热脱附技术在土壤污染治理工程中的应用

文_李阳 裴晓辉 龙智勇 周洋 王妙 中机国际工程设计研究院有限责任公司

土壤是经济社会可持续发展的物质基础，关系人民群众身体健康，关系美丽中国建设，保护好土壤环境是推进生态文明建设和维护国家生态安全的重要内容。土壤污染修复技术的研究起步于20世纪70年代后期，中国的土壤污染修复技术研究起步较晚，“十五”期间被列入了高技术研究规划发展计划，但是目前研发水平和应用经验都与美、英、德、荷等发达国家存在相当大的差距。

2016年5月28日，《土壤污染防治行动计划》由国务院印发并开始实施，要求通过开展土壤污染治理与修复试点示范，在土壤污染源头预防、风险管控、治理与修复、监管能力建设等方面探索土壤污染综合防治模式，逐步建立我国土壤污染防治技术体系。

1 土壤热脱附技术简介

土壤污染的主要来源为重金属污染和有机物污染，相关治理与修复技术包括：植物修复技术、微生物修复技术、稳定化固化技术、淋洗技术、氧化—还原技术、热脱附技术、气相抽提技术、水泥窑协同处置技术、阻隔填埋处理技术、可渗透性反应墙处理技术等。

热脱附技术是通过直接或间接热交换，将污染介质及其所含的有机污染物加热到足够的温度，以使有机污染物从污染介质上得以挥发或分离的过程。根据加热所达到的温度可分为低温热脱附技术(90～320℃)和高温热脱附技术(320～560℃)。

热脱附可通过调节加热温度和停留时间等方式有选择地将污染物从一相转化为另一相，在修复过程中一般并不出现对有机污染物的破坏作用。通过控制热脱附系统的温度和污染土壤停留时间有选择地使污染物得以挥发，并不发生氧化、分解等化学反应。

热脱附技术的显著优点是操作处理效果好、管理方便，其修复费用受温度和土壤渗透性等因素的影响。热脱附技术可以处理那些受挥发性及半挥发性有机污染物（如石油烃、农药、多氯联苯）和汞污染的土壤，不适用于无机物污染土壤（汞除外），也不适用于腐蚀性有机物、活性氧化剂和还原剂含量较高的土壤。

热脱附技术处理周期为几周到几年，国外对于中小型场地（2万t以下，约合26800m3）处理成本约为100～300美元/m3，对于大型场地（大于2万t，约合26800m3）处理成本约为50美元/m3。国内处理成本约为600～2000元/t，目前国内已有少量工程应用，但是处理技术有待成熟。

2 技术应用案例

2.1 场地土壤污染情况

澧县原青云香料厂于1996年开始生产，主要产品为水杨醛，副产品为盐酸，生产工艺为邻甲酚、三氯氧磷、氯气合成。该项目生产过程中未采取有效的环境保护措施，生产产品和原料直接堆放在厂区，大量有毒有害的有机生产废渣和有机化学衍生品直接倾倒进入厂区前面池塘中，对当地土壤造成严重污染，并且污染地下水。2006年，澧县原香料厂被当地执法部门依法关停。澧县原香料厂虽被关停，但是场地废渣和污染土壤一直存在，项目规划用地类型为商业与绿化用地。

根据场地内土壤检测结果显示：场地内土壤中2,4,6-三氯苯酚、五氯苯酚、苯并（a）芘、茚并[1,2,3-cd]芘最大含量分别达285.26mg/kg、54.78 mg/kg、3.06mg/kg、10.19mg/kg；最大超标倍数分别为7.13倍、13.70倍、15.30倍、16.98倍。同时检测显示，场地污染中心处地下水五氯酚超标3.37倍，以上超标物质均属于半挥发性有机物。场地环境污染污染的风险评估结果显示2,4,6-三氯苯酚、五氯苯酚、苯并（a）芘、茚并（1,2,3-cd）芘四种物质在土壤中致癌风险值分别为：1.28×10-5、9.29×10-6、9.53×10-6、3.17×10-6、3.48×10-6均超过了10-6，存在致癌风险。

厂区污染土壤0～2m、2～4m、4～6m各层次污染土壤面积，自上而下分别为2339m2、1971m2、1734m2，根据厚度计算得废渣与污染土壤总体积为12088m3。

参考通过风险评价计算，在满足法律法规要求下，充分考虑经济和技术的可行性，最终确定该场地污染修复目标建议值为：2,4,6-三氯苯酚62mg/kg、五氯苯酚12.46mg/kg、苯并（a）芘0.3mg/kg、茚并[1,2,3-cd]芘0.9mg/kg。

2.2 热脱附处理工艺设计

澧县原青云香料厂土壤污染治理工程设计污染土壤处理能力为10m3/h，污染土壤经过预热处理、粉碎/过筛、回转窑热脱附处理检测达标后回填。过程中产生的有机废气，经过废气处理设备处理后达标排放。整个热脱附流程均处于密闭环境，防止有机废气泄漏热。项目热脱附工艺流程图具体如图1所示，热脱附主要设备与参数如表1所示。

图1 热脱附流程图

2.2.1 污染土壤的预热处理

本项目部分污染土壤含水率较高，不便于破碎和筛选，因此首先进行预热处理，除去水分和部分有机物质，温度≥120℃，停留时间大于10min，含水率小于10%，预热过程产生的废气进入废气处理设备处理后达标排放。

2.2.2 污染土壤的粉碎/过筛

污染土壤预热处理后的干燥土壤经过锤式破碎机进行破碎，经过粉碎后的污染土壤进行振荡过筛，过筛直径为2.0cm。筛中土块、石块和树枝等杂物，超规格的经过破碎后再次返回振荡筛进行筛分。

2.2.3 回转窑热脱附

本项目热脱附采用改进后的回转窑进行热脱附，在热解吸过程中，对污染土壤进行不断翻动，以便于有机物充分解吸出来。本项目主要污染物沸点最大值为茚并[1,2,3-cd]芘，温度为497℃，设定解吸温度大于或等于520℃，具体需根据现场实验进行调整，以保证热脱附后的土壤达到本项目修复目标。本地区已通天然气，因此热脱附供热采用天然气。即2,4,6-三氯苯酚、五氯苯酚、苯并（a）芘、茚并[1,2,3-cd]芘含量分别小于62mg/kg、12.46mg/kg、0.3mg/kg、0.9mg/kg。热脱附停留时间10min左右，具体可根据现场实验进行调整，处理能力为10m3/d。处理后土壤进行抽样检测，检测达标后回填原场地，不达标则重新进出回转窑处理。

表1 热脱附主要设备与参数

2.3 废气处理工艺设计

本项目有机废气处理工艺采用“光催化氧化+活性炭吸附”的处理技术，废气处理工程如图2所示。废气先由风机管道收集后，送入碱洗涤塔内将大部分氯化物气体进行化学降解→PATTiO2设备分解氧化治理→活性炭吸附→风机→经15m烟囱达标排放。

图2 废气处理工程示意图

3 处理效果评估

2017年10月～2018年12月，澧县原青云香料厂采用热脱附技术对污染场地进行了治理。2018年12月18日，澧县人民政府在澧县主持召开了澧县原青云香料厂废渣及土壤修复工程效果评估报告专家评审会，对土壤修复工程进行全面评估，项目工程效果评估结果如下。

(1)热脱附修复后不同区域不同深度土壤的2,4,6-三氯苯酚检出最大值为0.21mg/kg，均小于修复目标值62mg/kg；不同区域不同深度土壤的五氯苯酚检出最大值为0.13mg/kg，均小于修复目标值12.6mg/kg；不同区域不同深度土壤的苯并（a）芘均未检出，均小于修复目标值12.6mg/kg；不同区域不同深度的茚并（1,2,3-cd）均未检出，均小于修复目标值1.36mg/kg。

(2)场调阶段污染最严重的地下水监测点位监测时段内，各检测因子均能满足《地下水质量标准》（GB/T14848-2017）Ⅲ类标准要求，特征污染物五氯酚在监测时段内未检出，较场调阶段的0.0394mg/L，大幅下降。因此，本工程对于该场地内地下水环境改善有明显的效果。

(3)本项目采用热脱附处理技术对污染地块土壤进行异位修复治理，通过清挖、热脱附、回填、黏土压实等工程措施，有效减少了污染土壤目标污染物，使其满足审查意见所提出的修复治理目标，通过修复后的土壤可作为商业和绿化用地。

4 治理经验

本项目热脱附技术对2,4,6-三氯苯酚、五氯苯酚、苯并（a）芘、茚并[1,2,3-cd]芘四种目标污染物有较好的去除效果，去除率均在95%以上；对污染土壤中基本所有挥发性及半挥发性有机污染物均具有良好的处理效果，经处理后大部分有机污染物已低于检出限。受污染土壤经过热脱附设备处理后，从进料到出料只有约20min，处理速度快，处理完后土壤监测即可达标。由于本项目热脱附技术采用的是物理处理技术，无化学添加剂，无二次污染，处理后土壤除含水率降低外，无其他影响，可作为一般土壤利用。

本项目土壤含水率较高，余热回用少，能耗总体较高，本项目有机物污染土壤热脱附处理综合单价在1000元/m3，处理成本中能耗费用占50%左右，因此有必要进一步提高热量利用效率，从而降低单位处理成本。

根据本项目经验，采用异位热脱附技术对受有机物污染的土壤进行处理，处理效果好、去除率高、处理周期短、对土壤性质影响小，优势比较明显。在优化处理工艺，提高热量利用效率后，可作为异位热脱附技术案例进行的利用和推广。