污染土壤复合式物化与生物处理工艺

李东明，施烈焰

(中环循（北京）环境技术中心，北京 100102)

污染土壤复合式物化与生物处理工艺

李东明，施烈焰

(中环循（北京）环境技术中心，北京 100102)

有机污染土壤的修复与治理是当前我国城市土地重新开发与利用过程中面临的严峻挑战之一。本文介绍了一套可应于多种类型有机污染土壤修复的装置—污染土壤复合式物化与生物处理装置，阐述了该装置的原理、工艺配置、运行控制以及典型工艺过程等方面。与国内外其它同类土壤修复装置相比，该装置具有适用面广、修复效果良好、修复成本低、不产生二次污染等优点。

有机污染土壤;修复与治理;生物处理

1 前言

随着我国社会经济的快速发展，由土地污染引起的环境问题日趋增多。特别是近年来，城市工业企业搬迁遗留的污染土地大量出现，在城市中心区域留下了大量亟需修复治理的污染土壤，制约了土地的重新利用，威胁着居民的身体健康。根据污染物类型，我国城市工业污染土壤大致可以分为以下几类：1）重金属污染土壤；2）持久性有机污染物（POPs）污染土壤；3）有机污染土壤；4）电子废弃物污染土壤等。有机污染土壤是以有机污染为主的石油、化工、焦化等污染的土壤。污染物以有机溶剂类、石油烃类（如苯系物、多环芳烃、卤代烃）为代表，也常复合有其它污染物，如重金属等[1]。

我国政府对土地污染问题高度重视，2005年12月国务院发布《关于落实科学发展观加强环境保护的决定》，明确要求对污染企业搬迁后的原址进行土壤监测、风险评估和修复[2]。环境保护部在《关于加强土壤污染防治工作的意见》中指出，中国目前土壤环境面临严峻形势，各地应充分认识加强土壤污染防治的重要性和紧迫性，全面加强土壤污染防治工作[3]。

对于有机污染土壤的修复治理，中国开展了多个类型场地的修复技术设备研发与示范项目，也开展了多个污染土地的土壤污染修复工作。例如，对于焦化污染土壤（以多环芳烃和苯系物为主要污染物），主要采用生物反应堆及异位通风耦合修复技术、原位化学氧化修复技术；对于有机氯农药类污染土壤，增效洗脱修复技术和催化氧化修复技术的应用较多；对于挥发性有机物污染土壤，常采用土壤气提和生物通风修复技术；对于多氯联苯类污染场地，比较常用的技术为土壤热脱附修复技术和生物强化修复技术。这些修复技术取得了一定的修复效果，但也存在一些问题：1）国外一些效果好的修复技术，其修复成本偏高，目前国内经济能力尚无法承受；2）经济实用的修复技术很少，很多技术还处于实验室研究阶段；3）有些污染土地处于亟需开发的城市中心地带，这就限制了污染土壤修复治理的时间。这些因素对有机污染土壤的修复治理带来了很大的困难。

目前国内已有企业自主研发出一套适合我国国情、适用面广、造价低、宜于市场推广的有机污染土壤处置装置——污染土壤复合式物化与生物处理装置，并获得国家专利（专利号：ZL 2009 2 0229130.7）。该装置将主要应用于有机污染土壤的治理，主要领域包括企业搬迁之后遗留污染场地的土壤治理、现有生产企业的土壤污染防治以及场地再开发之前的土壤治理。该装置可以与土壤气提、生物通风和低温热脱附等技术联用，治理加油站石油污染、化工企业有机溶剂污染等易挥发有机气体的污染。

2 处置装置的工艺配置

2.1 工艺装置系统组成

该处置装置由管网系统、抽气系统、气液分离系统、废气焚烧净化系统和自动控制系统等五套系统组成。其中管网系统由抽气管道、滤料、流量计和真空表等组成；抽气系统由抽气泵、空气真空球阀和系统排气口等组成；气液分离系统由真空平衡分离排液罐、自动排液泵、初滤器和空气真空球阀组成；废气焚烧净化系统由焚烧氧化炉、通气管道、热交换器和引风、排风机等组成。五套系统的有机结合应用，首先通过抽气系统对土壤中有机气体进行分离抽取，再将含有机污染物的气体送入气液分离系统，去除颗粒物和水分，然后再通过热交换装置和废气焚烧净化系统，实现废气的达标排放，最终达到去除土壤中的污染物且不产生二次污染的目的。

气液分离系统和抽气系统可以分为进气单元、气液分离单元、计量单元、气泵单元和取样与排放单元等五个功能单元。进气单元的主要作用是调节进气量；气液分离单元的作用是将土壤气里的水分和颗粒物分离出来，分离出的水和颗粒物自动排出；计量单元的作用是计量抽出土壤气体的流量和压力；气泵单元的作用是提供抽气真空度，并控制气流方向；取样与排放单元的作用是将抽出气体排放，并可以按要求取样。图1为气液分离系统和抽气系统工艺流程图。

图1 气液分离系统和抽气系统工艺流程

废气焚烧净化系统可以分为进气预热单元、氧化焚烧单元、废气排放单元、自控单元和燃料供应单元等五个功能单元。进气预热单元的作用是对进气提前加热，并回收余热；氧化焚烧单元的作用是在高温条件下焚毁废气中的有机物；废气排放单元是为废气流动提供动力，将废气排放至指定高度；自控单元的作用是检测控制温度、气体流量，自动调节控制阀门；燃料供应单元为氧化焚烧单元提供燃料。图2为废气焚烧净化系统工艺流程图。

图2 废气焚烧净化系统工艺流程

2.2 工艺装置系统说明

（1）管网系统、气液分离系统与抽气系统

管网系统结构见图3，气液分离系统与抽气系统见图4。

图3 管网系统结构示意

图4 气液分离系统与抽气系统

管网系统掩埋于土壤的底部，由抽气管道、滤料、流量计和真空表等组成；滤料采用石英砂、砾石配置；调节阀安装于主要支管和干管上，用于调节气流量和关闭作用；流量计和真空表安装于主要抽气管道上，用于了解参数和控制气体的流量。管网抽气口与抽气系统进气口相连接。打开抽气系统的进气口球阀、单台气泵的进出口阀门、吸气系统的出口阀门及机组的总进口阀门，设定好自动控制程序，启动自动程序后系统开始自动工作：在气泵负压的作用下，废气由前端的收集管网系统被吸入真空气液平衡分离罐，其中绝大部分水分滞留在罐中，干燥气体再经过初滤器，将进入其中的固体颗粒滤掉。然后，经过气泵，由系统出口阀门将其送入尾气处理工序。由于真空气液平衡分离罐上装有液位计，当罐中下部的液位升涨到极限位时，液位计阀门动作，接通排液泵的控制线路，排液泵开始工作。由于及时排水并通过止回阀防止流体倒灌，系统将保持连续性工作。当该系统的尾气处理发生故障或有特殊需求时，打开紧急排气通道的阀门，使残余气体排出设备，以便对系统设备进行维护、检修工作。

（2）废气焚烧净化系统

废气焚烧净化系统结构见图5。

图5 废气焚烧净化系统结构示意

对于污染物浓度较高和含有较难降解污染物的废气，采用氧化焚烧的方法比其它方法如吸附、生物过滤和膜分离等技术更加经济，并且可以达到较好的处理效果。根据实验结果选择热氧化处理技术，采用带有热回收功能的直接高温焚烧氧化装置。高温焚烧氧化装置设计处理气量为100～500m3/h，焚烧温度范围是500℃～1000℃，有机物的焚毁率不低于98%。废气经过预热器进入氧化焚烧炉，经过焚烧后的气体通过通气管道进入热交换装置，其热能被利用后，通过引风机，由系统出气口排出。

3 处置装置的运行与控制

3.1 处置装置的运行

高浓度有机污染气体处理：当土壤中挥发性和半挥发性有机污染物浓度较高时，经抽气系统进入装置的废气中污染物含量较高，采用废气焚烧净化系统焚烧处理废气。

低浓度有机污染气体处理：对于低浓度的抽取气体，采用活性炭吸附，待活性炭饱和后进行再生重复利用。

在自动控制条件下，装置有四种可选的运行状态：1）一台气泵运行。该气泵根据设定的频率参数稳定运转，不受氧气浓度参数控制。在运行的过程中，控制人员可以根据检测出的真空度与气体流量，随时人工调整设定的频率参数，直至达到运行控制人员所满意的真空度与气体流量。2）一台气泵运行。该气泵根据检测到的气体流量参数运行，保证系统稳定在设定的气体流量值运行。当检测到的气体流量低于设定的流量值，则增加气泵的转速，直到达到设定的气体流量值；当检测到的气体流量高于设定的流量值，则降低气泵的转速，直到达到设定的气体流量值。3）一台气泵运行。该气泵根据检测到的气体中氧气浓度参数运行，保证系统稳定在设定的氧气浓度值运行。当检测到的氧气浓度低于设定的氧气浓度值，则增加气泵的转速，直到达到设定的氧气浓度值；当检测到的氧气浓度高于设定的氧气浓度值时，则降低气泵的转速，直到达到设定的氧气浓度值。4）两台气泵并联同时运行。将与气泵连接的所有阀门打开。两台气泵根据设定的频率参数稳定运转，不受氧气浓度参数控制。两台气泵的运行参数保持一样。在运行的过程中，控制人员可以根据检测出的真空度与气体流量，随时人工调整设定的频率参数，直至达到运行控制人员所满意的真空度与气体流量。

3.2 处置装置的控制

该装置的操作方式有手动和自动两种，用户可以根据装置的运行情况选择操作方式。操作方式的切换可以通过转动控制柜上面的旋钮来进行。

一般情况下，手动方式只做设备测试用。装置初始运行时，需要经过调试，检查装置是否正常运转，各参数指标是否正常，确定运行工况并设定合理的运行参数。

正常运行时全部使用自动控制。当手动测试完成，装置运转无异常时，可以切换为自动方式。自动控制系统可以根据对土壤的在线监测数据，例如氧气含量、二氧化碳含量、湿度、温度等，根据设定的参数和程序自动调节抽气量，使处理达到优化运行。该装置的自动控制系统示意图见图6。

4 处置装置利用的几种典型工艺过程

4.1 生物堆与通风处置工艺过程

对于主要含有挥发性和半挥发性易降解的有机污染物土壤，常用的技术为异地堆放、通风和生物降解。当土壤结构较为松散，透气性良好，有机污染物易于降解时，可以采用通风生物堆法修复污染土壤。通风生物堆法是将土壤挖掘出来堆置于装有渗滤液收集系统的区域，供给适量的水分、养分和氧气，以促进微生物生长和分解土壤中有机物的一种方法。该装置是通风生物堆法的核心设备，可将生物堆中的高浓度有机气体抽出并进行净化，降低生物堆中污染物浓度，并通过营养液投加，为微生物的繁殖与生长提供良好的环境，加速微生物降解污染物的效率，实现土壤污染的彻底治理，以及抽出气体的达标排放。通风生物堆处置示意见图7。

图6 自动控制系统示意

图7 生物堆与通风处置示意

4.2 原位通风处置工艺过程

对于主要含有挥发性有机污染物的土壤，常用的技术为原位通风（又称土壤气相抽提）。当需要修复的土壤所处地层复杂，不具备开挖处置的条件，将土壤挖掘运出场地进行异位修复在技术上很难实现，且经济上也是不可行的。因此采用土壤气相抽提的方法进行原位修复。这是通过特制的抽提井，利用抽真空产生的动力迫使土壤气体发生流动，从而将土壤中的挥发性和半挥发性有机污染物驱出，达到清除土壤气体中的挥发性污染物的一种处理技术[4]。该装置作为原位土壤气相抽提技术的核心设备，可以有效地去除抽出的有机气体，基本实现零排放，实现修复效果，且成本低廉。原位通风处置示意见图8。

图8 原位通风处置示意

4.3 异位通风处置工艺过程

对于主要含有挥发性有机污染物的土壤，另一种常用的技术为异位通风技术。该技术主要应用于地层结构简单，场地具备开挖条件，土壤易于挖掘，且开发时间紧迫的场地。异位通风技术是将污染土壤挖掘运至带有防渗漏和简单滤液收集的地上密封系统内，在土壤堆的内部建立通风系统和尾气处理系统。通过通风将大部分挥发性有机污染物去除。本装置作为异位通风处置工艺的核心设备，首先将挥发性气体污染物抽出，通过气液分离系统去除杂质和水分，再送入废气焚烧净化系统处置。异位通风处置示意见图9。

图9 异位通风处置示意

[1]李发生.中国污染土地修复与再开发管理的现状评估[R].世界银行报告，2010-1-5.

[2]国务院.关于落实科学发展观加强环境保护的决定[Z].2005.

[3]环境保护部.关于加强土壤污染防治工作的意见[Z].2008.

[4]李发生，颜增光.污染场地术语手册[M].北京：科学出版社，2009.

Complex Physical-chemical and Biological Treatment Technology in Contaminated Soil

LI Dong-ming, SHI Lie-yan

X53

A

1006-5377（2011）07-0047-04