化工廠原位熱脫附的綜合實驗教學設計

摘 要：本文以化工廠原位熱脫附為例，進行綜合性實驗設計，包括項目背景、實驗目標、教學設計與實施方案、實驗結果分析等內容。本文調研分析了土壤原位熱脫附技術的影響因素，設計出合理的方案，完成了實驗，并對土壤修復及二次污染處理效果進行了分析，對將工程實踐融入實驗教學進行了探究，鍛煉了學生的文獻調研能力、儀器及軟件使用能力，推動了具備實踐能力和創新能力人才的培養。實驗結果表明，原位熱脫附技術不僅能有效去除化工廠有機物，還能很好控制二次污染物的排放。

關鍵詞：綜合實驗；原位熱脫附；化工廠

中圖分類號：G642；X54" 文獻標識碼：A

目前，高校開設的實驗項目大多是驗證性實驗。不可否認驗證性實驗在提高低年級學生的實驗操作能力、原理的掌握等方面起著至關重要的作用［1］。但是大多學生缺乏思考，只是機械地重復預習報告中的實驗步驟，直接將實驗數據記錄在實驗報告中，缺乏運用專業知識分析及解決實際問題的能力。

環境污染問題是一個綜合性、交叉性問題，為解決此問題通常需要對各種修復工藝進行仔細分析和對比后選取合適的工藝方案，而且在工藝運行過程中也可能遇到各種各樣復雜的問題需要分析解決。這對環境類專業畢業生的專業知識的掌握能力、分析解決問題的能力、創新能力等提出較高要求。目前，實驗教學的教學效果遠達不到社會的要求。因此，將環境工程中的實際案例應用到實驗教學中具有創新性、實用性。本文以原位熱脫附技術在某退役化工廠中的運用為背景設計綜合實驗，旨在培養高年級環境專業學生使其在掌握基本實驗原理與核心操作技能的同時提高創新能力及解決實際問題的綜合能力。

1 項目背景

隨著城市的發展和產業的升級改造，某些大型城市周邊存在部分因化工廠搬遷及關閉留下的地塊。隨著城市的發展和擴建，這些地塊逐漸顯現，終將成為城市發展的絆腳石。國家頒發的《土壤環境保護和污染治理行動計劃》到《中華人民共和國土壤污染防治法》《建設用地土壤修復技術導則》等文件無不體現出國家對土壤環境的重視［23］。土壤修復是環境領域的熱點，已形成規?？捎^的市場空間，同時該領域的就業崗位存在大量缺口。開展原位熱脫附技術在某場地應用的綜合性實驗教學設計，能較好地培養學生與實際項目接軌的能力，無論是對未來的就業還是當下知識體系的應用都起著積極作用。

某退役溶劑廠土壤及地下水中關注的污染物分別為苯、氯苯、石油烴。其中，土壤中苯和氯苯的超標率分別達到15%和27%，苯的最高濃度為50mg/kg，氯苯的最高濃度為4000mg/kg。本次設計只以其中一片區域為研究對象，修復深度為0～18m。

2 實驗目標

2.1 文獻調研——完成方案設計

學生提供項目相關的基礎資料，包括項目的招標文件、地質勘測報告、場地調查報告、國內外已有類似項目的施工方案等。要求學生廣泛調研文獻資料從污染物性質、土層性質、土壤含水率等方面考慮場地修復的因素，完成實驗設計，從而提高學生的文獻調研能力與CAD、Surfer等計算機軟件的運用能力。

2.2 合作共贏——完成實驗

原位熱脫附系統包括四個系統：加熱系統、抽提系統、廢氣廢水處理系統、監測系統［4］。首先通過加熱系統讓土壤整體溫度上升至污染物的沸點以上，控制污染加熱時間及土壤上升溫度。在加熱過程中，土壤中的有機化合物及目標污染物會發生揮發和裂解等一系列的物理變化與化學變化。目標污染物在解吸之后，其流動性將大大提高。然后通過抽提系統收集和捕獲揮發出來的產物，目標污染物被從地面以下轉移至地面上，經氣體處理系統凈化處理，在監測系統檢測達標后排放［5］。該實驗周期長且工作量較大，需要各小組分工合作完成各個系統的運行及二次污染防治效果的分析，進而培養學生的合作能力、解決實際問題的綜合能力。

2.3 樣品檢測——效果分析

采集樣品后將其立即放置于0～4℃的冷藏箱中保存，并在48h以內送往實驗室測定。目標污染物苯、氯苯采用氣相色譜質譜聯用儀（GC-MS）測定，參照美國環境保護署（USEPA）的相應分析方法執行；石油類污染物采用紅外光度法測定?；诳蒲谐晒臉悠凡杉胺治霏h節，可引導學生在分析樣品的過程中逐步基本儀器使用能力及分析實驗數據、反饋實驗結果的能力。

3 教學設計與實施方案

傳統的實驗教學大多是課前抄寫預習報告，課中教師講解實驗原理并示范實驗步驟、學生自己實驗并處理數據等。學生在實驗中機械操作，沒有調動主觀能動性，只是為了完成學習任務。學生缺乏興趣，態度不夠嚴謹，沒能將所學知識融會貫通，更無法做到各學科間的知識交叉與創新實踐。本實驗摒棄原有實驗教學模式，將課程實驗和教師科研項目相融合，明確學生作為實驗主體，教師從旁指導并給出意見；學生自主設計實驗方案，獨立完成實驗操作、數據處理及分析全過程，把科研思維植入實驗過程中，培養學生的創新及解決實際問題的能力。

3.1 分析污染物性質確定加熱溫度

本項目原位熱解吸區域內目標污染物為苯、氯苯等。要求學生通過查閱文獻分析選擇合適的加熱溫度。污染物的沸點、飽和蒸氣壓直接影響原位熱解吸的目標溫度。污染物的性質如表1所示。

3.2 分析土壤性質確定加熱井間距

本場地各土層可分為5個工程地質層，9個工程地質亞層，具體見表2。

調查表明，場地淺層地下水埋深為地下1m，含水層厚度為4m，由北向南流經場地；深層含水層頂板埋深為9m，含水層厚度為8m，由東北向西南流經場地。該地塊0～-2.4m為黏土或雜填土；-2.4～-15.6m為黏土或粉質黏土、偶有粉土，黏土大部分為密實黏土；-9m以上硬度較大，有藍灰色片層；-9～-15m土壤含水率較高，包含飽和粉質黏土，并且在樣品采集過程中發現有類似油狀物質滲出，氣味較重；15.6～-18.0m為粉質黏土或粉土。土壤-2.4m以上土壤為雜色填土，向下至-7～-8m處為棕黃色，再向下至-18m處為灰色。

分析場地土層性質可知，原位熱解吸技術對應區域為粉質黏土層、粉土夾粉砂層。不同的場地土層性質，直接影響電加熱井的加熱半徑，進而影響電加熱井的布設間距。根據文獻資料，電加熱井在黏土地質情況下的影響半徑約以4m計。

3.3 完成方案設計

本實驗采用原位電流加熱熱脫附進行處置。本實驗通過校企合作，在某污染場地修復現場完成。實驗區域大小為20m×20m，共設有20口18m深電極井，各電極井間距設置為4m，鉆孔直徑為300mm，井孔內填充專利性導電物質。每個電極井加熱電壓為40V，加熱功率為30kW，其能源利用效率超過80%，分為三段電極單獨控制，每段電極分別對0～6m，6～12m，12～18m深度污染土壤進行加熱，加熱最高溫度超過100℃。

原位熱解吸方案設計過程中需考慮諸多影響因素，包括修復方案的技術要求、目標污染物性質、場地土層性質、土壤含水率、升/降溫時間等，應科學合理地分析技術方案設計的影響因素。要較好地完成設計工作不僅要求學生熟練掌握所學“水文地質學”“環境工程原理”“環境化學”“環境土壤學”等課程內容，還要求學生具備資料調研、文獻閱讀、CAD制圖等基本科研能力。

4 實驗結果分析

4.1 溫升分析

原位熱解吸常見工藝為電阻熱解吸及熱傳導熱解吸。電阻熱解吸是利用土壤和地下水的導電性，通過電流對土壤和地下水加熱，從而加熱土壤和地下水中的污染物［6］；而熱傳導熱解吸是利用加熱棒通過熱傳導方式將熱量傳遞給土壤使土壤溫度上升，進而去除有機污染物。本次實驗對兩塊試驗田分別進行電阻熱解吸及熱傳導熱解吸，以比較兩個方案的優缺點。兩塊試驗田的溫度上升情況如圖1所示。

圖1 兩種原位熱解吸工藝溫升圖

由圖1可知，兩塊試驗田的溫度穩步上升趨勢良好，均在大約20周的時候達到了100℃左右，這表明電阻熱解吸及熱傳導熱解吸前期的加熱效果區別不大。根據相關研究熱傳導熱解吸在一直加熱的情況下最終能使土壤溫度超過500℃，而電阻熱解吸一般穩定在130℃左右。電阻加熱熱脫附技術具有以下特點：（1）整個修復系統的運行不需要進行降水，便于施工和運營管理；（2）加熱均勻，溫度可控，加熱溫度一般不超過水的沸點，對土壤結構破壞小，可處理建（構）筑物下被污染的土壤。綜合考慮本項目污染物的特點及耗能等多方面因素，后續實驗選用電阻熱解吸工藝。

本項目共對受污染土壤加熱了140天，加熱期間對土壤深度-2～-18m處每隔2m設置一個溫度傳感器，對整個場地溫度進行監控，得到如圖2所示示意圖。

由圖2可知，整個場區的溫度隨著加熱時間的增加逐漸上升，最后呈現出中間層土壤溫度高于上層與低層土壤溫度的現象。造成這種現象的原因可能是上層土壤孔隙率較高且表層與對流層接觸、存在空氣流動，因此散熱較快，而深層土壤由于初始溫度較低且含水量可能較高，其溫度上升速率較慢。

4.2 修復效果分析

根據采樣檢測結果可知在修復之前石油烴、氯苯及苯的最高濃度分別為17300mg/kg、491mg/kg、15mg/kg（見表3），分別超過土壤風險控制值（基于保護人體健康）27倍、245.5倍、100倍，表明該場地污染嚴重不利于被運用。而經過原位熱修復以后，分別于第20周、"""""" 第24周、第28周、第32周的采樣檢測均低于風險控制值，見表4，達標率為100%，說明原位熱脫附技術對退役溶劑廠的土壤修復效果顯著。

4.3 二次污染防治效果分析

二次污染防治效果不好一直是制約污染場地修復技術的因素之一。本試驗在修復污染土壤的同時檢測了廠區的空氣質量，以及佐證原位熱脫附技術在控制廢氣排放方面的優越性。場地四周及場地內共設置5個大氣取樣點，具體檢測方案見表5。整個修復周期共完成63次大氣檢測，發現共有7次污染物超標。針對這7次超標對試驗區進行排查，發現在加熱過程中部分加熱井硬化，這表明出現開裂現象。在進行及時修補后再次檢測，結果均達標。檢測結果表明原位熱脫附技術能較好地控制二次污染物的排放。

結論

本實驗將教師科研項目與學生實驗相融合，把環境工程原理中的傳熱學知識應用到有機污染場地修復工程設計中。從場地修復工程設計到加熱方式選擇，最后到修復效果分析，整個過程中學生自主展開調研，查閱文獻，完成設計方案、分析數據并做出實驗調整，教師只從旁進行指導和給出意見。這不僅培養了學生的計算機運用能力以及實驗操作能力，還在校企合作過程中培養了學生溝通能力。本實驗結合了理論與實踐，融合了各學科的知識，使學生的綜合實驗能力得到了提高。

參考文獻：

［1］白藍，劉媛.基于科研成果的綜合性創新實驗教學設計［J］.實驗室研究與探索，2019，38（11）：179182，222.

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［3］李玉萍，樊寶云，董康冉，等.熱脫附修復石油烴污染土壤室內試驗研究［J］.環境工程，2024，42（4）：242249.

［4］王勇，陳日，高月昆，等.天津某復雜有機污染地塊原位熱脫附修復技術中試研究［J］.環境污染與防治，2023，45（4）：458463.

［5］范婷婷，靳德成，劉鵬，等.原位熱脫附能效評價方法構建及應用研究［J］.生態與農村環境學報，2023，39（9）：12131220.

［6］姜春旭，馮俊小，黃顯模，等.基于原位熱脫附技術修復污染土壤的加熱井數值優化［J］.環境工程，2023，41（3）：163171.

基金項目：馬鞍山學院校級科重點科研項目：電加熱原位熱脫附在化工污染場地的修復研究（QS2022007）；馬鞍山學院教育教學改革研究項目：新工科背景下非環境專業環境工程概論公選課改革與實踐（202322）；安徽省高?？蒲兄攸c項目：耐饑餓型低COD降解菌株篩選技術研究（2024AH051779）

作者簡介：葉志成（1992— ），男，漢族，安徽東至人，碩士研究生，講師，工程師，研究方向為固體廢物處置及資源化。