原位燃气热脱附技术在有机污染土壤修复工程的应用

熊樱 蔡云 王永敏 杨晓东(北京京诚嘉宇环境科技有限公司，北京 100053)

0 引言

许多国家自20 世纪80 年代即开始将原位热处理修复技术应用于污染地块的修复中，已在上百项污染地块修复工程中使用了原位热处理技术。在美国、加拿大、丹麦、意大利以及布鲁塞尔等国家和地区，使用了燃气热脱附技术用于处理石油烃、多环芳烃、总碳氢化合物等污染场地[1-2]。我国的原位热脱附修复工程应用起步较晚，但发展极为迅速，在长三角、京津冀、中部和南方等地区均有应用。其中燃气热脱附以燃气运输方便，对于场地基础条件要求较低、运行灵活等优势得到了较快的发展。相比于国外，我国目前燃气热脱附应用场地主要以焦化厂、农药厂、油气和化工厂等为主，处理的污染物以苯系物、多环芳烃和石油烃等为主，修复目标温度高，并且修复面积和方量大。在工程项目实施过程中，存在热效率低、过程控制难度大、修复成本高、二次污染治理复杂等诸多问题。通过对某工程案例的分析，分析应用过程中的关键问题，并提出下一步改进的方向，以期为国内污染土壤原位燃气热脱附修复领域的工程应用提供参考。

1 原位燃气热脱附技术

在众多土壤修复技术中，热脱附技术是目前应用较为广泛的技术之一，特别适合石油类、氯化溶剂、挥发性有机物、半挥发性有机物污染土壤的修复。从形式上可以分为原位热脱附和异位热脱附。相比原位化学注入法和化学淋洗法，原位热脱附技术能够处理渗透性差的粘土地块[3]。从修复周期而言，针对苯、苯系物、多环芳烃等目标污染物，原位热脱附修复周期要短于化学注入、化学淋洗以及生物修复等技术[4]。根据加热方式不同，原位热脱附可分为蒸汽强化提取技术、电阻加热技术和热传导技术[5,6]。其中，蒸汽强化提取技术不适用于沸点高于100℃且无法产生共沸现象的半挥发性有机污染物，使用 ERH 技术时，除了需要考虑污染物沸点和地下水情况，还需注意污染地块地下构造等因素，基岩的存在对电阻率的影响[5]。相比而言，热传导技术的应用条件更为广泛。近年来，国内成功引进新型TCH—燃气热脱附技术(gas thermal remediation, GTR)，该技术利用天然气、丙烷等燃料燃烧提供热能加热土壤实现热脱附，其技术优势在于燃气便于运输、输送方便。相比电加热方式，对于场地基础条件要求较低、启动快速、运行灵活[7]。燃气热脱附成为目前最具潜力的技术之一。

2 工程应用案例分析

2.1 场地概况

该工程项目场地位于北方，历史上为大型煤炭和化工产品综合生产加工基地。包括备煤、炼焦、筛焦、煤气净化、焦油化产品回收、精苯等生产环节。特征污染物为多环芳烃，超标覆盖面积较大,超标深度较大的污染物为萘、苯并(a)芘、茚并(1,2,3-cd)芘、二苯并(a,h)蒽、苯并(a)蒽等。此外，还存在VOCs 以及石油烃的污染，污染物的含量及超标范围详见表1。场地地层大致分为四个土层：人工填土层、轻亚粘土层、卵石层、沙岩层，整个场地一期污染土壤风险管控土方量为4 万多立方米。

表1 土壤污染物含量及修复目标值

2.2 工艺设计

经过技术比选和筛选，确定采用原位燃气热脱附处理工艺。工艺流程为：天然气在燃烧器中燃烧后产生的高温气体通过风机高温气体引入单个的加热井中；高温气体(450～600℃)，通过加热管间接加热土壤，通过热传导方式加热目标修复区域，使得土壤温度升高(升温速率最高可达20℃/天)到目标温度；再利用真空抽提井对气相/液相的污染物进行抽提，通过冷凝分离，再对提取出的气体和液体分别进行处理，最后达标排放。具体工艺流程如图1 所示。

原位热脱附系统主要包括加热单元、抽提单元、废气废水处理单元和监测控制单元等。所有修复区的竖直加热井都采用三角形网格分布，水平加热井采用长管单层分布。根据前期场地调查获得的场地地质条件、土壤物理参数、污染物性质，结合修复深度、修复范围及项目工期的要求，通过土壤加热模型计算获得加热井布置间距的范围，即竖直加热井井间距为2m，水平加热井井间距为1.3m。具体原位燃气热脱附主要工艺参数如表2 所示。

图1 原位燃气热脱附技术工艺流程图

表2 原位燃气热脱附主要工艺参数

抽提单元包括地下抽提井和表面抽提管；废水废气处理单元包括冷凝、气液分离和废水废气处理等单元。抽提出的尾气经过换热器后进入气液分离装置，尾气采取火炬燃烧+活性炭吸附的处理方式。废水采用斜管沉淀+絮凝过滤+活性炭吸附的处理方式。整个加热过程中，对单个燃烧器的燃烧状况、温度、压力以及土壤中关键位置的温度、压力进行实时监测。

2.3 修复效果

各地块的升温时间略有差异，整体而言土壤温度随着加热时间的推移整体呈现出逐渐升高的趋势，表明在地块保温层效果良好的情况下，随着燃气的不断消耗，土壤温度会不断升高。单地块加热过程时间长度不等，土壤加热升温需要约45～50 天左右，个别地块加热时长在60 天以上，达到350℃后，继续保持该温度5～10 天，保证污染物处理达标。修复后土壤污染物检测值与修复目标值对标详见表3，场地土壤污染物的去除效果明显，能够满足修复目标值的要求。

2.4 存在的关键问题

2.4.1 热效率低

当燃烧器在理想情况下操作时，所有的燃料都将被转化为二氧化碳，同时其能量转换效率将能达到65%～80%，而实际燃气加热能源利用率不到60%，加热系统出口的排烟温度一般为200～400℃，未进行循环利用，造成大量的能量浪费。项目抽提尾气中有机物浓度较高，经过气液分离器后，尾气进入二次燃烧室，对尾气中所含有的挥发性有机污染物进行彻底燃烧，再通过活性炭等后续处理工艺实现达标排放。虽然采用热交换器加热废气，可充分利用热能，废气温度由1100℃降至500℃，进入喷淋急冷塔和喷淋吸收塔后最终排放，热量损失较大。在燃气加热土壤的过程中，虽然在地表铺设了保温层，冬季条件下热损耗依然很高。个别地块由于位置及局地包气带含水条件在加热过程中水汽蒸发导致大部分热量损失。

2.4.2 过程控制精准性不高

本工程设定的加热目标温度350℃，对比国外工程案例，其目标加热温度均在220℃以下[1]。可能是由于共沸现象的存在，一般混合物的沸腾温度会低于他们各自的沸点，使得目标加热温度无须超过污染物的沸点[8]。本工程确定的加热温度主要依靠同类项目经验，由于每个项目的污染物不同，场地条件各异，这个过程中主要依靠工程师经验判断。

燃气加热时，其底部加热温度最高，烟气由下往上温度逐渐降低，浅层达到目标温度比较困难，会产生受热不均匀的现象[9]。从现场温度监测情况来看，不同深度土壤温度差异较大，深层土壤温度远超过350℃目标值。加热时间及修复终点没有明确的标准，本工程的17 个地块在达到目标温度后保持的时间主要结合抽提尾气的污染物含量变化和工程师的经验来判断，加热的精准性及污染物去除的精准性尚难控制，可能造成过度修复。

2.4.3 无组织排放

工程实施过程中的废气无组织排放控制非常关键。项目现场实施过程中，在表面覆盖一层15mm 厚的隔热材料和25～30mm 厚的混凝土用作隔热层防止污染物扩散。通过抽提井的抽提，对场地的真空度进行监控来确保污染气体不逸出。现阶段，对真空度以及抽提气量的控制很大程度依赖于工程应用经验，没有确切的参数范围。

工程开展过程中，定期进行了无组织排放的监测，检测指标包括二氧化硫、氮氧化物等常规项目，以及非甲烷总烃、苯、二甲苯、苯并芘等几项特定指标。现有的在线监控设备不能实现对特征污染物的快速分析，需要通过现场采样和实验室分析，分析结果存在一定的滞后性，检测结果出现非甲烷总烃等超标时不能及时有效反映场地的无组织排放情况。而快速自检仪器PID 读数反映的是挥发性有机化合物和其他有毒气体的浓度，区分不同化合物的能力比较差；只能通过读数高低变化判断现场的情况，没有相应的执行标准。目前国家标准并没有萘、多环芳烃部分组分的检测指标，未针对上述污染物进行检测。

表3 土壤污染物修复目标值与检测最大值对比表 单位：mg/kg

3 改进方向

3.1 降低能耗

原位燃气热脱附技术主要依靠温度来去除有机污染物，产热的能耗是用来评估该技术的重要指标。杜玉吉等[10]发明了一种利用分布式能源的污染土壤原位热修复系统和方法，通过使用燃气内燃机所产生的高温烟气和电力对污染土壤进行原位加热修复。程功弼等[11]发明了一种异位燃气加热抽提一体式热脱附装置，多个加热抽提一体化井修复土壤区域的外周设有多个隔热板，隔热板上设有用于感应土壤温度的温度传感器。李书鹏等[1]对比了国内外的工程案例，总结了3 种降低能耗的方式，包括分批次处理、耦合原位化学氧化技术、设置伴热抽提管道。通过上述分析，在降低能耗方面可以进行异位燃气加热+原位抽提的工艺研究，通过设置燃烧炉燃烧高温烟气再通过分散送风的方式提高一次燃烧的热效率，同时将与土壤换热后的低温烟气与高温烟气进行混合，得到修复污染土地所需的热烟气再回到加热井进行循环利用，抽提尾气可考虑送入燃烧器中进行掺烧，或者在通过火炬燃烧后，预热抽提尾气来降低热损耗节省一部分能量。

3.2 提高过程控制

针对大型原位修复场地的修复过程，如何保证装置的运行稳定性，实现高效加热与精准修复研究也是工程应用的一个重点研究方向。张学良等[6]提出运用原位热脱附技术需将温度和时间这两个重要影响因素相结合，根据污染物种类和浓度，经过试验得出最佳搭配方式后，再进行大面积的推广。李书鹏等[1]提出通过开发原位热脱附全过程热传导数值模拟及应用软件，在输入目标污染物沸点和溶解度、修复周期、加热温度、土工参数等现场条件即可得到加热井间距、加热井温度及升温速率等推荐值。原位热脱附的能力和加热温度息息相关。而不同类型污染的土壤，对于热脱附的温度要求也不同，尤其是对于沸点较高的半挥发性污染物，需要的加热温度较高。设置合适的温度目标，合理考虑共沸点效应下的运行温度，避免过度加热和修复；提高加热原件的效率、优化地表的保温层的设计和场地周边阻隔层的设计都是重要的方向。关于场地的加热时间，结合工程经验的同时应该通过分析特征污染物的浓度变化曲线，来进一步判断。

针对抽提尾气不仅设置在线的PID 检测，可在集中处理前设置采样点，定期进行抽提尾气的成分分析，跟踪场地各项污染物的变化情况，进一步判断加热时间。

3.3 严格二次污染防控

原位燃气热脱附过程中的二次污染主要包括燃气燃烧产生的废气、高浓度抽提废气、冷凝废水以及废气废水处理过程中产生的废活性炭、含油污泥等。开发安全、高效、集成化的尾水尾气处理系统是目前该技术工程应用的关键。针对废气的有组织排放，需要保证废气处理设施设备的稳定运行，保证达标排放；针对无组织排放的控制，仍然是相对薄弱的环节，需要通过做好前期地表的阻隔、过程中强化抽提控制、建立抽提控制强度与PID 检测浓度的动态调节，提高检测频次等措施。

4 结语

我国燃气热脱附修复技术在污染场地应用尚处于起步阶段，实际工程应用过程中存在热脱附设施热效率低、烟气余热未实现循环利用，工程实施过程中控制水平难以固化和提高；无组织排放控制难度大、针对特征污染物难以实现在线检测等问题。

鉴于目前我国存有较多大型复杂的有机物污染场地的现实情况，且由于场地周边条件、修复周期等多种因素影响，原位燃气热脱附技术在我国依然有较高的应用需求。节能降耗，减少二次污染，降低环境管理成本，最大程度上实现绿色可持续修复是该技术未来发展的核心。

为此，必须全面分析该技术的适用条件、加热温度、加热周期、过程控制，通过烟气循环、增加热回收单元进行余热利用等方式降低能耗。进而优化工程设计，研究能效高、过程控制精准、污染物排放可控的成套技术装备。同时开展组合工艺的应用，包括燃气热脱附技术与生物修复、化学氧化等修复技术耦合联用。在此基础上结合我国污染地块实际情况，发展快速高效、成本低廉、应用便捷、绿色可持续的原位燃气热处理修复技术。