浅谈原位热脱附技术在我国污染场地的应用及其研究进展

陈聪聪

福建龙净环保股份有限公司

1 引言

近些年来，我国颁布实施了“退二进三”“退城进园”等一系列政策，在大批涉及的化工企业被迫搬迁、改造或关闭停产的同时，大量污染场地被遗留在城市及其周边地区[1-2]，带来严重的环境风险，同时也制约了城市的建设和发展。以加强土壤污染防治，改善土壤环境质量为出发点，生态环境部于2014年5月14日印发了《关于加强工业企业关停、搬迁及原址场地再开发利用过程中污染防治工作的通知》(环发［2014］66号文)，通知中要求工业企业在搬迁、关停、原址场地的开发再利用等过程中要加大污染防治工作的力度。2016年国务院印发《土壤污染防治行动计划》，简称“土十条”，2019年1月1日《土壤污染防治法》正式实施，土壤污染防治问题受到了越来越多的重视。

《全国土壤污染调查公报》中的调查数据显示，我国土壤污染类型以无机型污染为主，有机型污染次之，复合型污染比重较小，但郑苇等人对全国目前12家知名修复公司的108个场地修复案例进行了全梳理，结果表明我国修复场地的污染类型中，主要是有机污染，其次是重金属污染，复合型污染占比相对较小[3]。该结果与调查公报迥异，主要原因为郑苇等人调研案例以工业企业污染场地为主，但调查公报的调研范围囊括了农田、矿区等区域。由此可以分析出在我国的污染场地中，有机污染问题需要得到更多的关注。

目前，对于受有机物污染的土壤的治理方法主要有自然净化法、生物法、挖掘处置法、地下水抽出处理法、蒸汽抽提法、化学注入法、化学淋洗法和热脱附法（原位、异位）等[4~8]。原位热脱附技术在我国污染场地的应用及其相关研究均处于起步阶段[9]，在快速发展中。

2 原位热脱附技术的介绍

原位热脱附是一项成熟、有效地于原位进行土壤和地下水修复的技术[10]，主要原理是通过直接或间接加热的方式，把土壤及地下水中的污染介质、污染物加热升至沸点温度，使其挥发、分离或裂解，然后对所产生的气态产物收集和捕获后再进行净化处理[11-12]，具有较大的应用潜力。美国EPA于1985年首次将原位热脱附技术作为一项行之有效地土壤环境修复技术，随后该技术在国外被广泛应用于有机污染物场地的土壤、沉淀物、污泥、滤渣等的修复。

原位热脱附通过原位加热的方式使深层土壤中有机污染物得以挥发，对于土壤污染较深，进行异位修复开挖难度较大，低渗透性黏性土等比较难以处理的场地，效果都很明显[13-14]。根据加热方式的不同，原位热脱附技术可以分为三种：①电阻热脱附；②热传导热脱附；③蒸汽热脱附[15]。

原位热脱附技术由于其具有的安全、节约成本、适用性强、修复效率高等优点，近年来，在我国有机污染场地修复中得到了快速发展和应用，且呈现逐年增长的趋势［9］。

3 原位热脱附技术的参数研究

原位热脱附过程的关键影响因素有温度、加热持续时间、升温速率、载气流量、土壤类型（导热性、含水率、土壤孔隙率、地下水位、水流速率、渗透性、土壤粒径分布）等，由于我国目前原位热脱技术实际应用案例相对较少，同时竣工项目也相对较少，故对于热脱附效果的关键参数深度报道的文献较少［16-17］，大部分探索停留在现象的揭露阶段。

刘凯，张瑞环[9]等提道：原位热脱附过程一般分为低温（100℃~350℃）和高温（350℃~600℃）脱附两个阶段，韩伟等提到由于热传导原位热脱附技术的普适性，其最高加热温度可达750℃~800℃，李书鹏[18]提到燃气热脱附GTD（gasthermaldesorp⁃tion）最高加热温度可以达到500℃，对比国外工程案例可以发现，目标加热温度均在220℃以下。研究表明原位热脱附技术效果的影响因素中占主导作用的是温度和停留时间，相同的条件下，如果温度高，停留时间长，那么热脱附效率也就越高[19-22]。傅海辉等[20]发现，在温度处于200℃～300℃相对较低时，污染物的去除率较低，在70%左右；但是在高温段，400℃～450℃时，污染物去除率高达99%。

根据已有的工程经验，热脱附技术加热井间距设置要求一般为1.5m~4.0m[23]；某退役溶剂厂[24]中试地区加热井间距2m~3m；某废弃焦化厂[25]的修复工艺加热井分布间距为3m；VOC污染场地的加热井间隔通常为3.66m~6.10m，SVOCS的污染场地加热井间距间隔为1.83m~3.66m[9]。

4 原位热脱附技术的专利计量分析

吴嘉茵[26]等人的研究表明：针对我国的有机污染场地土壤修复技术的相关专利于2003年起步，2010年后如雨后春笋般出现，截止到2018年8月，公开的相关专利有690余篇，研究创新点主要集中在三个方面，分别是：高效技术的开发、节能和二次污染的防治。其中热脱附技术在该领域应用十分广泛，在目前公开的有关专利中，热脱附技术的相关研究最多，达170项专利，占专利总数的24.6%。

本文所采用的专利数据信息均获取于国家知识产权局（http://www.pss-system.gov.cn/），在专利检索入口采用高级检索方式，检索信息：复合文本=原位热脱附，检索日期：2020年12月3日。共计检索出专利文献110余篇。

4.1 专利年度变化

按照专利最早公开（公告）日进行分析，首个关于有机污染土壤原位热脱附修复技术的中文专利公开于2013年，各年度专利的申请量见表1以及图1所示。

表1 各年度原位热脱附技术专利申请量表

由表1及图1可知，原位热脱附技术专利申请数量在2013年-2017年间较少，2014年、2015年两年的申请数量均为0篇，2018年起申请量开始有较大的提升，其中2018年、2019年、2020年各年的申请量较前年增长率分别为150%、80%、25%，2020年申请量在总量中占比最大，约为41%。从近几年有关原位热脱附技术的研究热度呈持续增长趋势可见，该技术在处理有机污染场地实际应用中具有一定的被选择度，且该技术的探索研究将为今后我国有机污染场地的处理奠定基础。

图1 各年度原位热脱附技术专利申请量日期图

4.2 专利主要研究机构

研究涉及的机构主要包括公司、高等院校、科研院所及个人等共计46家，北京高能时代环境技术股份有限公司公开专利数量最多，共18项，其次是上海格林曼环境技术有限公司和中科鼎实环境工程有限公司，分别为10项，北京高能时代环境修复有限公司公开专利数量为7项，北京建工环境修复股份有限公司和广西博世科环保科技股份有限公司公开专利数量分别为5项，上海康恒环境修复有限公司、中冶南方都市环保工程技术股份有限公司、中冶焦耐（大连）工程技术有限公司、森特士兴集团股份有限公司公开专利数量分别为4项。专利公开分布情况见表2和图2。

图2 研究机构相关专利的公开情况

表2 主要研究机构相关专利的公开情况表

由原位热脱附的专利申请机构来看，主要集中在公司类别，这可能与该技术的引进模式及修复场地的实际应用有关。

5 原位热脱附技术的工程应用

KINGSTON的研究结果表明[27]，1988年~2007年，有182个地块修复采用的是原位热处理技术，张攀[28]的研究结果表明，1982年~2011年间美国共计31个超级基金污染地块项目采用了原位热脱附修复技术，EPA2017年7月发布的第十五版超级基金场地总结报告中列明了1982年以来在超级基金修复的场地中各类别土壤污染治理技术应用的案例个数，其中1982年~2014年33年时间里，原位热脱附技术的应用达到93个案例，2011年~2014三年时间里，共计有62个案例。

我国原位热脱附技术工程应用起步比较晚，首篇相关中文文章发布于2014年，自从2013年江苏大地益源从美国GEO引进该技术后，我国的相关企业及科研单位先后涉足进行探索研发及相应的工程应用。根据不完全统计，截至目前我国原位热脱附工程应用案例数为25个，主要施工单位为江苏大地益源环境修复有限公司、北京建工环境修复股份有限公司、北京高能时代环境技术股份有限公司、中科鼎实环境工程有限公司、永清环保股份有限公司、上海格林曼环境技术有限公司、森特士兴集团股份有限公司、武汉都市环保工程技术股份有限公司等。

6 结束语

（1）我国修复场地类型以有机污染为主，在有机污染场地修复技术中，原位热脱附技术修复污染土壤研究和工程应用刚起步，正处在快速发展中。

（2）我国目前对影响原位热脱附技术修复效果相关参数的研究相对比较少，且文献报道深度较浅，集中在揭露工程表象阶段，这与我国目前实际修复案例有限可能有一定的相关，各参数之间的关系研究以及修复效果的进一步探索期待在更多的项目实施中有新的进展。

（3）我国有关原位热脱附修复技术的第一个中文专利公开于2013年，近几年来专利申请量逐年递增，且2020年专利申请量占比最大，可以表明，原位热脱附技术近几年的研究热度持续增加。在涉及的主要研究机构中，以北京高能时代环境技术股份有限公司公开专利数量最多。

（4）我国原位热脱附技术工程应用起步相对比较晚，据不完全统计，截至目前，我国原位热脱附工程应用案例为25个，该技术在有机污染场地修复中具有广阔的应用前景。