熱脫附技術(shù)在化工廠污染土壤修復(fù)中的工程應(yīng)用

徐飛 沈婷婷

摘 ? ? ?要： 熱脫附技術(shù)用于修復(fù)土壤有機(jī)污染通常具有較好的效果，但對(duì)于高濃度有機(jī)污染場(chǎng)地的土壤修復(fù)，其在國(guó)內(nèi)成功應(yīng)用的案例還不多見。以異位熱脫附技術(shù)修復(fù)某化工廠多環(huán)芳烴污染土壤為例，通過中試試驗(yàn)，確定了土壤含水率、熱脫附溫度、停留時(shí)間等影響熱脫附效率的工藝參數(shù)。中試結(jié)果表明，在土壤含水率為25%、熱脫附溫度為550 ℃、停留時(shí)間為30 min時(shí)，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(fù)目標(biāo)要求?？梢?，異位熱脫附技術(shù)可有效修復(fù)高濃度有機(jī)污染土壤。

關(guān) ?鍵 ?詞：熱脫附;高濃度有機(jī)污染;污染土壤;修復(fù)

中圖分類號(hào)：X53 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ?文章編號(hào)： 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(zhì)之一，良好的土壤環(huán)境質(zhì)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(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的需求，眾多工業(yè)企業(yè)實(shí)行了關(guān)停、搬遷，其遺留場(chǎng)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(jī)物、半揮發(fā)性有機(jī)物、總石油烴和農(nóng)藥等各種類型。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)關(guān)停、搬遷的企業(yè)總數(shù)超過10萬，而對(duì)其中污染嚴(yán)重的場(chǎng)地進(jìn)行修復(fù)已顯得尤為迫切[1，2]。

熱脫附技術(shù)作為土壤修復(fù)技術(shù)中的一項(xiàng)重要技術(shù)，針對(duì)有機(jī)污染場(chǎng)地的土壤修復(fù)通常具有較好的效果。按照處置地點(diǎn)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?zé)崦摳胶透邷責(zé)崦摳?。異位熱脫附技術(shù)采用間接的方式加熱土壤，利用熱傳導(dǎo)使土壤中的有機(jī)污染物蒸發(fā)并與土壤介質(zhì)相分離。在國(guó)內(nèi)，針對(duì)高濃度有機(jī)污染場(chǎng)地的土壤修復(fù)，采用異位高溫?zé)崦摳叫迯?fù)技術(shù)成功修復(fù)的案例還不多見[3-6]。

本文旨在通過某高濃度有機(jī)污染場(chǎng)地土壤異位高溫?zé)崦摳降某晒?shí)施案例，分析影響異位高溫?zé)崦摳郊夹g(shù)修復(fù)效果的因素及工程應(yīng)用的各項(xiàng)工藝控制參數(shù)，為該技術(shù)的推廣、應(yīng)用提供技術(shù)支撐和積累實(shí)施經(jīng)驗(yàn)。

1 ?場(chǎng)地條件

1.1 ?地層條件

某化工廠搬遷后的場(chǎng)地環(huán)境調(diào)查結(jié)果顯示，場(chǎng)地土壤中存在有機(jī)污染，主要為多環(huán)芳烴類的半揮發(fā)性有機(jī)物，對(duì)人體健康產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)水平不可接受，需要開展修復(fù)治理工作。

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

1.2 ?場(chǎng)地污染特征

場(chǎng)地土壤中的目標(biāo)污染物為多環(huán)芳烴類的半揮發(fā)性有機(jī)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(biāo)倍數(shù)大，對(duì)淺部土層（0～4 m）造成嚴(yán)重污染（表2-3）。

2 ?異位高溫?zé)崦摳郊夹g(shù)概述

由于本場(chǎng)地污染土壤具有有機(jī)污染程度高和污染組分沸點(diǎn)高的特點(diǎn)，化學(xué)氧化和原位熱脫附修復(fù)技術(shù)難以滿足修復(fù)要求。

異位熱脫附技術(shù)是將污染土開挖、轉(zhuǎn)運(yùn)至異位修復(fù)區(qū)，經(jīng)過預(yù)處理后，通過間接加熱的形式，把污染土壤加熱至污染有機(jī)物沸點(diǎn)以上的溫度，并在此溫度下停留足夠時(shí)間，以確保污染土壤中的有機(jī)污染物、水分等轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)從土壤中分離出來，從而達(dá)到污染土壤的修復(fù)治理[7，8]。與原位熱脫附技術(shù)相比，異位熱脫附具備以下優(yōu)勢(shì)：對(duì)污染土滲透性或異質(zhì)性的適用范圍寬;污染土的加熱溫度高，對(duì)高沸點(diǎn)有機(jī)物的去除效果好;修復(fù)時(shí)間短，效率高。按照加熱方式分類，異位熱脫附技術(shù)主要包括電加熱、燃?xì)饧訜岷腿加图訜醄9，10]。

本次修復(fù)采用燃?xì)饧訜嵝问降漠愇桓邷責(zé)崦摳叫迯?fù)技術(shù)，相比其他加熱方式，燃?xì)饧訜峋哂屑訜釡囟雀?、能?燃料形式靈活且成本相對(duì)較低等特點(diǎn)，適用于目標(biāo)污染物沸點(diǎn)高（>400 ℃）且有機(jī)污染嚴(yán)重的場(chǎng)地。

3 ?現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)中試試驗(yàn)

3.1 ?含水率變化對(duì)目標(biāo)污染物去除效果的影響

3.1.1 ?試驗(yàn)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(diào)節(jié)含水率，分別設(shè)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(shí)間固定為30 min。

3.1.2 ?結(jié)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(xiàn)降低趨勢(shì)。總體而言，含水率變化對(duì)目標(biāo)污染物熱脫附效率的影響不顯著，但過高的含水率會(huì)造成處理成本上升。

3.2 ?溫度變化對(duì)目標(biāo)污染物去除效果的影響

3.2.1 ?試驗(yàn)條件

供試污染土含水率統(tǒng)一調(diào)至25%，停留時(shí)間固定為30 min。根據(jù)待脫附目標(biāo)污染物沸點(diǎn)的高低，設(shè)置400、450、500和550 ℃ 4種熱脫附溫度。

3.2.2 ?結(jié)果及分析

從圖3可以看出，熱脫附溫度對(duì)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(dāng)溫度為400 ℃時(shí)，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(shí)，三者的脫附率均達(dá)到99%以上。因蒽的沸點(diǎn)相對(duì)較低，400 ℃時(shí)，其脫附率已達(dá)97.6%，至550 ℃時(shí)，其脫附率為99.1%。再提升熱脫附溫度對(duì)各污染物的脫附率的影響已不明顯，且會(huì)增加修復(fù)成本?？傮w而言，在土壤含水率為25%，停留時(shí)間為30 min時(shí)，550 ℃的熱脫附溫度可滿足各污染物的修復(fù)目標(biāo)要求。

3.3 ?停留時(shí)間變化對(duì)目標(biāo)污染物去除效果的影響

3.3.1 ?試驗(yàn)條件

供試污染土含水率調(diào)至25%，熱脫附溫度固定為550 ℃，熱脫附停留時(shí)間分別設(shè)置為10、20、30和40 min。

3.3.2 ?結(jié)果及分析

熱脫附停留時(shí)間對(duì)目標(biāo)污染物脫附效果的影響顯著。從圖4可以看出，停留時(shí)間為10 min時(shí)，各目標(biāo)污染物的脫附效率均較低，最大僅為72.8%，不能滿足修復(fù)目標(biāo)要求。當(dāng)停留時(shí)間逐步增加，脫附效率亦逐步提高，至30 min時(shí)，各目標(biāo)污染物脫附率均達(dá)99%及以上，再增加停留時(shí)間，對(duì)脫附效率的影響已不大，且會(huì)增加成本和降低處理效率。

3.4 ?不同土質(zhì)類別對(duì)目標(biāo)污染物去除效果的影響

3.4.1 ?試驗(yàn)條件

根據(jù)待修復(fù)場(chǎng)地土壤污染深度和土層特性，選取待修復(fù)深度范圍內(nèi)的填土、粉質(zhì)黏土以及粉土夾粉質(zhì)黏土，含水率均調(diào)節(jié)至25%，熱脫附溫度固定為550℃，設(shè)定停留時(shí)間分別為10、20、30和40 min。

3.4.2 ?結(jié)果及分析

不同土質(zhì)類別的土壤具有不同的理化性質(zhì)，可能會(huì)對(duì)目標(biāo)污染物的脫附產(chǎn)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(zhì)黏土中目標(biāo)污染物的總脫附率相較粉土夾粉質(zhì)黏土要低10%～15%，原因可能在于不同土壤類別中有機(jī)質(zhì)含量以及黏粒含量有區(qū)別。二者含量越高，對(duì)有機(jī)物的吸附作用就越強(qiáng)，也即填土和粉質(zhì)黏土中的有機(jī)物較粉土夾粉質(zhì)黏土更難脫附[13，14]，但隨著停留時(shí)間增加（30～40 min），不同土質(zhì)類別中有機(jī)物的總脫附率基本趨于一致。

對(duì)于本土壤修復(fù)工程，30 min的停留時(shí)間已消除土質(zhì)類別的影響， 修復(fù)施工不考慮該因素的影響。

4 ?結(jié)論

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

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

（3）停留時(shí)間對(duì)多環(huán)芳烴的脫附率影響顯著，停留時(shí)間為30 min及以上時(shí)，各目標(biāo)污染物均可達(dá)到修復(fù)目標(biāo)。

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

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

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