异位热脱附土壤修复相关影响因素研究

张语情 姚佳斌 蒋 尚 刘 勇

（上海傲江生态环境科技有限公司 上海 200120）

引言

土壤是人类和动植物生存不可替代的环境因子，随着工农业生产和城市化的发展，污染土壤的面积在不断扩大。土壤环境污染是世界性的环境问题，随着经济快速发展，城市规模的扩大，工业活动产生的石油类和有机农药类等有机物仍滞留在原厂地，这些污染物极易扩散到环境中危害居民健康和环境安全，为了实现土壤的可持续利用，保障人类获得充足且安全的食品，如何高效且合理的修复有机污染土壤成为亟需解决的问题。土壤修复目前在技术方面仍面临很多问题，对土壤污染物（特别是有机污染物）的种类及分布不明确，修复技术理论基础薄弱，缺乏工程实践经验等；相比而言，热脱附修复技术在众多修复技术中优势明显，具有修复彻底、土壤再利用率高等优点，适用于修复大多数挥发性和半挥发性污染物，如多环芳烃、多氯联苯、总石油烃和Hg[1]。热脱附修复技术在有机污染土壤处理中应用较为普遍，在某些发达国家该技术的比例占50%左右[2]。但现阶段对热脱附的研究不够深入，对各类污染物没有针对性分析，该技术仍有很大的提升空间。以下对热脱附机理、分类和工程应用进行介绍，从不同角度论述异位热脱附的影响因素及其原因，旨在为今后异位热脱附技术在修复领域中更好的应用提供依据。

1 热脱附修复技术

热脱附修复技术属于土壤物理修复，通过提高土壤温度，使目标污染物气化挥发，进而达到修复的目的[4]。目标污染物主要为挥发性/半挥发性污染物，一般不适用于无机污染土壤修复。

1.1 热脱附技术分类

热脱附技术根据是否对污染物进行开挖，分为原位热脱附和异位热脱附。相较而言，异位热脱附更易于对污染土壤进行预处理，易于检测土壤达标情况，且处理时间比原位短。异位热脱附根据加热温度高低，分为高温热脱附（>315°C）和低温热脱附（150-315°C）。挥发性有机物通常采用低温热脱附；由于半挥发性有机物需要较高的加热温度和较长的停留时间，故采用高温热脱附。异位热脱附根据加热火焰与污染土壤接触方式不同，又分为直接热脱附和间接热脱附。直接热脱附污染土壤直接与热源接触，传热效率高，处理能力较大；但废气产生量大且易产生二噁英。间接热脱附不与热源直接接触，传热效率低，处理能力相对较小，废气量小。

1.2 热脱附技术发展

我国的热脱附技术起步较晚，第一台自主研发直接热脱附设备于2010 年在化工污染场地得到应用，修复的目标污染物为多环芳烃，设备处理能力为2t/h[5]。第一台间接热脱附设备于2009年首次应用在多氯联苯污染场地中，处理能力约为3t/h。传统异位热脱附设备多为回转窑式热脱附，目前新兴的热脱附技术有流化床式、微波热脱附和远红外线热脱附等。

2 异位热脱附应用

2.1 工艺流程

异位热脱附主要包括进料系统、脱附系统以及尾气处理系统三大部分。污染土壤首先经过破碎、筛分、调节含水率等预处理后，根据污染物特性，在真空或通入载气条件下，调节运行参数（脱附温度、停留时间等），使目标污染物挥发、分离，经过尾气处理后达标排放[6]。异位热脱附修复技术具有如下优点：可处理不同类型污染土壤且尾气量小，使用清洁燃料做能源时，燃烧尾气可以直接排放；处理高浓度有机污染土壤效率高且风险低；工艺相对稳定，设备可以移动。该技术同样存在一些缺点，比如修复费用高；运行过程中会有部分污染物滞留在水处理产生的污泥滤饼中，需进行再回收或固废/危废处置。

2.2 工程应用

案例一为云南某深加工焦化厂[7]，污染土壤类型为粘性红壤土，其中70%为高岭土，pH 值约为6.5，污染物以PAHs、苯为主，其中萘和苯并[a]芘含量分别超出了建设用地土壤污染风险管控值的53.0 和295 倍。修复技术为异位间接热脱附，设备停留时间为75min，温度为750°C，最终污染物的去除率在90%以上，其中多环芳烃去除率为97%。案例二为南京市某大型化工企业退役场地[8]，土壤类型以粉砂土为主，场地土壤中的污染物主要为苯、氯苯和二氯苯。修复方法使用生石灰对场地污染土壤进行异位低温热脱附处理，按照12%的比例添加生石灰，使土壤温度升至93.4°C 左右，修复后土壤中各污染物均达到场地修复目标，去除率均接近或超过99%。案例三为株洲某化工搬迁遗留场地[3]，主要土壤类型为素填土，土壤受有机氯农药污染主要污染物为五氯苯酚。采用直接热脱附工艺对场地中污染土壤进行修复，加热温度为450°C，停留时间为20min。经热脱附设备处理后，土壤中污染物去除率均达到99%以上。

3 异位热脱附效率影响因素

目前关于如何提高热脱附技术的修复效率是研究重点之一[5]。热脱附的修复效率受多种因素影响，需要进一步探究热脱附影响因素和效率之间的关系，其中，因素影响主要分为以下三类。

3.1 土壤本身影响

热脱附效率受土壤的理化性质，如土壤粒径、含水率、有机质含量和土壤矿物组成等因素影响。株洲某有机氯农药污染化工场地异位热脱附试验表明[3]，相同加热温度和停留时间条件下，细颗粒（10mm）土壤的去除效率高于粗颗粒（30mm）。这是由于细颗粒具有较大的比表面积，升温较快，污染物很容易被解吸。然而，过小的粒径会进入尾气处理系统，增加尾气处理负荷[9]。污染土壤最佳含水率一般为10-20%[6]。研究表明，土壤含水率为10%时，比干燥土壤的污染物去除效率更高[8]，少量水分可以改变土壤结构、增加孔隙度，促使污染物脱附。土质类别对热脱附效率也有较大影响。黏度较大土壤细颗粒容易聚集发生团聚，导致团聚体难以加热，土壤导热性差，在能耗变高的同时还会影响热脱附效率。在土壤预处理过程中加入合适的添加剂，可以有效地提高去除效率。有试验表明，在修复Hg 污染土壤时，添加FeCl3后有效地提高了去除效率。这样一来，可以在较低加热温度或较短停留时间实现修复目标。

3.2 目标污染物影响

热脱附效率与污染物沸点、初始浓度、加热时间和分子结构等关系密切。通常，随着加热温度的升高，热脱附效率也逐渐升高[1]。在达到污染物沸点前升高温度，去除效率的提升影响更为显著。但达到一定温度后，继续升温不能提高除效率。相同条件下污染物初始浓度大，去除效率高。当初始浓度较低时，污染物被高能吸附位点吸附难以解吸；当初始浓度较高时，吸附位点相对饱和，大量污染物暴露在土壤表面容易去除。停留时间对效率的影响取决于加热温度，低温需要较长停留时间来去除污染物。因此，在低温条件下延长停留时间可减少对土壤结构的破坏。对多环芳烃类有机物的修复表明[10]，加热温度大于污染物沸点，且停留时间大于30min 时，目标污染物能完全去除。另有研究表明，极性化合物硝基苯的吸附动力学要慢于非极性化合物，所以去除极性化合物所需的停留时间较长。

3.3 其它影响

热脱附效率受设备加热速率、载气流量和载气种类等影响。加热速率通过控制土壤与载气之间的传热速率和降解速率，从而影响污染物去除效率。多氯联苯污染场地使用较高的加热速率，目前市场中设备能源一般为天然气或柴油，柴油能量供给速率大于天然气。土壤中污染物通过挥发和热解从而达到与土壤分离的目的，通入载气可以减弱设备内部压强促使污染物挥发，同时将挥发物输送至尾气处理。在微负压且隔氧条件下处理污/油泥时，对含油污泥进行间接加热，可以避免污染物发生氧化或降解反应，在保证修复安全的同时，也对残余油品进行了回收利用。

4 异位热脱附技术的环保作用

热脱附技术是一种能够高效去除土壤中污染物的加热处理技术，近年来，为解决国内热脱附修复技术缺乏的问题，提升在工业场地治理修复领域的核心竞争力，很多土壤修复企业都加大了对该技术的研发和引进。污染土壤热脱附技术可以分为原位热脱附和异位热脱附两种，其中异位热脱附的应用案例相较于原位热脱附案例更多。异位热脱附是一种更加高效的技术，它可以通过将土壤挖掘出地面后，快速而有效地进行前处理、热脱附、检测等一系列工序。异位热脱附技术的应用具有较高的环保价值，可以有效解决土壤污染降解的作用，有效改善了被污染土质的有效改善，并且环保成本较低，应用实施环节也较为简单，对我国环境保护起到非常大的促进作用。

结语

实际应用中，土壤内污染物浓度和种类分布是不均匀的，异位热脱附修复技术的应用需结合污染场地的污染情况、土壤质地和投资成本等因素综合考虑。目前国内土壤修复需求增大，异位热脱附技术应用前景广阔，节能型异位热脱附设备或将是以后的主要发展趋势。除了在异位热脱附运行过程中设置合理条件来提高热脱附效率以外，效率提高后如何减少设备能量损失也值得进一步关注，一方面可以优化能源在设备内的重复利用，另一方面也可关注新能源或多种能源结合以及设备的材料，从而减少能耗，使异位热脱附技术在土壤修复行业内得到更好发展。