电加热原位热脱附修复技术的应用及效果分析

叶志成,周艳,陈明高

（马鞍山学院 建筑工程学院，安徽 马鞍山 243100）

0 引言

2005—2013年，环境保护部和国土资源部联合组织开展了首次全国土壤污染状况调查[1]。2016年国务院印发《土壤污染防治行动计划的通知》，标志着我国土壤污染防治进入了有标准、成体系的行业标准化建设期。2018年8月31日，十三届全国人民代表大会常务委员会第五次会议通过了《中华人民共和国土壤污染防治法》，规定设立省级土壤污染防治基金，土壤污染防治专项资金使用范围也包括支持设立省级土壤污染防治基金。政府的重视、土壤修复企业的增加和科研工作者的关注使土壤修复成为环境领域的热点[2-4]。

污染场地的危害具有隐蔽性、滞后性、积累性、不可逆性、严重性和难治理性[5-7]。因此各种场地修复面临着缺乏统一的处理技术、修复成本高、周期长和外部性显著等难题[8-9]。目前，已有一百多种修复技术用于土壤修复，大致可分为物理、化学和生物三种方法[10-11]。其中，原位热脱附技术由于其无需进行土壤清挖转运且不会带来二次污染等特点逐步被国内企业及学者关注运用到污染场地修复[12-17]。原位热脱附技术可以使土壤温度达到500℃以上，常用来修复解吸难度大、温度要求高的场地[18-22]。加热井内部的热量来源可以是电流通过电阻元件产生的热量，也可以是丙烷或者天然气燃烧之后产生的高温。当今，燃气热脱附技术在世界范围内已成为非常成熟的技术，并且在我国已有两个成功应用的工程案例，而电阻原件加热的原位热脱附技术在我国工程中的运用鲜有报道。

本文以苏南某化工厂退役场地为例，详细介绍了该场地运用电阻原件加热的原位热脱附修复技术的工艺情况，该项目主要包括加热系统、抽提系统、尾气处理系统及监控系统，共加热修复了180 d。通过分析不同土质、不同加热时间、不同加热区域及二次污染控制等影响因素论述该项目的成功经验及成果，以期为后续运用电阻原件加热的原位热脱附修复技术修复有机污染土壤的工程提供参考。

1 工程设计与试验方法

1.1 土壤污染现状

按照场地土层分布、水文地质、污染物集中分布趋势将场地分为0～-3.0 m、-3.0～-7.5 m、-7.5～-11.5 m、-11.5～-16 m和＞-16 m五个土层，场地污染区域第二层、第三层和第四层（有机污染土壤全部采用原位热解吸技术，具体污染物质及性质如表1所示。

综合考虑污染物性质、原位热解吸目标温度经验值及国外相关热解吸案例，选择含1，1，2-三氯乙烷污染土壤的原位热解吸区域目标温度为100℃，不含1，1，2-三氯乙烷污染土壤的原位热解吸区域目标温度为90℃。

表1 目标污染物

1.2 工艺设计

原位热解吸系统的工艺流程如图1所示。原位热解吸技术通过电加热使得井管温度上升，加热井管通过热辐射、热传导等方式将目标修复区域的土壤层和地下水加热，使得土壤中的目标污染物和水分蒸发。

蒸发后的气体经抽提井配置的真空泵抽提进入气液分离系统中分离，分离出的液体进入水处理装置进行处理处置，分离出的气体进入尾气处理装置处置达标后排放。

本项目场地修复中采用热传导热解吸工艺（TCH），并采用电加热方式。原位热解吸配套建设阻隔系统、降水系统、供电系统、加热系统、抽提系统、地面隔热系统、解吸气体处理系统、监测与控制8个系统，并包含其它配套设施，如电缆、管线设施以及其它设施等。

1.2.1 加热系统

原位热解吸加热系统的主体为加热井及加热器。加热井布设以每3个井作为一个修复单元。加热井单元以等间距边长组成等边三角形。

由于污染土壤的加热温度，随着其与加热井间距的增大而降低的。加热井布设的间距较近时，能够保证污染土壤被充分加热无死角，但加热井间距过近时，可能存在两个加热井或多个加热井加热半径的交叠区域，造成电能资源的浪费。根据场地水文地质资料、文献资料、粘土地质情况，电加热井在粘土地质情况下的影响半径约为2.5 m。整个土壤修复层热传导系数相差不大，具有较高的均匀性，各加热井间距为4.5 m，在该分布位置可以有效保证每个加热井单元加热半径覆盖所有修复区域，避免修复盲区并尽量减少重叠。加热井布设如图2所示。

图1 原位热解吸技术工艺流程图

图2 加热井布设及影响半径示意图

每口加热井中下入一个电加热器，该加热器贯穿污染土壤的整体深度。加热器布设深度为：与污染土壤地上界面平齐，在土壤污染下界面延长1 m，保证修复底面污染土壤被全部加热修复。加热井地面以下0.5 m采用粘土进行封井。每口井上部安装电加热器的配套控制装置及电缆等，注意加热井井口采用粘土进行封井，以防土壤中挥发性气体的逸散。所采用加热器结构如图3所示。

1.2.2 抽提系统

抽提系统包括竖直抽提井和水平抽提井，将污染土壤热解吸产生的废气、水蒸气抽提至地面。相邻抽提井间距根据污染程度不同分别设计为4.5 m和3 m。针对污染土壤达第三层的污染范围，抽提井深度为12.75 m；针对污染土壤达第四层的污染范围，抽提井深度为17.55 m；针对污染土壤达第三层且第一层异位处理的污染范围，抽提井深度为9.45 m；针对污染土壤达第四层且第一层异位处理的污染范围，抽提井深度为14.25 m。抽提井为双泵抽提系统（图4），设计井径140 mm，由耐高温软管和管壁分布有筛孔的不锈钢井管组成，管径分别为63 mm、16 mm。双泵抽提系统通过管路阀门的控制，实现对气、液的多相抽提，如地下水水位上涨，开启耐高温软管通路，抽提地下水；当抽提井中液面降至井底后，关闭软管支路阀门，开启主路阀门，抽提土壤中挥发的污染气体。该不锈钢井管布设筛孔，井管四周采用滤料填充。抽提井地面以下0.8 m采用膨润土进行封井。

图3 加热器结构示意图

图4 多相抽提井结构示意图

水平抽提井埋于地下，水平抽提井上部铺设粒径大小3～5 cm的砾石，均匀铺设形成砾石层，如图5所示。

1.2.3 尾气处理系统

尾气处理工艺采用气液分离—除尘—氧化燃烧—脱酸淋洗的多端尾气净化工艺。尾气处理系统包括气液分离器、耐高温罗茨风机、氧化燃烧系统、热交换器、喷淋急冷塔和喷淋吸收塔。

加热系统连续24 h运行，温度监测系统实时监测场区温度并记录温度参数。温度监测探头安装位于加热深度最下部。为实时监控土壤层的温度变化以及确定其是否满足目标温度的要求，在加热井的冷点位置均设置热电偶对温度进行监测。加热井单元中冷点位于加热单元的中心位置，如图6所示。

图5 水平抽提井结构示意图

图6 加热井冷点位置示意图

加热、抽提及尾气处理系统参数如2表所示。

表2 主要系统施工参数

1.3 采样及分析

根据相关规定并综合考虑本项目水文地质条件的复杂性以及周边环境敏感目标等因素，本次修复效果评估过程中修复区效果评估布点密度按不大于20 m×20 m执行。同时，因导则中针对原位修复后土壤的效果评估，还要求在修复区域边界进行布点采样，按导则要求修复区边界布点间隔不大于40 m设置采样点。具体每个点位的布置，需要结合修复单位土壤和地下水运行监测数据、运行过程中温度场和压力场的分布等确定，重点布置于温度相对较低、距离加热井和抽提井最远端等修复薄弱区域。根据本项目特点，每个平面取样位置，共设置9个垂直取样点，共覆盖整个污染深度。

样品采集后立马送至项目部实验室参照HJ605—2011测定，并于24 h内测量完成。

1.4 数据处理

采用Excel及Origin软件对数据进行处理分析。

2 结果与讨论

2.1 土质对升温的影响

为确定不同深度情况，本工程选择一块地作为了温升实验用地，共设置了3 m、9 m及16 m，3种不同深度温度监测井。将加热井中心冷点温度数据绘制成升温曲线如图7所示，整体来看，无论是何种土质温度上升速度均表现出先快速增长，后趋于平缓的趋势。从不同土层来看，中间层升温最快，60 d左右即可升至100℃，平均每天升温1.2℃；最上层次之，需80 d左右升至100℃，平均每天升温0.91℃；最下层温升最慢，加热80 d升温至90℃，平均每天升温0.79℃。造成此现象的原因可能是中间层由于粉砂层渗透性高和导热性好，上层为杂填土，土壤密实度较高而且土质构成比较复杂；而最下层为黏土层，土壤密实度较大导热性也较差。

2.2 加热时间对修复效果的影响

本项目分别在整体加热的第90 d、120 d、150 d及第160 d共进行了3次自检及1次送外检。第一次自检的取样节点设置在整个厂区都达到目标温度100℃时，对整个厂区进行了抽样调查，共取样801个；其中603个样品各目标污染物的检测值均低于修复目标值，占总样品的75.28%。然后针对第一次自检结果对已达标区域暂停加热，超标区域集中持续加热30 d后，采取第二次抽样调查。第二次抽样调查针对第一次达标区域降低采样频次，超标区域加大采样频次，共取样558个；其中517个样品各目标污染物的检测值均低于修复目标值占总样品数的92.65%，合格率得到了明显提高。针对第二次自检结果调整加热区域后，进行了第三次和第四次检测，后两次检测达标率为100%，整个厂区停止了加热。从检测结果可知，随着热脱附加热时间的增加，场地污染物的去除率逐渐增高，这与张学良[22]研究结果类似，最终在第150 d整个厂区目标污染物均达到修复目标值以下。具体取样频次见表3。

表3 原位土壤修复效果评估

2.3 修复温度变化趋势分析

图8为整个运行阶段厂区整体温度变化曲线图，由图可知，土壤温度随着加热时间的增加平稳上升。在停止加热后，厂区维持了一段时间的恒定范围内波动后开始逐渐平稳降低；且降温的平均速度为0.67℃/d明显低于升温时的0.79℃/d，这表明即使在停止加热后，整个厂区仍可以在相当长的一段时间内保持较高的温度，有利于残留污染物的去除。另从图8可以看出1#、2#、3#这些处于修复边界的温度检测井在加热阶段呈现出温度上升趋势相对较慢，而在达到目标温度停止加热后温度下降较快，这表明在修复边界区域热量流失较快，修复难度较大。造成这种现象的原因可能是在加热边界区域，加热井外围既是止水帷幕，又与止水帷幕外界存在热量交换，导致能量流失快；而场地中心区域周边均是加热井，温度上升较快。这与谢炳坤[22]研究结果类似。

图7 不同土层温度监测结果

图8 整体温度变化曲线

2.4 二次污染处理效果分析

尾气处理是避免场地修复过程中二次污染的有效措施，与异位热脱附相比，原位热脱附的优点就是能减少有机物的挥发及无组织排放。原位热解吸修复区场地全部由混凝土硬化，这有效地阻隔了有机气体的挥发。在加热过程中通过抽提系统将污染气体抽出，经尾气处理系统燃烧处理，有效地遏制了土壤修复过程中的尾气二次污染问题。本项目尾气处理系统有组织排放源，每月检测一次，共检测了6次，检测结果如表4所示。由表可知6次检查均达到排放标准，这表明电加热原位热脱附能有效减少二次污染，具有很好的适用性和可行性。

表4 各检测因子检测结果汇总

3 结论

本文探讨了电加热原位热脱附技术在某退役化工厂的应用，分析了土质、区域和加热时间及二次污染等因素对修复效果的影响，得出以下结论：

（1）电加热原位热脱附场地粉砂层、杂填土层及粘土层对应的平均温升分别为1.2℃/d、0.91℃/d及0.76℃/d。粘土层的温升速度最慢，而修复工期取决于温升最慢的区域，因此以后的修复工程温度检测只针对粘土层布控。

（2）整体来说厂区温度上升较快，在90 d达到设计温度；而修复边界区域温度上升相对较慢需要达到110 d左右才能达到设计温度。

（3）随着加热时间的增加，场地污染物的去除率逐渐增高，样品达标率从90 d的75.28%上升到第150 d的100%，整个修复运行工期为180 d。最终四氯化碳未检出，氯乙烯的监测值≤0.041 mg/kg、1,1,2-三氯乙烷≤0.304 mg/kg、氯仿≤0.039 mg/kg，均小于修复目标值。

（4）电加热原位热脱附技术，能有效遏制土壤修复过程中的尾气二次污染问题，具有较好的实用性及可行性。