葉志成,周艷,陳明高

（馬鞍山學(xué)院 建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243100）

0 引言

2005—2013年，環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部聯(lián)合組織開展了首次全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查[1]。2016年國(guó)務(wù)院印發(fā)《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃的通知》，標(biāo)志著我國(guó)土壤污染防治進(jìn)入了有標(biāo)準(zhǔn)、成體系的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)期。2018年8月31日，十三屆全國(guó)人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)第五次會(huì)議通過了《中華人民共和國(guó)土壤污染防治法》，規(guī)定設(shè)立省級(jí)土壤污染防治基金，土壤污染防治專項(xiàng)資金使用范圍也包括支持設(shè)立省級(jí)土壤污染防治基金。政府的重視、土壤修復(fù)企業(yè)的增加和科研工作者的關(guān)注使土壤修復(fù)成為環(huán)境領(lǐng)域的熱點(diǎn)[2-4]。

污染場(chǎng)地的危害具有隱蔽性、滯后性、積累性、不可逆性、嚴(yán)重性和難治理性[5-7]。因此各種場(chǎng)地修復(fù)面臨著缺乏統(tǒng)一的處理技術(shù)、修復(fù)成本高、周期長(zhǎng)和外部性顯著等難題[8-9]。目前，已有一百多種修復(fù)技術(shù)用于土壤修復(fù)，大致可分為物理、化學(xué)和生物三種方法[10-11]。其中，原位熱脫附技術(shù)由于其無(wú)需進(jìn)行土壤清挖轉(zhuǎn)運(yùn)且不會(huì)帶來二次污染等特點(diǎn)逐步被國(guó)內(nèi)企業(yè)及學(xué)者關(guān)注運(yùn)用到污染場(chǎng)地修復(fù)[12-17]。原位熱脫附技術(shù)可以使土壤溫度達(dá)到500℃以上，常用來修復(fù)解吸難度大、溫度要求高的場(chǎng)地[18-22]。加熱井內(nèi)部的熱量來源可以是電流通過電阻元件產(chǎn)生的熱量，也可以是丙烷或者天然氣燃燒之后產(chǎn)生的高溫。當(dāng)今，燃?xì)鉄崦摳郊夹g(shù)在世界范圍內(nèi)已成為非常成熟的技術(shù)，并且在我國(guó)已有兩個(gè)成功應(yīng)用的工程案例，而電阻原件加熱的原位熱脫附技術(shù)在我國(guó)工程中的運(yùn)用鮮有報(bào)道。

本文以蘇南某化工廠退役場(chǎng)地為例，詳細(xì)介紹了該場(chǎng)地運(yùn)用電阻原件加熱的原位熱脫附修復(fù)技術(shù)的工藝情況，該項(xiàng)目主要包括加熱系統(tǒng)、抽提系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)，共加熱修復(fù)了180 d。通過分析不同土質(zhì)、不同加熱時(shí)間、不同加熱區(qū)域及二次污染控制等影響因素論述該項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)及成果，以期為后續(xù)運(yùn)用電阻原件加熱的原位熱脫附修復(fù)技術(shù)修復(fù)有機(jī)污染土壤的工程提供參考。

1 工程設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法

1.1 土壤污染現(xiàn)狀

按照?qǐng)龅赝翆臃植肌⑺牡刭|(zhì)、污染物集中分布趨勢(shì)將場(chǎng)地分為0～-3.0 m、-3.0～-7.5 m、-7.5～-11.5 m、-11.5～-16 m和＞-16 m五個(gè)土層，場(chǎng)地污染區(qū)域第二層、第三層和第四層（有機(jī)污染土壤全部采用原位熱解吸技術(shù)，具體污染物質(zhì)及性質(zhì)如表1所示。

綜合考慮污染物性質(zhì)、原位熱解吸目標(biāo)溫度經(jīng)驗(yàn)值及國(guó)外相關(guān)熱解吸案例，選擇含1，1，2-三氯乙烷污染土壤的原位熱解吸區(qū)域目標(biāo)溫度為100℃，不含1，1，2-三氯乙烷污染土壤的原位熱解吸區(qū)域目標(biāo)溫度為90℃。

表1 目標(biāo)污染物

1.2 工藝設(shè)計(jì)

原位熱解吸系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。原位熱解吸技術(shù)通過電加熱使得井管溫度上升，加熱井管通過熱輻射、熱傳導(dǎo)等方式將目標(biāo)修復(fù)區(qū)域的土壤層和地下水加熱，使得土壤中的目標(biāo)污染物和水分蒸發(fā)。

蒸發(fā)后的氣體經(jīng)抽提井配置的真空泵抽提進(jìn)入氣液分離系統(tǒng)中分離，分離出的液體進(jìn)入水處理裝置進(jìn)行處理處置，分離出的氣體進(jìn)入尾氣處理裝置處置達(dá)標(biāo)后排放。

本項(xiàng)目場(chǎng)地修復(fù)中采用熱傳導(dǎo)熱解吸工藝（TCH），并采用電加熱方式。原位熱解吸配套建設(shè)阻隔系統(tǒng)、降水系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、抽提系統(tǒng)、地面隔熱系統(tǒng)、解吸氣體處理系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)與控制8個(gè)系統(tǒng)，并包含其它配套設(shè)施，如電纜、管線設(shè)施以及其它設(shè)施等。

1.2.1 加熱系統(tǒng)

原位熱解吸加熱系統(tǒng)的主體為加熱井及加熱器。加熱井布設(shè)以每3個(gè)井作為一個(gè)修復(fù)單元。加熱井單元以等間距邊長(zhǎng)組成等邊三角形。

由于污染土壤的加熱溫度，隨著其與加熱井間距的增大而降低的。加熱井布設(shè)的間距較近時(shí)，能夠保證污染土壤被充分加熱無(wú)死角，但加熱井間距過近時(shí)，可能存在兩個(gè)加熱井或多個(gè)加熱井加熱半徑的交疊區(qū)域，造成電能資源的浪費(fèi)。根據(jù)場(chǎng)地水文地質(zhì)資料、文獻(xiàn)資料、粘土地質(zhì)情況，電加熱井在粘土地質(zhì)情況下的影響半徑約為2.5 m。整個(gè)土壤修復(fù)層熱傳導(dǎo)系數(shù)相差不大，具有較高的均勻性，各加熱井間距為4.5 m，在該分布位置可以有效保證每個(gè)加熱井單元加熱半徑覆蓋所有修復(fù)區(qū)域，避免修復(fù)盲區(qū)并盡量減少重疊。加熱井布設(shè)如圖2所示。

圖1 原位熱解吸技術(shù)工藝流程圖

圖2 加熱井布設(shè)及影響半徑示意圖

每口加熱井中下入一個(gè)電加熱器，該加熱器貫穿污染土壤的整體深度。加熱器布設(shè)深度為：與污染土壤地上界面平齊，在土壤污染下界面延長(zhǎng)1 m，保證修復(fù)底面污染土壤被全部加熱修復(fù)。加熱井地面以下0.5 m采用粘土進(jìn)行封井。每口井上部安裝電加熱器的配套控制裝置及電纜等，注意加熱井井口采用粘土進(jìn)行封井，以防土壤中揮發(fā)性氣體的逸散。所采用加熱器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.2.2 抽提系統(tǒng)

抽提系統(tǒng)包括豎直抽提井和水平抽提井，將污染土壤熱解吸產(chǎn)生的廢氣、水蒸氣抽提至地面。相鄰抽提井間距根據(jù)污染程度不同分別設(shè)計(jì)為4.5 m和3 m。針對(duì)污染土壤達(dá)第三層的污染范圍，抽提井深度為12.75 m；針對(duì)污染土壤達(dá)第四層的污染范圍，抽提井深度為17.55 m；針對(duì)污染土壤達(dá)第三層且第一層異位處理的污染范圍，抽提井深度為9.45 m；針對(duì)污染土壤達(dá)第四層且第一層異位處理的污染范圍，抽提井深度為14.25 m。抽提井為雙泵抽提系統(tǒng)（圖4），設(shè)計(jì)井徑140 mm，由耐高溫軟管和管壁分布有篩孔的不銹鋼井管組成，管徑分別為63 mm、16 mm。雙泵抽提系統(tǒng)通過管路閥門的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣、液的多相抽提，如地下水水位上漲，開啟耐高溫軟管通路，抽提地下水；當(dāng)抽提井中液面降至井底后，關(guān)閉軟管支路閥門，開啟主路閥門，抽提土壤中揮發(fā)的污染氣體。該不銹鋼井管布設(shè)篩孔，井管四周采用濾料填充。抽提井地面以下0.8 m采用膨潤(rùn)土進(jìn)行封井。

圖3 加熱器結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 多相抽提井結(jié)構(gòu)示意圖

水平抽提井埋于地下，水平抽提井上部鋪設(shè)粒徑大小3～5 cm的礫石，均勻鋪設(shè)形成礫石層，如圖5所示。

1.2.3 尾氣處理系統(tǒng)

尾氣處理工藝采用氣液分離—除塵—氧化燃燒—脫酸淋洗的多端尾氣凈化工藝。尾氣處理系統(tǒng)包括氣液分離器、耐高溫羅茨風(fēng)機(jī)、氧化燃燒系統(tǒng)、熱交換器、噴淋急冷塔和噴淋吸收塔。

加熱系統(tǒng)連續(xù)24 h運(yùn)行，溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)場(chǎng)區(qū)溫度并記錄溫度參數(shù)。溫度監(jiān)測(cè)探頭安裝位于加熱深度最下部。為實(shí)時(shí)監(jiān)控土壤層的溫度變化以及確定其是否滿足目標(biāo)溫度的要求，在加熱井的冷點(diǎn)位置均設(shè)置熱電偶對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。加熱井單元中冷點(diǎn)位于加熱單元的中心位置，如圖6所示。

圖5 水平抽提井結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 加熱井冷點(diǎn)位置示意圖

加熱、抽提及尾氣處理系統(tǒng)參數(shù)如2表所示。

表2 主要系統(tǒng)施工參數(shù)

1.3 采樣及分析

根據(jù)相關(guān)規(guī)定并綜合考慮本項(xiàng)目水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性以及周邊環(huán)境敏感目標(biāo)等因素，本次修復(fù)效果評(píng)估過程中修復(fù)區(qū)效果評(píng)估布點(diǎn)密度按不大于20 m×20 m執(zhí)行。同時(shí)，因?qū)t中針對(duì)原位修復(fù)后土壤的效果評(píng)估，還要求在修復(fù)區(qū)域邊界進(jìn)行布點(diǎn)采樣，按導(dǎo)則要求修復(fù)區(qū)邊界布點(diǎn)間隔不大于40 m設(shè)置采樣點(diǎn)。具體每個(gè)點(diǎn)位的布置，需要結(jié)合修復(fù)單位土壤和地下水運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、運(yùn)行過程中溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的分布等確定，重點(diǎn)布置于溫度相對(duì)較低、距離加熱井和抽提井最遠(yuǎn)端等修復(fù)薄弱區(qū)域。根據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn)，每個(gè)平面取樣位置，共設(shè)置9個(gè)垂直取樣點(diǎn)，共覆蓋整個(gè)污染深度。

樣品采集后立馬送至項(xiàng)目部實(shí)驗(yàn)室參照HJ605—2011測(cè)定，并于24 h內(nèi)測(cè)量完成。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel及Origin軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 土質(zhì)對(duì)升溫的影響

為確定不同深度情況，本工程選擇一塊地作為了溫升實(shí)驗(yàn)用地，共設(shè)置了3 m、9 m及16 m，3種不同深度溫度監(jiān)測(cè)井。將加熱井中心冷點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)繪制成升溫曲線如圖7所示，整體來看，無(wú)論是何種土質(zhì)溫度上升速度均表現(xiàn)出先快速增長(zhǎng)，后趨于平緩的趨勢(shì)。從不同土層來看，中間層升溫最快，60 d左右即可升至100℃，平均每天升溫1.2℃；最上層次之，需80 d左右升至100℃，平均每天升溫0.91℃；最下層溫升最慢，加熱80 d升溫至90℃，平均每天升溫0.79℃。造成此現(xiàn)象的原因可能是中間層由于粉砂層滲透性高和導(dǎo)熱性好，上層為雜填土，土壤密實(shí)度較高而且土質(zhì)構(gòu)成比較復(fù)雜；而最下層為黏土層，土壤密實(shí)度較大導(dǎo)熱性也較差。

2.2 加熱時(shí)間對(duì)修復(fù)效果的影響

本項(xiàng)目分別在整體加熱的第90 d、120 d、150 d及第160 d共進(jìn)行了3次自檢及1次送外檢。第一次自檢的取樣節(jié)點(diǎn)設(shè)置在整個(gè)廠區(qū)都達(dá)到目標(biāo)溫度100℃時(shí)，對(duì)整個(gè)廠區(qū)進(jìn)行了抽樣調(diào)查，共取樣801個(gè)；其中603個(gè)樣品各目標(biāo)污染物的檢測(cè)值均低于修復(fù)目標(biāo)值，占總樣品的75.28%。然后針對(duì)第一次自檢結(jié)果對(duì)已達(dá)標(biāo)區(qū)域暫停加熱，超標(biāo)區(qū)域集中持續(xù)加熱30 d后，采取第二次抽樣調(diào)查。第二次抽樣調(diào)查針對(duì)第一次達(dá)標(biāo)區(qū)域降低采樣頻次，超標(biāo)區(qū)域加大采樣頻次，共取樣558個(gè)；其中517個(gè)樣品各目標(biāo)污染物的檢測(cè)值均低于修復(fù)目標(biāo)值占總樣品數(shù)的92.65%，合格率得到了明顯提高。針對(duì)第二次自檢結(jié)果調(diào)整加熱區(qū)域后，進(jìn)行了第三次和第四次檢測(cè)，后兩次檢測(cè)達(dá)標(biāo)率為100%，整個(gè)廠區(qū)停止了加熱。從檢測(cè)結(jié)果可知，隨著熱脫附加熱時(shí)間的增加，場(chǎng)地污染物的去除率逐漸增高，這與張學(xué)良[22]研究結(jié)果類似，最終在第150 d整個(gè)廠區(qū)目標(biāo)污染物均達(dá)到修復(fù)目標(biāo)值以下。具體取樣頻次見表3。

表3 原位土壤修復(fù)效果評(píng)估

2.3 修復(fù)溫度變化趨勢(shì)分析

圖8為整個(gè)運(yùn)行階段廠區(qū)整體溫度變化曲線圖，由圖可知，土壤溫度隨著加熱時(shí)間的增加平穩(wěn)上升。在停止加熱后，廠區(qū)維持了一段時(shí)間的恒定范圍內(nèi)波動(dòng)后開始逐漸平穩(wěn)降低；且降溫的平均速度為0.67℃/d明顯低于升溫時(shí)的0.79℃/d，這表明即使在停止加熱后，整個(gè)廠區(qū)仍可以在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)保持較高的溫度，有利于殘留污染物的去除。另從圖8可以看出1#、2#、3#這些處于修復(fù)邊界的溫度檢測(cè)井在加熱階段呈現(xiàn)出溫度上升趨勢(shì)相對(duì)較慢，而在達(dá)到目標(biāo)溫度停止加熱后溫度下降較快，這表明在修復(fù)邊界區(qū)域熱量流失較快，修復(fù)難度較大。造成這種現(xiàn)象的原因可能是在加熱邊界區(qū)域，加熱井外圍既是止水帷幕，又與止水帷幕外界存在熱量交換，導(dǎo)致能量流失快；而場(chǎng)地中心區(qū)域周邊均是加熱井，溫度上升較快。這與謝炳坤[22]研究結(jié)果類似。

圖7 不同土層溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖8 整體溫度變化曲線

2.4 二次污染處理效果分析

尾氣處理是避免場(chǎng)地修復(fù)過程中二次污染的有效措施，與異位熱脫附相比，原位熱脫附的優(yōu)點(diǎn)就是能減少有機(jī)物的揮發(fā)及無(wú)組織排放。原位熱解吸修復(fù)區(qū)場(chǎng)地全部由混凝土硬化，這有效地阻隔了有機(jī)氣體的揮發(fā)。在加熱過程中通過抽提系統(tǒng)將污染氣體抽出，經(jīng)尾氣處理系統(tǒng)燃燒處理，有效地遏制了土壤修復(fù)過程中的尾氣二次污染問題。本項(xiàng)目尾氣處理系統(tǒng)有組織排放源，每月檢測(cè)一次，共檢測(cè)了6次，檢測(cè)結(jié)果如表4所示。由表可知6次檢查均達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，這表明電加熱原位熱脫附能有效減少二次污染，具有很好的適用性和可行性。

表4 各檢測(cè)因子檢測(cè)結(jié)果匯總

3 結(jié)論

本文探討了電加熱原位熱脫附技術(shù)在某退役化工廠的應(yīng)用，分析了土質(zhì)、區(qū)域和加熱時(shí)間及二次污染等因素對(duì)修復(fù)效果的影響，得出以下結(jié)論：

（1）電加熱原位熱脫附場(chǎng)地粉砂層、雜填土層及粘土層對(duì)應(yīng)的平均溫升分別為1.2℃/d、0.91℃/d及0.76℃/d。粘土層的溫升速度最慢，而修復(fù)工期取決于溫升最慢的區(qū)域，因此以后的修復(fù)工程溫度檢測(cè)只針對(duì)粘土層布控。

（2）整體來說廠區(qū)溫度上升較快，在90 d達(dá)到設(shè)計(jì)溫度；而修復(fù)邊界區(qū)域溫度上升相對(duì)較慢需要達(dá)到110 d左右才能達(dá)到設(shè)計(jì)溫度。

（3）隨著加熱時(shí)間的增加，場(chǎng)地污染物的去除率逐漸增高，樣品達(dá)標(biāo)率從90 d的75.28%上升到第150 d的100%，整個(gè)修復(fù)運(yùn)行工期為180 d。最終四氯化碳未檢出，氯乙烯的監(jiān)測(cè)值≤0.041 mg/kg、1,1,2-三氯乙烷≤0.304 mg/kg、氯仿≤0.039 mg/kg，均小于修復(fù)目標(biāo)值。

（4）電加熱原位熱脫附技術(shù)，能有效遏制土壤修復(fù)過程中的尾氣二次污染問題，具有較好的實(shí)用性及可行性。