異位熱脫附技術(shù)與設(shè)備在我國(guó)污染場(chǎng)地修復(fù)工程中的應(yīng)用

環(huán)境修復(fù)網(wǎng)訊:近年來，在城市污染企業(yè)搬遷后遺留、遺棄的工業(yè)污染場(chǎng)地中，苯系物、石油烴、多環(huán)芳烴等典型有機(jī)污染物被高頻率檢出，這些有機(jī)污染物極易擴(kuò)散到環(huán)境中危害居民健康和環(huán)境安全。隨著《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》和《土壤污染防治法》的頒布，我國(guó)的土壤污染治理修復(fù)工作亟待進(jìn)一步加強(qiáng)。

目前，已有多種修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于有機(jī)污染場(chǎng)地的修復(fù)實(shí)踐中。其中異位熱脫附技術(shù)具有污染物去除率高、修復(fù)周期短、適用性強(qiáng)等顯著優(yōu)勢(shì)，因而在有機(jī)污染場(chǎng)地土壤修復(fù)工程中得到普遍應(yīng)用。該技術(shù)的基本原理是通過直接或者間接加熱，使土壤達(dá)到一定溫度，其中的有機(jī)污染物向氣相轉(zhuǎn)換并揮發(fā)、分離，進(jìn)而通過尾氣處理系統(tǒng)徹底去除，實(shí)現(xiàn)尾氣達(dá)標(biāo)排放。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于異位熱脫附技術(shù)的探索研發(fā)已經(jīng)開展了30余年，也已廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐當(dāng)中。在1985年，該技術(shù)就已經(jīng)入選美國(guó)環(huán)境保護(hù)署推薦技術(shù)，在1982—2014年開展的571個(gè)異位土壤修復(fù)項(xiàng)目中，77個(gè)采用異位熱脫附技術(shù)，占項(xiàng)目總數(shù)的13.5%?！瑫r(shí)，自20世紀(jì)80年代以來，美國(guó)、法國(guó)、加拿大、阿根廷、韓國(guó)等多個(gè)國(guó)家的學(xué)者針對(duì)苯系物、PCBs、PAHs、石油烴類等多種有機(jī)污染土壤進(jìn)行了熱脫附修復(fù)研究。相關(guān)研究涵蓋了污染土壤預(yù)處理技術(shù)[、熱脫附原理、尾氣處理技術(shù)、脫附效率影響因素等許多方面，也有部分學(xué)者開展了流化床式熱脫附技術(shù)、真空強(qiáng)化遠(yuǎn)紅外線熱脫附技術(shù)等新型熱脫附技術(shù)的探索。

我國(guó)對(duì)于異位熱脫附技術(shù)設(shè)備的自主研發(fā)及應(yīng)用起步較晚。首個(gè)關(guān)于有機(jī)污染土壤熱脫附修復(fù)技術(shù)的中文專利授權(quán)于2009年，首篇相關(guān)中文文章發(fā)布于2011年。自2009年首次引進(jìn)異位熱脫附設(shè)備之后，我國(guó)的相關(guān)企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)紛紛進(jìn)行探索研發(fā)及工程應(yīng)用。截至2017年，共開展了23例污染場(chǎng)地異位熱脫附修復(fù)項(xiàng)目，熱脫附技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用已初具規(guī)模。由于當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用需求的增加，國(guó)內(nèi)對(duì)于熱脫附技術(shù)的研究開始進(jìn)入快速發(fā)展階段，相關(guān)學(xué)者針對(duì)多種有機(jī)污染物，如六六六、有機(jī)磷農(nóng)藥、滴滴涕、多氯聯(lián)苯等，以及汞污染土壤開展了實(shí)驗(yàn)研究。相關(guān)研究主要集中于熱脫附設(shè)備系統(tǒng)參數(shù)(溫度、停留時(shí)間等)、土壤特性(土壤粒徑、含水率等)和污染物特性等熱脫附效率的關(guān)鍵影響因素以及脈沖放電等離子體技術(shù)、水泥窯協(xié)同處理技術(shù)、低溫等離子體技術(shù)等熱脫附尾氣處理技術(shù)。

除上述理論研究外，少數(shù)學(xué)者還針對(duì)熱脫附技術(shù)設(shè)備工程應(yīng)用開展了實(shí)驗(yàn)研究，為該技術(shù)的推廣奠定了基礎(chǔ)。但是，國(guó)內(nèi)外于對(duì)熱脫附技術(shù)的探索大都開展于小試或中試設(shè)備規(guī)模，對(duì)于大型技術(shù)設(shè)備的工程應(yīng)用及工藝路線的分析總結(jié)則鮮見報(bào)道，現(xiàn)有的熱脫附設(shè)備也仍然存在基礎(chǔ)理論研究薄弱、裝備能耗高、故障率高、二次污染控制水平低等問題，亟待進(jìn)一步開展熱脫附工藝優(yōu)化及工程應(yīng)用研究。

本研究在系統(tǒng)梳理異位熱脫附技術(shù)與設(shè)備在我國(guó)應(yīng)用歷程的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)已開展的異位熱脫附修復(fù)項(xiàng)目，對(duì)比分析了典型直接和間接熱脫附設(shè)備的工藝技術(shù)路線以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，給出修復(fù)項(xiàng)目選擇熱脫附設(shè)備時(shí)的參考意見，同時(shí)提出了下一階段的研發(fā)建議，以期進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)異位熱脫附技術(shù)設(shè)備的自主研發(fā)及工程應(yīng)用。

1. 直接熱脫附設(shè)備在我國(guó)的工程應(yīng)用

表1為直接熱脫附技術(shù)設(shè)備在我國(guó)的應(yīng)用情況。直接熱脫附設(shè)備在我國(guó)的工程應(yīng)用研究始于2010年。北京建工環(huán)境修復(fù)股份有限公司(簡(jiǎn)稱“建工修復(fù)”)2010年自主研發(fā)了1套小型直接熱脫附設(shè)備(見圖1)，并應(yīng)用于山西某焦化廠污染治理項(xiàng)目。該設(shè)備體積大，但處理量較小。同年，建工修復(fù)又組裝了1套直接熱脫附設(shè)備，其核心部件從美國(guó)進(jìn)口，其他部件在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)。設(shè)備組裝后相繼應(yīng)用于南通、廣州和湘潭等修復(fù)項(xiàng)目。該套設(shè)備是國(guó)內(nèi)首套直接熱脫附設(shè)備，設(shè)計(jì)處理量達(dá)20 t·h。

表1直接熱脫附技術(shù)設(shè)備在我國(guó)的應(yīng)用

2013年，中科鼎實(shí)環(huán)境工程有限公司(簡(jiǎn)稱“中科鼎實(shí)”)自主研發(fā)了1套大型高溫?zé)崦摳皆O(shè)備，并應(yīng)用于北京某焦化污染場(chǎng)地，設(shè)計(jì)處理量為20~30 t·h?1。2015年，在廣州某鋼鐵廠多環(huán)芳烴污染場(chǎng)地修復(fù)項(xiàng)目中，建工修復(fù)除使用美國(guó)引進(jìn)的設(shè)備外，同時(shí)也引進(jìn)了1套芬蘭的直接熱脫附設(shè)備，處理量最高達(dá)50 t·h?1，應(yīng)用效果良好。2016年，為完成首鋼原廠區(qū)多環(huán)芳烴、石油烴類等污染土壤修復(fù)工作，首鋼環(huán)境產(chǎn)業(yè)有限公司(簡(jiǎn)稱“首鋼環(huán)境”)自主研發(fā)組裝了1套直接熱脫附設(shè)備，處理量可達(dá)25 t·h?1。2018年，江蘇蓋亞環(huán)境工程有限公司自主研發(fā)了1套兩段窯式直接熱脫附設(shè)備，設(shè)計(jì)處理量為20 t·h?1。

2. 間接熱脫附設(shè)備在我國(guó)的工程應(yīng)用

表2為間接熱脫附技術(shù)設(shè)備在我國(guó)的應(yīng)用情況。間接熱脫附技術(shù)設(shè)備在我國(guó)的應(yīng)用始于2009年杭州某PCBs污染場(chǎng)地修復(fù)項(xiàng)目(見圖2)，該項(xiàng)目是異位熱脫附技術(shù)設(shè)備在國(guó)內(nèi)的首次工程應(yīng)用[54]。

2012年，原環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所同加拿大某公司合作，依托中加合作示范項(xiàng)目“土壤熱相分離技術(shù)(TPS)工程化應(yīng)用”，經(jīng)過引進(jìn)、消化和生產(chǎn)，研制出1整套的土壤熱相分離系統(tǒng)，并在江蘇省吳江市某石油烴類和苯系物污染場(chǎng)地中應(yīng)用[54]。同年，依托國(guó)家“863”計(jì)劃課題“多氯聯(lián)苯類污染場(chǎng)地修復(fù)技術(shù)設(shè)備研發(fā)與示范”，杭州大地環(huán)保有限公司與浙江大學(xué)等合作研發(fā)了1套間接熱脫附技術(shù)裝備，并在杭州某農(nóng)藥污染場(chǎng)地開展了示范應(yīng)用，設(shè)備處理量為1.2 t·h?1[55]。2013年，依托國(guó)家“863”計(jì)劃課題“化工園區(qū)重大環(huán)境事故場(chǎng)地污染快速處理技術(shù)與裝備”，建工修復(fù)與清華大學(xué)等合作成功研發(fā)1套特別針對(duì)爆炸型或事故型污染場(chǎng)地產(chǎn)生的高濃度污泥和土壤的熱分離技術(shù)與裝備(見圖3)，并在廣州某項(xiàng)目完成了中試，設(shè)計(jì)處理量為1 t·h?1[50]。

2015年，建工修復(fù)引進(jìn)了1臺(tái)加拿大某廠商生產(chǎn)的間接熱脫附設(shè)備，并應(yīng)用于寧波某項(xiàng)目一期。同年，南京中船綠洲環(huán)保有限公司生產(chǎn)的1套螺旋推進(jìn)式間接熱脫附設(shè)備，在寧波某項(xiàng)目上應(yīng)用實(shí)施，該設(shè)備由3套熱脫附單元并聯(lián)組成，單套熱脫附單元的設(shè)計(jì)處理量為5 t·h?1[56]。2017年，浙江宜可歐環(huán)保科技有限公司自主研發(fā)組裝了1套螺旋推進(jìn)式間接熱脫附設(shè)備，應(yīng)用于上海寶山某苯系物和TPH污染場(chǎng)地，設(shè)備額定處理量為4 t·h?1[57]。同年，建工修復(fù)從美國(guó)引進(jìn)了1套回轉(zhuǎn)窯式間接熱脫附設(shè)備，單套設(shè)計(jì)處理量為5 t·h?1，并應(yīng)用于云南某汞污染場(chǎng)地修復(fù)工程[50]

3. 我國(guó)熱脫附設(shè)備引進(jìn)研發(fā)中存在的問題

由熱脫附設(shè)備在我國(guó)的應(yīng)用歷程可以看出，從2009年開始，我國(guó)的土壤修復(fù)企業(yè)及相關(guān)科研機(jī)構(gòu)通過合作、引進(jìn)、自主研發(fā)等方式開展了一定程度的熱脫附技術(shù)設(shè)備應(yīng)用，尤其是近2年呈現(xiàn)出研發(fā)應(yīng)用進(jìn)程加快的趨勢(shì)。并且經(jīng)過近10年的發(fā)展，熱脫附設(shè)備的模塊化、集約化、熱能利用率等方面都有了一定的創(chuàng)新和提升。但是，熱脫附設(shè)備在單套處理能力等方面并未得到大幅提高，國(guó)外引進(jìn)設(shè)備仍然占據(jù)市場(chǎng)的主導(dǎo)，自主研發(fā)設(shè)備仍存在模塊化程度低、穩(wěn)定性差、實(shí)際處理能力低于設(shè)計(jì)處理量等問題，多數(shù)僅局限于中試規(guī)模[58]。在土壤修復(fù)政策、市場(chǎng)進(jìn)一步開放的今天，迫切需要優(yōu)化、研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)化設(shè)備[59]。2018年度國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“場(chǎng)地土壤污染成因與治理技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)，設(shè)置了“有機(jī)污染場(chǎng)地土壤修復(fù)熱脫附成套技術(shù)與裝備”項(xiàng)目，旨在創(chuàng)新研發(fā)適用于城市有機(jī)污染場(chǎng)地土壤的全國(guó)產(chǎn)化熱脫附技術(shù)與裝備，其中直接熱脫附裝備處理量不低于30 t·h?1，間接熱脫附裝備處理量不低于5 t·h?1；半揮發(fā)性有機(jī)污染土壤(含水率20%)直接和間接熱脫附能耗分別低于2 800 MJ·t?1和2 000 MJ·t?1，污染物去除率高于97%。項(xiàng)目的實(shí)施將顯著提升異位熱脫附成套技術(shù)與裝備的修復(fù)能力與能效水平，帶來可觀的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用前景。

4. 熱脫附技術(shù)設(shè)備工程應(yīng)用案例分析

4.1 直接熱脫附技術(shù)設(shè)備工程應(yīng)用案例

4.1.1 江蘇某化工污染場(chǎng)地修復(fù)項(xiàng)目

1) 項(xiàng)目概況。該場(chǎng)地在1958—2009年為農(nóng)藥化工廠，主要生產(chǎn)敵敵畏、液氯等，根據(jù)相關(guān)規(guī)劃，于2010年正式停產(chǎn)搬遷。場(chǎng)地修復(fù)的總土方量約2×105m3，主要土壤類型包括素填土、粉土夾粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，主要污染物為苯、甲苯、氯乙烯、1,1,2-三氯乙烷、氯仿等苯系物和氯代烴。綜合考慮污染物特性、場(chǎng)地條件及業(yè)主要求等因素，選擇采用直接熱脫附工藝對(duì)場(chǎng)地中VOCs和SVOCs污染土壤及底泥進(jìn)行修復(fù)。

2) 熱脫附設(shè)備情況。該場(chǎng)地修復(fù)所使用的是美國(guó)進(jìn)口的直接熱脫附設(shè)備。該套設(shè)備占地面積約500 m2，可24 h連續(xù)運(yùn)行，平均處理量達(dá)20 t·h?1以上。