熱強化氣相抽提在典型有機污染場地修復中的應用

韓 偉

（森特士興集團股份有限公司，北京 100176）

近年來，工業化進程加快以及人們對工農業土地的不合理利用帶來的土壤污染問題日益突出，嚴重危害人體健康與環境質量，影響場地周邊正常的生活生產活動[1?3]。2014 年國土資源部與環境保護部聯合發布《全國土壤污染狀況調查公報》后，我國土壤污染程度之深已受到社會各界的重視[2,4]。目前，我國因關停并轉遷企業帶來的污染地塊總數超過10 萬，對其中污染嚴重的場地進行土壤修復迫在眉睫。2016 年5 月31 日，國務院發布了《土壤污染防治行動計劃》，給出了我國土壤污染防治的任務和時間表[2]。

在修復模式方面，原位修復技術的應用所占比例逐年增加[5]。其中原位熱脫附技術是一種通過加熱土壤促使污染物揮發并對其進行集中處理的土壤修復方法[4]，由于具有良好的處理效果及較短的修復周期等諸多優勢，其土壤修復中得到了越來越多的研究和應用[6?9]。在歐美發達國家，原位熱脫附技術已有30 年的發展和運用歷史，美國是原位熱脫附技術研究和應用最早且規模最大的國家，在1980～2012 年期間，美國關于原位熱脫附修復工程的案例已有近200 個[9]，而我國的原位熱脫附修復工程應用起步較晚。依據加熱方式的不同，常用的原位熱脫附方法包括熱傳導、電阻加熱以及蒸汽加熱3 種類型[9?12]，其中熱傳導方法包括電加熱熱傳導與燃氣加熱熱傳導。由于電阻加熱（最高溫度100～120 ℃）和蒸汽注射（最高至170 ℃）加熱溫度有限，而電加熱熱傳導往往對電力功率要求高，相比之下原位燃氣熱脫附技術表現出升溫溫度高、污染物類型處理范圍廣且操作簡便等諸多優勢[9]。

在國內，已有的原位燃氣熱脫附技術應用案例多分布長三角地區[9,11 ?12]，且處理規模較小?？紤]到國內南北方土壤性質的差異，系統描述了原位燃氣熱脫附技術在北方某典型焦化類污染場地修復中的大規模工程應用，分析了工藝技術路線、加熱井布設方式、二次污染防控、原位加熱土壤升溫以及特征污染物去除效果。本研究可為原位燃氣熱脫附技術應用推廣提供工程借鑒。

1 場地概況

研究場地為某焦化廠搬遷后歷史遺留地塊，距今已有40 年的生產歷史，長時間的生產運行造成廠區土壤受到污染，成為后續土地利用開發過程中的制約因素。整個修復區共包括11 個區塊，其中高風險污染土壤修復方量為64850.25 m3。本場地主要的污染物類型為多環芳烴和苯系物，場地調查采集的土壤中多環芳烴（萘、芴、菲、蒽、熒蒽、芘、苯并（a）蒽、屈、苯并（b）熒蒽、苯并（k）熒蒽、苯并（a）芘、茚并（1, 2, 3-cd）芘、二苯并（a, h）蒽和苯并（g, h, i）苝）檢出率為45.45%～85.19%，揮發性有機污染物（苯、乙苯和甲苯）檢出率為0～62.5%。經風險評估得出苯和苯并（a）芘的風險值超過可接受風險水平，為修復目標污染物。本研究對象為該場地中的修復深度最深且規模最大的1 號地塊（原為儲罐區）。地塊修復面積2 952 m2，周長為264.7 m，修復深度為至地下5.0 m，修復土壤方量為14 760 m3。按照規劃，該地塊未來規劃為市政公用設施用地、道路廣場用地和綠地等。

目標地塊主要由人工填土層、砂粉-粉粘層以及卵石層組成，地面至地下10 m 的土壤巖性及物化性質，見表1。本場地地下水主要補給來源為地下徑流和地表降雨，地下水徑流方向為由西、西北方向流向東、東南方向，地下水埋深在40 m 左右，含水層單層厚度較大，巖性以礫石、卵石為主。

表1 土壤巖性及物化性質

2 技術應用

2.1 主要設備與系統

本項目中使用的主要設施包括天然氣加熱井系統、尾氣抽提系統、氣液分離冷凝系統、廢氣處理系統、廢水處理系統以及配套的管道儀表和電氣控制系統，主要的設備明細，見表2。

表2 主要設備與耗材

2.2 工藝技術路線

本項目采用的工藝流程，見圖1。

在原位有機污染土壤修復項目中，對土壤中解吸出的“污染蒸汽”的處理方式主要有：冷凝法、吸附法、蓄熱式催化氧化和焚燒等技術組合[13?15]，催化氧化處理效果好，但是催化劑成本高，不適合本項目，利用單一的活性炭吸附，盡管效果好，但會產生大量的活性炭危廢，該方案適合小型的中試項目，不適合大規模應用。本項目加熱產生的尾氣采用“冷凝+燃燒”的處理措施，廢水采用“油水分離+活性炭吸附”的方法（圖1），從而實現了尾氣尾水的有效處理。

圖1 抽提物（廢氣、尾水）處理工藝流程

本項目利用原位燃氣加熱井實現土壤加熱，采用液化天然氣提供原位熱脫附所需的燃料，液化天然氣氣化后輸入至燃燒器中點火燃燒，產生的高溫燃燒氣體通過加熱井管向外熱傳導，煙氣則通過風機從尾氣排放口抽出，最終經排氣筒排入大氣環境。土壤經過原位加熱井加熱后，土壤中的污染物實現從土壤中揮發，由于負壓的存在，揮發的污染物蒸汽進入抽提系統，抽提出的污染物（包括加熱后產生的地下水水蒸汽以及目標污染物揮發蒸汽）首先依次經過一級、二級氣液分離裝置和換熱裝置，分離出來的不可冷凝氣體進入后續的燃燒系統（加熱溫度1 100 ℃，停留時間2 s）進行處理處置，然后通過高空達標排放《大氣污染物綜合排放標準：DB 11 /501—2017》[16]污染物排放濃度，見表3。

表3 尾氣污染物排放濃度及標注限值 mg·m?3

在冷凝系統中分離出的液體通過泵打入油水分離器，分離出的油污定期收集交由第三方處理，分離出來的廢水則進入活性炭罐進行吸附處理，處理達標后排放《水污染物綜合排放標準：DB 11/307—2013》[17]，污染物排放濃度，見表4。

表4 廢水污染物排放濃度及標準限值 mg·m?3

2.3 加熱井布置

根據技術規范，熱傳導加熱井井間距一般為2～6 m[9]，考慮到本項目工期緊張、土壤滲透性較好等參數，本地塊加熱井間距設置為3 m。同時，為確保均勻加熱，加熱井采用正三角形網格分布設置[9]，加熱井布局和冷點設置，見圖2 和圖3。由于場地周邊保留建筑物，為保障建筑物結構安全，加熱井與建筑物保持0.8 m 的安全距離。

圖2 加熱井及抽提井布置圖

圖3 冷點位置布局示意圖

根據以上布局原則，研究地塊共布設垂直加熱井768 個，其埋深為5.5 m，礫石填充至離管口1 m，然后填充膨潤土至管口50 cm，最后用混凝土封堵。地塊設置抽提井數量為96 個，設置溫度控制點位數量14 個，每個控制點位分別設置3 個不同深度檢測點（1、3 和5 m）。為防止異味擴散和避免熱量損失，整個加熱區設置地面阻隔層，阻隔層主要由礫石、巖棉、鋼板和水泥組成。

2.4 加熱運行

地塊加熱井建設及抽提系統安裝工期為60 d，地塊加熱過程時間長度為55 d，土壤加熱升溫需要約50 d，達到設置的目標溫度350 ℃后，繼續保持該溫度5 d，保證污染物處理達標?？紤]到2 種目標污染物的沸點等物化特性，結合真空抽提對污染物脫附反應動力學的影響，同時結合現場環境中共存物質的共沸現象，本項目的加熱冷點目標溫度設定為350 ℃[10]。負壓抽提系統與加熱系統同時開啟，加熱與抽提系統關閉時間通過抽提井出氣口有機氣體探測器讀數進行判斷，用于VOCs 檢測的便攜式設備PID 檢測讀數低于10 mg/kg，可酌情考慮關閉加熱系統。停止加熱后抽提系統繼續運行7 d，確保無二次污染。系統運行中產生的廢棄活性炭、水處理產生的污泥和各種藥劑包裝物等作為危廢，集中收集于密閉不銹鋼容器內，置于危廢暫存區臨時儲存，危廢暫存區地面防滲性能滿足《危險廢物貯存污染控制標準: GB18597—2001》[18]，定期將危廢移交至有資質的危廢處置單位進行處理。

2.5 樣品采集與分析

為驗證原位熱脫附技術對特征污染物的處理效果，分別在場地四周及內部1～5 m 的深度采集土壤樣品進行檢測分析。土壤樣品采集嚴格按照規范執行，所有樣品標明樣品編號，填寫采樣記錄單。樣品采集后立即存放至保溫箱內，保證樣品在4 ℃低溫保存。24 h 內將樣品送至有第三方資質的單位進行測試。

3 結果與討論

3.1 污染狀況

待修復地塊的特征污染物為苯和苯并（a）芘，根據地塊污染特征和后續土地利用功能，依據《污染場地風險評估技術導則：HJ 25.3—2019》[19]，經過風險評估確定特征污染物的修復目標值。根據表5 檢測結果，在1～5 m 深度的土層中，苯和苯并（a）芘都有檢出，其中苯的濃度范圍為0.01～84.6 mg/kg，呈現隨深度增加而增大的趨勢，與修復目標值（苯51.6 mg/kg）相比，最大超標倍數為0.6 倍，苯超標點位及最大檢出濃度出現在4 m 深處。類似地，在粵港澳大灣區典型化工場地土壤樣品中苯檢出含量最高為8.55 mg/kg，其對應深度為4.0 m[20]。由于苯在土壤中主要以輕質非水相液體(LNAPL)存在，受到重力作用向下遷移，遷移過程中由于受到吸附和毛細截留作用[21]，導致在非飽和帶土壤中苯系物有檢出。有研究證實在染料廠污染場地，苯能夠向地下遷移至7.2 m 處[22]，說明苯具有較強的遷移能力。

表5 地塊污染物原始濃度 mg·kg?1

表5 可知，在1～5 m 深度每層土壤中苯并（a）芘濃度為0.02～573 mg/kg，參照污染物修復目標值（苯并（a）芘6.20 mg/kg）每層土壤中苯并（a）芘皆超標，最大值出現在3 m 深處，最大超標倍數為91.4倍，其最高含量超過了某大型化工場地土壤中苯并（a）芘33.3 mg/kg 的報道值[23]，說明該地塊苯并（a）芘污染較重。污染物在土壤中的累積與不同土層土壤垂向滲透系數密切相關[21,24]。在本研究地塊中，0～3 m 多為素填土，組分為人工填土和鋼渣，土壤滲透性強，致使污染物易滲濾至地下環境，3～4 m 主要為砂粉-粉黏夾層，致使污染物滯留導致污染物濃度相對較高。

3.2 土壤溫度變化

溫度和停留時間是熱處理去除有機污染物的關鍵因素，通常溫度越高加熱時間越長，污染物的去除就越徹底[25?27]。將污染土壤加熱至350 ℃，在此溫度下維持5 d。加熱伊始即可開始抽提，抽提和尾氣處理系統加熱結束后7 d 停止（確保抽提出的氣體PID 檢測示數低于10 mg/kg，避免產生環境二次污染）。整個加熱過程持續時間約2 月，冷點位置的不同深度的溫度監測數據顯示，土壤溫度隨著加熱時間的延長總體呈現出先增加后趨于平緩的趨勢，其中在100 ℃溫度值附近停留時間較長，此升溫階段主要是通過加熱促進土壤中水分的揮發，此階段后溫度上升速率顯著增加。在地塊保溫層效果足夠好的情況下，整個地塊溫度會不斷升高，不同土層的溫度最終都達到或接近目標溫度。

3.3 處理效果

地塊修復面積2 952 m2，周長為264.7 m，修復深度為1.0～5.0 m，處理效果驗證分3 層取樣，取樣深度依次為1.5、3.5 和5.0 m，每層內部布點8 個，邊界布點6 個，平行樣比例10%，平行樣4 個，共采集46 個樣品檢測結果，見表6。

表6 修復后土壤中特征污染物含量

表6 可知，修復后土壤中苯含量的最大與最小值分別為0.92 和0.14 mg/kg，平均值為0.37 mg/kg，最大消減去除率為99.56%。苯并（a）芘含量的最大值為0.5 mg/kg，最小值為0.2 mg/kg，平均值為0.42 mg/kg，最大消減去除率為99.93%。本項目中污染土壤平均加熱至350 ℃，盡管土壤有機質組分遭到破壞，由于該土地將來用于建設工業遺址公園，不影響土地的二次開發利用[25?27]。綜上，在1.5、3.5 和5 m 不同深度采集的46 個土壤樣品中苯和苯并（a）芘的含量均低于修復目標值（苯51.6 mg/kg，苯并（a）芘6.2 mg/kg），滿足了修復要求。

4 結論

（1）與修復目標值相比，污染地塊土壤中苯最大超標倍數為0.63 倍，苯并（a）芘最大超標倍數為91.4 倍。

（2）加熱55 d 后，原位燃氣熱脫附技術可將污染地塊升溫至設計目標溫度350 ℃。

（3）加熱修復后土壤中苯和苯并（a）芘的濃度分別為0.14～0.92 mg/kg 和0.20～0.50 mg/kg，2 種特征污染物濃度均低于修復目標值，污染物去除率＞99%，滿足修復要求。

（4）原位燃氣熱脫附技術運行期間二次污染可控，驗證了該工藝的合理性和可行性。

（5）原位燃氣熱脫附技術處理有機污染物場地效果良好，可進行大規模的推廣運用。