进展：燃气热脱附技术修复有机污染场地研究与应用

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场地修复

发布时间: 2021-4-6 16:36

正文摘要:

原位热脱附技术自20世纪70年代开始应用于有机污染场地的修复，其基本原理是通过加热提高污染区域的温度，改变污染物的物化性质，增加气相或者液相中污染物的浓度，从而提高液相抽出或土壤气相抽提对污染物的去除率 ...

场地修复 发表于 2021-4-6 16:37:38

3.1 适用场景

在国外，GTD技术更多地应用在污染浓度较高的污染源区域，处理的污染物主要包括总石油烃、苯系物和氯代烃。该类项目具备4个特点：污染土方量较小(单批次<3 000 m3)，修复面积较小(<300 m2)，污染浓度较高(最高150 000 mg·kg−1，平均浓度约15 000 mg·kg−1)，修复目标低 (<300 mg·kg−1)。实施形式多数采用原位修复的方式，个别案例如案例4(见表1)采用异位建堆的形式实施加热过程，分6个批次完成了12000 t石油烃污染土壤的修复工作。

在我国，实际修复工程大多以工业污染场地为主，如焦化厂、农药厂和化工厂等。处理的污染物以苯系物、多环芳烃和石油烃等为主。同时，国内修复项目处置土方量和修复面积一般都很大，导致修复工期较长，因此，对GTD装置的工业化程度要求也更高。另外，修复过程的能耗取决于土壤含水量、孔隙度、受污染情况以及目标加热温度等。UDELL[48]认为，至少有10%~30%的水分会被加热至沸腾；HERON等[40-42]进一步计算得出，修复的耗能大体是200~400 kWh·m−3，并在一块污染面积达1.3×104 m2的原位热脱附修复项目中，计算得出平均能耗为249 kWh·m−3。因此，针对国内大型原位修复场地，降低系统能耗，保证装置的运行稳定性，以及研发配套的安全、高效、集成化的尾水尾气处理系统，是国内原位修复项目中迫切需要解决的实际问题。

3.2 加热温度

对比国外工程案例可发现，目标污染物基本涵盖了所有典型有机污染物，且目标加热温度均在220 ℃以下。这可能是由于共沸现象的存在(共沸是指2个组分或多组分的液体混合物以特定比例组成时，在恒定压力下沸腾，其蒸气组成比例与溶液相同的现象)。一般混合物的沸腾温度会低于他们各自的沸点，使得目标加热温度无须超过污染物的沸点[14]。因此，我国在开展GTD实施的过程中，应充分考虑共沸现象，尽量避免设置过高的目标加热温度。

案例中介绍目标加热温度为冷点监测处的温度，达到此温度时，需要恒温一段时间。个别案例无法达到设定温度的原因是由于地下水的持续补充，导致大部分热量损失，无法将修复区域加热到该目标温度。

3.3 修复深度

原位热脱附只能是由下层到上层的持续加热，所以对修复深度存在一定的要求。对比国外的 17个案例发现，最深的修复深度在14 m左右，而国内目前修复最深的深度为18 m。这可能是因为GTD只能自底部开始加热，烟气由下往上温度逐渐降低，当深度达到一定值时，燃气加热过程会导致修复区域温度场分布变化较大。在原位热修复过程中，如果土壤中温度场分布不均匀将会导致如下后果: 1) 重质非水相液体重新冷凝，造成不可控的二次污染过程；2) 污染物在抽提井中发生冷却，堵塞抽提井；3) 监测井发生塌陷，造成修复场地沉降。因此，应尽量降低不同深度土壤之间的温度差异。

3.4 加热周期

虽然加热周期取决于污染物性质及污染浓度、修复方量、加热井点数量等因素，但从国外案例来看，一般加热周期都只在30~40 d。如果仅从国外17个案例分析来看，GTD技术修复周期短的优势是成立的，即针对点源污染，可在较短时间内完成修复过程；但大型污染场地若采用 GTD技术，再加上分批次处理，修复工期则存在较大的不确定性。

3.5 降低能耗

由于GTD过程存在大量的能量损失，因此，需要采取一定的节能手段。对比国内外的工程案例，总结了3种降低能耗的方式。

1)分批次处理。从一个批次加热井(运行中)出来的尾气进到另一批次的加热井(未开始运行)中，提前预热另一个批次的污染土壤。如表1中的案例11，分成2个批次分别完成了2 400 m3 和3 857 m3石油烃污染土壤修复，从而达到修复目标值(<100 mg·kg−1)。

2)耦合原位化学氧化技术。如表1中的案例8，先将污染区域进行GTD，将污染物降低到较低浓度(此时未达到修复目标值)，然后停止加热，将加热管拔出。再利用原位化学氧化技术，向加热井内注入氧化药剂，氧化药剂利用余热的催化作用，发挥最大的活性，实现污染物的彻底氧化降解。此种利用耦合多种修复技术的方式，可以有效降低单种修复技术的能耗，同时，防范 GTD修复后期出现的“拖尾”现象。

3)设置伴热抽提管道。如表2中的案例6，在加热管外装一个小型抽提管道，将抽提气回注到加热管内燃烧区域，完成彻底燃烧。可利用有机污染物燃烧放热，节省一部分能量；亦可实现污染物的协同处理，降低尾气处理负荷。设置伴热抽提管道的方式在国外早期的案例中并未出现，而在最近几年的修复案例中，均设置伴热抽提管道，实现污染物的“再燃”。

经过30年的发展，国际上许多国家在热脱附修复有机污染场地方面形成了完整的成套技术和装备，广泛应用于高浓度有机污染土壤的异位或原位修复。我国在这方面尚处于起步阶段，存在的主要问题包括2个方面：

1)基础理论与国外存在差距，如有机污染物在不同升温阶段的迁移转化规律，土壤水分含量、质地等理化性质对热修复的影响机制尚不清晰。
2)核心技术靠进口、国产化程度低。国外设备引进费用较高，需要研发我国具有独立自主知识产权的热脱附技术装备。

未来，研发具有热回用单元的能量高效利用、智能化、污染物排放可控的原位热脱附成套技术与装备，提升我国原位热脱附成套技术与装备的修复能力与能效水平将成为主流趋势。

目前，由于国内在原位热脱附技术、设备及工程实施等方面缺乏经验，为了更好更高效地应用于有机污染场地的修复过程，可重点从以下3个方面开展深入研究。

1)原位热脱附技术能量高效利用和节能减排技术的研发。

开展原位热脱附过程的关键影响参数研究，如热脱附温度、处理时间、土壤质地、热导率及热扩散率、土壤含水率以及加热井间距等对污染物脱除效率影响规律，优化工程设计，精准化施工避免能量浪费；
开展修复区域表层阻隔材料和竖向止水帷幕材料保温性能的研发，减少热量向周围扩散，提升能量利用效率；
探索有机污染物的再利用方法，如抽提出的有机污染蒸汽可考虑送入燃气热传导加热系统的燃烧器中作为能源使用；
利用可再生能源产热、高效燃烧器及电热设备、高温烟气循环换热、高温抽提混合液换热、地下水力阻隔与隔热实施等手段提高热利用及转换效率，节能降耗；
开展污染物的去除机理以及迁移转化机制方面的研究，通过模型模拟以及数值模拟等方法得出修复过程中污染物浓度与加热时间、能量消耗等的定量数学关系，构建解吸动力学模型，严控修复施工节点。

2)原位热脱附全过程热传导数值模拟及应用软件的开发。

开展原位热脱附修复污染土壤全过程热传导数值模拟，掌握热量在非均质土壤中的热传导规律；
探明水分在不断析出过程中土壤动态热物性变化规律，特别是土壤导热系数的变化特性；
建立包括土壤、水蒸气、目标污染物等物质在内的能量平衡和物质平衡模型；
借助小型和中试实验对模拟结果进行对比修正，掌握土工参数和加热温度等参数对热量在土壤中传导速率的影响作用机理；
给出多种典型目标污染物在不同修复周期以及不同地质条件下的热传导速率，并基于修正后的全过程热传导数值模拟进行软件开发，最终获得输入目标污染物沸点和溶解度、修复周期、加热温度、土工参数等现场条件即可得到加热井间距、加热井温度及升温速率等推荐值的工程化应用软件。

3)多种修复技术耦合工艺、应用设备的研发和二次污染的防控。

一是组合工艺研发。探索原位热脱附技术与其他修复技术在实际应用中的联合应用，如利用热脱附后的余热促进微生物对有机污染物降解活动；利用热脱附过程增加地下水有机质含量，为微生物修复活动提供碳源，充分发挥微生物的活性，使微生物的修复效果达到最佳；利用余热激活过硫酸盐等氧化剂的方式促进原位化学氧化修复过程等。

二是应用设备研发。我国原位热脱附修复技术研究和工程应用起步较晚，大多停留在设计研发阶段，距离设备商业化应用还具有较大差距。急需结合我国污染地块实际情况，发展快速高效、成本低廉、实施便捷以及环境友好的本土化原位热处理修复技术及配套修复设备。

三是二次污染防控。加强原位热脱附过程抽提出的地下污染物的处理与处置，严格控制二次污染，加强高浓度抽提气体的高效冷凝回收等；建立原位热脱附全修复效果和环境全过程的检测方法。同时，开展原位热脱附过程中修复场地内的大气和废水有组织和无组织排放检测，严格控制二次污染物排放。