原位热脱附技术在有机污染地块中的修复效果研究

胡 正，沈 青

（1.北辰（上海）环境科技有限公司，上海 200030：2.中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200090）

0 引言

土壤污染是人类密切关注的一个问题，调查显示，我国的土壤总体超标率达到16.1%[1]，污染场地类型涵盖工业用地、农业用地及耕地，主要污染物为无机污染与有机污染，其中有机污染是土壤污染重要的组成部分，主要包括有机农药、多环芳烃（PAHS）、石油类、合成洗涤剂、酚类等污染，整体污染状况不容乐观[2-3]。有机污染物极具隐蔽性和积累性，可通过食物链在动植物体内传递，迁移能力强，生物毒性大[4]，可直接进入人体，破坏人体正常的生理机能，导致疾病产生，严重危害人类身体健康[5]。

目前，常见的有机污染土壤去除方法有物理法、化学法和生物法[6]，物理法中应用较多的是热脱附技术和气相抽提技术，其中热脱附技术[7-9]适用于低渗透性和污染深度较深的土壤[10-11]，具有修复范围广、处理效率高等优点。该技术主要通过将土壤中有机污染物加热至沸点后蒸发出来，再通过分离和收集后，对气体污染物集中处理，修复完成后的土壤可以再次利用，是一种具有广阔前景的修复技术[12]。

1 材料与方法

1.1 项目概况

修复地块位于我国北方某废弃焦化厂区内，原焦化厂曾生产苯、萘、酚、沥青等20 余种化工产品，现已停产搬迁。场地调查结果显示，地块主要污染物为有机物污染，包括萘、苯并（a）芘和总石油烃等污染，修复地块面积913.2 m2，污染深度8.0 m，修复土方量7 305.9 m3。具体污染状况及修复目标值见表1。

表1 污染物浓度及修复目标 mg·kg－1

地质勘察结果显示，地块分为人工填土层、轻亚粘土层、卵石层、砂岩层4个土层，见表2。浅层地下水埋深在55～60 m 左右，含水层单层厚度较大，岩性以砾石、卵石为主，累计厚30 m 左右，渗透系数500～600 m/d，深层地下水埋深60～110 m，含水层岩性为砾卵石、砂砾石，累计厚40 m 左右，渗透系数300～600 m/d。

表2 土层分布

该地块未来用途规划为公共设施用地，针对地块内污染物类别、地层性质及地下水埋深情况，结合经济效益、修复效果等综合因素，选择燃气热脱附工艺去除地块中污染物。

1.2 热脱附工艺介绍

原位燃气热脱附系统由供电供气系统、加热系统、抽提系统、地面隔热系统、尾水尾气处理系统与监测系统组成。热脱附工艺修复系统见图1。首先，燃气燃烧产生的高温气体从燃烧器进入加热内管，在离心风机的作用下自下而上在内外管循环流动，管内温度不断升高，通过热传导使土壤温度不断升高，挥发性污染物和水分受热成气态被蒸发出来，再经抽提系统抽到地面收集，抽出的气体和液体经过冷凝和气液分离系统分开，分别经过处理后达标排放。在系统运行过程中，通过监测系统实时监控，根据监测数据调控运行状况，确保加热过程持续稳定运行。

图1 热脱附工艺修复系统示意

1.3 井位布设

土壤加热温度与加热井间距有关，加热井间距较近时，土壤加热更充分，但加热井间距过近时，加热区域重叠，会造成能源的浪费[13]，本次修复加热井间距为2.0～2.5 m，以等边三角形排列为1 个单元。每3 口加热井之间布设1 口抽提井，抽提井表面包裹不锈钢钢丝网，防止抽提井被土壤物质堵塞和腐蚀。监测井均匀布设在加热单元的中心，设定监测深度为－1.0，－4.5 和－8.0 m，对地块土壤压力和土壤温度进行实时监测。本次修复场地共设置169 个加热井，44 个抽提井，4 个温度监测井和4 个压力检测井。井位布置见图2。

图2 井位布设

1.4 目标温度

温度是影响热脱附去除效率的重要因素。研究显示，当温度达到目标污染物沸点时，可以有效去除污染物，温度越高，去除效率越高[14]。本次修复萘、苯并(a)芘和多环芳烃等目标污染物为半挥发有机污染（SVOCs），沸点在170～350℃范围内，综合污染物特征和经济效益，为保证修复质量，设定本次修复目标温度为350℃。

1.5 采样分析

根据HJ 25.5 —2018 《污染地块风险管控与土壤修复效果评估技术导则（试行）》，本次修复面积912 m2，采用系统布点法共布设4 个采样点位，每个点位设置5 个采样深度，分别为－0.2，－1.5，－3.0，－5.0和－8.0 m。具体采样点布设见图3。样品采集完成后置于－4℃冷藏箱保存，48 h 送检测实验室测定。

图3 采样点布设

2 结果与分析

2.1 温度曲线

原位热脱附系统运行稳定，能持续加热保证地块内温度正常缓慢升高达到目标温度，使土壤中污染物能够有效的气化分离。根据原位热脱附系统中的温度监测系统监测结果绘制温度曲线见图4。由图4可以看出，修复过程中土壤升温主要有3 个阶段。

图4 温度曲线

缓慢升温阶段：土壤温度上升较缓，加热升温至100℃，大量水汽蒸发；快速上升阶段：土壤水气蒸发完成，稳定加热至目标温度；稳定加热阶段：持续加热保持目标温度稳定。

3 个深度整体升温趋势保持一致，－4.5 m 深度温度升高速率较－1.0，－8.0 m 处快，主要是因为表层土壤（－1.0 m）较深层土壤更易与外界产生热交换，深层土壤（－8.0 m）距离燃烧器较远，因此升温过程相对滞后。

运行过程中，应根据不同的升温阶段来控制燃烧火力大小，保持土壤温度有规律的上升，节约资源，防止火力过大增加经济成本。

2.2 燃烧尾气

燃烧废气通过离心风机抽至烟囱排放，烟囱排放口处安装监控探头 （包括CO，NOx和SO2监测探头以及粉尘监测仪等）实时在线监测颗粒物、CO、NOx和SO2排放浓度，见表3。

表3 燃烧器尾气排放

由表3可知，SO2，NOx，CO 等尾气排放浓度均小于北京市地方标准DB 11/501—2017《大气污染物综合排放标准》排放限值[15]，说明燃气燃烧充分，运行稳定。修复过程中排烟温度在60～160℃范围，排烟初始温度＞300℃，热损耗较大，有较大的的利用空间，后续设计可针对性的增加热利用设备，提高天然气热利用效率。目前国内外对中高温烟气余热回收技术利用比较成熟[16－17]，后续可以与热脱附项目结合起来，提升整体经济效益。

2.3 污染物质量分数

修复后各采样点污染物质量分数见表4。

表4 修复后各采样点污染物质量分数 mg·g－1

经过原位燃气热脱附工艺修复后的土壤，各深度萘、苯并(a)芘的检出质量分数≤0.8 mg/kg，总石油烃检出质量分数≤96 mg/kg，均远小于污染物修复目标值，符合GB 36600—2018《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》中建设用地二类用地标准，修复效果较好，满足后续规划开发要求。

2.4 影响因素探究

热脱附修复效果取决于土壤性质、加热时间等因素[18-20]。结合本研究结果，分析这些因素对修复效果的影响。

（1）土壤性质

不同的场地土壤具有不同的性质，其土壤的渗透性、含水率等均会影响热脱附的修复效率。在渗透性方面，渗透性高的土壤污染物更易被抽提出来，热脱附效率高。一般来说，砂土、粉土比黏土渗透性更好[21]。含水率方面，土壤水分在蒸发时会吸收大量热，对土壤的升温速率会有较大影响，影响整体土壤的升温时间。土壤含水率还会影响土壤的通透性，限制空气的流动路径，从而影响有机污染物的挥发效率。研究表明，含水率过高或过低均不利于热脱附的去除效率[22]。含水率过高需要加热大量的水，能量消耗较大；含水率过低，不利于热传导，热损失较快[23]。

（2）加热时间和温度

温度和加热时间是影响热脱附效率的重要因素，一般来说，温度越高，加热时间越长，热脱附效果越好[24]。温度在热脱附过程中呈阶段性上升趋势，缓慢升温阶段，温度是影响热脱附去除效果的主要因素；稳定加热阶段，加热时间是主要因素。当温度达到目标污染物沸点并保持稳定。加热时间越长，热脱附效率越高，加热温度超过污染物沸点后，提高温度对热脱附的去除效率影响不大。实际运行中，温度和加热时间应结合起来，根据目标污染物状况，设置合理的目标温度，控制各阶段的加热时间，保证修复效果的同时尽可能节约资源[25-26]。

3 结论

（1）热脱附法对有机污染土壤有良好的去除效果，修复后萘、苯并(a)芘的检出质量分数≤0.8 mg/kg，总石油烃检出质量分数≤96 mg/kg，远小于污染物修复目标值，修复效果较好。

（2）热脱附升温过程稳定，具有一定的阶段性，可分为缓慢、快速和稳定加热阶段。中层土壤（-4.5 m）相较于表层土壤（-1.0 m）和深层土壤（-8.0 m）升温过程更加快速。

（3）运行过程尾气排放正常，符合地方大气污染排放标准。排放热损耗较大，后续工程实践中可在保证经济和处理效率的基础上增加热利用设施，提高燃气的利用率。

（4）土壤性质、温度、加热时间是影响热脱附效率的重要因素。土壤渗透性高，污染物更容易被抽提去除；含水率过高过低不利于热脱附效果，含水率过高，能量消耗较大，含水率过低，热损失较快；温度在热脱附过程中呈阶段性上升趋势，缓慢升温阶段，温度是影响热脱附去除效果的主要因素：稳定加热阶段，加热时间是影响热脱附去除效果主要因素。