热脱附技术在修复石油烃污染土壤中的运用分析

陈丽红

（深圳市环境工程科学技术中心有限公司 广东深圳 518000）

引言

石油的开采与使用是工业发展的必要条件，但随着石油工业的不断发展，石油污染问题也日渐严重。石油烃作为常见的有机污染物之一，分子质量较大，容易与土壤中有机质相结合，处理难度较高。热脱附技术在石油烃污染土壤处理中，具有效果好、环保性强等特点，但热脱附技术的处理装置昂贵，不同处理技术的修复效率与修复作用之间存在差异，在实际运用热脱附技术时，需要综合分析其技术应用条件、影响因素，在客观研究石油烃污染土壤类型后，再合理地进行技术选择和最佳参数调整，保证技术应用的有效性。

1 石油污染土壤现状分析

1.1 石油烃污染分析

石油烃是最常见的有机污染物之一，包括汽油、煤油、柴油、润滑油和沥青等。石油烃是由多种烃类和其它有机物组成的混合物，主要成分包括正烷烃、环烷烃、芳烃、硫化物、氮化物等。随着工业的不断发展，石油开采、加工过程中产生的石油烃数量不断增加，过量的石油烃渗入土壤会造成土壤环境的污染，并且难以去除，对生态环境具有负面影响，而石油烃进入海洋会造成海洋水质的污染，在海洋生物体内聚集，最终通过食物链进入人体，对人类健康也具有不良影响[1]。在石油的开采、冶炼、运输过程中，经常发生各种泄露事故，石油泄漏会导致土壤、地下水、海水等受到污染，而石油烃的疏水性与难生物降解特性，使得深入土壤的石油烃难以快速清除，并将长期存在于土壤和地下水中，随着食物链进入人体，造成严重的负面影响。有学者在植物-微生物联合修复石油污染土壤的研究中指出，全球范围内每年都会有石油渗漏进入土壤，石油烃的污染修复工作刻不容缓。

1.2 石油污染土壤修复现状

针对石油污染土壤的修复工作正在不断发展，物理修复、化学修复、生物修复是其中比较常见的方式。物理修复是通过物理手段将土壤与石油污染物分离的技术，目前应用较多的有换土法、热脱附、土壤气相提抽、机械通风等。电修复法可以利用电极形成的直流电场对石油污染土壤进行修复，电解石油污染物，有利于减少毒害物质，但电极材料腐蚀速度较快，也需要消耗一定成本[2]。此外，利用机械效应、热效应等方式对石油污染土壤进行处理也是物理修复中比较常用的手段，物理修复的可操作性较强，不易破坏土壤结构，在实际应用中具有比较好的效果。化学修复法常用催化法、化学洗涤法、化学氧化法等对土壤进行修复。在石油污染土壤处理过程中，通过催化反应、氧化反应等去除石油污染物，虽然可以在较短周期内简单去除污染，但在化学物质与石油污染物之间的反应过程中，药剂用量大、药剂成本高、处理不彻底等问题屡有发生。生物修复主要通过植物、动物、微生物的吸收转化作用来进行石油污染土壤的修复，在实际应用中具有经济、绿色、环保的特点，但在高石油污染土壤中修复效果有限，仍需要不断研究与发展[3]。石油污染土壤由于石油烃本身的疏水性、难以生物降解特性，修复相对困难，无论是物理修复、化学修复还是生物修复，在实际应用中都需要考虑到污染土壤的具体情况，对污染物的种类、特点等进行综合分析，选择一种或多种修复技术，保证修复的有效性与可靠性。

1.3 石油烃污染对土壤环境的危害

当石油烃进入到土壤结构中之后，其对土壤环境产生的危害主要表现在以下几个方面：

（1）会对土壤通透性产生影响，大大降低土壤质量；

（2）会对土壤中植物根系的呼吸与吸收产生阻碍，导致根系容易出现腐烂情况，进而严重影响到农作物的根系生长；

（3）导致土壤中的有效磷、氮含量大大减少，对农作物的营养吸收产生制约；

（4）石油中的多环芳烃有致畸、致癌等作用，而且会通过食物链聚集在动植物体内，并且逐渐富集，进入人体后会对人体健康产生巨大危害。石油烃污染极大地制约了土壤环境保护水平，导致土壤污染严重，农作物存活困难，且对人体产生巨大危害。

2 热脱附技术分析

2.1 热脱附技术原理

热脱附技术是通过加热场地进行有机污染物处理的技术类型，可分为原位热脱附和异位热脱附两种。热脱附技术可以在真空条件下或通入载气时，直接或间接进行热交换，从而将土壤中有机污染物加热到一定温度，促使污染物挥发、分离，进而达到将污染物有效处理的效果。原位热脱附处理是在土壤污染区域范围内进行原位加热，分离土壤中气相、液相污染物，通过相应的抽提系统进行回收，再进行后续的加工[4]。异位热脱附处理则是将受到污染的土壤直接从污染区域中取出，将其运送到相应的热脱附处理设备中进行反应，而后完成对污染物的处理。目前，异位热脱附处理技术的应用比较广泛，根据其系统差异又可分为直接热脱附和间接热脱附两种类型。近年来，热脱附技术处理土壤污染的应用范围在逐渐扩大，而相关的技术类型也在不断进步，除了传统的滚筒式热脱附技术外，流化床热脱附、微波热脱附以及红外线热脱附等新型的加热技术也进一步提高了热脱附的处理效率，提升了土壤修复的效果。

2.2 热脱附处理流程

热脱附技术一般包含了进料系统、脱附系统、尾气处理系统几个部分。在利用热脱附处理装置对污染土壤进行处理时，进料系统根据土壤污染物的成分以及土壤的黏性等进行处理，保证进料的合理，而后在脱附系统中将被污染的土壤绝氧加热到一定温度，使其中的有机污染物转化为气态从土壤中挥发出来，实现固相分离，在不破坏有机组分的前提下排除土壤中的污染物。热脱附技术能够将土壤中污染物转化为不凝气、冷凝回收液、固体残渣三种产物，能够比较彻底地去除土壤中的有机污染物。热脱附技术处理土壤污染物时，转化的混合气体由惰性过载气携带经过冷凝单元后，可冷凝成为液相，而不凝气的组分则返回热脱附装置继续燃烧。冷凝回收液经过分离可以获得油，对土壤含油率进行调节，不凝气的主要成分为C2—C4 烃类气体分子，可用作循环气为热脱附系统供热提供辅助，而固相残渣可用于铺路、建材生产等，热脱附处理土壤污染所得到的产物能够实现资源的有效利用[5]。

3 石油烃污染土壤热脱附技术修复情况

3.1 传统热脱附处理

传统热脱附处理技术是在真空或载气条件下，直接或间接对土壤进行加热，使其中挥发性和半挥发性目标污染物加热至合适温度后分离的过程，在目标污染物分离后通过脱附处理系统去除尾气或对尾气进行循环使用，修复土壤污染的同时提高处理的环保性。传统热脱附处理方式适用于处理污染土壤中的大多数挥发性、半挥发性污染物，对总石油烃也有良好的处理效果。在传统热脱附处理应用中，可以通过蒸汽加热、燃料加热、电加热等方式进行处理，不同加热方式的处理效率存在一定差别。滚筒式热脱附处理是传统热脱附处理中最常用的设备条件，可以通过旋转式干燥器对污染土壤进行处理，利用微负压炉进行加热，降低污染物沸点，利用土壤层加热传导特性让污染物在低温状态下挥发，有效净化土壤。

3.2 流化床热脱附处理

流化床热脱附处理技术是利用流化床调节系统与方法进行热脱附处理的措施，是新兴的热脱附处理技术，具有操作简单和提升反应效率的作用，能够对石油污染土壤进行有效处理。流化床热脱附处理装置可以促进土壤在悬浮状态下与液体的接触面积增大、混合程度加深，以获得更好的传热系数，保证石油烃污染土壤处理的效率。流化床热脱附处理包含送料机、反应机、调节机几个部分，流化床调节系统的应用不仅让土壤得以在悬浮状态下获得更好的传热效果，提升热脱附效率，而且通过流化床技术的优化比如加装传感器等，能够获取土壤中污染物类型的信息，根据污染物类型进行反应室温度的智能调节，确保热脱附的有效性，节约热脱附处理中的能源消耗。

3.3 微波热脱附处理

微波热脱附处理是一种现代化、先进性的石油烃污染土壤修复技术，主要利用微波辐照的方式进行热脱附处理，是修复石油污染土壤的高性能技术。微波是频率在300MHz—300GHz，对应波长在1mm—1m范围内的电磁波，通过微波辐照能够让电能被微波介质吸收并转化为热能，实现加热，从而达到热脱附目的。相较于传统加热形式，微波热脱附能够让材料在微波场中通过介电损耗获得体积加热，热量产生于材料内，是一种内外同时进行的加热。微波热脱附利用了微波独特的加热工艺，可以让污染土壤获得更加均匀、能量传递效率更高的加热，有利于提高处理效率，缩短加热时间。相较于传统热脱附处理中由材料表面向内加热，微波热脱附不容易受材料表面温度、温度梯度、热导率等条件的限制，可以保证加热的效率，更好地控制加热过程，在土壤修复中具有更好的应用价值。利用微波热脱附处理石油烃污染土壤，能够通过挥发、分解、固定作用三种机理让难以挥发和半挥发有机物得到更好的处理效果，确保污染处理的有效率。实验室研究表明，微波热脱附在多氯联苯、多环芳烃、原油、柴油等污染物的处理中具有良好的效果。

4 热脱附技术在石油烃土壤修复中的运用分析

4.1 加热温度与停留时间

热脱附技术修复石油烃污染土壤一般通过直接或间接加热的方式进行处理，在这一过程中需要将目标污染物加热至沸点以上，方可完成脱附，因此加热温度与停留时间是热脱附系统处理的两个重要影响因素。通常来说加热的温度越高、停留时间越长，土壤热脱附效率也会越高，但热脱附处理系统的运行成本也会随之增加。因此在应用热脱附技术修复石油烃污染土壤时，寻找最佳停留时间、加热温度是保证脱附效率最大化，节约能耗的重要条件。为了能够保证石油烃污染土壤热脱附技术的应用效率，在技术应用时应该结合实际情况进行实验与研究，根据石油烃污染物沸点特征，设计不同的加热温度与停留时间，通过控制变量的方式分析在达到修复目标值前提下的最佳工艺参数。在学者张坤等[2]的研究中，相同热脱附条件下，石油烃组分相对分子质量越大、饱和蒸汽压越低，与土壤有机质结合能力就越强，实际处理中越不容易脱附；当加热温度提高时，石油烃组分的热脱附效率会随温度增高而增大，加热温度在300℃及以上时，石油烃组分含量低于检出限，实验得出加热温度250℃，停留时间15min 为热脱附技术最佳运行参数。

4.2 土壤性质

热脱附技术在处理石油烃污染土壤过程中，土壤本身含水量、含油率、黏性特征等，也会对热脱附效率产生影响。因此，在运用热脱附技术时需要考虑如何调整热脱附处理系统的进料条件，探寻最佳进料土壤粒径、含水率、进料比例等，形成更加完善的进料反应体系，从而改善处理效果。

土壤含水率会对土壤粘度造成影响，因此降低土壤含水率以获得更低的土壤粘度，对于热脱附处理效率提升，降低处理能耗也具有良好的作用。土壤的含水率也会在一定程度上影响到热脱附的效果，比如在应用微波热脱附处理石油烃污染土壤时，水本身可以作为吸波介质，影响加热系统的介电常数，同时水的蒸馏作用有利于石油组分中挥发性有机物的迁移，因此在含水率适宜的情况下，热脱附处理效果也会随之提升。部分处理技术，比如利用原位电阻热脱附处理时，通过补水、负压的应用能够让土壤快速升温，借助电能转化与热能传导双重机制增加土壤升温效率，而为了保证加热的稳定性与可靠性，在这一过程中还需要不断向电极附近补充水分。

土壤的理化性质、土层厚度等条件，也会对热脱附技术处理效率造成影响。石油烃污染土壤的理化性质主要指土壤污染种类、有机质含量等条件，被不同类型污染物影响的土壤在运用热脱附技术修复时，需要合理的分析其特性，尤其是污染物沸点特征，由于石油烃分子质量相对较大，与土壤有机质结合能力较强，不容易脱附，因此在热脱附处理中对污染土壤进行检验，了解污染物种类和性质，对后续污染修复而言具有重要意义。在运用热脱附技术处理石油烃污染土壤时，需要注意石油烃成分的高温裂解特点，考虑到石油烃组分变化情况，更加科学地研究石油烃污染的处理方式。

5 石油烃污染土壤环保措施

5.1 加大生态环保宣传力度

针对石油烃污染造成的土壤问题，政府部门应当做好统筹规划，充分利用多媒体技术，通过各个通信终端加强土壤生态环保宣传工作，并积极扩充宣传渠道，提升宣传有效性。另外，环保管理部门还应当建立专门的环保宣传网站，并且在网络平台上加强与群众之间的交流沟通，充分发挥群众的监督作用，对于群众的举报信息要及时核实并处理，同时给予其适当的奖励，以提升群众举报积极性，并强化群众的环保意识。对于产生石油烃土壤污染的相关企业，环保部门除了要加强宣传教育，还要建立相应的监督机制，定期对高发污染区域进行土壤环境检测，一旦发现土壤污染超标，就要勒令相关企业立即采取污染治理措施，将对土壤环境造成的危害降到最低。

5.2 建立可持续发展环保制度

针对石油烃造成的土壤污染，要坚持可持续发展理念，根据污染地区的实际情况及生态环保要求制定针对性修复措施，以改善土壤环境。要注重提高污染地区的植被覆盖率，种植一些能够对污染土壤有高降解度的植物，例如蓖麻等，其不仅对石油烃污染有着较强的耐受性，还具有一定经济价值，既能够促进污染物的快速降解，还能够提升污染治理过程中的经济效益。此外，要制定完善的风险管控制度，建立土壤污染标准，一旦超出标准，则认定为污染，并且采取预防措施来实现对渗入土壤中的重金属含量进行有效的控制，减轻石油烃对土壤造成的污染。

5.3 建立土壤污染生态监测系统

要强化对石油烃污染土壤的全面保护，就必须建立完善的生态环境监测系统，及时发现污染问题，并加强污染地区土壤治理，建立清洁卫生制度，对各类自然资源进行合理规划与应用，以免造成更大污染。针对容易发生石油烃污染的土壤范围，应当开展动态化监测，采用定性监测与定量监测结合的方式来获取更加系统的污染物变化趋势和数据。要基于监测结果对土壤环境质量超标情况进行分析，并展开详细调查，及时采取应对措施，加强污染土壤治理，以免污染物危及人体健康。

5.4 加强石油开采监督与规划

在开采石油的过程中，不可避免地会导致石油烃污染土壤，因此，要减少土壤污染，就必须在工程开始之前做好石油开采的规划工作，尽可能地减少由此造成的土壤污染。在开采过程中，要对石油烃类污染物加强监督与控制，确保各项污染物的排放均符合国家标准要求。要采取有效措施将污染区域集中在尽可能小的范围内，以提升治理有效性。此外，在采油过程中所产生的落地原油应当及时处理干净。定期更换新的采油设备，并且尽量采用地下输油管道，减少应用油罐储油的方式，以免发生油品泄漏。要加大对石油开采现场的管理力度，加大资金投入力度，研究开发新的开采工艺，对于需要排放的废弃物，必须要进行彻底处理，确保达标后方可排放。应采用清水开钻，钻井完成之后所产生的废浆，应当进行集中处理，确保达标后方可进行排放。

结语

热脱附技术是一种修复速度快、污染物去除率高的土壤有机污染物处理方式，在石油烃污染土壤的修复中具有较高的应用价值。热脱附技术可以运用直接或间接加热的方式让土壤污染物从固相转移为气相，通过一系列燃烧、冷凝吸附等处理方式，对污染物进行有效处理，在修复污染土壤的同时，也避免了二次污染，具有良好的工业价值、环境价值与社会价值。在热脱附技术的实际运用中，反应温度、停留时间、土壤性质等都会对热脱附处理效率产生影响，因此在运用技术的过程中还需要结合实际情况，通过实验研究得到最佳的反应参数，保证石油烃污染的处理效果。