热脱附技术在化工厂污染土壤修复中的工程应用

徐飞 沈婷婷

摘      要： 热脱附技术用于修复土壤有机污染通常具有较好的效果，但对于高浓度有机污染场地的土壤修复，其在国内成功应用的案例还不多见。以异位热脱附技术修复某化工厂多环芳烃污染土壤为例，通过中试试验，确定了土壤含水率、热脱附温度、停留时间等影响热脱附效率的工艺参数。中试结果表明，在土壤含水率为25%、热脱附温度为550 ℃、停留时间为30 min时，土壤中苯并（a）芘等多环芳烃脱附率均在99%及以上，满足修复目标要求。可见，异位热脱附技术可有效修复高浓度有机污染土壤。

关  键  词：热脱附;高浓度有机污染;污染土壤;修复

中图分类号：X53       文献标识码： A      文章编号： 1671-0460（2020）05-0997-04

Abstract： Application of thermal desorption technology in soil organic pollutant remediation usually has good effect， but in the soil remediation of high-concentration organic contaminated sites， the successful cases in China are rare. In this paper， the ectopic thermal desorption technique was used to remedy the polycyclic aromatic hydrocarbon contaminated soil in a chemical plant. The pilot test was performed to determine the process parameters， such as soil moisture content， thermal desorption temperature and residence time， which can affect the thermal desorption efficiency. The results of the pilot test showed that the desorption rate of polycyclic aromatic hydrocarbons such as benzo（a）pyrene in the soil was 99% or more when the soil moisture content was 25%， the thermal desorption temperature was 550 °C， and the residence time was 30 min， meeting the target requirements. So the ectopic thermal desorption technology is effective in high concentration organic contaminated soil remediation.

Key words： Thermal desorption; Contaminated soil; High concentration organic compounds; Remediation

土壤是人類赖以生存的重要环境介质之一，良好的土壤环境质量是食品安全和人体健康的重要保障。近年来，为满足城市化发展和产业结构调整的需求，众多工业企业实行了关停、搬迁，其遗留场地有很多存在不同程度的土壤和地下水污染，污染物涵盖了重金属、挥发性有机物、半挥发性有机物、总石油烃和农药等各种类型。根据相关统计数据，我国关停、搬迁的企业总数超过10万，而对其中污染严重的场地进行修复已显得尤为迫切[1，2]。

热脱附技术作为土壤修复技术中的一项重要技术，针对有机污染场地的土壤修复通常具有较好的效果。按照处置地点的不同，可分为原位热脱附和异位热脱附，按照加热温度的高低，又可分为低温热脱附和高温热脱附。异位热脱附技术采用间接的方式加热土壤，利用热传导使土壤中的有机污染物蒸发并与土壤介质相分离。在国内，针对高浓度有机污染场地的土壤修复，采用异位高温热脱附修复技术成功修复的案例还不多见[3-6]。

本文旨在通过某高浓度有机污染场地土壤异位高温热脱附的成功实施案例，分析影响异位高温热脱附技术修复效果的因素及工程应用的各项工艺控制参数，为该技术的推广、应用提供技术支撑和积累实施经验。

1  场地条件

1.1  地层条件

某化工厂搬迁后的场地环境调查结果显示，场地土壤中存在有机污染，主要为多环芳烃类的半挥发性有机物，对人体健康产生的风险水平不可接受，需要开展修复治理工作。

场地埋深6.0 m以上主要由填土（杂填土、素填土）、粉质黏土和粉土夹粉质黏土组成，呈水平成层分布，各土层的理化性质参数如表1所示，典型工程地质剖面图如图1所示， 场地地下水埋深较浅，稳定水位埋深在0.3～0.5 m。

1.2  场地污染特征

场地土壤中的目标污染物为多环芳烃类的半挥发性有机物，其中苯并（b）荧蒽、苯并（a）芘、苯并（k）荧蒽和蒽的浓度高，超标倍数大，对浅部土层（0～4 m）造成严重污染（表2-3）。

2  异位高温热脱附技术概述

由于本场地污染土壤具有有机污染程度高和污染组分沸点高的特点，化学氧化和原位热脱附修复技术难以满足修复要求。

异位热脱附技术是将污染土开挖、转运至异位修复区，经过预处理后，通过间接加热的形式，把污染土壤加热至污染有机物沸点以上的温度，并在此温度下停留足够时间，以确保污染土壤中的有机污染物、水分等转变为气态从土壤中分离出来，从而达到污染土壤的修复治理[7，8]。与原位热脱附技术相比，异位热脱附具备以下优势：对污染土渗透性或异质性的适用范围宽;污染土的加热温度高，对高沸点有机物的去除效果好;修复时间短，效率高。按照加热方式分类，异位热脱附技术主要包括电加热、燃气加热和燃油加热[9，10]。

本次修复采用燃气加热形式的异位高温热脱附修复技术，相比其他加热方式，燃气加热具有加热温度高、能源/燃料形式灵活且成本相对较低等特点，适用于目标污染物沸点高（>400 ℃）且有机污染严重的场地。

3  现场修复中试试验

3.1  含水率变化对目标污染物去除效果的影响

3.1.1  试验条件

污染土壤原始含水率在30%左右，通过添加生石灰/加水调节含水率，分别设置15%、20%、25%、35%和原始含水率30%的供试土样各2 t，热脱附加热温度固定为500 ℃，停留时间固定为30 min。

3.1.2  结果及分析

图2为不同含水率条件下土壤中的污染物脱附情况。

从图中可以看出，随着土壤含水率逐步增加，多环芳烃的热脱附效率略微增加后又呈现降低趋势。总体而言，含水率变化对目标污染物热脱附效率的影响不显著，但过高的含水率会造成处理成本上升。

3.2  温度变化对目标污染物去除效果的影响

3.2.1  试验条件

供试污染土含水率统一调至25%，停留时间固定为30 min。根据待脱附目标污染物沸点的高低，设置400、450、500和550 ℃ 4种热脱附温度。

3.2.2  结果及分析

从图3可以看出，热脱附温度对脱附效率的影响明显，随着热脱附温度的提升，污染物的脱附率逐步提高。当温度为400 ℃时，苯并（b）荧蒽、苯并（a）芘和苯并（k）荧蒽脱附率均在90%左右，温度升至550 ℃时，三者的脱附率均达到99%以上。因蒽的沸点相对较低，400 ℃时，其脱附率已达97.6%，至550 ℃时，其脱附率为99.1%。再提升热脱附温度对各污染物的脱附率的影响已不明显，且会增加修复成本。总体而言，在土壤含水率为25%，停留时间为30 min时，550 ℃的热脱附温度可满足各污染物的修复目标要求。

3.3  停留时间变化对目标污染物去除效果的影响

3.3.1  试验条件

供试污染土含水率调至25%，热脱附温度固定为550 ℃，热脱附停留时间分别设置为10、20、30和40 min。

3.3.2  结果及分析

热脱附停留时间对目标污染物脱附效果的影响显著。从图4可以看出，停留时间为10 min时，各目标污染物的脱附效率均较低，最大仅为72.8%，不能满足修复目标要求。当停留时间逐步增加，脱附效率亦逐步提高，至30 min时，各目标污染物脱附率均达99%及以上，再增加停留时间，对脱附效率的影响已不大，且会增加成本和降低处理效率。

3.4  不同土质类别对目标污染物去除效果的影响

3.4.1  试验条件

根据待修复场地土壤污染深度和土层特性，选取待修复深度范围内的填土、粉质黏土以及粉土夹粉质黏土，含水率均调节至25%，热脱附温度固定为550℃，设定停留时间分别为10、20、30和40 min。

3.4.2  结果及分析

不同土质类别的土壤具有不同的理化性质，可能会对目标污染物的脱附产生影响（图5）[11，12]。

从图5中可以看出，在加热初期（10～20 min），填土和粉质黏土中目标污染物的总脱附率相较粉土夹粉质黏土要低10%～15%，原因可能在于不同土壤类别中有机质含量以及黏粒含量有区别。二者含量越高，对有机物的吸附作用就越强，也即填土和粉质黏土中的有机物较粉土夹粉质黏土更难脱附[13，14]，但随着停留时间增加（30～40 min），不同土质类别中有机物的总脱附率基本趋于一致。

对于本土壤修复工程，30 min的停留時间已消除土质类别的影响， 修复施工不考虑该因素的影响。

4  结论

（1）土壤含水率大小对多环芳烃热脱附效率的影响不显著，但过高的含水率会造成处理成本上升。

（2）热脱附温度对多环芳烃的脱附效率影响很大，当温度超过多环芳烃沸点及以上时，脱附率越高。

（3）停留时间对多环芳烃的脱附率影响显著，停留时间为30 min及以上时，各目标污染物均可达到修复目标。

（4）土质类别在热脱附初期对多环芳烃的脱附率有较大影响，但随着停留时间的增加，影响逐步可忽略。

（5）异位热脱附可有效修复高浓度有机污染土壤，具备大规模推广价值。

参考文献：

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