王天宇，蔣文明，劉楊

（中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院，山東青島266580）

引 言

在原油開采、油田集輸及污水處理過程中往往會產(chǎn)生大量的含油污泥[1]。據(jù)統(tǒng)計，我國每年產(chǎn)生的含油污泥總量達500 余萬噸，且隨著大多數(shù)油田的深度開采，含油污泥的產(chǎn)量還將繼續(xù)增加。污泥若不經(jīng)處理就直接外排，不僅會造成土地資源的浪費，而且其含有的毒害物質(zhì)還會對水、土壤和空氣造成污染；直接用于回注和在污水處理系統(tǒng)循環(huán)時，會造成注水水質(zhì)下降和污水處理系統(tǒng)的運行條件惡化，對生產(chǎn)造成不可預(yù)計的損失。因此，對含油污泥進行合理的處置十分必要。

陰燃處理法是近年來國外的一種含油污泥處理新技術(shù)。與其他方法[2]相比，具有流程簡單、操作簡便、處理迅速、處理成本低等優(yōu)點，適用于煤焦油、雜酚油、石油碳氫化合物、有機溶劑等污染物的有效處理。針對含油污泥處理技術(shù)進行了系統(tǒng)闡述，并對陰燃技術(shù)的原理、分類、數(shù)值研究、工程應(yīng)用等方面開展了重點說明，指出了該技術(shù)的問題及未來發(fā)展方向。

1 含油污泥及其常用處理方法概述

含油污泥主要由水、油、泥土和其他雜質(zhì)組成。因開采工藝和成因的不同，含油污泥種類繁多。按照成因，含油污泥主要分為三類：因在生產(chǎn)、運輸?shù)冗^程中落到泥土中形成的落地油泥；在石油儲存時殘留在儲罐里的罐底油泥；煉油廠在煉制石油時產(chǎn)生的含油污泥[3]。

含油污泥常用處理方法主要有固液分離法、化學(xué)破乳法、溶劑萃取法、熱洗滌法、生物處理法及焚燒法等。固液分離法是我國最早采用的含油污泥處理方法，主要是通過靜置含油污泥，利用密度差實現(xiàn)泥土或固體雜質(zhì)的沉淀，將表面原油抽出再利用。有時為了提高分離效果，可以添加化學(xué)絮凝劑，采用旋流分離器、螺旋離心機、壓濾機等設(shè)備對其進行固液分離[4]，該方法工藝簡單，但存在占地面積大、容易產(chǎn)生二次污染（廢水、廢渣）、油回收不徹底等缺點。此外，含油污泥產(chǎn)生原因多樣，性質(zhì)各不相同，限制了該處理方法在油田的全面使用[5]，而且提高固體回收率和減少泥餅含水率也影響著其處理成本[6]?；瘜W(xué)破乳回收法主要是通過加入破乳劑，使含油污泥充分破乳，經(jīng)熱洗后降低其黏度，再進行機械分離，實現(xiàn)油-水-泥三相分離[7]。該方法原油回收率高達98%[8]，且無須加熱，可直接用于脫水回收燃料油、加工輕質(zhì)油[9]，也可用于處理煉油廠含油污泥。萃取分離法主要是利用萃取劑溶解含油污泥，經(jīng)離心攪拌后，分離出絕大多數(shù)有機物，再對萃取液進行蒸餾處理，從混合物內(nèi)分離出溶劑進行循環(huán)利用，回收油用來回?zé)?。?jīng)萃取分離后，回收水中的懸浮物含量降低，有機物含量明顯減少，可用于污水處理系統(tǒng)的循環(huán)利用；尾泥中的有機物含量明顯降低，經(jīng)壓濾成泥餅后可直接進行填埋處理[6]。目前，國內(nèi)已有較多利用萃取分離法處理油田污泥的研究[10-12]。熱洗滌法是國內(nèi)常用的含油土壤處理方法，主要是用熱堿水溶液反復(fù)洗滌含油污泥并用氣浮實施固液分離，經(jīng)洗滌處理后的土樣用石油醚浸泡，通過紫外分光光度法測定其殘留油的含量，從含量的多少可以看出洗滌的效果[13-14]。含油污泥的生物處理方法包括生物堆肥法、聯(lián)合生物法、生物反應(yīng)器法、生物修復(fù)法和生物浮選法等。生物堆肥法主要利用污泥中的微生物進行自然發(fā)酵[15-16]，從而達到凈化污泥的作用。聯(lián)合生物法目前仍處于實驗研究階段，離工業(yè)化應(yīng)用還有一段距離[17]。生物反應(yīng)器法主要是通過在某一設(shè)備中為微生物的繁殖及生化反應(yīng)提供合適的環(huán)境條件，用以處理受污染土壤。微生物修復(fù)法通過利用微生物的分解作用，將環(huán)境中的有機和部分無機污染物降解或轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)[18]。國內(nèi)微生物修復(fù)目前還僅限于室內(nèi)研究和小型實驗，對含油污泥的微生物處理工業(yè)化應(yīng)用方法研究較少[19]。

目前，我國對于含油污泥的處理，大都采用上述相對傳統(tǒng)的工藝。在一定程度上，這些工藝可以有效去除受污染土壤中的有機物含量，實現(xiàn)油氣資源的回收利用。但是，傳統(tǒng)的含油污泥處理方法或處理流程冗長繁雜，或處理工藝復(fù)雜、操作難度大，或處理成本相對較高，并不能完全滿足含油污泥凈化處理的迫切需求。因此，研究一種低成本、易操作、安全可靠的新型含油污泥處理工藝十分必要。相較于國內(nèi)普遍使用的含油污泥處理方法，國外已有不少學(xué)者提出基于陰燃原理的含油污泥處理新工藝。陰燃法相較于其他含油污泥處理方法，具有處理成本低、操作安全簡單、處理流程便捷、處理迅速等優(yōu)點，適用于頑固性污染物，包括煤焦油、雜酚油、石油碳氫化合物、溶劑等的凈化處理[20-21]。根據(jù)是否就地處理受污染土壤，陰燃法又分為原位陰燃和異位陰燃兩種。原位陰燃技術(shù)可處理地表以下一定深度的受污染土壤[22-23]，還可用于深入到地下水位以下的土壤層修復(fù)[24]。目前，國外已完成了部分陰燃室內(nèi)實驗研究[25-26]，驗證了處理含油污泥的可行性。在工程應(yīng)用上，美國新澤西州紐瓦克已有采用陰燃技術(shù)修復(fù)潟湖淤泥中煤焦油污染土壤的報道[27]。

2 含油污泥陰燃處理技術(shù)

2.1 陰燃定義

陰燃，即一種緩慢、低溫的無焰燃燒過程。類似于“燃燒三角形”，陰燃的產(chǎn)生亦需要滿足“陰燃三角形”，即燃料、氧化劑（空氣或氧氣）和引燃點。不同于燃燒三角形，當(dāng)燃料達到引燃點時，停止熱量供應(yīng)，陰燃反應(yīng)區(qū)所釋放的能量與向外損失的傳熱量間建立起能量平衡，陰燃開始自維持地向前傳播[28-29]。陰燃對燃料有一定的要求，即燃料必須是表面積相對較大的多孔結(jié)構(gòu)，來保證陰燃反應(yīng)區(qū)有充足的氧氣且氧氣能很快地擴散到燃料表面[30]。

陰燃傳播遵循以下基本規(guī)律：

（1）達西定律：多孔介質(zhì)內(nèi)部的氣體整體宏觀運動規(guī)律由介質(zhì)內(nèi)部壓力梯度驅(qū)動。

（2）氧氣質(zhì)量流率：是陰燃傳播的重要控制參數(shù)，如果氧氣濃度小于一定水平，陰燃熄滅；大于一定水平，陰燃轉(zhuǎn)變?yōu)槊骰餥31]。

（3）傳熱過程：包括熱對流、熱傳導(dǎo)和熱輻射過程。反應(yīng)區(qū)熱量傳到燃料，燃料溫度到達反應(yīng)溫度的速率決定了陰燃的傳播速率。燃料是多孔結(jié)構(gòu)，熱傳導(dǎo)作用較小，輻射傳熱作用較大[32]。

2.2 陰燃用于含油污泥處理的研究歷史

陰燃現(xiàn)象在生活中很常見，如香煙、蚊香和寺廟高香等燃燒都屬于陰燃。將陰燃法用于含油污泥處理則是21世紀(jì)以后出現(xiàn)的[33-37]。2009年Switzer等[25]提出一種實驗室陰燃裝置，可用于室內(nèi)含油污泥陰燃技術(shù)研究；2011 年P(guān)ironi 等[38]研究了影響陰燃處理效率的主要因素，并得到了陰燃法能夠處理的污染物濃度、含水率范圍等；2015 年Scholes 等[39]提出了第一個中試規(guī)模的原位陰燃現(xiàn)場試驗裝置，得到較好的處理效果；2016 年Rajendiran 等[40]研究了實驗室條件下陰燃過程溫度變化，并評估了陰燃處理效率；2016年Grant等[41]對原位陰燃的局限性進行了研究，提出了一系列指導(dǎo)性見解。

2.3 室內(nèi)實驗研究

對含油污泥陰燃處理技術(shù)進行實驗室實驗研究，探究陰燃的點火規(guī)律和影響因素，是將陰燃技術(shù)應(yīng)用到工程實際的第一步。一般而言，陰燃技術(shù)的室內(nèi)研究以異位陰燃為主，原位陰燃由于需要在地下或地下水位以下開展測試，故常以現(xiàn)場中試實驗為主。

2.3.1 實驗裝置 含油污泥陰燃處理技術(shù)的室內(nèi)實驗裝置主要由陰燃反應(yīng)爐、溫度測控裝置、加熱源、尾氣收集及處理裝置4 部分構(gòu)成。陰燃反應(yīng)主要在陰燃反應(yīng)爐中進行，反應(yīng)時相關(guān)溫度參數(shù)由溫度測控裝置記錄并全程監(jiān)控。尾氣收集及處理裝置能夠有效減少二次污染的產(chǎn)生。

（1）異位陰燃 利用陰燃原理，將受污染的土壤運離原位，送至陰燃處理裝置進行凈化處理，是異位陰燃的指導(dǎo)思想。由于不受地形和場地的限制，異位陰燃被廣泛運用于實驗室研究，其實驗方法大多采用正向陰燃，即陰燃推進方向與空氣流動方向一致[42-43]。Switzer 等[26]提出一種實驗室陰燃裝置設(shè)計，可收集陰燃反應(yīng)產(chǎn)生的尾氣并可對尾氣進行紅外光譜分析，如圖1所示。

Rajendiran 等[40]設(shè)計出專門用于進行實驗室含油污泥陰燃處理研究的陰燃爐裝置。實驗用油泥在實驗室中配制，配料為粗砂+2T 10W-30 發(fā)動機油，每5 kg 粗砂配500 ml 發(fā)動機油。熱源采用電阻加熱絲，最高溫度可達1000℃。在達到400℃的點火溫度后，關(guān)閉加熱器，開啟空氣壓縮機，陰燃前鋒開始傳播。發(fā)現(xiàn)在實驗室條件下，陰燃過程的最高溫度可達650℃，煤爐中的石油污染物以揮發(fā)性氣體和水蒸氣的形式逸出。在進行陰燃過程后，系統(tǒng)的溫度會自動降低。該實驗室含油污泥陰燃處理效果前后對比如圖2所示。評定異位陰燃處理效果的參數(shù)是紅外光譜測出波長的波峰。對于石油烴類化合物，含有大量的C====H、—CH3、—CH2、CH—等，在1000～3000 cm-1段應(yīng)該有明顯的波峰；而對于硅砂，其波峰在400～500 cm-1段。對處理后的含油污泥進行了紅外光譜測定，在1000～3000 cm-1段未出現(xiàn)明顯的波峰。說明處理后的沙土中含有的碳氫化合物較少，陰燃處理效果較好。

(2)原位陰燃 不同于異位陰燃，原位陰燃（insitu STAR）適用于處理地表或水位以下的受污染土壤，能夠就地處理大規(guī)模污染土壤，量化破壞率和修復(fù)效率[44]。在原位陰燃過程中，通過向地下供氣維持燃燒前沿的傳播，亦可通過終止供氣迅速切斷陰燃反應(yīng)的進行?？諝鈮毫σ瞥?，地下的水力梯度逆轉(zhuǎn)，地下水向陰燃反應(yīng)區(qū)流動，迅速把熱量從地層中帶走。因此，在含水層中不可能發(fā)生失控的原位陰燃反應(yīng)。

Grant 等[41]研究了原位陰燃的局限性，發(fā)現(xiàn)黏結(jié)的土壤必須具有足夠的滲透性，以允許足夠的空氣流向燃燒前沿，并且存在最低要求的污染物濃度，使土壤中含有足夠的燃料，才能使反應(yīng)以一種自我維持的方式進行。在滿足原位陰燃的條件下，處理區(qū)污染物濃度將降低99%以上，剩余污染物質(zhì)量受限，地下水污染物質(zhì)量通量降低，從而降低成本，改善污染區(qū)域的環(huán)境條件。

2.3.2 影響因素研究

(1)異位陰燃 Pironi 等[38]設(shè)計一系列多因素正交實驗，探究影響陰燃處理效果的主要因素。實驗結(jié)果表明，污染物濃度、含水飽和度、土壤類型和空氣流量是影響陰燃推進的主要因素。在滿足陰燃反應(yīng)所需的一般空氣通量下，煤焦油的含量在28400～142000 mg/kg 的 范 圍 內(nèi)，原 油 的 含 量 在31200～104000 mg/kg 的范圍內(nèi)，初始含水量在0～177000 mg/kg 的范圍內(nèi)，陰燃都能夠自我維持地進行。土壤顆粒粒徑大小也影響陰燃處理效率，范圍從細砂到粗砂不等，但最大粒徑一般在6～10 mm 之間。該實驗選取的土壤平均粒徑為1.34 mm。上述因素在允許范圍內(nèi)偏離較遠，盡管陰燃可以自維持地進行，但點火時間顯著延長，反應(yīng)前沿溫度和速度降低，陰燃處理效率顯著下降。此外，陰燃的傳播速度高度依賴于空氣通量。在原油和煤焦油的陰燃實驗中，空氣的達西通量至少為0.5 cm/s，陰燃方可自維持地進行。

表1 展示了Pironi 等[38]做的一系列實驗結(jié)果。通過對單因素實驗和多因素正交實驗的分析，給出了陰燃能夠點火成功需要滿足的一系列條件，包括污染物類型、多孔介質(zhì)類型、污染物含量和含水率等。其中，污染物類型及含油量決定了陰燃反應(yīng)過程中能夠釋放的能量大小，污染物的熱值越高，含量越高，陰燃過程中釋放的能量也越多，相對也越容易建立起陰燃反應(yīng)的能量平衡。但污染物含量超出某個上界，未陰燃的部分反而難以達到陰燃的著火點或者難以建立起陰燃反應(yīng)的能量平衡，陰燃無法產(chǎn)生或者自維持地推進。多孔介質(zhì)孔隙度決定了沙土表面包裹的有機污染物同氧化劑（空氣或氧氣）的接觸面積，在一定范圍內(nèi)，沙土的孔隙度越大，空氣越容易與沙土表面包裹的一層有機污染物充分接觸，越有利于陰燃的產(chǎn)生和自維持地推進。含水量對陰燃的影響，主要體現(xiàn)在水分蒸發(fā)時，帶走了陰燃反應(yīng)體系內(nèi)一部分熱量。陰燃反應(yīng)向外界損失的能量增多，建立起陰燃反應(yīng)能量平衡需要有機污染物反應(yīng)時釋放更多的能量，增加了陰燃自維持推進的難度。

圖1 一種改進的實驗室陰燃裝置[26]Fig.1 An improved laboratory smolder[26]

圖2 含油污泥異位陰燃處理實驗前后效果對比[40]Fig.2 Results of smoldering experiment of oily sludge before and after treatment[40]

在實驗室條件下，陰燃溫度取決于反應(yīng)速率和反應(yīng)介質(zhì)的熱物理性質(zhì)，而這些因素又取決于土壤類型和污染物含量[45]。當(dāng)陰燃達到著火點以后，加熱器還可以可變功率運行，不一定要停止加熱，但要保證外部邊界溫度至少低于反應(yīng)溫度100℃。當(dāng)陰燃規(guī)模較大時，相對于反應(yīng)前沿而言，外邊界的尺度更大，更能代表陰燃前鋒的推進。因此，這種方法在接近可持續(xù)性極限的燃燒實驗中很常見[46]。

（2）原位陰燃 對原位陰燃的研究，大都通過現(xiàn)場中試實驗的方式開展，其研究成果集中體現(xiàn)在工程實際的應(yīng)用中。詳見本文2.5節(jié)。

2.4 數(shù)值研究

2.4.1 數(shù)學(xué)模型 陰燃過程的數(shù)值模擬研究對探究陰燃處理效果的影響因素、提高陰燃處理效率和研究陰燃污染物生成有著極為重要的作用[47-51]。國外已有不少學(xué)者對陰燃傳播速度的解析式進行了細致的研究[52-55]，提出了一系列陰燃演化方程。MacPhee 等[56]提出一種用于計算局部正向陰燃傳播速度的解析表達式[式（1）]和一種原位陰燃模型工藝流程圖（圖3）。

式中各變量的定義見表2，特別地，式（1）必須使用校準(zhǔn)系數(shù)A校準(zhǔn)到每片土壤或污染物堆。

MacPhee 等[56]利用該模型進行數(shù)值模擬，得到一系列空氣分布矢量圖和陰燃前鋒等值線圖，選取其中之一介紹，如圖4所示。

圖4(a)展示了該模型的模型域設(shè)置，背景灰度表示滲透率場，較暗的灰度表示較小的滲透率；圖4(b)展示了點火前的空氣分布矢量圖，矢量大小范圍在0～1.55 m/s，滲透率場用灰白背景表示，灰色背景表示滲透率小于5×10-11m2；圖4(c)展示了從t=0 s 到1500 s，每隔300 s繪制的陰燃鋒位置等值線圖。

這種耦合建模方法的效果是能夠預(yù)測二維陰燃前鋒隨時間變化的復(fù)雜形狀，給定了內(nèi)在滲透率的空間變異性，并考慮了空氣質(zhì)量通量和有機液體飽和度在空間和時間上的變化。該模型的主要優(yōu)點是能夠以計算效率求解復(fù)雜的悶燒條件，然而，由于該模型沒有考慮溫度效應(yīng)且未對能量方程進行求解，因此只適合于與該模型有效過程(如只考慮空氣通量、滲透率、液體飽和度等)相一致的工程模擬。

表1 含油污泥陰燃處理多因素正交實驗結(jié)果［38］Table 1 Results of multi-factor orthogonal experiment on smolder treatment of oily sludge［38］

圖3 原位陰燃模型工藝流程[56]Fig.3 In-situ smolder model process flow[56]

表2 式（1）中陰燃速率參數(shù)［40］Table 2 Smouldering rate parameters in Eq.（1）［40］

在考慮氧化反應(yīng)生成熱和熱損失的前提下，Shinya 等[61]提出了一種基于極細多孔固體的陰燃演化方程，如式(2)所示

其中，ds為燃料外徑，m；Vsml為陰燃傳播速度，m/s；ρs為固體燃料密度，kg/m3；c為物料比熱容，kJ/(kg·K)；φ 為固體燃料孔隙率；Tsml為陰燃溫度，K；T∞為未燃物料溫度，K；τ為陰燃部分厚度，m；ω為氧氣的消耗速度，mol/s；Δh 為氧化反應(yīng)生成物的生成焓，kJ/(m3·mol)；Q·″loss為燃燒部分的熱損失，kJ/(m2·s)。在此基礎(chǔ)上，考慮固體表面燃燒擴張現(xiàn)象和極限理論等因素的影響[62-63]，Shinya 等[61]又提出一種修正方程，如式(3)所示

經(jīng)過修正后的樣本外徑和孔隙率之間存在式（4）所示的關(guān)系，與實驗所示結(jié)果趨于一致。

實驗所測陰燃速率與理論預(yù)測的陰燃速率比較如圖5所示。

Maika等[64]提出了一種簡單、快速的數(shù)值方法來求解陰燃前鋒演化方程，該方程在Kuramoto-Sivashinsky 方程的 基 礎(chǔ)上對f·= ε3l′T和f′= ε3/2l′ξ進行微分，并做g = 1+ ε3l′2ξ/2 + ο(ε3)的泰勒展開，考慮擴展參數(shù)、移動曲線前鋒和空間離散化的影響，該方程依然等價于Kuramoto-Sivashinsky 方程[65-66]。數(shù)值結(jié)果與實驗結(jié)果的對比表明，該模型方程不僅適用于氣相火焰前沿的擴展，而且適用于薄壁固體陰燃前鋒的擴展。

圖4 陰燃前鋒數(shù)值模擬[56]Fig.4 Numerical simulation of smoldering forward[56]

圖5 實驗測得陰燃速率與理論預(yù)測陰燃速率的對比[61]Fig.5 Comparison of smoldering rate measured by experiment and predicted by theory[61]

2.4.2 擴散規(guī)律 Marco 等[67]研究了陰燃過程中砂土傳熱的一系列能量方程，在實驗室條件下對陰燃發(fā)生時強制空氣對流與砂之間的界面?zhèn)鳠徇M行了研究，實驗裝置如圖6 所示。通過對實驗數(shù)據(jù)進行數(shù)值分析，得到縱向面不同位置上溫度隨時間的變化曲線[圖7(a)]和溫度隨縱向距離的變化曲線[圖7(b)]。

圖6 界面?zhèn)鳠崮M研究裝置示意圖[67]Fig.6 Schematic diagram of interface heat transfer simulation research device[67]

圖7(a)中的不同曲線表示與熱電偶的縱向距離(x)，范圍為0.120～0.505 m，間隔為0.035 m；圖7(b)中不同曲線表示實驗的時間間隔不同，范圍為3840～9240 s，間隔為1080 s。圖7 為顯示溫度演化基本情況的實驗。在空氣噴射器開啟之前，加熱器對砂土加熱，這種熱傳導(dǎo)只延伸到第二個熱電偶(x=0.155 m)之前。由于加熱器下部沒有熱電偶，無法顯示這部分砂土的熱傳導(dǎo)。假設(shè)熱傳導(dǎo)對稱，這就說明加熱器中心有一個0.11 m 厚的受熱區(qū)。啟動空氣噴射時，觀察到沿著柱狀實驗裝置向上發(fā)生對流傳熱，剛開始時加熱器上方第一個熱電偶溫度迅速升高(x = 0.120 m)，然后關(guān)閉加熱器(t = 2400 s)。砂土中儲存的能量向上傳遞并縱向擴散，對應(yīng)峰值溫度穩(wěn)定下降。這一點在圖7(b)中得到了清楚的體現(xiàn)，圖中溫度分布是時間的函數(shù)。

圖7 時間-溫度變化曲線(a)及距離-溫度變化曲線(b) [67]Fig.7 Time-temperature curve(a)and distance-temperature curve(b) [67]

2.5 工程應(yīng)用

2.5.1 異位陰燃 近年來，國外已有異位陰燃應(yīng)用于大型撬裝設(shè)備進行污泥凈化的報道[68-69]。其中，“熱墊(hot pads)”是異位陰燃在工程應(yīng)用中的典型代表。所謂“熱墊”，即將大批量的污染土壤堆放在一個工程基地中，利用集中供熱設(shè)備，使污染土壤達到點火溫度。當(dāng)陰燃前鋒能夠自維持地自熱墊向上傳播后，停止供熱。在整個熱墊處理過程中，空氣噴射裝置為陰燃提供充足的空氣，避免污染土壤堆因缺氧而阻斷陰燃前鋒的傳播。處理后的土壤經(jīng)檢測達標(biāo)后便可外排。類似大型撬裝設(shè)備，熱墊裝置具有“模塊化、撬裝化、工廠化”的特點，被污染的土壤送至熱墊基礎(chǔ)上進行陰燃處理，能最大化批量處理受污染土壤，且使批量處理時間最短。此外，熱墊技術(shù)還具有能耗低、成本低的優(yōu)勢。完整的“熱墊”如圖8所示。

圖8 “熱墊”概念圖Fig.8 Concept diagram of“hot pad”

Grant 等[41]提出一種陰燃熱處理修復(fù)反應(yīng)堆。該反應(yīng)堆應(yīng)用了“熱墊”的原理，對異位陰燃處理工藝進行了撬裝化、工廠化、自動化的優(yōu)化設(shè)計。在“熱墊”的基礎(chǔ)上，該反應(yīng)堆增加了尾氣收集及處理裝置，對反應(yīng)產(chǎn)生的尾氣進行收集和進一步的凈化處理，減少二次污染的產(chǎn)生。另一方面，不同于圖8介紹的“熱墊”，進行陰燃處理時，反應(yīng)堆和外界環(huán)境隔絕開來，在擋風(fēng)避雨的同時，能夠防止熱處理過程中產(chǎn)生的部分有害氣體未被尾氣收集裝置收集從而逸散到大氣中，危及作業(yè)人員的身體健康和對環(huán)境造成破壞。

加拿大savron 陰燃技術(shù)公司提出利用異位陰燃法處理鉆井泥漿和罐底油泥的技術(shù)手段，通過對陰燃反應(yīng)爐的改進，實現(xiàn)大批量地對鉆井泥漿和罐底油泥的陰燃處理。實驗時，采用罐底原油+適量泥沙的配料方式，在實驗室完成對罐底油泥的配制，采用加熱盤管對鉆井泥漿和罐底油泥進行預(yù)熱，使其達到陰燃反應(yīng)的著火點，采用空氣噴射裝置作為氣源實現(xiàn)陰燃前鋒自維持地推進。其中，處理前樣品的含油量為137000 mg/kg，經(jīng)陰燃處理后的泥沙中幾乎不含油，得到了較好的處理效果。

加拿大savron 陰燃技術(shù)公司還對采油作業(yè)油泥的陰燃處理進行了中試實驗，分三個批次對采油作業(yè)油泥進行了陰燃處理。從中試實驗的結(jié)果分析，處 理 前C10～C14含 量 為356 mg/kg，C15～C28含 量 為25400 mg/kg，C29～C36含量為9750 mg/kg，總有機污染物含量為35506 mg/kg，經(jīng)過陰燃處理的采油作業(yè)油泥中有機污染物基本除去，處理效果較好。因此，陰燃技術(shù)以污染物中自持有機物作為能源，可以持續(xù)、完全處理此類油泥。

2.5.2 原位陰燃 相較于異位陰燃，原位陰燃在實際工程中的應(yīng)用更加普遍[70-71]。Scholes 等[39]提出了第一個中試規(guī)模的原位陰燃現(xiàn)場試驗。通過在不同的地層內(nèi)進行淺層和深層試驗，揭示在地下和地下水位下啟動和維持陰燃反應(yīng)的能力，同時量化峰值溫度、陰燃速度、處理速率、處理效率、排放產(chǎn)物、井的影響半徑和能量需求。現(xiàn)場施工如圖9所示。

圖9 原位陰燃案例現(xiàn)場施工圖[39]Fig.9 Site construction drawing of in-situ smoldering case[39]

對淺層和深層原位陰燃的現(xiàn)場試驗單元進行了研究，提出了淺層[圖10(a)]和深層[圖10(b)]現(xiàn)場試驗單元的示意圖如圖10 所示。淺場試驗由點火井組成，點火井安裝在淺填體單元的底部，測試單元由板樁隔柵組成。深場試驗是在無板樁阻擋的深砂裝置上安裝點火井進行的。兩項現(xiàn)場試驗均在完全飽和條件下(即地下水位以下)開始。點火井對受污染土壤進行預(yù)熱，使其達到著火點后，停止供熱，被處理的土壤發(fā)生自維持的陰燃反應(yīng)。整個過程中，空氣噴射器不斷向地層注入空氣，使得陰燃前鋒能夠穩(wěn)健地向前傳播。

圖10 原位陰燃現(xiàn)場試驗單元示意圖[39]Fig.10 Schematic diagram of in-situ smolder field test unit[39]

加拿大savron 陰燃技術(shù)公司在美國新澤西州紐瓦克市進行了潟湖淤泥陰燃處理工程試驗。本項目采用原位陰燃技術(shù)，總處理煤焦油土方量約42000 m3，從2014 年起進行分區(qū)域分批修復(fù)，至2018 年結(jié)束；系統(tǒng)總設(shè)計1700 淺井（1.5 m 作用半徑，3 m 間距）和300 深井（3 m 作用半徑，6 m 間距）；處理區(qū)域分為不同節(jié)點，每一個節(jié)點有三個小室，點完火后即可抽取進入下一個節(jié)點點火。該中試規(guī)模的試驗主要用于評價原位陰燃對地下及地下水位以下有機污染物的處理效果，量化原位陰燃對有機污染物的破壞率和對土壤的修復(fù)效率。該中試實驗采用深入到地下或者地下水位以下的加熱管對潟湖淤泥進行加熱，使其達到陰燃著火點。當(dāng)潟湖淤泥陰燃釋放的能量和向外界損失的能量建立起能量平衡時，陰燃前鋒開始隨著空氣的通入不斷向未陰燃的有機污染區(qū)域推進。從淺層試驗的處理效果來看，潟湖淤泥中絕大部分有機物質(zhì)都燃燒殆盡，得到了較好的處理效果。處理前樣品中持久性有機污染物含量為38386 mg/kg，處理后其含量降低至258 mg/kg，其處理效率高達99.3%。

3 總結(jié)與展望

在我國，含油污泥處理量龐大；隨著我國環(huán)境修復(fù)步伐不斷加快，政府和人民對環(huán)境保護的要求也越來越高。陰燃技術(shù)因其具備高效地、大規(guī)模地處理含油污泥的潛力，在污染土壤的凈化處理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景及巨大的市場需求。綜合國內(nèi)外學(xué)者的研究，陰燃法處理含油污泥技術(shù)目前還需要注意以下幾點。

（1）陰燃處理過程中往往會產(chǎn)生尾氣，而對于有機污染物，尤其是含油污泥的陰燃，尾氣中常含有多種有害氣體。有效地收集、處理這些尾氣，減少二次污染的產(chǎn)生，是陰燃法處理含油污泥技術(shù)需要直面的一個問題。

（2）由于含油污泥的物理性質(zhì)和化學(xué)組成不同，陰燃向明火轉(zhuǎn)變的條件也不盡相同?？刂脐幦紲囟仍谥瘘c以下，避免其向明火轉(zhuǎn)變，同時確保反應(yīng)能自持續(xù)地進行，是陰燃法處理含油污泥技術(shù)的關(guān)鍵。

（3）探尋最優(yōu)的處理條件，使得陰燃的處理效率最高，是該技術(shù)能夠大規(guī)模地運用到工程實際中的關(guān)鍵。對于性質(zhì)相同或相似的含油污泥，有必要確定其陰燃處理的最佳條件，這主要體現(xiàn)在確定其最佳的空氣通量。

（4）對于不同的陰燃反應(yīng)器類型，陰燃前鋒的傳播速率不盡相同。在陰燃反應(yīng)器的設(shè)計過程中，反應(yīng)器的形狀、加熱器的位置、空氣噴射裝置的形狀和截面積等均會影響最終的處理效果。

（5）不同于各種可燃多孔介質(zhì)（如香煙、蚊香）等的陰燃，陰燃反應(yīng)不僅發(fā)生在可燃物的表面，也在可燃物內(nèi)部進行。而含油污泥只在泥砂表面裹有一層薄薄的有機污染物，陰燃反應(yīng)只在油泥表面進行，有機物陰燃殆盡后，泥砂完全保留了下來。這個客觀條件，給含油污泥陰燃技術(shù)的數(shù)值模擬帶來了一定的難度。

綜合以上考量，未來對陰燃法處理含油污泥的研究，可以從以下幾方面展開。

（1）建立有效的尾氣處理系統(tǒng)。對于大型撬裝陰燃反應(yīng)裝置，配套相關(guān)尾氣處理系統(tǒng)，減少二次污染的產(chǎn)生。

（2）含油污泥的陰燃傳熱性質(zhì)研究。用數(shù)值模擬和其他技術(shù)手段分析陰燃傳熱機理，確定油泥由陰燃向明火轉(zhuǎn)變的臨界溫度，并對陰燃反應(yīng)涉及的相關(guān)化學(xué)機理進行模擬研究，確定陰燃反應(yīng)生成物組分。

（3）多因素變量的研究。污染物濃度、孔隙率、含水飽和度和空氣通量都影響著陰燃處理效果。設(shè)計一系列正交實驗，確定陰燃處理的最佳條件，是今后研究的一個方向。

（4）陰燃反應(yīng)器的設(shè)計與完善。包括陰燃反應(yīng)器的形狀、加熱器的位置、空氣噴射裝置的形狀和截面積的設(shè)計與完善。

（5）原位陰燃系統(tǒng)的保護措施。建立原位陰燃失控保護系統(tǒng)，確保原位陰燃安全、可靠地進行。