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燃气热脱附技术修复有机污染场地研究与应用进展

北极星环境修复网  来源:环境工程学报    2020/4/18 9:52:31  我要投稿  

北极星环境修复网讯:摘 要 原位燃气热脱附是目前修复有机污染土壤最具潜力的技术之一。在查阅文献的基础上,结合国内外实际案例,系统梳理了有机污染土壤原位燃气热脱附修复技术的原理、适用范围、优缺点以及工艺施工流程,对 国内外燃气热脱附技术的研究现状和工程应用情况进行了对比分析,并对该技术的发展趋势和应用前景进行了 展望,以期为我国有机污染土壤原位热修复技术的推广和应用提供参考。

关键词 有机污染场地;土壤修复;原位;燃气热脱附

近年来,随着我国“退二进三”和“退城进园”政策的进一步落实,大批化工企业被迫搬迁、改造或关闭停产,导致大量有机污染场地被遗留在城市及其周边地区。这些污染场地将对人体健 康和生态环境造成严重危害,从而制约城市的建设与发展。

原位热脱附技术自20世纪70年代开始应用于有机污染场地的修复,其基本原理是通过加热 提高污染区域的温度,改变污染物的物化性质,增加气相或者液相中污染物的浓度,从而提高液 相抽出或土壤气相抽提对污染物的去除率。根据加热方式不同,原位热脱附技术可分为蒸汽强化 提取技术、电阻加热技术和热传导技术等。其中,热传导技术因热源不同又可分为电加热和燃 气热脱附。原位热脱附技术的优点在于无须挖掘和运输污染土壤,二次污染相对可控,对低渗 透污染区、非均质污染区域具有较强的适用性和较好的修复效果。但原位热脱附技术的修复周期 和修复效果具有一定的不确定性,主要取决于以下几个因素:1)场地污染物类型和浓度、污染 面积或深度等;2)土壤中有机质的含量(土壤有机质会使污染物吸附在土壤上,从而限制其蒸 发);3)场地水文地质条件(如土壤含水率、渗透性、导热性等);4)修复标准的选定(某些地方标准会比国家标准的要求更为严格,如北京市规定氯苯在居住用地的筛选值为41 mg·kg−1,而国家在 第一类建设用地规定的筛选值为68 mg·kg−1)。

燃气热脱附(gas thermal desorption, GTD)是利用燃气燃烧为热源,通过热传导方式使得土壤温 度升高,再将有机污染物解吸处理,以进一步处理废水和废气。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。欧美等发达 国家针对GTD技术已有初步研究和应用,而国内仍处于起步阶段。因此,有必要对国内外有关 GTD技术的研究现状和工程案例进行总结和分析,以期为我国污染土壤原位修复领域的科研及工 程应用提供参考,推动我国GTD技术的工程化应用进程。

1 燃气热脱附技术原理及工艺

1.1 基本原理

GTD技术的原理如图1所示。在燃烧器中,通入天然气或液化石油气,同时通过抽风机产生 的负压将清洁空气吸入,在燃烧器内混合,点火燃烧,产生高温气体。高温气体注入加热井中, 通过热传导方式加热目标修复区域,使得土壤温度升高至修复目标温度。在加热过程中,污染物 从土壤中解吸出来或者发生裂解反应,此时借助气相抽提(soil vapor extraction,SVE)将含有污染物 的蒸汽提取至地表,然后进入后续的尾气治理系统,达到污染物去除的目的,最终实现达标排放。

1.2 系统组成

根据上述工艺原理,整套GTD工艺主要包括4个部分:燃料供应系统、加热和抽提系统、辅 助配套系统(包括地面保温系统、监测系统、数据传输系统、控制系统等)、尾水尾气处理系统。

1)燃料系统。GTD技术采用管道输送燃气,燃气管道上安装有调压阀,确保进入燃烧器的燃 气压力满足设备要求。

2)加热系统。加热系统的设计关键是加热井点布置,须综合考虑污染物的浓度、工期要求及 现场的平面布置等因素。

3)抽提系统。整个原位修复区域外设有防渗阻隔墙,确保区域外的地下水不会流入。抽提 系统一般设计为竖向SVE井和水平SVE管,通过在土壤中形成负压来抽提加热产生的污染气体。抽提管的长度与加热管一致,同时确保抽提范围能覆盖到整个修复区域。

4)地面保温系统。井管系统安装完毕后,一般在表面覆盖一层25 mm厚的隔热材料和25 mm 厚的混凝土用作隔热层,然后再安装燃烧器和地面管道等。设置混凝土隔热层一方面可减少热量 散失,并确保现场操作的安全;另一方面还可防止污染物扩散,避免运行时造成二次污染。

5)温度监测和传输系统。该系统在整个加热过程中,对单个燃烧器的燃烧状况、压力以及土 壤中关键位置的温度、压力等参数进行实时监测和数据传输,从而实现对整个过程的实时监控。修复区域中的单个燃烧器可以单独控制,也可以组合控制,以达到温度梯度和能量消耗最优化。

6)尾水尾气处理系统。在加热过程中,土壤中的污染物从土壤中解吸出来,形成含污染物的 蒸汽。含污染物的蒸汽被抽提井抽取至地表,然后进入后续的尾水及尾气系统处理。尾水统一收 集输送至现场污水处理站进行处理;尾气统一收集输送至现场尾气处理站,经过一级气水分离、 冷凝、二级气水分离后,少量不凝气体进入到蓄热式氧化炉或燃烧室中完成彻底处理,最终达标排放。

1.3 施工流程

GTD工艺施工流程主要包括:测量放线,施工现场准备及场地平整,场地封闭阻隔及降水, 加热和抽提井建设,设备连接和整装调试,加热修复和尾气治理;修复治理验收完成后,进行管 道和燃烧器等的拆除,最终完成修复施工。施工过程特别注意以下4点。

1)加热井的间隔距离会直接影响污染物的去除效果,因此,加热井的间隔距离应合理经济。根据已有工程经验,一般设置为1.5~4 m。确定加热井的间隔距离后,可根据污染区域的面积及 范围进行加热井的布置。为抵消围绕目标处理区周边的边缘效应,加热井通常要沿着划定的目标 处理区的极限横向延伸一定距离。

2)为保证燃气热脱附的效果和降低热损失,在GTD原位修复区周边设置闭合的防渗墙,以防 止外界地下水进入GTD修复区;同时,为减少来自处理区顶部的热量损失,需要以表面覆盖物的 形式进行保温,如轻质混凝土等。

3)地面硬化阻隔完成后,进行设备及管线连接(主要包括加热井上部燃烧器连接、天然气管线 连接、抽提井管线与设备连接等)时,宜做到设备管线的连接布局尽量合理整齐,避免相互交叉。

4)尾水尾气处理系统须定期检查尾气处理设备的运行,防止管道漏气,以保障处理设备末端 排气口的气体质量达标。同时,尾水应及时收集、妥善输送、及时处置,以保证出水达标。

1.4 技术优势

原位GTD技术主要优势包括3个方面。

1) GTD最高加热温度可达到500 ℃,可原位达标去除几乎所有有机污染物和部分挥发性的无 机污染物。因整个污染区域处于高温负压环境,故会增加有机物的流动性并降低其汽化所需的蒸 发温度,使其迅速从土壤中解吸并进入蒸汽。综合上述2点,该技术综合性价比很高。

2) GTD技术不受复杂地质及水文地质条件等因素限制,对低渗透性污染场地修复具有很强的 适宜性。同时,GTD的加热深度大,最大加热深度目前可达18 m,并可根据实际工程需要再加大 深度。

3) GTD技术使用天然气和石油气等一次能源,单位加热长度内输入功率比电加热过程更高, 可加速土壤升温效果,缩短修复工期。同时,该技术系统安装便捷,设备重复利用率高。另外,当修复现场电力供给紧张时,燃气运输的便利性更能保证修复项目的顺利实施。

1.5 技术缺陷

相比其他原位热修复技术,GTD技术的主要缺陷包括3个方面。

1)加热系统出口的排烟温度一般为200~400 ℃,燃气加热能源利用率仅为30%~60%,其热量 损失达40%~70%,因而造成大量的能量浪费。此外,在燃气加热土壤的过程中,能量损耗更高。

2)电加热可以轻易控制不同深度的电能输出,实现定深加热,能量损失可以达到补偿,加热 也就更均匀;而用燃气加热时,其底部加热温度最高,由于在浅层能量输入很低,达到目标温度 会比较困难,故会产生受热不均匀的现象。

3)电加热技术的安全保护措施(如漏电保护等)及安全操作规程非常完备,而燃气加热需要管 道供应燃气,现场管道及管线设计尤为关键,会受施工现场的封闭性条件限制,存在较大的安全隐患。

2 研究进展

在原位热脱附技术中,热量可通过热辐射、热传导和热对流等方式在土壤和地下水中进行传 递,使水和有机污染物受热蒸发,并通过抽提工艺进行捕集。究其本质,可将土壤视为多孔介 质,而原位热脱附过程可看成是多孔介质内多组分多相流传热传质过程[25]。然而,由于土壤特性 及污染物类型复杂多变,目前对其内在热质传递过程的认识尚不充分。

影响原位热脱附中热质传递过程的因素很多。从传热过程来看,其传热效率主要取决于污染 区域内的温度梯度、土壤及地下水介质的热导率和保温隔热性能。其中,热传导主要发生于固 体之间,适合于低渗透率场地;热对流则依赖于流体间的相对运动,适合于高渗透率场地;而热 辐射主要存在于热源与周边土壤之间的热交换,距离热源较远处则因温差较小基本可以忽略。由此可见,土壤内的传热过程也受诸多因素影响。而相对于传热,传质过程则更为复杂,各相间 的物质输运相互牵连。图2为有机污染土壤内典型的传质过程示意图。在典型有机污染场地中, 大多数有机污染物在水相中的溶解性较差,其 主要吸附于土壤颗粒表面或以独立自由相存 在;而某些难溶性有机污染物往往又具有较强 的迁移性(如三氯乙烯、二氯甲烷和石油烃 等),可以穿过低渗透性土层至深层地下环境 。并且,热脱附过程中土壤温度随时间不断 变化,因此,有机污染物在地下水中的溶解 度、在土壤表面的吸附性以及地下水和污染物 的物性均会发生动态变化。POLING等发 现,当温度由25 ℃升至140 ℃时,萘在水中 溶解度增加45倍。HERON等[29]发现,当温度由 23 ℃升至99 ℃后,三氯乙烯亨利常数增加了 8倍;同时,他们还发现,当有机物和地下水 处于混合状态时,混合物沸点往往会低于100 ℃。

对于土壤污染物迁移机理的研究,已有研究者从污染物迁移角度出发建立了关于非水相 液体在地下运移的多相流模型。这些模型分为3类。第1类是解析和半解析模型。该类模型将污 染物的不混溶流动当作活塞流处理,将多相流概化为单相流动,不考虑各相之间的相互影响,也 未引入毛细压力和饱和度之间的函数关系。第2类模型假设多相流体是同时流动的,有机物是不 混溶流动的,并考虑了各相间毛细压力随饱和度的变化。第3类模型考虑各相各组分间的传输和 分配。此外,QUINTARD等在多孔介质的宏观尺度下提出了基于体积平均方法的两相非平衡理 论模型。而BAHAR等在此基础上发展了基于多孔介质微观尺度的污染物迁移模型,能够获得更真实的结果。这些模型理论上支持污染物迁移的预测,但由于各自假定条件不同,导致模型使 用受限。尤其在考虑温度影响时,污染物受热蒸发,其输运方式将会发生很大变化。由于原位热 脱附过程中的传热传质是一个多物理场动态耦合问题,目前尚未有合适的模型能涵盖所有问题, 因此,有必要对其理论模型开展更为深入的研究。

此外,现有原位热脱附技术在应用时存在一个很大问题——成本较高,因此,如何提高修复 效率、降低能耗成为推动该技术发展的关键因素。为提高修复效率,部分研究者采用热活化耦合 化学氧化的工艺进行联合修复。KORDKANDI等利用热活化过硫酸盐氧化亚甲基蓝以达到 99.5%的降解率;NIE等利用热活化过硫酸盐氧化氯霉素以达到96.3%的降解率。以上研究均在水溶液中进行。而徐开泰等发现,热活化Na2S2O8降解土壤中菲(PHE)的过程符合准一级动力 学,且受水浴、反应温度、Na2S2O8浓度、菲初始浓度、水土比和共存离子等因素的影响。一般而 言,温度越高,PHE降解率越高;313 K时,PHE基本无降解;333 K时,PHE开始缓慢降解;363 K 时,10 min内PHE的降解率可达65%。

杜玉吉等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。其中,高温烟气和电阻加热的结合 使用可同时进行烟气热修复和电阻热修复,形成多能互补机制,具有双重保障。但该系统须同时 配备发电系统等附属设备,从而使系统变得非常复杂。此外,程功弼等发明了一种异位燃气加 热抽提一体式热脱附装置,包括燃气加热装置、多个加热抽提一体化井、尾气处理装置、电控装 置,多个加热抽提一体化井水平平行排列。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。此工艺的热脱附效率高、可灵活应用, 便于土壤污染处理的工程操作和使用。

除上述理论研究外,不少学者针对原位热修复技术进行了不同规模的中试实验,为该技术的 实际应用奠定了基础。HERON等先后利用热传导式原位热脱附技术对有机污染场地进行了中 试实验研究,并对修复周期和1 m3的综合修复成本进行了详细分析。梅志华等在面积为100 m2、 深度为18 m的某退役溶剂厂污染区域开展了GTD中试研究,结果表明:土壤中苯、氯苯和石油类 污染物最高去除率分别为99.8%、99.7%和98.2%;地下水中苯、氯苯和石油类污染物最高去除率 分别为98.8%、97.7%和100%。GTD修复技术主要受管壁温度和停留时间的影响,温度越高,停留时间越长,污染物去除效果越好。另外,在相同的加热温度和停留时间条件下,含水率较小和 孔隙率较大的土壤中污染物去除效果较好。然而,上述研究并未对加热井和抽提井的间距、排布方式以及热脱附周期等影响因素进行详细讨论,往往只凭工程师的经验进行实际操作。此外, 我国污染场地具有污染成因复杂、污染种类繁多、污染程度严重和修复规模大等特点,这也对原 位热脱附技术的实施提出了更高的要求。由此可知,我国GTD修复技术的研究还处于初步阶段, 有必要系统地分析影响原位热脱附过程中热质传递的各种因素,深入研究其热质传递规律,通过 数值方法实现对热脱附过程的有效预测来优化布置以降低修复成本,从而推动该技术的发展和应用,为工程实际方案设计提供理论基础和技术参考。

3 工程应用案例分析

GTD是一种相对高效、成熟的污染土壤修复技术,在全球已有很多成功应用案例,但多靠经 验操作。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。KINGSTON等统计了1982—2007年的 182个原位修复项目,其中以热传导加热形成的项目数量占14.3%。在我国,原位热处理修复技术 应用起步较晚,但也积累了几个工程案例。下面对国内外有关燃气热脱附修复污染土壤典型案例 进行汇总和分析。

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