-
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[1]。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[2-4]。
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[5-7]。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[8-10]。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[11-12]。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[13]。在1985年,该技术就已经入选美国环境保护署推荐技术[14],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%[15]。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[16]。相关研究涵盖了污染土壤预处理技术[17]、热脱附原理[18]、尾气处理技术[19]、脱附效率影响因素[20]等许多方面,也有部分学者开展了流化床式热脱附技术[21]、真空强化远红外线热脱附技术[22]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[23],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[24],相关学者针对多种有机污染物,如六六六[25]、有机磷农药[26-27]、滴滴涕[28-29]、多氯联苯[30-31]等,以及汞污染土壤[32-34]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)[35]、土壤特性(土壤粒径、含水率等)[36-37]和污染物特性[38-39]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[40]、水泥窑协同处理技术[41]、低温等离子体技术[42]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[43-44],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[45-47]。
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[48-49]。
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
Application of ex-situ thermal desorption technology and equipment in contaminated site remediation projects in China
-
摘要: 异位热脱附技术具有污染物去除率高、修复周期短、普适性强等显著优势,是目前修复有机污染土壤最有效的技术之一。通过资料、文献查阅及现场调研,梳理了异位热脱附技术及设备在国内外的研究现状及在我国的应用发展历程,结合工程案例,分析了典型直接热脱附设备、间接热脱附设备的工艺技术路线,进而提出开展实际污染场地修复时的设备选择建议,以及热脱附技术的理论研究和设备发展方向,为我国有机污染土壤异位热脱附修复技术的推广和应用提供参考。Abstract: The ex-situ thermal desorption technology has significant advantages such as high removal efficiency, short remediation period and strong application scope, which has been proven to be one of the most effective techniques for organic contaminated sites remediation. This paper introduces the research status at home and abroad, and application situation of ex-situ thermal desorption technology and equipment in China by means of data, literature review and field investigation. Meanwhile, combined with the engineering cases in China, the corresponding technology routes of direct and indirect thermal desorption equipment are analyzed, respectively. The equipment selection recommendations for the practical contaminated site remediation is proposed, as well as the theoretical research and equipment development orientation of thermal desorption technology, which will provide reference for the popularization and application of ex-situ thermal desorption technology in organic contaminated sites remediation in China.
-
表 1 直接热脱附技术设备在我国的应用
Table 1. Applications of directly heated thermal desorption equipment in China
年份 应用场地 主要污染物 处理量/(t·h−1) 特点 设备来源 运维单位 2010 山西某焦化厂场地
修复项目PAHs等 2 设备体积大,但处理量小 自主研发 北京建工环境修复股份
有限公司2013 南通某化工污染场地
修复项目苯系物、
PAHs等20 集成化程度高 美国进口 北京建工环境修复股份
有限公司2013 北京某焦化污染场地
修复项目苯、PAHs等 20~30 具热回用单元,但设备体积较大 自主研发 中科鼎实环境工程
有限公司2015 广州某钢铁厂污染场地
修复项目PAHs 30~50 模块化程度高,集约化程度低 芬兰进口 北京建工环境修复股份
有限公司2016 首钢原厂区污染场地
修复项目PAHs、TPH 25 采用分段加热,但集约化程度低 自主研发 首钢环境产业
有限公司2018 湖南某化工厂污染场地
修复项目DDTs 20 采用分段加热,但设备运行不稳定 自主研发 江苏盖亚环境工程
有限公司表 2 间接热脱附技术设备在我国的应用
Table 2. Application of indirectly heated thermal desorption equipment in China
年份 应用场地 主要污染物 处理量/(t·h−1) 特点 设备来源 运维单位 2009 杭州某世行PCBs污染
场地修复项目PCBs 2~4 — 合作研发 北京建工环境修复股份有限公司 2012 江苏省吴江市某污染场地
修复项目TPH和苯系物 — — 合作研发 环境保护部南京环境科学研究所 2012 杭州某农药污染场地修复
项目(中试)PCBs 1.2 处置成本较低 自主研发 杭州大地环保有限公司 2013 广州某污染场地修复
项目(中试)PAHs 1 特别针对爆炸型或事故型污染场地 自主研发 北京建工环境修复股份有限公司 2015 宁波某污染场地修复项目
一期PCBs 7.5 — 加拿大进口 北京建工环境修复股份有限公司 2015 宁波某污染场地修复项目 PCBs、苯系物 5 3套热脱附单元并联组成 合作研发 南京中船绿洲环保有限公司 2017 上海某污染场地修复项目 苯系物、TPH 4 具热回用单元 自主研发 浙江宜可欧环保科技有限公司 2018 云南某汞污染场地修复
项目Hg 5 集约化、模块化程度高 美国进口 北京建工环境修复股份有限公司 表 3 直接热脱附和间接热脱附设备优缺点对比
Table 3. Comparison of advantages and disadvantages between directly and indirectly heated thermal desorption equipment
设备类型 优点 缺点 直接热脱附设备 1)单台套处置规模大,适用于处置方量较大或者工期较紧的项目
2)土壤加热温度最高可至550~600 ℃,且可根据污染物类型灵活调节处理温度
3)土壤中污染物处理彻底,工艺成熟度较高1)尾气量大,增加尾气处理单元负荷,对窑体密封性要求较高
2)不宜处理高浓度有机污染土壤,存在爆炸风险
3)设备庞大,安装周期长,不适合处置规模较小的项目
4)尾气处理不当易造成二次污染,如生成二噁英等
5)不易回收有用的有机相间接热脱附设备 1)尾气量小,尾气处理负荷较低
2)污染土壤与火焰不直接接触,可处理高浓度有机污染土壤,避免爆炸风险
3)采用天然气或轻质燃料做能源时,尾气可以直接排放,二次污染小
4)对于油泥等黏性介质,间接加热采用螺旋推进时,更为适用
5)可回收有用的有机相(石油烃)1)单台套处置规模小
2)污染物没有彻底被消除,污染物冷凝后被储存于储罐中或滤饼中,需要进行再回收或处置 -
[1] 吴嘉茵, 方战强, 薛成杰, 等. 我国有机物污染场地土壤修复技术的专利计量分析[J]. 环境工程学报, 2019, 13(8): 2015-2024. [2] RAMADASS K, MEGHARAJ M, VENKATESWARLU K, et al. Ecological implications of motor oil pollution: Earthworm survival and soil health[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2015, 85: 72-81. doi: 10.1016/j.soilbio.2015.02.026 [3] RUBY M V, LOWNEY Y W, BUNGE A L, et al. Oral bioavailability, bioaccessibility, and dermal absorption of PAHs from soil-state of the science[J]. Environmental Science & Technology, 2016, 50: 2151-2164. [4] EOM I C, RAST C, VEBER A M, et al. Ecotoxicity of a polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH)-contaminated soil[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2007, 67(2): 190-205. doi: 10.1016/j.ecoenv.2006.12.020 [5] USMAN M. Comment on a comprehensive guide of remediation technologies for oil contaminated soil present works and future directions[J]. Marine Pollution Bulletin, 2016, 109(1): 14-45. doi: 10.1016/j.marpolbul.2016.04.023 [6] KHAN F I, HUSAIN T, HEJAZI R. An overview and analysis of site remediation technologies[J]. Journal of Environmental Management, 2004, 71(2): 95-122. [7] O'BRIEN P L, DESUTTER T M, CASRY F X M, et al. Thermal remediation alters soil properties: A review[J]. Journal of Environmental Management, 2017, 206: 826-835. [8] ARSTRA M, DIBENEDETTO A, FRAGALE C, et al. Thermal desorption of polychlorobiphenyls from contaminated soils and their hydrodechlorination using Pd- and Rh-supported catalysts[J]. Chemosphere, 2008, 70(6): 1052-1058. doi: 10.1016/j.chemosphere.2007.07.074 [9] ZHANG X, YAO A. Pilot experiment of oily cuttings thermal desorption and heating characteristics study[J]. Journal of Petroleum Exploration and Production Technology, 2019, 9(2): 1263-1270. doi: 10.1007/s13202-018-0574-9 [10] 许春娅. 工业污染场地土壤修复技术研究[J]. 资源节约与环保, 2019(3): 99. doi: 10.3969/j.issn.1673-2251.2019.03.086 [11] PERCIN P R D. Application of thermal desorption technologies to hazardous waste sites[J]. Journal of Hazardous Materials, 1995, 40(2): 203-209. doi: 10.1016/0304-3894(94)00085-U [12] US EPA. Overview of thermal desorption technology[R]. Port Hueneme: US EPA, 1998. [13] 高国龙, 蒋建国, 李梦露. 有机物污染土壤热脱附技术研究与应用[J]. 环境工程, 2012, 30(1): 128-131. [14] 何茂金, 方基垒, 张树立, 等. 热脱附设备国产化研制分析[J]. 石油化工安全环保技术, 2018(4): 26-27. doi: 10.3969/j.issn.1673-8659.2018.04.009 [15] US EPA. Superfund remedy report[R]. Washington D C: Office of Land and Emergency Management, 2017. [16] GHARIBZADEH F, KALANTARY R R, ESRAFILI A, et al. Desorption kinetics and isotherms of phenanthrene from contaminated soil[J]. Journal of Environmental Health Science and Engineering, 2019, 17(1): 171-181. doi: 10.1007/s40201-019-00338-1 [17] BONNARD M, DEVIN S, LEVVAL C, et al. The influence of thermal desorption on genotoxicity of multipolluted soil[J]. Ecotoxicology Environmental Safety, 2010, 73(5): 955-960. doi: 10.1016/j.ecoenv.2010.02.023 [18] LEE W J, SHIH S I, CHANG C Y, et al. Thermal treatment of polychlorinated dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans from contaminated soils[J]. Journal of Hazardous Materials, 2008, 160(1): 220-227. doi: 10.1016/j.jhazmat.2008.02.113 [19] ALLAH Z A, WHITEHEAD J C, MARTIN P. Remediation of dichloromethane (CH2Cl2) using non-thermal, atmospheric pressure plasma generated in a packed-bed reactor[J]. Environmental Science & Technology, 2013, 48(1): 558-565. [20] BUCALA J. Effect of temperature on the release of hexadecane from soil by thermal treatment[J]. Journal of Hazardous Materials, 2007, 143(1): 455-461. [21] LEE J K, PARK D, KIM B U, et al. Remediation of petroleum-contaminated soils by fluidized thermal desorption[J]. Waste Management, 1998, 18(6/7/8): 503-507. [22] JONES D A, LELVVELD T P, Mavrofidis S D, et al. Microwave heating applications in environmental engineering: A review[J]. Resources Conservation & Recycling, 2002, 34(2): 75-90. [23] 骆永明. 中国土壤污染与修复研究二十年[M]. 北京: 科学出版社, 2017. [24] 高梦雯. 高浓度有机污染土壤处理技术研究进展[J]. 环境与发展, 2019, 31(3): 31-32. [25] 高艳菲. 六六六和滴滴涕污染场地土壤的修复[D]. 南京: 南京农业大学, 2011. [26] 刘新培. 热脱附技术在有机磷农药污染土壤修复过程中的应用研究[J]. 天津化工, 2017(1): 57-60. doi: 10.3969/j.issn.1008-1267.2017.01.019 [27] 门晓晔. 有机磷农药污染土壤风险评估及热脱附修复研究[D]. 天津: 天津科技大学, 2016. [28] 王瑛, 李扬, 黄启飞, 等. 温度和停留时间对DDT污染土壤热脱附效果的影响[J]. 环境工程, 2012, 30(1): 116-120. [29] 李晓东, 伍斌, 许端平, 等. 热脱附尾气中DDTs在模拟水泥窑中的去除效果[J]. 安全与环境学报, 2017, 17(6): 2393-2397. [30] 白四红. 高浓度多氯联苯污染土壤热脱附特性实验研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2014. [31] 李雪倩, 李晓东, 严密, 等. 多氯联苯污染土壤热脱附预处理过程干化及排放特性研究[J]. 环境科学学报, 2012, 32(2): 394-401. [32] 何依琳, 张倩, 许端平, 等. FeCl3强化汞污染土壤热解吸修复[J]. 环境科学研究, 2014, 27(9): 1074-1079. [33] 杨勤, 王兴润, 孟昭福, 等. 热脱附处理技术对汞污染土壤的影响[J]. 西北农业学报, 2013, 22(6): 203-208. doi: 10.7606/j.issn.1004-1389.2013.06.036 [34] 毕廷涛, 姬成岗, 王金华, 等. 氯碱行业含汞盐泥热脱附过程反应特征[J]. 无机盐工业, 2019, 51(4): 63-66. [35] 勾立争, 刘长波, 刘诗诚, 等. 热脱附法修复多环芳烃和汞复合污染土壤实验研究[J]. 环境工程, 2018, 36(2): 184-187. doi: 10.3969/j.issn.1673-1379.2018.02.014 [36] 王瑛, 李扬, 黄启飞, 等. 污染物浓度与土壤粒径对热脱附修复DDTs污染土壤的影响[J]. 环境科学研究, 2011, 24(9): 1016-1022. [37] 许端平, 何依琳, 庄相宁, 等. 热解吸修复污染土壤过程中DDTs的去除动力学[J]. 环境科学研究, 2013, 26(2): 202-207. [38] LIU J, CHEN T, QI Z, et al. Thermal desorption of PCBs from contaminated soil using nano zerovalent iron[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2014, 21(22): 12739-12746. doi: 10.1007/s11356-014-3226-8 [39] HU X, ZHU J, DING Q. Environmental life-cycle comparisons of two polychlorinated biphenyl remediation technologies: Incineration and base catalyzed decomposition[J]. Journal of Hazardous Materials, 2011, 191(1): 258-268. [40] 王奕文, 张倩, 伍斌, 等. 脉冲电晕放电等离子体去除污染土壤热脱附尾气中的DDTs[J]. 环境科学研究, 2017, 30(6): 974-980. [41] 马福俊, 丛鑫, 张倩, 等. 模拟水泥窑工艺对污染土壤热解吸尾气中六氯苯的去除效果[J]. 环境科学研究, 2015, 28(8): 1311-1316. [42] 朱伊娜, 徐东耀, 伍斌, 等. 低温等离子体降解污染土壤热脱附尾气中DDTs[J]. 环境科学研究, 2018, 31(12): 2140-2145. [43] 徐栋梁, 唐中亚, 郭强. 热脱附技术在北京某钢厂土壤修复工程中的应用[C]//《环境工程》编委会.《环境工程》2018年全国学术年会论文集(下册). 北京, 2018: 4. [44] 郑桂林, 谢湉, 薛天利, 等. 热脱附技术在化工场地六六六污染土壤中的工程应用研究[J]. 广东化工, 2017, 44(11): 222-223. doi: 10.3969/j.issn.1007-1865.2017.11.103 [45] MARIA J, ROCIO MILLAN, FELIX A, et al. Sustainable remediation of mercury contaminated soils by thermal desorption[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2016, 23(5): 4898-4907. doi: 10.1007/s11356-015-5688-8 [46] YI Y M, PARK S, MUNSTER C, et al. Changes in ecological properties of petroleum oil-contaminated soil after low-temperature thermal desorption treatment[J]. Water, Air & Soil Pollution, 2016, 227(4): 108. [47] PAPE A, SWITZER C, MCCOSH N, et al. Impacts of thermal and smouldering remediation on plant growth and soil ecology[J]. Geoderma, 2015, 243-244: 1-9. doi: 10.1016/j.geoderma.2014.12.004 [48] GAO Y F, YANG H, ZHAN X H, et al. Scavenging of BHCs and DDTs from soil by thermal desorption and solvent washing[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2013, 20(3): 1482-1492. doi: 10.1007/s11356-012-0991-0 [49] THUAN N T, CHANG M B. Investigation of the degradation of pentachlorophenol in sandy soil via low-temperature pyrolysis[J]. Journal of Hazardous Materials, 2012, 229-230: 411-418. doi: 10.1016/j.jhazmat.2012.06.027 [50] 北京建工环境修复股份有限公司. 核心技术设备简介[EB/OL]. [2019-05-20]. http://www.bceer.com/. [51] 北京市保障性住房建设投资中心. 原焦化厂政府储备土地剩余用地污染土治理项目第一标段治理与修复效果评估报告[EB/OL]. [2019-05-20]. http://www.bphc.com.cn/article/view/e2207cecdd0a4fbfabf5a47cad783c6f.html. [52] 首钢环境产业有限公司. 首钢热脱附修复项目介绍[EB/OL]. [2019-05-20]. http://www.sgepi.com/achiveinindustry.aspx?typeId=112. [53] 江苏盖亚环境科技股份有限公司. 异位土壤修复设备简介[EB/OL]. [2019-05-20]. http://www.jsgaiya.cn/index.asp. [54] 杨勇, 黄海, 陈美平, 等. 异位热解吸技术在有机污染土壤修复中的应用和发展[J]. 环境工程技术学报, 2016, 6(6): 559-570. doi: 10.3969/j.issn.1674-991X.2016.06.081 [55] 祁志福. 多氯联苯污染土壤热脱附过程关键影响因素的实验研究及应用[D]. 杭州: 浙江大学, 2014. [56] 南京中船绿洲环保有限公司. 成功案例[EB/OL]. [2019-05-20]. http://www.nj-lzep.com/. [57] 浙江宜可欧环保科技有限公司. 有机污染土壤异位修复处理项目介绍[EB/OL]. [2019-05-20]. http://www.yikeou.com/archives/show/118 [58] 张新建, 王茂仁. 浅谈石油烃污染土壤间接热脱附修复技术[J]. 化工管理, 2018, 485(14): 113-114. doi: 10.3969/j.issn.1008-4800.2018.14.089 [59] 卢鑫. 有机农药污染土壤现状及其修复技术研究综述[J]. 绿色环保建材, 2019(3): 36-39. [60] 马军军, 韩正昌, 申屠灵. 一种有机污染土壤修复方法: 201610669566.2[P]. 2016-10-26.