招商局生態(tài)環(huán)保科技有限公司 龍建兵，謝真，李建亮

一、研究背景

（一）土壤污染簡(jiǎn)介及現(xiàn)狀

土壤污染是指因從事生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、處理、貯存的有毒有害物質(zhì)進(jìn)入土壤，其濃度超過(guò)了土壤的環(huán)境容量，破壞了其中的自然動(dòng)態(tài)平衡，導(dǎo)致土壤功能失調(diào)、質(zhì)量惡化，且對(duì)人體健康或生態(tài)環(huán)境構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)。土壤污染的特點(diǎn)是比大氣和水體污染更加隱蔽和滯后，且大多集中在某一范圍或區(qū)域內(nèi)；其不可逆性、累積性和難恢復(fù)性也是土壤污染難以治理的表現(xiàn)。通常情況下，一旦重金屬、POPs等污染物進(jìn)入了土壤，便會(huì)不斷積累[1]。此外，工業(yè)廢水、廢渣、廢氣等無(wú)序排放往往造成的是局部區(qū)域嚴(yán)重的土壤污染，大氣沉降則會(huì)造成大面積且持續(xù)的土壤污染。

調(diào)查結(jié)果顯示：全國(guó)土壤環(huán)境狀況總體不容樂(lè)觀，部分地區(qū)土壤污染較重，耕地土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂(yōu)，工礦業(yè)廢棄地土壤環(huán)境問(wèn)題突出。工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)等人為活動(dòng)以及土壤環(huán)境背景值高是造成土壤污染或超標(biāo)的主要原因。全國(guó)土壤總的超標(biāo)率為16.1%，其中輕微、輕度、中度和重度污染點(diǎn)位比例分別為 11.2%、2.3%、1.5%和 1.1%。污染類(lèi)型以無(wú)機(jī)型為主，有機(jī)型次之，復(fù)合型污染比重較小，無(wú)機(jī)污染物超標(biāo)點(diǎn)位數(shù)占全部超標(biāo)點(diǎn)位的82.8%。從污染分布情況看，南方土壤污染重于北方；長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲、東北老工業(yè)基地等部分區(qū)域土壤污染問(wèn)題較為突出，西南、中南地區(qū)土壤重金屬超標(biāo)范圍較大；鎘、汞、砷、鉛4種無(wú)機(jī)污染物含量分布呈現(xiàn)從西北到東南、從東北到西南方向逐漸升高的態(tài)勢(shì)。

（二）熱脫附修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

熱脫附技術(shù)[4]是指在真空條件或者通入載氣時(shí)，通過(guò)直接或者間接熱交換，將土壤中有機(jī)物加熱到足夠的溫度，以使有機(jī)污染物從土壤中得以揮發(fā)或者分離，進(jìn)入氣體處理系統(tǒng)的過(guò)程。熱脫附可以通過(guò)調(diào)節(jié)加熱溫度和停留時(shí)間等方式有選擇地將污染物從一相轉(zhuǎn)化為另一相，在修復(fù)過(guò)程中并不出現(xiàn)對(duì)有機(jī)物的破壞作用。通過(guò)控制熱脫附系統(tǒng)溫度和污染土壤停留時(shí)間有選擇地使污染物得以揮發(fā)，并不發(fā)生氧化、分解等化學(xué)反應(yīng)。熱脫附主要包括兩個(gè)基本過(guò)程：一是加熱待處理污染土壤，將目標(biāo)污染物揮發(fā)成氣態(tài)分離；二是將含有污染物的尾氣進(jìn)行冷凝、收集以及焚燒等處理后達(dá)標(biāo)排放至大氣中。

熱脫附技術(shù)在國(guó)外始于七十年代，廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐，技術(shù)較為成熟。在1982年-2004年，約有70個(gè)美國(guó)超級(jí)基金項(xiàng)目采用異位熱脫附作為主要的修復(fù)技術(shù)。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，包括美國(guó)、法國(guó)等多個(gè)國(guó)家研究者開(kāi)展了含揮發(fā)性污染物(二甲苯、三氯乙烯等)、PCBs、PAHs(菲、芘等)、二噁英、石油以及十六烷和十碳到二十二碳等多種有機(jī)物污染對(duì)象進(jìn)行了熱脫附研究。

二、熱脫附的關(guān)鍵影響因素研究

本實(shí)驗(yàn)采用管式電加熱爐，通過(guò)對(duì)某化工場(chǎng)地污染的有機(jī)污染土壤在不同實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行熱脫附處置、檢測(cè)和分析，探究熱脫附過(guò)程中的溫度、停留時(shí)間等關(guān)鍵因素對(duì)有機(jī)污染物去除效率的影響，進(jìn)而分析有機(jī)污染物在土壤中的熱脫附規(guī)律，以期為熱脫附技術(shù)的實(shí)際工程提供科研依據(jù)。

（一）污染土壤來(lái)源

本實(shí)驗(yàn)用土壤來(lái)源于重慶某化工場(chǎng)地，場(chǎng)地土壤中主要為苯并[a]芘、苯并[b]熒蒽、萘1,2,3-三氯丙烷、苯并[a]蒽、二苯并[a,h]蒽、茚并[1,2,3-cd]芘、石油烴。在項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)選取4個(gè)土壤污染點(diǎn)位（1、2、3、4），在點(diǎn)位附近1m、深度為0.5m范圍內(nèi)，分別采集10kg污染土壤開(kāi)展熱脫附試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)用土中污染物濃度見(jiàn)表1統(tǒng)計(jì)。

表1 實(shí)驗(yàn)用土中污染物濃度

（二）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

本試驗(yàn)控制的參數(shù)為土壤粒度、熱脫附溫度、停留時(shí)間和含水率。

選擇1號(hào)點(diǎn)位樣品開(kāi)展代表性試驗(yàn)，試驗(yàn)分組設(shè)計(jì)如下：根據(jù)污染物沸點(diǎn)，在給定的土壤粒徑（5cm）、含水率（＜20%）和停留時(shí)間（30min）下，設(shè)計(jì)三組試驗(yàn)溫度：450℃、525℃、600℃。在給定的土壤粒徑（5cm）、含水率（20%）和試驗(yàn)溫度下，設(shè)計(jì)三組停留時(shí)間：20 min、30 min、40min。

2、3、4點(diǎn)位樣品在給定的土壤粒徑（5cm）和含水率（＜20%）下，設(shè)計(jì)停留時(shí)間：30 min；試驗(yàn)溫度：525℃。

（三）實(shí)驗(yàn)步驟

將土樣篩分破碎預(yù)處理，剔除磚石等雜質(zhì)，使土壤粒徑達(dá)到50mm以?xún)?nèi)，預(yù)處理完成后，送實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)目標(biāo)污染物濃度。

準(zhǔn)備試驗(yàn)工具、材料、管式電加熱爐及試驗(yàn)土壤。

取試驗(yàn)土樣，首先對(duì)含水率較高的土壤通過(guò)加入生石灰調(diào)節(jié)土壤含水率低于20%，將約200g土壤放于管式電加熱爐，按設(shè)計(jì)分組方案進(jìn)行熱脫附試驗(yàn)，記錄每組試驗(yàn)實(shí)際參數(shù)。

對(duì)每組熱脫附后土壤分別取樣，送實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)目標(biāo)污染物濃度。

（四）影響因素分析

溫度對(duì)熱脫附的影響。熱脫附作為一種污染土壤熱處理方法，其基本原理是在足夠的溫度下加熱土壤以去除有害污染物質(zhì)物。因此，溫度是影響熱脫附效率的主要和關(guān)鍵因素。從表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，只要土壤最終加熱溫度大于污染物的沸點(diǎn)溫度，都可達(dá)到較好的修復(fù)效果，在此基礎(chǔ)上延長(zhǎng)加熱時(shí)間或提高加熱溫度，去除效果更好。但溫度低于525℃以下，去除效果較低。

表3 熱脫附試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

從理論與實(shí)際的試驗(yàn)結(jié)果均可表明，溫度是熱脫附工藝中重要的影響因素，它在一定程度上決定了熱脫附工藝對(duì)污染土壤的修復(fù)效率。在一定范圍內(nèi)，提高熱脫附溫度有利于提高污染土壤的修復(fù)效果。因此，建議熱脫附溫度不低于其污染物沸點(diǎn)溫度。

熱脫附作為工程中廣泛應(yīng)用的一種技術(shù)，如果要求的溫度過(guò)高，或者僅僅通過(guò)提高加熱溫度來(lái)提高脫附效率，并不能達(dá)到理想的效果，而且也不科學(xué)。加熱到較高的溫度，不僅會(huì)消耗大量的能量，而且會(huì)有大量的能量耗散，這都是在實(shí)際工程中要盡量避免的。此外，研究發(fā)現(xiàn)過(guò)高的加熱溫度會(huì)破壞土壤原有結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致土壤中原有的有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽揮發(fā)和分解，不利于處理后或復(fù)墾后的土壤的再利用。因此，如何在較低的加熱溫度下提高脫除效率，或者如何在較高的脫除效率下大幅度降低溫度，以減少能量消耗和對(duì)土壤的破壞，是迫切需要解決的問(wèn)題。

本次試驗(yàn)采用粒度50mm土壤樣品進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)合本試驗(yàn)結(jié)果，在場(chǎng)地土壤熱脫附修復(fù)工程中，建議將土壤入料粒度控制在50mm以?xún)?nèi)較為合適，既可保證修復(fù)效果，也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)成本的控制。

三、結(jié)論

有機(jī)污染土壤熱脫附處置過(guò)程中，加熱溫度、加熱時(shí)間對(duì)于土壤中多環(huán)芳烴和總石油烴的脫附過(guò)程有著直接的影響。

熱脫附溫度對(duì)于土壤中多環(huán)芳烴和總石油烴的去除過(guò)程有著重要的影響，在熱脫附溫度未達(dá)到污染物質(zhì)的沸點(diǎn)時(shí)，污染物質(zhì)的去除率僅僅75%，當(dāng)熱脫附溫度達(dá)到其沸點(diǎn)后，污染物質(zhì)的去除率達(dá)到95%以上。表明污染物氣化的溫度點(diǎn)是影響其脫附效率的關(guān)鍵，這個(gè)溫度點(diǎn)應(yīng)高于有機(jī)污染物的沸點(diǎn)。

表2 熱脫附試驗(yàn)分組

隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤中多環(huán)芳烴和總石油烴的殘留濃度會(huì)逐漸降低，去除效率逐漸提高。但加熱時(shí)間大于30min后，除去率再無(wú)明顯變化。表明在一定溫度下通過(guò)延長(zhǎng)加熱時(shí)間來(lái)提高去除效率的措施是有極限的，在達(dá)到其上限后若想進(jìn)一步使去除效率明顯提高，則要通過(guò)其他途徑，如升高熱脫附溫度等。

一般來(lái)說(shuō)，在場(chǎng)地修復(fù)時(shí)，對(duì)于土壤溫度的實(shí)時(shí)和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)是至關(guān)重要的。本次試驗(yàn)采用粒度50mm土壤樣品進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)合本試驗(yàn)結(jié)果，在場(chǎng)地土壤熱脫附修復(fù)工程中，將土壤入料粒度控制在50mm以?xún)?nèi)較為合適，熱處理溫度控制在525℃以上，停留時(shí)間控制在30min，既可保證修復(fù)效果，也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)成本的控制。