熊櫻 蔡云 王永敏 楊曉東(北京京誠嘉宇環(huán)境科技有限公司，北京 100053)

0 引言

許多國家自20 世紀(jì)80 年代即開始將原位熱處理修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于污染地塊的修復(fù)中，已在上百項(xiàng)污染地塊修復(fù)工程中使用了原位熱處理技術(shù)。在美國、加拿大、丹麥、意大利以及布魯塞爾等國家和地區(qū)，使用了燃?xì)鉄崦摳郊夹g(shù)用于處理石油烴、多環(huán)芳烴、總碳?xì)浠衔锏任廴緢龅豙1-2]。我國的原位熱脫附修復(fù)工程應(yīng)用起步較晚，但發(fā)展極為迅速，在長三角、京津冀、中部和南方等地區(qū)均有應(yīng)用。其中燃?xì)鉄崦摳揭匀細(xì)膺\(yùn)輸方便，對于場地基礎(chǔ)條件要求較低、運(yùn)行靈活等優(yōu)勢得到了較快的發(fā)展。相比于國外，我國目前燃?xì)鉄崦摳綉?yīng)用場地主要以焦化廠、農(nóng)藥廠、油氣和化工廠等為主，處理的污染物以苯系物、多環(huán)芳烴和石油烴等為主，修復(fù)目標(biāo)溫度高，并且修復(fù)面積和方量大。在工程項(xiàng)目實(shí)施過程中，存在熱效率低、過程控制難度大、修復(fù)成本高、二次污染治理復(fù)雜等諸多問題。通過對某工程案例的分析，分析應(yīng)用過程中的關(guān)鍵問題，并提出下一步改進(jìn)的方向，以期為國內(nèi)污染土壤原位燃?xì)鉄崦摳叫迯?fù)領(lǐng)域的工程應(yīng)用提供參考。

1 原位燃?xì)鉄崦摳郊夹g(shù)

在眾多土壤修復(fù)技術(shù)中，熱脫附技術(shù)是目前應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)之一，特別適合石油類、氯化溶劑、揮發(fā)性有機(jī)物、半揮發(fā)性有機(jī)物污染土壤的修復(fù)。從形式上可以分為原位熱脫附和異位熱脫附。相比原位化學(xué)注入法和化學(xué)淋洗法，原位熱脫附技術(shù)能夠處理滲透性差的粘土地塊[3]。從修復(fù)周期而言，針對苯、苯系物、多環(huán)芳烴等目標(biāo)污染物，原位熱脫附修復(fù)周期要短于化學(xué)注入、化學(xué)淋洗以及生物修復(fù)等技術(shù)[4]。根據(jù)加熱方式不同，原位熱脫附可分為蒸汽強(qiáng)化提取技術(shù)、電阻加熱技術(shù)和熱傳導(dǎo)技術(shù)[5,6]。其中，蒸汽強(qiáng)化提取技術(shù)不適用于沸點(diǎn)高于100℃且無法產(chǎn)生共沸現(xiàn)象的半揮發(fā)性有機(jī)污染物，使用 ERH 技術(shù)時(shí)，除了需要考慮污染物沸點(diǎn)和地下水情況，還需注意污染地塊地下構(gòu)造等因素，基巖的存在對電阻率的影響[5]。相比而言，熱傳導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用條件更為廣泛。近年來，國內(nèi)成功引進(jìn)新型TCH—燃?xì)鉄崦摳郊夹g(shù)(gas thermal remediation, GTR)，該技術(shù)利用天然氣、丙烷等燃料燃燒提供熱能加熱土壤實(shí)現(xiàn)熱脫附，其技術(shù)優(yōu)勢在于燃?xì)獗阌谶\(yùn)輸、輸送方便。相比電加熱方式，對于場地基礎(chǔ)條件要求較低、啟動(dòng)快速、運(yùn)行靈活[7]。燃?xì)鉄崦摳匠蔀槟壳白罹邼摿Φ募夹g(shù)之一。

2 工程應(yīng)用案例分析

2.1 場地概況

該工程項(xiàng)目場地位于北方，歷史上為大型煤炭和化工產(chǎn)品綜合生產(chǎn)加工基地。包括備煤、煉焦、篩焦、煤氣凈化、焦油化產(chǎn)品回收、精苯等生產(chǎn)環(huán)節(jié)。特征污染物為多環(huán)芳烴，超標(biāo)覆蓋面積較大,超標(biāo)深度較大的污染物為萘、苯并(a)芘、茚并(1,2,3-cd)芘、二苯并(a,h)蒽、苯并(a)蒽等。此外，還存在VOCs 以及石油烴的污染，污染物的含量及超標(biāo)范圍詳見表1。場地地層大致分為四個(gè)土層：人工填土層、輕亞粘土層、卵石層、沙巖層，整個(gè)場地一期污染土壤風(fēng)險(xiǎn)管控土方量為4 萬多立方米。

表1 土壤污染物含量及修復(fù)目標(biāo)值

2.2 工藝設(shè)計(jì)

經(jīng)過技術(shù)比選和篩選，確定采用原位燃?xì)鉄崦摳教幚砉に?。工藝流程為：天然氣在燃燒器中燃燒后產(chǎn)生的高溫氣體通過風(fēng)機(jī)高溫氣體引入單個(gè)的加熱井中；高溫氣體(450～600℃)，通過加熱管間接加熱土壤，通過熱傳導(dǎo)方式加熱目標(biāo)修復(fù)區(qū)域，使得土壤溫度升高(升溫速率最高可達(dá)20℃/天)到目標(biāo)溫度；再利用真空抽提井對氣相/液相的污染物進(jìn)行抽提，通過冷凝分離，再對提取出的氣體和液體分別進(jìn)行處理，最后達(dá)標(biāo)排放。具體工藝流程如圖1 所示。

原位熱脫附系統(tǒng)主要包括加熱單元、抽提單元、廢氣廢水處理單元和監(jiān)測控制單元等。所有修復(fù)區(qū)的豎直加熱井都采用三角形網(wǎng)格分布，水平加熱井采用長管單層分布。根據(jù)前期場地調(diào)查獲得的場地地質(zhì)條件、土壤物理參數(shù)、污染物性質(zhì)，結(jié)合修復(fù)深度、修復(fù)范圍及項(xiàng)目工期的要求，通過土壤加熱模型計(jì)算獲得加熱井布置間距的范圍，即豎直加熱井井間距為2m，水平加熱井井間距為1.3m。具體原位燃?xì)鉄崦摳街饕に噮?shù)如表2 所示。

圖1 原位燃?xì)鉄崦摳郊夹g(shù)工藝流程圖

表2 原位燃?xì)鉄崦摳街饕に噮?shù)

抽提單元包括地下抽提井和表面抽提管；廢水廢氣處理單元包括冷凝、氣液分離和廢水廢氣處理等單元。抽提出的尾氣經(jīng)過換熱器后進(jìn)入氣液分離裝置，尾氣采取火炬燃燒+活性炭吸附的處理方式。廢水采用斜管沉淀+絮凝過濾+活性炭吸附的處理方式。整個(gè)加熱過程中，對單個(gè)燃燒器的燃燒狀況、溫度、壓力以及土壤中關(guān)鍵位置的溫度、壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2.3 修復(fù)效果

各地塊的升溫時(shí)間略有差異，整體而言土壤溫度隨著加熱時(shí)間的推移整體呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢，表明在地塊保溫層效果良好的情況下，隨著燃?xì)獾牟粩嘞?，土壤溫度?huì)不斷升高。單地塊加熱過程時(shí)間長度不等，土壤加熱升溫需要約45～50 天左右，個(gè)別地塊加熱時(shí)長在60 天以上，達(dá)到350℃后，繼續(xù)保持該溫度5～10 天，保證污染物處理達(dá)標(biāo)。修復(fù)后土壤污染物檢測值與修復(fù)目標(biāo)值對標(biāo)詳見表3，場地土壤污染物的去除效果明顯，能夠滿足修復(fù)目標(biāo)值的要求。

2.4 存在的關(guān)鍵問題

2.4.1 熱效率低

當(dāng)燃燒器在理想情況下操作時(shí)，所有的燃料都將被轉(zhuǎn)化為二氧化碳，同時(shí)其能量轉(zhuǎn)換效率將能達(dá)到65%～80%，而實(shí)際燃?xì)饧訜崮茉蠢寐什坏?0%，加熱系統(tǒng)出口的排煙溫度一般為200～400℃，未進(jìn)行循環(huán)利用，造成大量的能量浪費(fèi)。項(xiàng)目抽提尾氣中有機(jī)物濃度較高，經(jīng)過氣液分離器后，尾氣進(jìn)入二次燃燒室，對尾氣中所含有的揮發(fā)性有機(jī)污染物進(jìn)行徹底燃燒，再通過活性炭等后續(xù)處理工藝實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。雖然采用熱交換器加熱廢氣，可充分利用熱能，廢氣溫度由1100℃降至500℃，進(jìn)入噴淋急冷塔和噴淋吸收塔后最終排放，熱量損失較大。在燃?xì)饧訜嵬寥赖倪^程中，雖然在地表鋪設(shè)了保溫層，冬季條件下熱損耗依然很高。個(gè)別地塊由于位置及局地包氣帶含水條件在加熱過程中水汽蒸發(fā)導(dǎo)致大部分熱量損失。

2.4.2 過程控制精準(zhǔn)性不高

本工程設(shè)定的加熱目標(biāo)溫度350℃，對比國外工程案例，其目標(biāo)加熱溫度均在220℃以下[1]?？赡苁怯捎诠卜鞋F(xiàn)象的存在，一般混合物的沸騰溫度會(huì)低于他們各自的沸點(diǎn)，使得目標(biāo)加熱溫度無須超過污染物的沸點(diǎn)[8]。本工程確定的加熱溫度主要依靠同類項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，由于每個(gè)項(xiàng)目的污染物不同，場地條件各異，這個(gè)過程中主要依靠工程師經(jīng)驗(yàn)判斷。

燃?xì)饧訜釙r(shí)，其底部加熱溫度最高，煙氣由下往上溫度逐漸降低，淺層達(dá)到目標(biāo)溫度比較困難，會(huì)產(chǎn)生受熱不均勻的現(xiàn)象[9]。從現(xiàn)場溫度監(jiān)測情況來看，不同深度土壤溫度差異較大，深層土壤溫度遠(yuǎn)超過350℃目標(biāo)值。加熱時(shí)間及修復(fù)終點(diǎn)沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，本工程的17 個(gè)地塊在達(dá)到目標(biāo)溫度后保持的時(shí)間主要結(jié)合抽提尾氣的污染物含量變化和工程師的經(jīng)驗(yàn)來判斷，加熱的精準(zhǔn)性及污染物去除的精準(zhǔn)性尚難控制，可能造成過度修復(fù)。

2.4.3 無組織排放

工程實(shí)施過程中的廢氣無組織排放控制非常關(guān)鍵。項(xiàng)目現(xiàn)場實(shí)施過程中，在表面覆蓋一層15mm 厚的隔熱材料和25～30mm 厚的混凝土用作隔熱層防止污染物擴(kuò)散。通過抽提井的抽提，對場地的真空度進(jìn)行監(jiān)控來確保污染氣體不逸出。現(xiàn)階段，對真空度以及抽提氣量的控制很大程度依賴于工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，沒有確切的參數(shù)范圍。

工程開展過程中，定期進(jìn)行了無組織排放的監(jiān)測，檢測指標(biāo)包括二氧化硫、氮氧化物等常規(guī)項(xiàng)目，以及非甲烷總烴、苯、二甲苯、苯并芘等幾項(xiàng)特定指標(biāo)?，F(xiàn)有的在線監(jiān)控設(shè)備不能實(shí)現(xiàn)對特征污染物的快速分析，需要通過現(xiàn)場采樣和實(shí)驗(yàn)室分析，分析結(jié)果存在一定的滯后性，檢測結(jié)果出現(xiàn)非甲烷總烴等超標(biāo)時(shí)不能及時(shí)有效反映場地的無組織排放情況。而快速自檢儀器PID 讀數(shù)反映的是揮發(fā)性有機(jī)化合物和其他有毒氣體的濃度，區(qū)分不同化合物的能力比較差；只能通過讀數(shù)高低變化判斷現(xiàn)場的情況，沒有相應(yīng)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。目前國家標(biāo)準(zhǔn)并沒有萘、多環(huán)芳烴部分組分的檢測指標(biāo)，未針對上述污染物進(jìn)行檢測。

表3 土壤污染物修復(fù)目標(biāo)值與檢測最大值對比表 單位：mg/kg

3 改進(jìn)方向

3.1 降低能耗

原位燃?xì)鉄崦摳郊夹g(shù)主要依靠溫度來去除有機(jī)污染物，產(chǎn)熱的能耗是用來評估該技術(shù)的重要指標(biāo)。杜玉吉等[10]發(fā)明了一種利用分布式能源的污染土壤原位熱修復(fù)系統(tǒng)和方法，通過使用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)所產(chǎn)生的高溫?zé)煔夂碗娏ξ廴就寥肋M(jìn)行原位加熱修復(fù)。程功弼等[11]發(fā)明了一種異位燃?xì)饧訜岢樘嵋惑w式熱脫附裝置，多個(gè)加熱抽提一體化井修復(fù)土壤區(qū)域的外周設(shè)有多個(gè)隔熱板，隔熱板上設(shè)有用于感應(yīng)土壤溫度的溫度傳感器。李書鵬等[1]對比了國內(nèi)外的工程案例，總結(jié)了3 種降低能耗的方式，包括分批次處理、耦合原位化學(xué)氧化技術(shù)、設(shè)置伴熱抽提管道。通過上述分析，在降低能耗方面可以進(jìn)行異位燃?xì)饧訜?原位抽提的工藝研究，通過設(shè)置燃燒爐燃燒高溫?zé)煔庠偻ㄟ^分散送風(fēng)的方式提高一次燃燒的熱效率，同時(shí)將與土壤換熱后的低溫?zé)煔馀c高溫?zé)煔膺M(jìn)行混合，得到修復(fù)污染土地所需的熱煙氣再回到加熱井進(jìn)行循環(huán)利用，抽提尾氣可考慮送入燃燒器中進(jìn)行摻燒，或者在通過火炬燃燒后，預(yù)熱抽提尾氣來降低熱損耗節(jié)省一部分能量。

3.2 提高過程控制

針對大型原位修復(fù)場地的修復(fù)過程，如何保證裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)高效加熱與精準(zhǔn)修復(fù)研究也是工程應(yīng)用的一個(gè)重點(diǎn)研究方向。張學(xué)良等[6]提出運(yùn)用原位熱脫附技術(shù)需將溫度和時(shí)間這兩個(gè)重要影響因素相結(jié)合，根據(jù)污染物種類和濃度，經(jīng)過試驗(yàn)得出最佳搭配方式后，再進(jìn)行大面積的推廣。李書鵬等[1]提出通過開發(fā)原位熱脫附全過程熱傳導(dǎo)數(shù)值模擬及應(yīng)用軟件，在輸入目標(biāo)污染物沸點(diǎn)和溶解度、修復(fù)周期、加熱溫度、土工參數(shù)等現(xiàn)場條件即可得到加熱井間距、加熱井溫度及升溫速率等推薦值。原位熱脫附的能力和加熱溫度息息相關(guān)。而不同類型污染的土壤，對于熱脫附的溫度要求也不同，尤其是對于沸點(diǎn)較高的半揮發(fā)性污染物，需要的加熱溫度較高。設(shè)置合適的溫度目標(biāo)，合理考慮共沸點(diǎn)效應(yīng)下的運(yùn)行溫度，避免過度加熱和修復(fù)；提高加熱原件的效率、優(yōu)化地表的保溫層的設(shè)計(jì)和場地周邊阻隔層的設(shè)計(jì)都是重要的方向。關(guān)于場地的加熱時(shí)間，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)應(yīng)該通過分析特征污染物的濃度變化曲線，來進(jìn)一步判斷。

針對抽提尾氣不僅設(shè)置在線的PID 檢測，可在集中處理前設(shè)置采樣點(diǎn)，定期進(jìn)行抽提尾氣的成分分析，跟蹤場地各項(xiàng)污染物的變化情況，進(jìn)一步判斷加熱時(shí)間。

3.3 嚴(yán)格二次污染防控

原位燃?xì)鉄崦摳竭^程中的二次污染主要包括燃?xì)馊紵a(chǎn)生的廢氣、高濃度抽提廢氣、冷凝廢水以及廢氣廢水處理過程中產(chǎn)生的廢活性炭、含油污泥等。開發(fā)安全、高效、集成化的尾水尾氣處理系統(tǒng)是目前該技術(shù)工程應(yīng)用的關(guān)鍵。針對廢氣的有組織排放，需要保證廢氣處理設(shè)施設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，保證達(dá)標(biāo)排放；針對無組織排放的控制，仍然是相對薄弱的環(huán)節(jié)，需要通過做好前期地表的阻隔、過程中強(qiáng)化抽提控制、建立抽提控制強(qiáng)度與PID 檢測濃度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，提高檢測頻次等措施。

4 結(jié)語

我國燃?xì)鉄崦摳叫迯?fù)技術(shù)在污染場地應(yīng)用尚處于起步階段，實(shí)際工程應(yīng)用過程中存在熱脫附設(shè)施熱效率低、煙氣余熱未實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，工程實(shí)施過程中控制水平難以固化和提高；無組織排放控制難度大、針對特征污染物難以實(shí)現(xiàn)在線檢測等問題。

鑒于目前我國存有較多大型復(fù)雜的有機(jī)物污染場地的現(xiàn)實(shí)情況，且由于場地周邊條件、修復(fù)周期等多種因素影響，原位燃?xì)鉄崦摳郊夹g(shù)在我國依然有較高的應(yīng)用需求。節(jié)能降耗，減少二次污染，降低環(huán)境管理成本，最大程度上實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)修復(fù)是該技術(shù)未來發(fā)展的核心。

為此，必須全面分析該技術(shù)的適用條件、加熱溫度、加熱周期、過程控制，通過煙氣循環(huán)、增加熱回收單元進(jìn)行余熱利用等方式降低能耗。進(jìn)而優(yōu)化工程設(shè)計(jì)，研究能效高、過程控制精準(zhǔn)、污染物排放可控的成套技術(shù)裝備。同時(shí)開展組合工藝的應(yīng)用，包括燃?xì)鉄崦摳郊夹g(shù)與生物修復(fù)、化學(xué)氧化等修復(fù)技術(shù)耦合聯(lián)用。在此基礎(chǔ)上結(jié)合我國污染地塊實(shí)際情況，發(fā)展快速高效、成本低廉、應(yīng)用便捷、綠色可持續(xù)的原位燃?xì)鉄崽幚硇迯?fù)技術(shù)。