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原位电热脱附技术在某有机污染场地修复中的应用效果

北极星环境修复网  来源:北京建工修复    2020/5/8 11:09:25  我要投稿  

北极星环境修复网讯:摘 要 以某退役化学试剂厂土壤及地下水中氯乙烯、顺-1,2-二氯乙烯、苯、氯苯为目标污染物,基于电热脱 附技术开展了中试规模的修复研究。结果表明:经电热脱附处理后,土壤中氯乙烯、氯苯的平均去除率分别达 到100%、99%,均低于北京市《场地土壤环境风险评价筛选值》中污染场地(住宅用地)中土壤筛选值;地下水 中氯乙烯、顺-1,2-二氯乙烯、苯、氯苯的平均去除率分别为90.5%、93.5%、96.4%、99.3%。此外,加热井设计 间距对土壤温度变化有明显影响,间距为3.0 m的加热井布设方案下的升温时间短且升温效果好,优于间距为 4.0 m的加热井布设方案,但两者均可达到去除污染物的目标;加热边界有效热传递范围可达2.0 m;止水帷幕 与加热边界的最佳间距至少为3.0 m;目标温度越高,热脱附时间越长,热脱附效率则越高。同时,还讨论了土 壤含水率及渗透性等因素对脱附效果的影响。电热脱附技术对修复氯代烃类有机物污染场地具有良好的效果, 可进行大规模的工程应用。

关键词 热传导技术;原位修复;有机污染物;土壤和地下水修复

近年来,随着城市化进程的加速,许多原本位于城区的化工企业被迫从城市中心地带迁出, 从而遗留了大量的污染场地。其中,有机污染场地中的土壤和地下水污染问题较为突出,由此 带来的环境和健康风险严重威胁着人们的生产和生活。因此,对其中污染严重的场地遗址进行修 复已刻不容缓。

针对有机污染场地的修复,近些年来,国内应用异位热脱附技术较多,且积累了大量的工程 经验及成功案例。但是,应用异位热脱附技术修复有机污染场地的过程中尚存在着二次污染难控 制、社会影响较大等问题。尤其涉及污染较深的场地,不适合使用异位热脱附技术。原位热脱 附技术(in-situ thermal desorption,ISTD)是通过对土壤直接或间接加热,促使有机污染物挥发,由 固相、液相向气相转化,进而对其进一步收集并去除的技术。ISTD作为修复土壤和地下水中有机污染的一项重要技术,在修复低渗透性土壤、污染深度较深且有机物污染严重的场地中具有很 大的优势和应用前景。

ISTD按照不同的加热方式可分为蒸汽加热、电阻加热和热传导加热。电热脱附技 术属于热传导加热,其过程是通过在垂直(或倾斜)阵列加热井中安置电加热棒,电加热元件可在 高达800 ℃的条件下平稳运行,绝大部分有机污染物、重质或轻质非水相液体,将会通过蒸发、 蒸馏、沸腾、氧化和高温分解等过程挥发或被处理掉。电热脱附技术基本不受污染物理化性 质、复杂地质及水文地质条件等因素的限制,具备应用范围广、设备安装便捷、加热过程安全、 处理速度快等优势,正逐步被广泛应用于各种低渗透性、难处理有机物污染场地治理工程中, 如ISTD曾大规模成功应用于美国新泽西泰特波罗机场附近地块等修复项目。目前,国内在宁 波、苏州、天津、武汉等城市的大型修复项目中已陆续开展电热脱附技术实验及应用。

本研究旨在中试的尺度下探讨电热脱附技术在现实污染场地中不同加热间距下的升温速率、 加热边界温度传递范围和污染物去除率,分析了土壤导热率、土壤含水率、水文地质条件等影响 因素对原位热脱附效果的影响特征,以期为我国有机污染场地热修复应用提供参考。

1 实验部分

1.1 污染区域

中试实验区域位于我国北方某退役化学试剂厂,为污染土壤和地下水复合区域,面积278.9 m2, 污染深度2~10 m,修复土方量2 231.2 m3。场地调查结果显示,主要污染物为氯乙烯、顺-1,2-二氯 乙烯、苯、氯苯等挥发性有机污染物;土壤中氯乙烯、氯苯最高浓度分别为5.4 mg·kg−1和30 mg·kg−1;地下水中氯乙烯、顺-1,2-二氯乙烯、苯、氯苯最高浓度分别为3.79×10³、3.35×10³、1.06×10³、2.34×10^4μg·kg−1。地质勘察结果表明,该区域可分为5个工程地质层,细分为8个工程地质亚层, 地层岩性分布见表1。实验区地表以下0~10.00 m大致分为4类:0~2.00 m为填土层,多为黏性土 夹较多碎石和砖块等建筑垃圾;2.00~3.20 m为不透水层,以粉质黏土为主;3.20~4.70 m为潜水含 水层,以砂质粉土为主;4.70~10.00 m大多为粉质黏土、粉质黏土夹粉土薄层团块。同时,对实验 区内各土层理化性质进行了测试,结果如表2所示。


1.2 实验系统

实验系统由加热单元、抽提单元、温度监测单元和电气控制单元4部分组成。工艺装置如图1 所示。首先,在土壤中安置电加热棒并通电升温,电加热棒通过热辐射的形式将热量传递到与土 壤接触的密封金属套管上,通过热传导使得周围污染土壤逐渐升温至目标温度。目标污染物发生 挥发和裂解反应后,含有污染物的蒸汽和水通过多相抽提井被抽提至地表,再经各自的输送管道 运至尾水/尾气处理设备并进行无害化处置,最后达标排放。在整个加热过程中,利用温度、压力监测井实时监控整个修复区域,并通过智能化、自动化控制系统对每一个加热设备的工作温度进 行实时调控。


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