电热脱附在某有机污染土壤修复的应用实例

冯 凯

（上海格林曼环境技术有限公司， 上海 200001）

0 引言

对于有机物污染的土壤而言，在单纯采用气相抽提（SVE）方法进行修复时，往往难以实现理想的去除率，特别是针对半挥发性和难挥发性有机物。近年来，热强化的SVE（或热脱附）技术在国内外得以越来越多的应用和研究[1-7]。一般而言，原位热脱附中较为成熟的主要有GTR技术，系采用天然气作为燃料，引入国内后曾在浙江宁波等有机污染场地得以应用[8]。异位热脱附，则不局限于天然气等化石能源，电能作为能源的加热方法亦越来越多的采用，一般是通过大功率电阻丝实现电能到热能的转换[9-10]。

通过在华东某2,4-二氯苯酚污染土壤的热修复实例，介绍了其主要设备、试验过程、试验结果，以期为国内类似的工程应用提供参考。本案例的特殊之处在于：①独创地采用了热风机作为主要热源，避免了采用燃烧器的尾气排放；②独创地采用了三防布可伸缩风管作为通气管道，相对于传统的铁管更便于加工和布置；③独创地在土堆内设置了高精度的温度探头，并能通过集成的显示装置在线监测各个部位的温度变化情况。

1 背景概况

本场地位于华东某搬迁化工厂，场地内局部土壤受2,4-二氯苯酚污染，最高质量分数达120.6 mg/kg，超过荷兰干预值（22 mg/kg）5.5倍。污染土壤为粉质黏土，平均含水率为25%。由于2,4-二氯苯酚是一种半挥发性有机物，沸点为210℃，若采用常规的SVE技术，预计难以获得理想的污染物去除效率。因此设计采用大功率的电加热器，形成出风温度达350℃的热风通入土壤中，预期使土堆内温度达到180℃或以上，从而促进目标污染物的快速挥发，从而在较短的时间内达到修复目标值（23 mg/kg，系采用HJ 350—2007展览会用地土壤环境质量评价标准（暂行）土壤环境质量目标值）。

2 修复设备

本项目主要涉及热风机、离心风机、喷淋塔、纤维过滤器、活性炭罐，以及在线温度探测仪等设备。设备材料清单见表1。设备的组织形式见图1。

表1 修复主要设备材料清单

图1 修复设备组织形式

3 修复流程

3.1 场地准备

所选修复场地为一块长30 m、宽20 m的矩形平坦地面。场地四周开挖排水沟，用于收集可能的渗滤液，并可导排雨水。首先进行场地平整，并将场地内的碎石等杂物清理干净。为防止修复过程对下垫土壤造成污染，在修复场地范围内满铺600 g土工布，上覆1.5 mm厚的HDPE防渗膜。随后，在防渗膜上方铺设约30 cm厚度的洁净土壤，并压实作为缓冲层，防止上部的高温气体造成下部防渗膜的变形甚至燃烧。

3.2 土壤堆置

在缓冲垫层上每隔1 m铺设一根Φ 180三防布通风管，通风管设置密布出风孔。通风管为三防布外包、螺旋钢夹内衬材质，可以拉伸和弯折，并能够耐受1 m的土堆高度的重量。采用挖掘机铺设约0.6 m的污染土，在其上间隔1 m铺设Φ 180抽气管，并与下部的通气管平面上错开布置。最后，上覆0.2 m的洁净土壤，用于密封抽气管道，防止形成优先气流通道。通风管道的一端，则采用白铁皮三通、90°弯头与Φ 220总管连接，使用抱箍包扎密实防止漏气，修复土堆内管道平面布置见图2。土堆外满覆耐350℃高温的防火棚布，其边沿覆土固定。

图2 修复土堆内管道平面布置

3.3 设备安装

本项目所使用的热风机是在普通离心风机上加设电阻加热组件，并在出风口配有热电偶，能够实现常温至350℃连续可调的温度输出。热风机的额定风量为2 500 m3/h。在系统的末端，配置了1台额定风量达4 000 m3/h、风压2 kPa的离心风机，用于抽出修复土堆内的滞留气体。通过通风和抽风的结合，实现了修复土堆内气体的快速流动。

同时，配备了一套尾气处理设备，包括1台喷淋塔，通过冷水的循环流动将高温的尾气降温；1台纤维过滤器，用于去除尾气中残留的粉尘等颗粒物；1台抽屉式活性炭箱，内装500 kg柱状活性炭。尾气经净化后，通过连接于离心风机出口的3 m高烟囱排出。所有用电设备均为三级配电，即工地总配电箱、热修复配电箱、各设备配电箱。

此外，在土堆的不同位置和深度处埋置了共计10只温度探头，通过热电偶测温线补偿线将土堆内的温度信息传送至土堆外的16通道显示器，可以对10个探头温度信息进行动态显示，以便研究加热对土堆内不同位置和深度处温度场的动态影响。

3.4 设备运行

将热风机出风温度调至最高的350℃，风量相应调低至800 m3/h，持续作业了72 h。此时，土堆内各区域温度在160～200℃之间。经在土堆内采样检测，修复后土壤含水率均不高于15%，最低处含水率仅8%，土壤已经非常干燥（外表为淡黄色，手感坚硬，结块状）；修复后2,4-二氯苯酚质量分数不超过2.6 mg/kg，即已达到修复目标。

3.5 尾气处理

如前所述，本项目中产生的尾气通过冷凝、过滤和活性炭吸附后达标排放。此外，冷凝水循环使用后，通过现场的废水处理设施处理达标排放。现场处置期间，使用光离子化检测仪PID定期检测排放口的尾气浓度。经现场实测，排气口处尾气PID最高读数折算为15.3 mg/m3，小于上海市的大气排放标准（20 mg/m3）；以 PID 的平均读数（折算为 8.7 mg/m3）计，在平均通风量（800 m3/h）的情况下，2,4-二氯苯酚的排放速率不超过7 g/h，远低于其最高允许排放速率（360 g/h），从而保证了尾气达标排放。

3.6 土堆温度和污染物浓度监测

通过埋置于土堆内部不同位置的温度探头实测，在土壤自由水基本蒸发后继续加热36 h，靠近加热管的部分区域温度达到了200℃左右，随着与热风管的距离增加而温度降低，但均不低于160℃。温度上升的速率上，以埋置于土堆中部的某监测点为例，土壤的温度加热后迅速上升，但速率逐渐变缓，在持续加热56 h左右达到稳定，而土壤2,4-二氯苯酚的浓度（通过持续采样监测获得）亦于加热56 h左右达到稳定，详见图3。

图3 土堆中部温度及2,4-二氯苯酚浓度随加热时间的变化规律

4 修复效果

在3 d的修复周期结束后，从土壤内不同位置和深度采集了3个代表性的土壤样品，经有资质实验室检测，其2,4-二氯苯酚浓度均低于修复目标值，具体见表2。

表2 修复结束后代表性土壤样品中2,4-二氯苯酚的浓度

所参考的标准值为展会用地土壤环境A级标准值，代表了土壤未受污染的环境水平，可适用于各类土地利用类型。结果表明，通过本次电热脱附修复施工，土壤中目标污染物的去除率达97%以上，且修复后的土壤质量能够满足相当于背景值的环境标准。

5 结 论

基于本次2,4-二氯苯酚污染土壤的电热脱附修复试验，得到以下主要结论。

（1）电热脱附修复技术能够在短时间内（数小时至数天），有效提高沸点较高的半挥发性有机物的去除率和脱附效率，特别是针对含水率较高、土质偏黏土的情况。

（2）目前普遍采用的通过通风管道配送热能的方式存在一定局限性，即靠近热风管道处温度提升较高较快，而远离热风出口的区域则温度上升较慢，在一定程度上存在冷热不均的现象，从而影响了修复效果的均匀性。

（3）在选择修复设备时，需注意送风机、抽风机、管道、尾气处理设备的配套。例如，送风量、抽风量和尾气处理设备的处理能力应匹配，以保证尾气能够达标排放。