凝土澆筑過程中加入鋼筋網片以增強表層混凝土的抗裂能力，當表層混凝土出現裂縫時及時用耐高溫密封膠對裂縫進行填充，防止土壤中熱量的損失，降低加熱能耗。

在原位電熱脫附中，氣體抽提流量直接影響熱脫附的效果［15］，因此需重點關注氣體流量的變化。當氣體流量明顯下降時，需檢查抽提管道是否堵塞，特別是抽提風機進風口濾網是否堵塞，保證風機處于正常工況。

5 修復效果

5.1 土壤溫升曲線分析

場地內有代表性的6個測溫井的土壤溫升曲線見圖7。由圖7可見：因各區域土壤的含水率不同，散熱導致熱量損失的程度也不同，故各測溫點土壤溫升速率存在差異，經過40～70 d原位電加熱運行后，土壤溫度均達到110 ℃；在后續的100～150 d內土壤溫度一直停留在110～120 ℃，這是因為土壤中的毛細水等未去除完全；當土壤中水分完全去除后，土壤溫度快速升高，在加熱時間到達250 d后，土壤溫度均到達300 ℃以上。

圖7 場地內有代表性的6個測溫井的土壤溫升曲線

由圖7還可知，邊界點位3#、18#、26#的土壤升溫速率較加熱區域中心點位13#、19#、24#慢，最后到達的溫度也更低，這是因為邊界點位土壤散熱更多，因而可以在邊界區域布置較中心區域更為密集的電加熱棒。

5.2 污染物去除效果分析

電熱脫附修復工程運行約250 d后，場地內主要PAHs的實測值見表2，各PAHs的去除率均達到99.99%以上，修復后土壤中PAHs濃度低于修復目標值。各PAHs的沸點大都在400 ℃以上，個別的達到了500 ℃以上，但在土壤溫度達到300 ℃時PAHs均得到有效去除，這是因為共沸現象的存在［16］。在原位電熱脫附布置設計時，應充分考慮污染物共沸現象，避免設置過高的目標加熱溫度，以減少能耗，節約成本。

表2 修復后主要PAHs的實測值

苯并［a］芘去除率隨加熱時間的變化見圖8。由圖8可見：場地加熱60 d后雖然場地土壤整體溫度不高，但在電加熱棒附近土壤溫度較高，在氣體抽提作用下，土壤中少量苯并［a］芘被去除；在場地加熱180 d后，隨著場地大部分區域土壤溫度升至300 ℃以上，在高溫及氣體抽提作用下，苯并［a］芘去除率達90%以上；加熱250 d后，場地土壤溫度均到達300 ℃以上，苯并［a］芘去除率達到99.99%，去除效果顯著。

圖8 苯并［a］芘去除率隨場地加熱時間的變化

5.3 修復技術優勢分析

項目場地附近有居民小區，周邊敏感點較多。若產生的污染物不能被高效去除，大量有毒有害物質將擴散到空氣中，有產生二次污染的風險，容易發生嚴重的異味擾民問題［17］，二次污染的負面效應甚至可能超過修復本身帶來的正面效應［18］。

本工程運行期間場地無明顯異味，周邊居民無投訴。

6 結論

a）原位電熱脫附對高沸點、難降解的PAHs污染物具有良好的去除效果，電加熱250 d后的土壤溫度整體到達300 ℃以上，各PAHs的去除率均達到99.99%以上，修復后土壤中PAHs濃度低于修復目標值。

b）修復邊界區域土壤的升溫速率不及中心區域，可在邊界區域布置更為密集的加熱棒以縮短整體加熱時間。

c）通過添加鋼筋網片及裂縫及時用高溫密封膠填充可降低地表保溫層裂縫影響。需檢查抽提管道是否堵塞，特別是抽提風機進風口濾網是否堵塞，保證風機處于正常工況。

d）原位電熱脫附工程運行期間，場地無明顯異味。