電加熱原位熱脫附修復技術的應用及效果分析

葉志成,周艷,陳明高

（馬鞍山學院 建筑工程學院，安徽 馬鞍山 243100）

0 引言

2005—2013年，環(huán)境保護部和國土資源部聯(lián)合組織開展了首次全國土壤污染狀況調(diào)查[1]。2016年國務院印發(fā)《土壤污染防治行動計劃的通知》，標志著我國土壤污染防治進入了有標準、成體系的行業(yè)標準化建設期。2018年8月31日，十三屆全國人民代表大會常務委員會第五次會議通過了《中華人民共和國土壤污染防治法》，規(guī)定設立省級土壤污染防治基金，土壤污染防治專項資金使用范圍也包括支持設立省級土壤污染防治基金。政府的重視、土壤修復企業(yè)的增加和科研工作者的關注使土壤修復成為環(huán)境領域的熱點[2-4]。

污染場地的危害具有隱蔽性、滯后性、積累性、不可逆性、嚴重性和難治理性[5-7]。因此各種場地修復面臨著缺乏統(tǒng)一的處理技術、修復成本高、周期長和外部性顯著等難題[8-9]。目前，已有一百多種修復技術用于土壤修復，大致可分為物理、化學和生物三種方法[10-11]。其中，原位熱脫附技術由于其無需進行土壤清挖轉(zhuǎn)運且不會帶來二次污染等特點逐步被國內(nèi)企業(yè)及學者關注運用到污染場地修復[12-17]。原位熱脫附技術可以使土壤溫度達到500℃以上，常用來修復解吸難度大、溫度要求高的場地[18-22]。加熱井內(nèi)部的熱量來源可以是電流通過電阻元件產(chǎn)生的熱量，也可以是丙烷或者天然氣燃燒之后產(chǎn)生的高溫。當今，燃氣熱脫附技術在世界范圍內(nèi)已成為非常成熟的技術，并且在我國已有兩個成功應用的工程案例，而電阻原件加熱的原位熱脫附技術在我國工程中的運用鮮有報道。

本文以蘇南某化工廠退役場地為例，詳細介紹了該場地運用電阻原件加熱的原位熱脫附修復技術的工藝情況，該項目主要包括加熱系統(tǒng)、抽提系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)，共加熱修復了180 d。通過分析不同土質(zhì)、不同加熱時間、不同加熱區(qū)域及二次污染控制等影響因素論述該項目的成功經(jīng)驗及成果，以期為后續(xù)運用電阻原件加熱的原位熱脫附修復技術修復有機污染土壤的工程提供參考。

1 工程設計與試驗方法

1.1 土壤污染現(xiàn)狀

按照場地土層分布、水文地質(zhì)、污染物集中分布趨勢將場地分為0～-3.0 m、-3.0～-7.5 m、-7.5～-11.5 m、-11.5～-16 m和＞-16 m五個土層，場地污染區(qū)域第二層、第三層和第四層（有機污染土壤全部采用原位熱解吸技術，具體污染物質(zhì)及性質(zhì)如表1所示。

綜合考慮污染物性質(zhì)、原位熱解吸目標溫度經(jīng)驗值及國外相關熱解吸案例，選擇含1，1，2-三氯乙烷污染土壤的原位熱解吸區(qū)域目標溫度為100℃，不含1，1，2-三氯乙烷污染土壤的原位熱解吸區(qū)域目標溫度為90℃。

表1 目標污染物

1.2 工藝設計

原位熱解吸系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。原位熱解吸技術通過電加熱使得井管溫度上升，加熱井管通過熱輻射、熱傳導等方式將目標修復區(qū)域的土壤層和地下水加熱，使得土壤中的目標污染物和水分蒸發(fā)。

蒸發(fā)后的氣體經(jīng)抽提井配置的真空泵抽提進入氣液分離系統(tǒng)中分離，分離出的液體進入水處理裝置進行處理處置，分離出的氣體進入尾氣處理裝置處置達標后排放。

本項目場地修復中采用熱傳導熱解吸工藝（TCH），并采用電加熱方式。原位熱解吸配套建設阻隔系統(tǒng)、降水系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、抽提系統(tǒng)、地面隔熱系統(tǒng)、解吸氣體處理系統(tǒng)、監(jiān)測與控制8個系統(tǒng)，并包含其它配套設施，如電纜、管線設施以及其它設施等。

1.2.1 加熱系統(tǒng)

原位熱解吸加熱系統(tǒng)的主體為加熱井及加熱器。加熱井布設以每3個井作為一個修復單元。加熱井單元以等間距邊長組成等邊三角形。

由于污染土壤的加熱溫度，隨著其與加熱井間距的增大而降低的。加熱井布設的間距較近時，能夠保證污染土壤被充分加熱無死角，但加熱井間距過近時，可能存在兩個加熱井或多個加熱井加熱半徑的交疊區(qū)域，造成電能資源的浪費。根據(jù)場地水文地質(zhì)資料、文獻資料、粘土地質(zhì)情況，電加熱井在粘土地質(zhì)情況下的影響半徑約為2.5 m。整個土壤修復層熱傳導系數(shù)相差不大，具有較高的均勻性，各加熱井間距為4.5 m，在該分布位置可以有效保證每個加熱井單元加熱半徑覆蓋所有修復區(qū)域，避免修復盲區(qū)并盡量減少重疊。加熱井布設如圖2所示。

圖1 原位熱解吸技術工藝流程圖

圖2 加熱井布設及影響半徑示意圖

每口加熱井中下入一個電加熱器，該加熱器貫穿污染土壤的整體深度。加熱器布設深度為：與污染土壤地上界面平齊，在土壤污染下界面延長1 m，保證修復底面污染土壤被全部加熱修復。加熱井地面以下0.5 m采用粘土進行封井。每口井上部安裝電加熱器的配套控制裝置及電纜等，注意加熱井井口采用粘土進行封井，以防土壤中揮發(fā)性氣體的逸散。所采用加熱器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.2.2 抽提系統(tǒng)

抽提系統(tǒng)包括豎直抽提井和水平抽提井，將污染土壤熱解吸產(chǎn)生的廢氣、水蒸氣抽提至地面。相鄰抽提井間距根據(jù)污染程度不同分別設計為4.5 m和3 m。針對污染土壤達第三層的污染范圍，抽提井深度為12.75 m；針對污染土壤達第四層的污染范圍，抽提井深度為17.55 m；針對污染土壤達第三層且第一層異位處理的污染范圍，抽提井深度為9.45 m；針對污染土壤達第四層且第一層異位處理的污染范圍，抽提井深度為14.25 m。抽提井為雙泵抽提系統(tǒng)（圖4），設計井徑140 mm，由耐高溫軟管和管壁分布有篩孔的不銹鋼井管組成，管徑分別為63 mm、16 mm。雙泵抽提系統(tǒng)通過管路閥門的控制，實現(xiàn)對氣、液的多相抽提，如地下水水位上漲，開啟耐高溫軟管通路，抽提地下水；當抽提井中液面降至井底后，關閉軟管支路閥門，開啟主路閥門，抽提土壤中揮發(fā)的污染氣體。該不銹鋼井管布設篩孔，井管四周采用濾料填充。抽提井地面以下0.8 m采用膨潤土進行封井。

圖3 加熱器結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 多相抽提井結(jié)構(gòu)示意圖

水平抽提井埋于地下，水平抽提井上部鋪設粒徑大小3～5 cm的礫石，均勻鋪設形成礫石層，如圖5所示。

1.2.3 尾氣處理系統(tǒng)

尾氣處理工藝采用氣液分離—除塵—氧化燃燒—脫酸淋洗的多端尾氣凈化工藝。尾氣處理系統(tǒng)包括氣液分離器、耐高溫羅茨風機、氧化燃燒系統(tǒng)、熱交換器、噴淋急冷塔和噴淋吸收塔。

加熱系統(tǒng)連續(xù)24 h運行，溫度監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測場區(qū)溫度并記錄溫度參數(shù)。溫度監(jiān)測探頭安裝位于加熱深度最下部。為實時監(jiān)控土壤層的溫度變化以及確定其是否滿足目標溫度的要求，在加熱井的冷點位置均設置熱電偶對溫度進行監(jiān)測。加熱井單元中冷點位于加熱單元的中心位置，如圖6所示。

圖5 水平抽提井結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 加熱井冷點位置示意圖

加熱、抽提及尾氣處理系統(tǒng)參數(shù)如2表所示。

表2 主要系統(tǒng)施工參數(shù)

1.3 采樣及分析

根據(jù)相關規(guī)定并綜合考慮本項目水文地質(zhì)條件的復雜性以及周邊環(huán)境敏感目標等因素，本次修復效果評估過程中修復區(qū)效果評估布點密度按不大于20 m×20 m執(zhí)行。同時，因?qū)t中針對原位修復后土壤的效果評估，還要求在修復區(qū)域邊界進行布點采樣，按導則要求修復區(qū)邊界布點間隔不大于40 m設置采樣點。具體每個點位的布置，需要結(jié)合修復單位土壤和地下水運行監(jiān)測數(shù)據(jù)、運行過程中溫度場和壓力場的分布等確定，重點布置于溫度相對較低、距離加熱井和抽提井最遠端等修復薄弱區(qū)域。根據(jù)本項目特點，每個平面取樣位置，共設置9個垂直取樣點，共覆蓋整個污染深度。

樣品采集后立馬送至項目部實驗室參照HJ605—2011測定，并于24 h內(nèi)測量完成。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel及Origin軟件對數(shù)據(jù)進行處理分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 土質(zhì)對升溫的影響

為確定不同深度情況，本工程選擇一塊地作為了溫升實驗用地，共設置了3 m、9 m及16 m，3種不同深度溫度監(jiān)測井。將加熱井中心冷點溫度數(shù)據(jù)繪制成升溫曲線如圖7所示，整體來看，無論是何種土質(zhì)溫度上升速度均表現(xiàn)出先快速增長，后趨于平緩的趨勢。從不同土層來看，中間層升溫最快，60 d左右即可升至100℃，平均每天升溫1.2℃；最上層次之，需80 d左右升至100℃，平均每天升溫0.91℃；最下層溫升最慢，加熱80 d升溫至90℃，平均每天升溫0.79℃。造成此現(xiàn)象的原因可能是中間層由于粉砂層滲透性高和導熱性好，上層為雜填土，土壤密實度較高而且土質(zhì)構(gòu)成比較復雜；而最下層為黏土層，土壤密實度較大導熱性也較差。

2.2 加熱時間對修復效果的影響

本項目分別在整體加熱的第90 d、120 d、150 d及第160 d共進行了3次自檢及1次送外檢。第一次自檢的取樣節(jié)點設置在整個廠區(qū)都達到目標溫度100℃時，對整個廠區(qū)進行了抽樣調(diào)查，共取樣801個；其中603個樣品各目標污染物的檢測值均低于修復目標值，占總樣品的75.28%。然后針對第一次自檢結(jié)果對已達標區(qū)域暫停加熱，超標區(qū)域集中持續(xù)加熱30 d后，采取第二次抽樣調(diào)查。第二次抽樣調(diào)查針對第一次達標區(qū)域降低采樣頻次，超標區(qū)域加大采樣頻次，共取樣558個；其中517個樣品各目標污染物的檢測值均低于修復目標值占總樣品數(shù)的92.65%，合格率得到了明顯提高。針對第二次自檢結(jié)果調(diào)整加熱區(qū)域后，進行了第三次和第四次檢測，后兩次檢測達標率為100%，整個廠區(qū)停止了加熱。從檢測結(jié)果可知，隨著熱脫附加熱時間的增加，場地污染物的去除率逐漸增高，這與張學良[22]研究結(jié)果類似，最終在第150 d整個廠區(qū)目標污染物均達到修復目標值以下。具體取樣頻次見表3。

表3 原位土壤修復效果評估

2.3 修復溫度變化趨勢分析

圖8為整個運行階段廠區(qū)整體溫度變化曲線圖，由圖可知，土壤溫度隨著加熱時間的增加平穩(wěn)上升。在停止加熱后，廠區(qū)維持了一段時間的恒定范圍內(nèi)波動后開始逐漸平穩(wěn)降低；且降溫的平均速度為0.67℃/d明顯低于升溫時的0.79℃/d，這表明即使在停止加熱后，整個廠區(qū)仍可以在相當長的一段時間內(nèi)保持較高的溫度，有利于殘留污染物的去除。另從圖8可以看出1#、2#、3#這些處于修復邊界的溫度檢測井在加熱階段呈現(xiàn)出溫度上升趨勢相對較慢，而在達到目標溫度停止加熱后溫度下降較快，這表明在修復邊界區(qū)域熱量流失較快，修復難度較大。造成這種現(xiàn)象的原因可能是在加熱邊界區(qū)域，加熱井外圍既是止水帷幕，又與止水帷幕外界存在熱量交換，導致能量流失快；而場地中心區(qū)域周邊均是加熱井，溫度上升較快。這與謝炳坤[22]研究結(jié)果類似。

圖7 不同土層溫度監(jiān)測結(jié)果

圖8 整體溫度變化曲線

2.4 二次污染處理效果分析

尾氣處理是避免場地修復過程中二次污染的有效措施，與異位熱脫附相比，原位熱脫附的優(yōu)點就是能減少有機物的揮發(fā)及無組織排放。原位熱解吸修復區(qū)場地全部由混凝土硬化，這有效地阻隔了有機氣體的揮發(fā)。在加熱過程中通過抽提系統(tǒng)將污染氣體抽出，經(jīng)尾氣處理系統(tǒng)燃燒處理，有效地遏制了土壤修復過程中的尾氣二次污染問題。本項目尾氣處理系統(tǒng)有組織排放源，每月檢測一次，共檢測了6次，檢測結(jié)果如表4所示。由表可知6次檢查均達到排放標準，這表明電加熱原位熱脫附能有效減少二次污染，具有很好的適用性和可行性。

表4 各檢測因子檢測結(jié)果匯總

3 結(jié)論

本文探討了電加熱原位熱脫附技術在某退役化工廠的應用，分析了土質(zhì)、區(qū)域和加熱時間及二次污染等因素對修復效果的影響，得出以下結(jié)論：

（1）電加熱原位熱脫附場地粉砂層、雜填土層及粘土層對應的平均溫升分別為1.2℃/d、0.91℃/d及0.76℃/d。粘土層的溫升速度最慢，而修復工期取決于溫升最慢的區(qū)域，因此以后的修復工程溫度檢測只針對粘土層布控。

（2）整體來說廠區(qū)溫度上升較快，在90 d達到設計溫度；而修復邊界區(qū)域溫度上升相對較慢需要達到110 d左右才能達到設計溫度。

（3）隨著加熱時間的增加，場地污染物的去除率逐漸增高，樣品達標率從90 d的75.28%上升到第150 d的100%，整個修復運行工期為180 d。最終四氯化碳未檢出，氯乙烯的監(jiān)測值≤0.041 mg/kg、1,1,2-三氯乙烷≤0.304 mg/kg、氯仿≤0.039 mg/kg，均小于修復目標值。

（4）電加熱原位熱脫附技術，能有效遏制土壤修復過程中的尾氣二次污染問題，具有較好的實用性及可行性。