多环芳烃类有机污染场地原位电热脱附修复工程实例

谢炳坤，韩 进，李书鹏，2，曾 俊，奚龙晶，籍龙杰，2

（1. 北京建工环境修复股份有限公司，北京 100015；2. 污染场地安全修复技术国家工程实验室，北京 100015）

近年来，在城市污染企业搬迁后遗留、遗弃的工业污染场地中，多环芳烃（PAHs）等典型有机污染物被高频率检出。PAHs是一类广泛存在于各类环境介质中的持久性有机污染物，具有较高的致癌、致畸、致突变性和较强的生物毒性［1］。随着《土壤污染防治行动计划》和《土壤污染防治法》的颁布，PAHs污染土壤的修复工作亟待进一步加强［2］。

常用的PAHs污染土壤修复方法有生物修复、化学氧化和热脱附等［3］。受限于严苛的修复目标值和修复时限，采用热脱附技术时通常采取异位修复［4］。原位电热脱附技术作为一种新型的土壤修复技术，具有广谱、高效、无二次污染等优点，有待推广应用。

本工作采用原位电热脱附技术对华东某PAHs污染场地进行修复，介绍了修复工程的场地污染情况、工程设计概况、运行管理情况及修复效果，为该技术在PAHs污染场地的工程应用提供借鉴。

1 场地污染情况

该场地PAHs污染物包括二苯并［a，h］蒽、苯并［a］芘、苯并［a］蒽、苯并［b］荧蒽、苯并［k］荧蒽、菲、萘、芘、等，主要污染物含量见表1。

表1 待修复场地主要PAHs含量

由表1可知，该场地的PAHs污染物大都为高沸点、难降解的有机污染物，沸点大都在300 ℃以上，不易挥发。该场地PAHs含量较高，其中苯并［b］荧蒽超标940倍。

2 原位电热脱附技术的原理

原位热脱附技术（in-situ thermal desorption，ISTD）是通过对土壤加热，促使有机污染物挥发，由固相、液相向气相转化，进而借助气相抽提系统形成的负压对其进一步收集并去除［5］。

根据能量传递方式的不同，ISTD可分为热传导（thermal conductive heating，TCH）、蒸汽/热空气注入（steam/air injection，SAI）、电阻加热（electrical resistive heating，ERH）和射频加热（radio frequency heating，RFH）等［6］。原位电热脱附属于热传导的一种，是在污染场地中建设一定间距的竖直加热井，在加热井中布置电加热棒，电加热棒通过电流作用产生热量，运行温度控制在600～700 ℃，通过热传导的作用伴随着真空抽提，挥发性、半挥发性和难挥发性有机污染物将通过蒸发、蒸馏、沸腾、氧化和高温分解等过程挥发或被降解［7］。

3 工程设计概况

3.1 工程规模

污染土壤位于华东某退役化工场地，污染面积为4 996 m2，污染深度为6 m，污染总土方量29 976 m3。

3.2 工艺流程

原位电热脱附工艺技术示意图见图1。原位电热脱附系统由加热-抽提系统、尾气处理系统、废水处理系统、电力分配系统等构成。

图1 原位电热脱附工艺技术示意图

3.3 加热-抽提系统设计

加热井由电加热棒和套管（无缝碳素钢管）组成，结构示意图见图2。电加热棒功率1.3 kW/m，工作温度700 ℃，额定电压380 V。

图2 加热井结构示意图

加热-抽提系统布井方式示意图见图3。加热井按照等边三角形布设，确保加热井传热区域均匀覆盖污染区，并尽量减少重叠。加热井的间距为2.5 m。

图3 加热-抽提系统布井方式示意图

抽提井采用DN100无缝碳素钢管，每根管长度为9.8 m（其中处理地面以上0.8 m，地面以下9.0 m），进行均匀布设，由开筛段（透水层）、非开筛段、沉淀段组成。由上而下，非开筛段1.8 m，开筛段7.5 m，沉淀段0.5 m。加热井和抽提井的数量比值约为4∶1。在加热井和抽提井附近设置测温井和测压井。加热井与测温井的数量比值约为10∶1，抽提井与测压井的数量比值约为10∶1。

3.4 废气处理系统设计

废气处理系统采用“喷淋除尘+气体冷凝+活性炭吸附”处理工艺。废气处理工艺流程图见图4。废气先进入喷淋塔以去除气体中的颗粒物，再进入气水换热器，通过冷却水的冷凝作用将高温废气中的污染物冷却为液体，冷凝后的废气通过真空风机进入活性炭吸附单元，净化后的气体经过烟囱排入大气。气水分离器后产生的废液进入废水处理单元，气水换热器的冷却水回冷却塔经过风冷后循环使用。

图4 废气处理工艺流程图

该系统的废气处理能力为2 000～4 000 Nm3/h，进口温度为90～120 ℃。

3.5 废水处理系统设计

废水处理工艺流程图见图5。废水处理能力为10 t/h。废水统一收集至集水池，在酸调节池中将废水pH调至2～3，进入化学氧化池，通过芬顿试剂的强氧化作用将废水中的有机污染物氧化降解成CO2、H2O及其他无害无机盐，在碱调节池中将废水pH调至7～8后进入混凝沉淀池，在聚合氯化铝（PAC）和聚丙烯酰胺（PAM）的作用下絮凝沉淀水中的悬浮物，经过石英砂过滤器和活性炭吸附器的进一步过滤作用后进入清水池，清水池中的污水经过检测水质达到《污水排入城镇下水道水质标准》（GB/T 31962—2015）［8］的指标后排入市政污水管网。废水处理系统产生的污泥经脱水干化后送至危废处置单元进行处置。

图5 废水处理工艺流程图

3.6 辅助系统设计

3.6.1 止水帷幕设计

为防止修复区域周边地下水对原位电加热效果产生影响，在距离修复区域边界3 m处设置密闭止水帷幕（水泥土墙），见图1。止水帷幕深9.0 m，厚度为80 cm。

3.6.2 地表保温层设计

为降低原位电加热运行后地表散热带来的热量损失，在地表铺设厚度约为600 mm的保温层，由上而下，采用100 mmC20抗渗混凝土+400 mm泡沫混凝土+100 mm黄沙构成，见图2。C20抗渗混凝土（抗渗等级p4）施工过程中加入抗裂纤维（钢筋网片），防热胀冷缩的地表切缝用环氧树脂填充。泡沫混凝土设计干密度500 kg/m3，导热系数为0.10～0.12 W/（m·K），抗压强度1.8 MPa。黄沙粒径为1～2 mm。

3.7 场地土壤温度监测设计

土壤温度是原位电热脱附的重要运行参数。距离加热井越近，土壤温度越高。加热井构成的正三角形中心位置为土壤温度最低点，故测温井设置在此。通过在测温井内设置K型热电偶进行温度测量，测温井的测温信号直接通过信号线接入可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）采集模块读取。

场地测温井布置图见图6。从场地的34个测温井中选择有代表性的6个测温点3#点位、13#点位、18#点位、19#点位、24#点和26#点位进行土壤温度温升分析。因地表散热的影响，表层土壤的温度低于深层土壤的温度，故每个测温井的测温探头设置在距离地表保温层表面1.5 m处（修复地面地下0.9 m处）。

图6 场地测温井布置图

3.8 样品的采集和检测

根据《土壤环境监测技术规范》（HJ/T 166—2004）［9］，采用Geoprobe 7822DT型直推式土壤采样钻机（美国Geoprobe公司制造）采样后，立即密封保存采样管，然后将采样管置于制冷的空调房间进行冷却，第二天进行土壤样品的分样、装瓶，样品制备完成后置于冷藏箱中0～4 ℃保存，并在48 h内送至具有中国计量认证（CMA）资质的专业检测机构。采用《土壤和沉积物 半挥发性有机物的测定 气相色谱-质谱法》（HJ 834—2017）［10］检测目标污染物的含量。

4 工程的运行管理

当土壤温度超过200℃后，混凝土表面易产生裂缝，影响电加热的保温效果，造成能量损失。对于原位电热脱附技术，场地土壤升温能耗是该技术能否可持续用于土壤修复的考虑重点［11-14］。本工程在表层混凝土浇筑过程中加入钢筋网片以增强表层混凝土的抗裂能力，当表层混凝土出现裂缝时及时用耐高温密封胶对裂缝进行填充，防止土壤中热量的损失，降低加热能耗。

在原位电热脱附中，气体抽提流量直接影响热脱附的效果［15］，因此需重点关注气体流量的变化。当气体流量明显下降时，需检查抽提管道是否堵塞，特别是抽提风机进风口滤网是否堵塞，保证风机处于正常工况。

5 修复效果

5.1 土壤温升曲线分析

场地内有代表性的6个测温井的土壤温升曲线见图7。由图7可见：因各区域土壤的含水率不同，散热导致热量损失的程度也不同，故各测温点土壤温升速率存在差异，经过40～70 d原位电加热运行后，土壤温度均达到110 ℃；在后续的100～150 d内土壤温度一直停留在110～120 ℃，这是因为土壤中的毛细水等未去除完全；当土壤中水分完全去除后，土壤温度快速升高，在加热时间到达250 d后，土壤温度均到达300 ℃以上。

图7 场地内有代表性的6个测温井的土壤温升曲线

由图7还可知，边界点位3#、18#、26#的土壤升温速率较加热区域中心点位13#、19#、24#慢，最后到达的温度也更低，这是因为边界点位土壤散热更多，因而可以在边界区域布置较中心区域更为密集的电加热棒。

5.2 污染物去除效果分析

电热脱附修复工程运行约250 d后，场地内主要PAHs的实测值见表2，各PAHs的去除率均达到99.99%以上，修复后土壤中PAHs浓度低于修复目标值。各PAHs的沸点大都在400 ℃以上，个别的达到了500 ℃以上，但在土壤温度达到300 ℃时PAHs均得到有效去除，这是因为共沸现象的存在［16］。在原位电热脱附布置设计时，应充分考虑污染物共沸现象，避免设置过高的目标加热温度，以减少能耗，节约成本。

表2 修复后主要PAHs的实测值

苯并［a］芘去除率随加热时间的变化见图8。由图8可见：场地加热60 d后虽然场地土壤整体温度不高，但在电加热棒附近土壤温度较高，在气体抽提作用下，土壤中少量苯并［a］芘被去除；在场地加热180 d后，随着场地大部分区域土壤温度升至300 ℃以上，在高温及气体抽提作用下，苯并［a］芘去除率达90%以上；加热250 d后，场地土壤温度均到达300 ℃以上，苯并［a］芘去除率达到99.99%，去除效果显著。

图8 苯并［a］芘去除率随场地加热时间的变化

5.3 修复技术优势分析

项目场地附近有居民小区，周边敏感点较多。若产生的污染物不能被高效去除，大量有毒有害物质将扩散到空气中，有产生二次污染的风险，容易发生严重的异味扰民问题［17］，二次污染的负面效应甚至可能超过修复本身带来的正面效应［18］。

本工程运行期间场地无明显异味，周边居民无投诉。

6 结论

a）原位电热脱附对高沸点、难降解的PAHs污染物具有良好的去除效果，电加热250 d后的土壤温度整体到达300 ℃以上，各PAHs的去除率均达到99.99%以上，修复后土壤中PAHs浓度低于修复目标值。

b）修复边界区域土壤的升温速率不及中心区域，可在边界区域布置更为密集的加热棒以缩短整体加热时间。

c）通过添加钢筋网片及裂缝及时用高温密封胶填充可降低地表保温层裂缝影响。需检查抽提管道是否堵塞，特别是抽提风机进风口滤网是否堵塞，保证风机处于正常工况。

d）原位电热脱附工程运行期间，场地无明显异味。