摘要: 利用傑瑞環保科技有限公司自主研發生產的原地異位建堆熱脫附設備對新疆某地區506 t石油汙染土壤進行了修復處理實驗，並在此基礎上探討了原地異位建堆熱脫附技術在石油汙染土壤修復領域應用的相關技術問題。通過溫度場模擬，為設備投入及修復堆體的搭建提供了參考數據；通過項目現場溫升曲線，分析了升溫效率與物料屬性的關係。結果表明，含水率越低的物料升溫速率越快。此外，通過對設備投入、石油汙染土壤修復效果、修復過程運行能耗等方面進行綜合分析，評估了原地異位建堆熱脫附技術在石油汙染土壤修復領域的有效性和實用性。本研究可為原地異位建堆熱脫附技術在石油汙染土壤修復領域的工業化應用提供參考。
土壤作為地球生命賴以生存的重要資源與環境基礎，是自然界物質和能量參與轉化、遷移、積累等循環過程的重要場所。石油由多種複雜的烴類化合物組成，一旦進入土壤，將對人類健康和生態環境安全造成嚴重威脅[1]。根據環境保護部和國土資源部已公佈的《全國土壤汙染狀況調查公報》，我國土壤總超標率高達16.1%[2]，有機類汙染物，特別是石油汙染物已成為造成土壤安全問題的主要因素之一。因此，石油汙染土壤的修復工作迫在眉睫。
採用熱脫附技術，可對石油汙染土壤進行高溫加熱處理，使石油汙染土壤中的汙染成分裂解為輕質組分後揮發，然後對其收集並進行達標處理。熱脫附處理過程除受土壤本身屬性影響外，處理溫度、處理時間等工藝條件也將對熱解效果帶來一定的影響[3-4]。原地異位建堆熱脫附技術[5-6]屬於熱脫附技術的一種，其技術原理是在微負壓條件下，對建成堆體的汙染土壤進行加熱並維持在一定溫度，促使汙染物從土壤中脫附並進入氣相，並通過抽提的方式將汙染物抽出，再進行氣處理，最終實現石油汙染土壤的修復。該技術具有現場處置便利、無需長距離運輸、二次汙染少和對有機汙染土壤修復效果好[7-10]等優點。採用該技術進行汙染土壤修復的過程包含汙染物在受熱過程中從石油汙染土壤中揮發並轉移到尾氣中和尾氣中汙染物的處理2個階段[11]。
近年來，國內研究者已經開展了關於熱處理技術的在苯系物[12]、PCBs[13]、PAHs[14]等土壤汙染修復領域的應用探索，針對有機物汙染場地修復技術的專利也日益增多[15]。原地異位建堆熱脫附技術作為一項重要的非燃燒技術[16-19]，在有機汙染（包括石油汙染）土壤修復領域具有較好的應用前景[20-23]。截至目前，國內外針對原地異位建堆熱脫附技術在石油汙染土壤修復領域的應用研究較少[20-24]，因此，有必要開展該項技術在石油汙染土壤修復領域的應用探究，為石油汙染土壤的修復提供新思路。本研究採用傑瑞環保科技有限公司現有的原地異位建堆熱脫附設備，對新疆某地區石油汙染土壤進行熱脫附處理實驗，從修復過程、溫度場模擬、溫升曲線分析、設備投入、設備運行能耗及土壤修復效果評估等多個方面進行了綜合分析，以期為原地異位建堆熱脫附技術在石油汙染土壤修復領域的工業化應用提供參考。
1. 工藝、設備和修復過程
1.1 原地異位建堆熱脫附技術的工藝原理
原地異位建堆熱脫附技術的工藝原理如圖1所示。該技術是通過將挖掘堆放的汙染土壤加熱至汙染組分的沸點以上，使汙染物從土壤中揮發、分離，這一過程包括了汙染組分的揮發、裂解等物理化學變化[6,25]。當汙染組分變為氣態後，其流動性將大大增加，可通過風機抽提的方式進行收集。根據熱源的不同，熱脫附技術可分為燃氣式和電加熱式2種方式。新疆地區自然能源豐富，結合這一特點，本研究採用天然氣作為熱源。汙染土壤將以四稜臺式堆體的形式進行搭建，建堆過程中分層安裝加熱管和抽提管。汙染土壤建堆示意圖如圖2所示。天然氣在燃燒器內燃燒產生高溫煙氣，經加熱管內管傳輸至加熱管外管中，外管在輻射傳熱和煙氣對流傳熱的雙重作用下實現升溫，並以熱傳導的方式加熱汙染土壤；當汙染土壤被加熱至一定溫度後，附著在土壤顆粒上的汙染物將由液相變為氣相，並得以揮發，從而實現從汙染土壤表面的剝離，然後經抽提管和風機抽出，並送入尾氣處理系統從而實現石油組分的冷凝回收。
圖 1 原地異位建堆熱脫附技術工藝原理示意圖
圖 2 汙染土壤建堆示意圖
1.2 堆體內設備和尾氣處理系統設備
本研究挖掘的汙染土壤總量約506 t，堆體搭建過程中配備加熱管外管11根、內管11根、抽提管16根、餘熱利用管5根、熱電偶8個、壓力變送器3個、高壓風機1臺、燃燒器11臺、耐火管11根、煙囪1個，如表1所示。天然氣燃燒後產生的高溫煙氣(700~800 ℃)通入加熱管中，通過間接換熱的方式對土壤進行加熱；加熱管排出的煙氣溫度仍高達400 ℃，為實現該部分熱量的利用，將在土壤中插入餘熱利用管，並將排出的高溫煙氣注入到餘熱利用管中，對汙染土壤進行加熱，從而實現餘熱利用。
氣處理系統主要由氣液分離器、列管換熱器、羅茨風機、活性炭罐、板翅式換熱器、齒輪泵等組成，見 表2
1.3 修復過程
1.3.1 汙染物料性狀分析
汙染土壤自身的屬性對於熱脫附處理過程具有一定的影響。對汙染物料區域(待修復的汙染土壤)開挖後發現，汙染狀況較為複雜。對代表性汙染物料進行分析後，將待處理物料分為3類，對應物料的表觀性狀如圖3所示，對應物料的檢測分析結果如表3所示。
圖 3 3類物料的表觀性狀
1.3.2 堆體搭建
根據待處理物料的屬性，共分4層進行修復堆體的搭建，物料a、b、c在堆體內的分佈位置如表4所示。本研究石油汙染土壤總量約506 t，總方量297.6 m3，堆體搭建尺寸如表4所示。待處理物料經篩分等預處理後作為堆體物料進行堆體的搭建。物料a按照設定尺寸平鋪於底層，並分別按照1.5 m的間距鋪設加熱管(包括內管、外管)和抽提管(圖4(a))，完成第1層堆體的搭建。在第2層堆體搭建的過程中，物料b鋪設完成後，安裝餘熱利用管(圖4(a))和抽提管，並在本層安裝熱電偶(圖4(a))和壓力變送器，以實現堆體溫度和負壓的監測。物料c分佈於第3層堆體中，並再次鋪設加熱管和抽提管。再將物料a鋪於第4層，封頂。堆體搭建完成後，開始表面隔離層的施工，堆體四周只採用混凝土抹面固封(厚度6 cm)，堆體頂部加蓋岩棉板(厚度8 cm)進行隔熱。同時，為了防止雨水的干擾，在岩棉板鋪設完畢後，再覆蓋混凝土層(厚度6 cm)，如圖5所示。
圖 4 堆體搭建實物圖
圖 5 隔熱層示意圖
最終成形的四稜臺形式的堆體如 圖4(b) 所示，堆體搭建的詳細工藝路線如 圖6 所示。堆體外將安裝燃燒器、煙囪、離心機和氣處理系統，實現堆體系統管路的連接，形成待修復的石油汙染土壤堆體，如 圖4(c) 所示。
圖 6 堆體搭建工藝路線圖
1.3.3 熱脫附處理
天然氣在燃燒器內燃燒時產生的高溫煙氣進入加熱管內管，經加熱管外管排出後，再進入餘熱利用管進行熱量的二次利用，最終由煙囪排出。在整個過程中，加熱管外管以熱傳導的形式加熱汙染土壤，實現汙染物的揮發和分離。在加熱過程中，為保證燃燒器的正常運行，對加熱管外管溫度進行實時監測，既防止由於長時間持續加熱而導致加熱管因溫度過高受損，又保證加熱管外管溫度不低於550 ℃，以滿足汙染土壤修復效果。在熱脫附過程中，堆體內冷點[26]位置的汙染土壤加熱溫度至少應達到300 ℃。在建堆過程中，在含油率最多的物料b所在的第2層設置土壤取樣口，修復完成後，從取樣口取樣並送到具有相關資質的第三方檢測機構進行檢測，評估土壤修復效果。
1.3.4 氣處理
熱脫附處理後，石油烴類物質轉移到氣相中。為滿足《大氣汙染物綜合排放標準》(GB 16297-1996)的相關要求，須進行後續氣處理。本研究氣處理系統主要包含氣液分離器、列管換熱器、羅茨風機、活性炭罐、板翅式換熱器、齒輪泵等。氣處理工藝流程如下。
1)經抽提收集的汙染氣體首先進入一級氣液分離器，實現氣體與其攜帶的土壤顆粒和大液滴的分離。
2)分離後的氣相進入列管式換熱器，實現石油烴組分的冷凝回收。
3)冷凝處理後的氣相進入二級氣液分離器，實現冷凝後氣體與其夾帶的霧狀液滴的分離，防止霧狀液滴進入風機。
4)處理後的氣相以風機為動力源，依次通過兩級活性炭體系，利用活性炭的吸附作用對氣體進行淨化處理[27-28]。
5)氣體處理達標後通過煙囪排放。
6)經兩級氣液分離和列管換熱器冷凝後的油水混合物收集至噸桶中，定期交由當地汙水處理廠進行處理
2. 溫度場模擬
根據汙染土壤中含有的石油烴的性質，為達到修復效果，堆體內土壤的平均溫度須達到300 ℃以上。修復前，為保證各管件、設備佈局的合理性，保證汙染土壤修復效果，特針對汙染土壤的處理過程進行溫度場模擬。
2.1 數學模型
在數學模擬過程中，參考TSOKUR等[29]的研究，建立數學模型。為實現溫度場模擬，假設每個燃燒器所形成的溫度場為一圓柱體模型，如圖7所示。
圖 7 燃氣式加熱圓柱體模型
式中：λ 為土壤導熱係數，W·(m·℃)−1；r 為加熱半徑， m；T 為加熱溫度，℃ ；t 為加熱時間，s；為土壤比熱容，J·(kg·K)−1；為氣體比熱容，J·(kg·K)−1；ε 為土壤孔隙度；Sg 為土壤中氣體飽和度，即氣體填充在土壤內部孔隙之間的體積分數；Ug 為汙染氣體流速，m·s−1；K 為滲透面積，m2；k 為滲透係數，m·s−1；ρg 為氣體密度， kg·m−3；μg 為氣體黏度，kg·(m·s)−1；h 為蒸發焓變，J·kg−1；m 為單位體積內液相蒸發速度，kg·(m3·s)−1。
式中：A 為單位體積土壤的傳質面積，m2·m−3；Cg 為傳質過程中汙染物氣相濃度，kg·m−3；Ceq;g為 傳質平衡狀態下汙染物氣相濃度，kg·m−3； Sl 為土壤中液體飽和度，即液體填充在土壤內部孔隙之 間的體積分數； Re 為雷諾數； Sc 為施密特准數； a，b，c 為安託尼常數； de 為當量直徑，m。
2.2 溫度場模擬
採用ANSYS 15.0軟件對上述圓柱模型進行結構化網格劃分，然後採用FLUENT軟件中的有限控制體積法計算網格節點上的溫度等數值解。在模擬過程中，以間距1.5 m對加熱管進行佈置，當加熱管外管管壁溫升至550 ℃時，考察任意3根加熱管組成的三角區域內溫度場的分佈，以此分析修復過程中堆體內全部汙染土壤的溫度狀況。
3. 結果與討論
3.1 溫度場模擬分析
採用FLUENT軟件進行溫度場模擬的結果如圖8所示。圖8(a)為3根間距1.5 m的加熱管溫度場模擬效果。由圖8可見，溫度在加熱管處高達550 ℃，並沿著加熱管向四周遞減。每根加熱管長14 m，分別模擬此3根加熱管在5 m和10 m位置組成的三角區域內的溫度場分佈。如圖8(b)和圖8(c)所示，土壤各點溫度均超過300 ℃，冷點位置的溫度高達314 ℃。由此可見，當設計加熱管間距為1.5 m時，3根加熱管所覆蓋的區域內無溫度場盲點，各點溫度均能夠滿足最低要求，具備除去汙染土壤中所含的石油烴類物質的條件。
圖 8 溫度場模擬圖
3.2 溫升曲線分析
在汙染土壤處理過程中，以K型熱電偶的形式實現對汙染土壤的溫度監測。結合本研究中汙染土壤的處理量，在堆體搭建過程中設置了8個熱電偶，分別安裝於第2層汙染土壤(6個)和頂層汙染土壤(2個)中，每根熱電偶設2個測溫點位，共16個測溫點位，點位編號為T101~T116。由圖9可見，溫升曲線T101~T112為第2層汙染土壤在熱脫附處理過程中的溫度變化情況；T113~T116為頂層汙染土壤在熱脫附處理過程中的溫度變化情況。當溫度低於100 ℃時，各測溫點位的升溫速率較慢，這是因為汙染土壤中含有水，水的比熱容高於乾土壤的比熱容，因此該階段加熱過程中土壤升溫較慢。由圖9可見，當測溫點位的溫度達到100 ℃後，溫度會在一段時間內保持恆定。在此期間內，汙染土壤中所含的水分將逐漸蒸發並經抽提管抽出。由於本階段的熱量主要轉化為水的氣化潛熱，因此，此階段內土壤溫度趨於穩定。溫升曲線T113~T116在該階段的持續時間明顯低於其他點位，這是因為頂層汙染土壤的含水率低於1%，水體氣化用時較短。由此可見，溫度恆定階段的時間隨著待處理土壤含水率的升高而變長。水分被蒸發抽提後，堆體內土壤的升溫速率大幅加快，石油烴各組分隨之揮發，通過羅茨風機將汙染物蒸汽抽提、收集，統一進行氣處理。
圖 9 各點位溫升曲線圖 9 各點位溫升曲線
3.3 土壤修復效果分析
含油率較高的汙染土壤b位於第2層堆體內，其原始含油率為23.1%；經原地異位建堆熱脫附處理後的樣品送至SGS-CSTC檢測中心進行檢測，2個平行樣品中總石油烴含量分別為496 mg·kg−1和602 mg·kg−1，處理后土壤中石油烴平均含量約549 mg·kg−1，能夠滿足《土壤環境質量建設用地土壤汙染風險管控標準(試行)》(GB 36600-2018)中的相關要求。
3.4 能耗分析
在處理過程中，堆體自2017年10月19日開始修復，至11月24日實驗結束，共施工運行37 d，天然氣總用量14 977 m3。利用原地異位熱脫附技術處理該項目506 t石油汙染土壤，天然氣用量統計分析結果如下：天然氣用量14 977 m3，汙染土方量297.6 m3，汙染土總重量506 t，1 t用氣量29.6 m3，1 m3用氣量50.3 m3。每處理1 m3石油汙染土壤約消耗天然氣50.3 m3。
4. 結論
1)通過數學模型進行溫度場模擬，在加熱管外壁溫度達到550 ℃、加熱管和抽提管間距分別為1.5 m的條件下，堆體內所有汙染土壤均能達到目標溫度(300 ℃)，滿足去除汙染土壤中所含石油烴類物質的條件。
2)採用原地異位建堆熱脫附技術進行土壤修復處理時，待處理物料(汙染土壤)的含水率對汙染土壤升溫速率有較大影響。含水率越低的物料，升溫速率越快。
3)採用原地異位建堆熱脫附技術能夠實現石油汙染土壤的修復，修復后土壤樣品中總石油烴的含量能夠達到《土壤環境質量建設用地土壤汙染風險管控標準(試行)》(GB 36600-2018)的修復要求。在應用過程中，原地異位建堆熱脫附技術具有設備投入少、人員投入少、場地限制低的優勢，處理后土壤能夠滿足國家和地區對相關指標的管控要求，具備開展大規模現場應用的條件。
作者：楊振、 靳青青、衣桂米、劉亮亮、柳林杉、劉明傑、 魯永蒲, 嶽勇
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