热强化气相抽提在典型有机污染场地修复中的应用

2022-09-02韩伟

环境保护科学 2022年4期

韩伟

（森特士兴集团股份有限公司，北京 100176）

近年来，工业化进程加快以及人们对工农业土地的不合理利用带来的土壤污染问题日益突出，严重危害人体健康与环境质量，影响场地周边正常的生活生产活动[1−3]。2014 年国土资源部与环境保护部联合发布《全国土壤污染状况调查公报》后，我国土壤污染程度之深已受到社会各界的重视[2,4]。目前，我国因关停并转迁企业带来的污染地块总数超过10 万，对其中污染严重的场地进行土壤修复迫在眉睫。2016 年5 月31 日，国务院发布了《土壤污染防治行动计划》，给出了我国土壤污染防治的任务和时间表[2]。

在修复模式方面，原位修复技术的应用所占比例逐年增加[5]。其中原位热脱附技术是一种通过加热土壤促使污染物挥发并对其进行集中处理的土壤修复方法[4]，由于具有良好的处理效果及较短的修复周期等诸多优势，其土壤修复中得到了越来越多的研究和应用[6−9]。在欧美发达国家，原位热脱附技术已有30 年的发展和运用历史，美国是原位热脱附技术研究和应用最早且规模最大的国家，在1980～2012 年期间，美国关于原位热脱附修复工程的案例已有近200 个[9]，而我国的原位热脱附修复工程应用起步较晚。依据加热方式的不同，常用的原位热脱附方法包括热传导、电阻加热以及蒸汽加热3 种类型[9−12]，其中热传导方法包括电加热热传导与燃气加热热传导。由于电阻加热（最高温度100～120 ℃）和蒸汽注射（最高至170 ℃）加热温度有限，而电加热热传导往往对电力功率要求高，相比之下原位燃气热脱附技术表现出升温温度高、污染物类型处理范围广且操作简便等诸多优势[9]。

在国内，已有的原位燃气热脱附技术应用案例多分布长三角地区[9,11 −12]，且处理规模较小。考虑到国内南北方土壤性质的差异，系统描述了原位燃气热脱附技术在北方某典型焦化类污染场地修复中的大规模工程应用，分析了工艺技术路线、加热井布设方式、二次污染防控、原位加热土壤升温以及特征污染物去除效果。本研究可为原位燃气热脱附技术应用推广提供工程借鉴。

1 场地概况

研究场地为某焦化厂搬迁后历史遗留地块，距今已有40 年的生产历史，长时间的生产运行造成厂区土壤受到污染，成为后续土地利用开发过程中的制约因素。整个修复区共包括11 个区块，其中高风险污染土壤修复方量为64850.25 m3。本场地主要的污染物类型为多环芳烃和苯系物，场地调查采集的土壤中多环芳烃（萘、芴、菲、蒽、荧蒽、芘、苯并（a）蒽、屈、苯并（b）荧蒽、苯并（k）荧蒽、苯并（a）芘、茚并（1, 2, 3-cd）芘、二苯并（a, h）蒽和苯并（g, h, i）苝）检出率为45.45%～85.19%，挥发性有机污染物（苯、乙苯和甲苯）检出率为0～62.5%。经风险评估得出苯和苯并（a）芘的风险值超过可接受风险水平，为修复目标污染物。本研究对象为该场地中的修复深度最深且规模最大的1 号地块（原为储罐区）。地块修复面积2 952 m2，周长为264.7 m，修复深度为至地下5.0 m，修复土壤方量为14 760 m3。按照规划，该地块未来规划为市政公用设施用地、道路广场用地和绿地等。

目标地块主要由人工填土层、砂粉-粉粘层以及卵石层组成，地面至地下10 m 的土壤岩性及物化性质，见表1。本场地地下水主要补给来源为地下径流和地表降雨，地下水径流方向为由西、西北方向流向东、东南方向，地下水埋深在40 m 左右，含水层单层厚度较大，岩性以砾石、卵石为主。

表1 土壤岩性及物化性质

2 技术应用

2.1 主要设备与系统

本项目中使用的主要设施包括天然气加热井系统、尾气抽提系统、气液分离冷凝系统、废气处理系统、废水处理系统以及配套的管道仪表和电气控制系统，主要的设备明细，见表2。

表2 主要设备与耗材

2.2 工艺技术路线

本项目采用的工艺流程，见图1。

在原位有机污染土壤修复项目中，对土壤中解吸出的“污染蒸汽”的处理方式主要有：冷凝法、吸附法、蓄热式催化氧化和焚烧等技术组合[13−15]，催化氧化处理效果好，但是催化剂成本高，不适合本项目，利用单一的活性炭吸附，尽管效果好，但会产生大量的活性炭危废，该方案适合小型的中试项目，不适合大规模应用。本项目加热产生的尾气采用“冷凝+燃烧”的处理措施，废水采用“油水分离+活性炭吸附”的方法（图1），从而实现了尾气尾水的有效处理。

图1 抽提物（废气、尾水）处理工艺流程

本项目利用原位燃气加热井实现土壤加热，采用液化天然气提供原位热脱附所需的燃料，液化天然气气化后输入至燃烧器中点火燃烧，产生的高温燃烧气体通过加热井管向外热传导，烟气则通过风机从尾气排放口抽出，最终经排气筒排入大气环境。土壤经过原位加热井加热后，土壤中的污染物实现从土壤中挥发，由于负压的存在，挥发的污染物蒸汽进入抽提系统，抽提出的污染物（包括加热后产生的地下水水蒸汽以及目标污染物挥发蒸汽）首先依次经过一级、二级气液分离装置和换热装置，分离出来的不可冷凝气体进入后续的燃烧系统（加热温度1 100 ℃，停留时间2 s）进行处理处置，然后通过高空达标排放《大气污染物综合排放标准：DB 11 /501—2017》[16]污染物排放浓度，见表3。

表3 尾气污染物排放浓度及标注限值 mg·m−3

在冷凝系统中分离出的液体通过泵打入油水分离器，分离出的油污定期收集交由第三方处理，分离出来的废水则进入活性炭罐进行吸附处理，处理达标后排放《水污染物综合排放标准：DB 11/307—2013》[17]，污染物排放浓度，见表4。

表4 废水污染物排放浓度及标准限值 mg·m−3

2.3 加热井布置

根据技术规范，热传导加热井井间距一般为2～6 m[9]，考虑到本项目工期紧张、土壤渗透性较好等参数，本地块加热井间距设置为3 m。同时，为确保均匀加热，加热井采用正三角形网格分布设置[9]，加热井布局和冷点设置，见图2 和图3。由于场地周边保留建筑物，为保障建筑物结构安全，加热井与建筑物保持0.8 m 的安全距离。

图2 加热井及抽提井布置图

图3 冷点位置布局示意图

根据以上布局原则，研究地块共布设垂直加热井768 个，其埋深为5.5 m，砾石填充至离管口1 m，然后填充膨润土至管口50 cm，最后用混凝土封堵。地块设置抽提井数量为96 个，设置温度控制点位数量14 个，每个控制点位分别设置3 个不同深度检测点（1、3 和5 m）。为防止异味扩散和避免热量损失，整个加热区设置地面阻隔层，阻隔层主要由砾石、岩棉、钢板和水泥组成。

2.4 加热运行

地块加热井建设及抽提系统安装工期为60 d，地块加热过程时间长度为55 d，土壤加热升温需要约50 d，达到设置的目标温度350 ℃后，继续保持该温度5 d，保证污染物处理达标。考虑到2 种目标污染物的沸点等物化特性，结合真空抽提对污染物脱附反应动力学的影响，同时结合现场环境中共存物质的共沸现象，本项目的加热冷点目标温度设定为350 ℃[10]。负压抽提系统与加热系统同时开启，加热与抽提系统关闭时间通过抽提井出气口有机气体探测器读数进行判断，用于VOCs 检测的便携式设备PID 检测读数低于10 mg/kg，可酌情考虑关闭加热系统。停止加热后抽提系统继续运行7 d，确保无二次污染。系统运行中产生的废弃活性炭、水处理产生的污泥和各种药剂包装物等作为危废，集中收集于密闭不锈钢容器内，置于危废暂存区临时储存，危废暂存区地面防渗性能满足《危险废物贮存污染控制标准: GB18597—2001》[18]，定期将危废移交至有资质的危废处置单位进行处理。

2.5 样品采集与分析

为验证原位热脱附技术对特征污染物的处理效果，分别在场地四周及内部1～5 m 的深度采集土壤样品进行检测分析。土壤样品采集严格按照规范执行，所有样品标明样品编号，填写采样记录单。样品采集后立即存放至保温箱内，保证样品在4 ℃低温保存。24 h 内将样品送至有第三方资质的单位进行测试。

3 结果与讨论

3.1 污染状况

待修复地块的特征污染物为苯和苯并（a）芘，根据地块污染特征和后续土地利用功能，依据《污染场地风险评估技术导则：HJ 25.3—2019》[19]，经过风险评估确定特征污染物的修复目标值。根据表5 检测结果，在1～5 m 深度的土层中，苯和苯并（a）芘都有检出，其中苯的浓度范围为0.01～84.6 mg/kg，呈现随深度增加而增大的趋势，与修复目标值（苯51.6 mg/kg）相比，最大超标倍数为0.6 倍，苯超标点位及最大检出浓度出现在4 m 深处。类似地，在粤港澳大湾区典型化工场地土壤样品中苯检出含量最高为8.55 mg/kg，其对应深度为4.0 m[20]。由于苯在土壤中主要以轻质非水相液体(LNAPL)存在，受到重力作用向下迁移，迁移过程中由于受到吸附和毛细截留作用[21]，导致在非饱和带土壤中苯系物有检出。有研究证实在染料厂污染场地，苯能够向地下迁移至7.2 m 处[22]，说明苯具有较强的迁移能力。

表5 地块污染物原始浓度 mg·kg−1

表5 可知，在1～5 m 深度每层土壤中苯并（a）芘浓度为0.02～573 mg/kg，参照污染物修复目标值（苯并（a）芘6.20 mg/kg）每层土壤中苯并（a）芘皆超标，最大值出现在3 m 深处，最大超标倍数为91.4倍，其最高含量超过了某大型化工场地土壤中苯并（a）芘33.3 mg/kg 的报道值[23]，说明该地块苯并（a）芘污染较重。污染物在土壤中的累积与不同土层土壤垂向渗透系数密切相关[21,24]。在本研究地块中，0～3 m 多为素填土，组分为人工填土和钢渣，土壤渗透性强，致使污染物易渗滤至地下环境，3～4 m 主要为砂粉-粉黏夹层，致使污染物滞留导致污染物浓度相对较高。

3.2 土壤温度变化

温度和停留时间是热处理去除有机污染物的关键因素，通常温度越高加热时间越长，污染物的去除就越彻底[25−27]。将污染土壤加热至350 ℃，在此温度下维持5 d。加热伊始即可开始抽提，抽提和尾气处理系统加热结束后7 d 停止（确保抽提出的气体PID 检测示数低于10 mg/kg，避免产生环境二次污染）。整个加热过程持续时间约2 月，冷点位置的不同深度的温度监测数据显示，土壤温度随着加热时间的延长总体呈现出先增加后趋于平缓的趋势，其中在100 ℃温度值附近停留时间较长，此升温阶段主要是通过加热促进土壤中水分的挥发，此阶段后温度上升速率显著增加。在地块保温层效果足够好的情况下，整个地块温度会不断升高，不同土层的温度最终都达到或接近目标温度。

3.3 处理效果

地块修复面积2 952 m2，周长为264.7 m，修复深度为1.0～5.0 m，处理效果验证分3 层取样，取样深度依次为1.5、3.5 和5.0 m，每层内部布点8 个，边界布点6 个，平行样比例10%，平行样4 个，共采集46 个样品检测结果，见表6。

表6 修复后土壤中特征污染物含量

表6 可知，修复后土壤中苯含量的最大与最小值分别为0.92 和0.14 mg/kg，平均值为0.37 mg/kg，最大消减去除率为99.56%。苯并（a）芘含量的最大值为0.5 mg/kg，最小值为0.2 mg/kg，平均值为0.42 mg/kg，最大消减去除率为99.93%。本项目中污染土壤平均加热至350 ℃，尽管土壤有机质组分遭到破坏，由于该土地将来用于建设工业遗址公园，不影响土地的二次开发利用[25−27]。综上，在1.5、3.5 和5 m 不同深度采集的46 个土壤样品中苯和苯并（a）芘的含量均低于修复目标值（苯51.6 mg/kg，苯并（a）芘6.2 mg/kg），满足了修复要求。