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异位热脱附技术与设备在我国污染场地修复工程中的应用

北极星环境修复网  来源:环境工程学报  作者:沈宗泽等  2020/4/18 8:36:26  我要投稿  

北极星环境修复网讯: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,苯系物、石油烃、多环芳烃等典型有机污染物被高频率检出,这些有机污染物极易扩散到环境中危害居民健康和环境安全。随着《土壤污染防治行动计划》和《土壤污染防治法》的颁布,我国的土壤污染治理修复工作亟待进一步加强。

目前,已有多种修复技术应用于有机污染场地的修复实践中。其中异位热脱附技术具有污染物去除率高、修复周期短、适用性强等显著优势,因而在有机污染场地土壤修复工程中得到普遍应用。该技术的基本原理是通过直接或者间接加热,使土壤达到一定温度,其中的有机污染物向气相转换并挥发、分离,进而通过尾气处理系统彻底去除,实现尾气达标排放。欧美等发达国家对于异位热脱附技术的探索研发已经开展了30余年,也已广泛应用于工程实践当中。在1985年,该技术就已经入选美国环境保护署推荐技术,在1982—2014年开展的571个异位土壤修复项目中,77个采用异位热脱附技术,占项目总数的13.5%。’同时,自20世纪80年代以来,美国、法国、加拿大、阿根廷、韩国等多个国家的学者针对苯系物、PCBs、PAHs、石油烃类等多种有机污染土壤进行了热脱附修复研究。相关研究涵盖了污染土壤预处理技术[、热脱附原理、尾气处理技术、脱附效率影响因素等许多方面,也有部分学者开展了流化床式热脱附技术、真空强化远红外线热脱附技术等新型热脱附技术的探索。

我国对于异位热脱附技术设备的自主研发及应用起步较晚。首个关于有机污染土壤热脱附修复技术的中文专利授权于2009年,首篇相关中文文章发布于2011年。自2009年首次引进异位热脱附设备之后,我国的相关企业及科研机构纷纷进行探索研发及工程应用。截至2017年,共开展了23例污染场地异位热脱附修复项目,热脱附技术在我国的应用已初具规模。由于当前实际应用需求的增加,国内对于热脱附技术的研究开始进入快速发展阶段,相关学者针对多种有机污染物,如六六六、有机磷农药、滴滴涕、多氯联苯等,以及汞污染土壤开展了实验研究。相关研究主要集中于热脱附设备系统参数(温度、停留时间等)、土壤特性(土壤粒径、含水率等)和污染物特性等热脱附效率的关键影响因素以及脉冲放电等离子体技术、水泥窑协同处理技术、低温等离子体技术等热脱附尾气处理技术。

除上述理论研究外,少数学者还针对热脱附技术设备工程应用开展了实验研究,为该技术的推广奠定了基础。但是,国内外于对热脱附技术的探索大都开展于小试或中试设备规模,对于大型技术设备的工程应用及工艺路线的分析总结则鲜见报道,现有的热脱附设备也仍然存在基础理论研究薄弱、装备能耗高、故障率高、二次污染控制水平低等问题,亟待进一步开展热脱附工艺优化及工程应用研究。

本研究在系统梳理异位热脱附技术与设备在我国应用历程的基础上,结合国内已开展的异位热脱附修复项目,对比分析了典型直接和间接热脱附设备的工艺技术路线以及各自的优缺点,给出修复项目选择热脱附设备时的参考意见,同时提出了下一阶段的研发建议,以期进一步推动我国异位热脱附技术设备的自主研发及工程应用。

1. 直接热脱附设备在我国的工程应用

表1为直接热脱附技术设备在我国的应用情况。直接热脱附设备在我国的工程应用研究始于2010年。北京建工环境修复股份有限公司(简称“建工修复”)2010年自主研发了1套小型直接热脱附设备(见图1),并应用于山西某焦化厂污染治理项目。该设备体积大,但处理量较小。同年,建工修复又组装了1套直接热脱附设备,其核心部件从美国进口,其他部件在国内生产。设备组装后相继应用于南通、广州和湘潭等修复项目。该套设备是国内首套直接热脱附设备,设计处理量达20 t·h。

表1直接热脱附技术设备在我国的应用


2013年,中科鼎实环境工程有限公司(简称“中科鼎实”)自主研发了1套大型高温热脱附设备,并应用于北京某焦化污染场地,设计处理量为20~30 t·h?1。2015年,在广州某钢铁厂多环芳烃污染场地修复项目中,建工修复除使用美国引进的设备外,同时也引进了1套芬兰的直接热脱附设备,处理量最高达50 t·h?1,应用效果良好。2016年,为完成首钢原厂区多环芳烃、石油烃类等污染土壤修复工作,首钢环境产业有限公司(简称“首钢环境”)自主研发组装了1套直接热脱附设备,处理量可达25 t·h?1。2018年,江苏盖亚环境工程有限公司自主研发了1套两段窑式直接热脱附设备,设计处理量为20 t·h?1。

2. 间接热脱附设备在我国的工程应用

表2为间接热脱附技术设备在我国的应用情况。间接热脱附技术设备在我国的应用始于2009年杭州某PCBs污染场地修复项目(见图2),该项目是异位热脱附技术设备在国内的首次工程应用[54]。

2012年,原环境保护部南京环境科学研究所同加拿大某公司合作,依托中加合作示范项目“土壤热相分离技术(TPS)工程化应用”,经过引进、消化和生产,研制出1整套的土壤热相分离系统,并在江苏省吴江市某石油烃类和苯系物污染场地中应用[54]。同年,依托国家“863”计划课题“多氯联苯类污染场地修复技术设备研发与示范”,杭州大地环保有限公司与浙江大学等合作研发了1套间接热脱附技术装备,并在杭州某农药污染场地开展了示范应用,设备处理量为1.2 t·h?1[55]。2013年,依托国家“863”计划课题“化工园区重大环境事故场地污染快速处理技术与装备”,建工修复与清华大学等合作成功研发1套特别针对爆炸型或事故型污染场地产生的高浓度污泥和土壤的热分离技术与装备(见图3),并在广州某项目完成了中试,设计处理量为1 t·h?1[50]。

2015年,建工修复引进了1台加拿大某厂商生产的间接热脱附设备,并应用于宁波某项目一期。同年,南京中船绿洲环保有限公司生产的1套螺旋推进式间接热脱附设备,在宁波某项目上应用实施,该设备由3套热脱附单元并联组成,单套热脱附单元的设计处理量为5 t·h?1[56]。2017年,浙江宜可欧环保科技有限公司自主研发组装了1套螺旋推进式间接热脱附设备,应用于上海宝山某苯系物和TPH污染场地,设备额定处理量为4 t·h?1[57]。同年,建工修复从美国引进了1套回转窑式间接热脱附设备,单套设计处理量为5 t·h?1,并应用于云南某汞污染场地修复工程[50]

3. 我国热脱附设备引进研发中存在的问题

由热脱附设备在我国的应用历程可以看出,从2009年开始,我国的土壤修复企业及相关科研机构通过合作、引进、自主研发等方式开展了一定程度的热脱附技术设备应用,尤其是近2年呈现出研发应用进程加快的趋势。并且经过近10年的发展,热脱附设备的模块化、集约化、热能利用率等方面都有了一定的创新和提升。但是,热脱附设备在单套处理能力等方面并未得到大幅提高,国外引进设备仍然占据市场的主导,自主研发设备仍存在模块化程度低、稳定性差、实际处理能力低于设计处理量等问题,多数仅局限于中试规模[58]。在土壤修复政策、市场进一步开放的今天,迫切需要优化、研发具有自主知识产权的国产化设备[59]。2018年度国家重点研发计划“场地土壤污染成因与治理技术”重点专项,设置了“有机污染场地土壤修复热脱附成套技术与装备”项目,旨在创新研发适用于城市有机污染场地土壤的全国产化热脱附技术与装备,其中直接热脱附装备处理量不低于30 t·h?1,间接热脱附装备处理量不低于5 t·h?1;半挥发性有机污染土壤(含水率20%)直接和间接热脱附能耗分别低于2 800 MJ·t?1和2 000 MJ·t?1,污染物去除率高于97%。项目的实施将显著提升异位热脱附成套技术与装备的修复能力与能效水平,带来可观的社会、经济和环境效益,具有广阔的产业化推广应用前景。

4. 热脱附技术设备工程应用案例分析

4.1 直接热脱附技术设备工程应用案例

4.1.1 江苏某化工污染场地修复项目

1) 项目概况。该场地在1958—2009年为农药化工厂,主要生产敌敌畏、液氯等,根据相关规划,于2010年正式停产搬迁。场地修复的总土方量约2×105m3,主要土壤类型包括素填土、粉土夹粉质黏土、淤泥质粉质黏土,主要污染物为苯、甲苯、氯乙烯、1,1,2-三氯乙烷、氯仿等苯系物和氯代烃。综合考虑污染物特性、场地条件及业主要求等因素,选择采用直接热脱附工艺对场地中VOCs和SVOCs污染土壤及底泥进行修复。

2) 热脱附设备情况。该场地修复所使用的是美国进口的直接热脱附设备。该套设备占地面积约500 m2,可24 h连续运行,平均处理量达20 t·h?1以上。

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