Processing math: 100%

绝缘油污染土壤微波热脱附的影响因素

刘松涛, 谷兴家, 贾文波, 曹悦, 徐珺, 车凯, 郁金星, 陈传敏. 绝缘油污染土壤微波热脱附的影响因素[J]. 环境工程学报, 2021, 15(12): 3974-3981. doi: 10.12030/j.cjee.202109169
引用本文: 刘松涛, 谷兴家, 贾文波, 曹悦, 徐珺, 车凯, 郁金星, 陈传敏. 绝缘油污染土壤微波热脱附的影响因素[J]. 环境工程学报, 2021, 15(12): 3974-3981. doi: 10.12030/j.cjee.202109169
LIU Songtao, GU Xingjia, JIA Wenbo, CAO Yue, XU Jun, CHE Kai, YU Jinxing, CHEN Chuanmin. Influencing factors on the microwave thermal desorption of insulating oil contaminated soil[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(12): 3974-3981. doi: 10.12030/j.cjee.202109169
Citation: LIU Songtao, GU Xingjia, JIA Wenbo, CAO Yue, XU Jun, CHE Kai, YU Jinxing, CHEN Chuanmin. Influencing factors on the microwave thermal desorption of insulating oil contaminated soil[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(12): 3974-3981. doi: 10.12030/j.cjee.202109169

绝缘油污染土壤微波热脱附的影响因素

    作者简介: 刘松涛(1980—),男,博士,副教授。研究方向:环境污染控制技术。E-mail:taonyliu@163.com
    通讯作者: 陈传敏(1973—),男,博士,教授。研究方向:电网环境保护及燃烧污染物控制。E-mail:hdccm@126.com
  • 基金项目:
    国家电网公司科技项目(5204DY19000A)
  • 中图分类号: X53

Influencing factors on the microwave thermal desorption of insulating oil contaminated soil

    Corresponding author: CHEN Chuanmin, hdccm@126.com
  • 摘要: 为探究绝缘油污染土壤微波热脱附的影响条件,考察了温度、停留时间、土壤含水率、污染物初始浓度和微波功率对土壤中绝缘油去除效果的影响。结果表明,温度和停留时间显著影响土壤中绝缘油的去除率,在400 ℃、微波处理时间5 min的条件下,土壤中绝缘油的去除率为98.6%。当土壤含水率为5%时,土壤中绝缘油的去除率达到最佳。在微波处理15 min内,土壤中绝缘油的去除率随着绝缘油初始浓度的升高逐渐降低。微波功率越高,土壤中绝缘油的微波热脱附效率越高,综合考虑能耗和去除率,微波功率为1 000 W时较优。绝缘油污染土壤微波热脱附机理研究表明,脂肪烃主要通过蒸汽蒸馏和热解吸两种方式从土壤中脱除。本研究结果可为高浓度绝缘油污染土壤微波热脱附技术应用提供参考。
  • 宁东水厂供水安全保证率高,技术难度大,工程在建设和水处理工艺的选择上采用了国际国内很多新技术、新工艺并且在运行管理中取得了良好地效果[1]。水厂沉淀池是利用重力作用使污水中的固体杂质或活性污泥用沉淀去除的一种净化水质的设备[2-3]。因此提高沉淀池的沉淀效率对水厂的运行管理以及对沉淀池的清洗都是至关重要的。多种因素会影响沉淀池的沉淀效率如污泥及沉淀杂质的自身特性、水力条件、絮凝效果等。因此,模拟宁东一水厂污泥浓缩池工艺,并分别对不同浓度泥水进行了药剂筛选、助凝剂及活性炭复配实验。有助于了解絮凝剂、助凝剂及活性炭的投加对不同浓度的泥水的作用情况,制定合理的药剂、助凝剂及活性炭的投放方案,以此提高浓缩池沉淀效果以及整个污泥回收系统的工作效率。

    宁东供水工程为宁东能源化工基地提供生产和生活用水的基础性工程。供水主体工程主要包括水源工程和净配水工程两部分,水源从黄河取水,水源工程由两级泵站、22.2 km输水管道、2.2 km隧洞和一座调蓄水库组成。净配水工程包括2座净配水厂和加压泵站及园区200余km供水管网工程。两座水厂日供水量达80万m3

    宁东水厂坐落于宁东的能源化工基地,水源为黄河水,水样会经过混凝、沉淀、过滤、消毒等一系列工艺后进入供水管网[4]。宁东一水厂共4座沉淀池,每座日处理能力为10万m3,最高日处40万m3。2018年之前,沉淀池排泥及清洗的污泥水排入厂外沉泥塘中,2018年根据环保部门零排放要求,公司新修建了污泥处理系统,设计将每日排泥水进行回收利用,设计日处理能力为5000 m3,自2018年11月投入运行以来,沉淀池每日排泥水可正常回收,但遇到沉淀池清洗时,因池底污泥量大,无法直接回收,需要在储泥池中静置预沉后方可回收,导致沉淀池清洗时间由原2天延长至5天。水厂整体处理能力严重下降,而且回收水质中有溴味,对水厂整体安全运行也构成困扰。

    提高浓缩池沉淀效果是整个污泥回收系统的关键,在污泥浓缩池前设置加药系统,通过投加絮凝剂、助凝剂来增加浓缩池的浓缩效果是准备采用的方法,但各絮凝剂、助凝剂及活性炭的投加效果、使用量、投加系统的规模的确定需要进过实验确定。谢菁等[5]针对北京某水厂冬季出水水质恶化的现象,通过烧杯实验研究了不同投药量下聚合氯化铝与三氯化铁复配混凝剂的混凝效果。李为兵等[6]通过混凝沉淀烧杯实验实验发现,与硫酸铝相比,PACl投加量可降低50%左右,费用可降低15%。铁铝盐混凝剂混合投加是一种比较常见的给水处理工艺[7],有研究表明在铁盐絮凝剂中添加硫酸根等可以增强配位络合能力,并且复合后的絮凝剂对水体PH值也有很好的适应性,也有一定的净水能力[8]。无机絮凝剂和有机高分子絮凝剂配合使用会有更好的絮凝效果[9]

    故化验室于4月至5月上旬模拟污泥浓缩池工艺,分别对不同浓度泥水进行了药剂筛选、助凝剂及活性炭复配实验。

    天然水体中存在着胶体颗粒,当重力大于浮力时胶体在水中处于一种悬浮状态,再静电力的作用中会做不规则的布朗运动,在这种情况下胶体颗粒是无法利用重力沉淀。因此必须靠外力使其沉淀。通过胶体相互在外力的作用下,破坏它们之间的静电力,之后小胶体颗粒会相互碰撞并被絮凝剂吸附结合成较大的颗粒,在经过处理使其沉淀从而降低水的浊度[10]

    自一厂调节水池取样检测可知,沉淀池每天正常的排泥水浊度约200 NTU,沉淀池沉淀区放空时排水浊度约在200~1000 NTU,清洗时排出的污泥水10000 NTU以上且污泥泥溴味很浓。因二厂沉淀池排泥系统正常,其排泥水可供参照,自二水厂回用水池沉淀池侧取水检测可知,二厂每日正常排泥水浊度约在180 NTU,水中有鱼腥味,无溴味。由于一厂沉淀池放空和清洗时由于水中污泥浓度太高,为保证实验正常进行,烧杯实验时对污泥水进行稀释,保证浊度大于二厂排泥水浊度。

    分别取1 L实验原水于6只烧杯中,使用六联搅拌仪进行烧杯实验。烧杯实验参数根据水厂运行条件设定,混凝搅拌程序分为4段,见表1,准备就绪后,经过0.5 min的快速搅拌(水样混合均匀)之后,加入所需的混凝剂,沉降30 min后取液面下2.0 cm处的水样测定浊度、CODMN、UV254、氨氮等。实验程序见表1

    表 1  混凝烧杯实验程序
    程序转速/r·min–1t/min
    12500.5
    22001.5
    34010
    4030
     | Show Table
    DownLoad: CSV

    混凝剂:聚合氯化铝(PAC)、壳聚糖季铵盐(HACC)、铝铁盐(FeAl);助凝剂:聚丙烯酰胺(PAM);活性炭。

    (1)在将一厂沉淀池排泥廊道泥水(浊度大于10 000 NTU)与进水混合稀释至不同浊度、具强烈泥溴味水质条件下,分别用液体PAC、HACC、FeAl药剂进行药剂筛分试验。

    (2)在将一厂沉淀池排泥廊道泥水(浊度大于10 000 NTU)与进水混合稀释至不同浊度、具强烈泥溴味水质条件下,通过药剂筛选试验,化验室以清水源液体PAC药剂为主、以液体HACC及FeAl药剂为辅,分别与高锰酸盐复合药剂、PAM助凝剂、活性炭进行复配试验

    (3)考虑到宁东一水厂刮泥机、排泥阀改造完毕后,沉淀池每日排泥水的浊度会比现在高,浓缩池的实际处理效果目前无法验证,化验室以宁东二水厂沉淀池排泥水为参照,在沉淀池排泥水浊度180 NTU、水温14 ℃、pH值8.07、具明显鱼腥味水质条件下,进行烧杯试验。

    将原泥水样(浊度>10000NTU)稀释至300~450、688、842、1 140~1 790 NTU进行混凝烧杯实验。实验中这3项操作均相同,分别为混合1 min、絮凝9 min、沉淀10 min。

    分别用将原泥水样稀释至300~450、688、842、1 140~1 790 NTU的样品投加不同浓度的絮凝剂进行药剂筛分实验,结果见图1

    图 1  不同初始泥水浊度投加不同浓度絮凝剂后的沉后水浊度

    当稀释后泥水浊度大约在800 NTU左右时,沉后水浊度随着药剂投加量浓度的增加而降低,这是因为泥水中的颗粒物带有负电,随着絮凝剂投加量逐渐增加,会将越来越多的正电荷引入体系,这样胶体更易发生脱稳过程,泥水浊度也逐渐下降,其次重力作用在絮凝过程也发挥着重要的作用。当稀释后泥水浓度在1 140~1 790 NTU时絮凝剂对浊度的处理效果不稳定,经HACC处理的泥水虽处理效果不稳定,但浊度明显呈下降趋势。以上实验沉后水均有明显泥溴味,

    总之,絮凝剂液体HACC的处理效果最好,FeAl效果最差。稀释后泥水浊度在300~680 NTU时,液体PAC加药量在15 mg/L以上时,沉后水浊度均可降到10 NTU以内;稀释后泥水浊度在800~1 790 NTU时,液体PAC加药量在15 mg/L以上时,沉后水浊度均可降到30 NTU以内,且沉后水均有明显泥溴味,较原稀释后泥水的泥溴味有略微减弱。

    将原泥水样稀释至300~450、842、300、317 NTU。经过之前的药剂筛选实验,选用PAC药剂为主、HACC及FeAl药剂为辅,分别与高猛酸盐复合药剂、PAM助凝剂、活性炭进行复配实验,结果见图23

    图 2  PAC与高锰酸盐复合药剂复配下的沉后水浊度
    图 3  不同初始泥水浊度投加不同絮凝剂与高锰酸盐复合药剂复配下的沉后水浊度

    投加同等剂量的PAC药剂后随着1%高锰酸盐复合药剂投加量的增加,沉后水的浊度先下降后增加如图2所示,其对沉后水的浊度影响不大。图3则展示了两组对照试验,在同相同加药量的条件下,加入0.4 mL1%高锰酸盐复合药剂的实验组沉后水浊度变化不规律,但总体还是有降浊效果的。重复对照试验仅将絮凝剂初始投加量进行调整并改加0.5 mL1%高锰酸盐复合药剂,可见沉后水浊度可降低0.10~1.0 NTU,滤后水高锰酸盐指数可再降低3.1%。

    总之,不同浓度高锰酸盐复合药剂对沉后水浊度影响不大;沉后水中高锰酸盐指数能再降低3.10%~5.66%,浊度可降低0.1~1.0 NTU,但沉后水泥溴味没有明显变化。表明高锰酸盐复合药剂对水中有机物有一定的去除效果且在混凝沉淀中同样具有一定的助凝作用,但对去除水中泥溴味几乎没有效果。

    投加同等剂量的PAC或HACC药剂后随着1%PAM投加量增加,投加PAC药剂的沉后水浊度变化不是很稳定,但稍有下降趋势;而投加HACC药剂的沉后水浊度虽有轻微上升但随PAM投加量增加浊度有明显降低见图4。还显示同等絮凝剂投加药量条件下、PAM投加量越大沉后水浊度越低,且絮凝剂投加量越高效果越好。之后进行了对照试验,图5在相同PAC加药量的条件下,加入0.1 mL 1%PAM的实验组沉后水浊度可降低0.90 NTU左右。重复对照试验仅将絮凝剂初始投加量进行调整并改加1.5 mL 1%PAM,实验结果可见沉后水浊度可降低3.00 NTU左右。

    图 4  不同药剂与不同浓度PAM复配下的沉后水浊度

    总之,同等加药量条件下,PAM的投加量越大,沉后水浊度越低。表明PAM对混凝沉淀具有一定助凝作用,但对去除水中泥溴味几乎没有效果。

    图 5  液体PAC与PAM复配下的沉后水浊度

    分别在加入絮凝剂之前和之后投加活性炭进行对比,结果见图6。除了在加入PAC后再加入活性炭的实验中沉后水浊度有明显下降,其余变化无规律。但对于两种絮凝剂PAC和HACC,无论活性炭在加药前还是在加药后投加,沉后水泥溴味均有明显减弱,仅有微弱的溴味。图7展示了对照试验,在同相同加药量的条件下,加入0.4 mL 1%活性炭后,沉后水浊度较未加活性炭可降低0.16~0.62 NTU,且沉后水泥溴味均有明显减弱,仅有微弱的溴味。之后重复对照试验,仅将PAC初始投加量进行调整并改加0.5 mL 1%活性炭实验结果可见,加入0.5 mL 1%活性炭后,沉后水浊度较未加活性炭可降低0.45 NTU左右,且沉后水泥溴味均有明显减弱,仅有微弱的溴味。

    图 6  不同药剂与不同浓度活性炭复配下的沉后水浊度

    活性炭的投加量对沉后水泥溴味的去除几乎没有影响;同等加药量条件下、活性炭投加量越大,沉后水浊度越低,且沉后水泥溴味均有明显减弱,仅有微弱的溴味;而且活性炭在水处理过程中不但具有助凝作用,且对去除水中泥溴味具有很好的效果。

    图 7  液体PAC与活性炭复配下的沉后水浊度

    考虑到宁东一水厂刮泥机、排泥阀改造完毕后,沉淀池每日排泥水的浊度会比现在高,浓缩池的实际处理效果目前无法验证,化验室以宁东二水厂沉淀池排泥水为参照,在沉淀池排泥水浊度180 NTU、水温14 ℃、pH值8.07、具明显鱼腥味水质条件下,进行如下的烧杯试验,见图8

    图 8  二水厂液体PAC、HACC、FeAl药剂烧杯实验下的沉后水浊度

    回收水池泥水浊度在180 NTU时,絮凝剂液体HACC的效果最好,液体PAC与FeAl的效果相近。加药量在10 mg/L以上时,沉后水浊度均可降到5NTU以内,且沉后水鱼腥味明显减弱。加入絮凝剂不但能够大大降低沉后水浊度而且能够提高沉淀效率,以此提升整个水厂的工作进度。

    1)整体来看,絮凝剂中液体HACC的处理效果最好,液体PAC较FeAl效果好。稀释后泥水浊度在300~680 NTU时,液体PAC加药量在15 mg/L以上时,沉后水浊度均可降到10 NTU以内;稀释后泥水浊度在800~1 790 NTU时,液体PAC加药量在15 mg/L以上时,沉后水浊度均可降到17 NTU以内,且沉后泥溴味有轻微减弱,建议增加加药系统,可投加各类絮凝剂。

    2)不同浓度高锰酸盐复合药剂对沉后水浊度影响不大;高锰酸盐复合药剂对水中有机物有一定的去除效果,在混凝沉淀中具有一定的助凝作用,但对去除水中泥溴味几乎没有效果。建议投加高锰酸盐装置,实际运行时按0.5 mg/L投加。

    3)同等加药量条件下、PAM投加量越大,沉后水浊度越低;在同等加药量条件下,表明PAM对混凝沉淀具有一定助凝作用,对去除水中泥溴味几乎没有效果。建议投加PAM装置,实际运行时按0.1~0.3 mg/L投加。

    4)同等加药量条件下、活性炭投加量越大,沉后水浊度越低,且沉后水泥溴味均有明显减弱,仅有微弱的溴味;同等加药量条件下,加入0.4~0.5 mL 1%活性炭后,沉后水浊度较未加活性炭可降低0.45 NTU左右,且沉后水泥溴味均有明显减弱,仅有微弱的溴味。表明活性炭在水处理过程中具有助凝作用,且对去除水中泥溴味具有很好的效果。实际运行时如按0.4~0.5 mg/L投加粉末活性炭,可有效去除泥溴味的。

  • 图 1  微波热脱附实验装置

    Figure 1.  Experimental device of microwave thermal desorption

    图 2  停留时间对绝缘油去除率的影响

    Figure 2.  Effect of residence time on the removal rate of insulating oil

    图 3  土壤含水率对绝缘油去除率的影响

    Figure 3.  Effect of soil moisture content on removal rate of insulating oil

    图 4  初始浓度对绝缘油去除率的影响

    Figure 4.  Effect of initial concentration on removal rate of insulating oil

    图 5  微波功率对绝缘油去除率的影响

    Figure 5.  Effect of microwave power on the removal rate of insulating oil

    表 1  不同功率和微波时间下的能耗

    Table 1.  Energy consumption under different power and time

    微波时间/min能耗/kJ
    400 W600 W800 W1 000 W1 200 W
    5 0.033 0.050 0.067 0.083 0.100
    10 0.067 0.100 0.133 0.167 0.200
    15 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300
    20 0.133 0.200 0.267 0.333 0.400
    微波时间/min能耗/kJ
    400 W600 W800 W1 000 W1 200 W
    5 0.033 0.050 0.067 0.083 0.100
    10 0.067 0.100 0.133 0.167 0.200
    15 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300
    20 0.133 0.200 0.267 0.333 0.400
    下载: 导出CSV

    表 2  微波处理前后土壤中脂肪烃质量分数

    Table 2.  Aliphatic content in soil before and after microwave treatment mg·kg−1

    脂肪烃类别含油率 5% 土样300 ℃ 处理后土样350 ℃ 处理后土样400 ℃ 处理后土样450 ℃ 处理后土样
    C8~C10
    C10~C125.7
    C12~C165 823.31 620.9284.91.10.9
    C16~C2141 596.920 882.89 187.2251.196.8
    C21~C346 075.12 984.91 641.6317.918.3
      注:−表示未检测出。
    脂肪烃类别含油率 5% 土样300 ℃ 处理后土样350 ℃ 处理后土样400 ℃ 处理后土样450 ℃ 处理后土样
    C8~C10
    C10~C125.7
    C12~C165 823.31 620.9284.91.10.9
    C16~C2141 596.920 882.89 187.2251.196.8
    C21~C346 075.12 984.91 641.6317.918.3
      注:−表示未检测出。
    下载: 导出CSV

    表 3  微波处理前后土壤中芳香烃质量分数

    Table 3.  Arene content in soil before and after microwave treatment mg·kg−1

    芳香烃类别含油率 5% 土样300 ℃ 处理后土样350 ℃ 处理后土样400 ℃ 处理后土样450 ℃ 处理后土样
    C7.6~C10.1
    C10.1~C11.7
    C11.7~C15.51.2
    C15.5~C20.8108.2117.9133.734.4
    C20.8~C34.0132.961.868.322.3
      注:−表示未检测出。
    芳香烃类别含油率 5% 土样300 ℃ 处理后土样350 ℃ 处理后土样400 ℃ 处理后土样450 ℃ 处理后土样
    C7.6~C10.1
    C10.1~C11.7
    C11.7~C15.51.2
    C15.5~C20.8108.2117.9133.734.4
    C20.8~C34.0132.961.868.322.3
      注:−表示未检测出。
    下载: 导出CSV
  • [1] 全国土壤污染状况调查公报(2014年4月17日)[J]. 环境教育, 2014, (6): 8-10.
    [2] 韩超, 陈彬, 刘阁. 颗粒污染物对变压器油理化性能的影响[J]. 石油学报(石油化工), 2016, 32(6): 1156-1163.
    [3] 刘佳. 废变压器油中污染物及环境风险评价研究[D]. 保定: 华北电力大学, 2015.
    [4] 郭涛涛, 王达达, 高阔, 等. X射线对变压器油的影响研究[J]. 核电子学与探测技术, 2012, 32(12): 1437-1440. doi: 10.3969/j.issn.0258-0934.2012.12.023
    [5] 侯朝鹏, 李永丹, 夏国富, 等. 典型单环和双环芳烃加氢热力学分析[J]. 石油化工, 2013, 42(6): 625-631. doi: 10.3969/j.issn.1000-8144.2013.06.007
    [6] 孟祥帅, 陈鸿汉, 郑从奇, 等. 焦化厂不同污染源作用下土壤PAHs污染特征[J]. 中国环境科学, 2020, 40(11): 4857-4864. doi: 10.3969/j.issn.1000-6923.2020.11.026
    [7] ENUNEKU A, OGBEIDE O, OKPARA B, et al. Ingestion and dermal cancer risk via exposure to polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) contaminated soils in an oil producing community, Niger Delta, Nigeria[J]. Environmental Toxicology and Chemistry, 2020, 40(1): 261-271.
    [8] 王国秉. 关于俄罗斯萨扬·舒申斯克水电站事故的思考[J]. 山西水利科技, 2010(2): 1-5. doi: 10.3969/j.issn.1006-8139.2010.02.001
    [9] 赵玉霞, 杨珂. 石油污染土壤修复技术研究综述[J]. 环境科技, 2009, 22(S1): 60-63.
    [10] 邢汉君, 蒋俊, 李晶, 等. 有机氯农药污染土壤异位热脱附修复研究[J]. 湖南农业科学, 2019(11): 62-64.
    [11] 赵中华, 李晓东, 陈彤, 等. 多氯联苯污染土壤热脱附研究综述[J]. 生态毒理学报, 2016, 11(2): 61-68.
    [12] 刘珑, 王殿生, 曾秋孙, 等. 微波修复石油污染土壤升温特性影响因素的实验研究[J]. 环境工程学报, 2011, 5(4): 898-902.
    [13] 桑义敏, 艾贤军, 马绍芳, 等. 基于超声波-微波耦合效应的石油烃类污染土壤的热脱附规律与参数优化[J]. 环境工程学报, 2019, 13(10): 2311-2319. doi: 10.12030/j.cjee.201905113
    [14] 刘珑, 王殿生, 曾秋孙, 等. 微波修复原油污染土壤的均匀设计实验[J]. 环境工程学报, 2012, 6(6): 2034-2038.
    [15] LUO H, WANG H, KONG L, et al. Insights into oil recovery, soil rehabilitation and low temperature behaviors of microwave-assisted petroleum-contaminated soil remediation[J]. Journal of Hazardous Materials, 2019, 377: 341-348. doi: 10.1016/j.jhazmat.2019.05.092
    [16] ELDOS H I, ASHFAQ M Y, AL-GHOUTI M A. Rapid assessment of the impact of microwave heating coupled with UV-C radiation on the degradation of PAHs from contaminated soil using FTIR and multivariate analysis[J]. Arabian Journal of Chemistry, 2020, 13(11): 7609-7625. doi: 10.1016/j.arabjc.2020.08.031
    [17] DI P K, CHANG D P. Investigation of polychlorinated biphenyl removal from contaminated soil using microwave-generated steam[J]. Journal of the Air & Waste Management Association, 2001, 51(4): 482-488.
    [18] KAWALA Z A, ATAMANCZUK T. Microwave-enhanced thermal decontamination of soil[J]. Environmental Science & Technology, 1998, 32(17): 2602-2607.
    [19] 王贝贝, 朱湖地, 胡丽, 等. 硝基酚, 六氯苯污染土壤的微波修复[J]. 环境化学, 2013, 32(8): 1560-1565. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2013.08.022
    [20] TAI H S, JOU C J. Immobilization of chromium-contaminated soil by means of microwave energy[J]. Journal of Hazardous Materials, 1999, 65(3): 267-275. doi: 10.1016/S0304-3894(98)00274-X
    [21] 吴风光. 微波辐射修复Cr(Ⅵ)污染土壤的研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2013.
    [22] 刘娜, 赵维, 赵浩, 等. 微波修复氯丹污染土壤中氯丹降解的影响因素研究[J]. 环境污染与防治, 2012, 34(5): 43-47. doi: 10.3969/j.issn.1001-3865.2012.05.009
    [23] ABRAMOVITCH R A, HUANG B Z, DAVIS M, et al. Decomposition of PCB's and other polychlorinated aromatics in soil using microwave energy[J]. Chemosphere, 1998, 37(8): 1427-1436. doi: 10.1016/S0045-6535(98)00133-7
    [24] ABRAMOVITCH R A, HUANG B Z, ABRAMOVITCH D A, et al. Decomposition of PCBs in soil using microwave energy[J]. Chemosphere, 1999, 38(10): 2227-2236. doi: 10.1016/S0045-6535(98)00441-X
    [25] 田勐, 袁松虎, 陆晓华. 微波辐射在二氧化锰诱导下对六氯苯污染土壤的修复研究[J]. 环境保护科学, 2006, 32(2): 49-52. doi: 10.3969/j.issn.1004-6216.2006.02.016
    [26] 孙磊, 蒋新, 周健民, 等. 五氯酚污染土壤的热修复初探[J]. 土壤学报, 2004, 41(3): 462-465. doi: 10.3321/j.issn:0564-3929.2004.03.021
    [27] 周翠红, 王世晗, 周怡. 响应曲面法优化微波修复二甲苯污染土壤工艺参数[J]. 环境污染与防治, 2020, 42(3): 259-263.
    [28] LIU X T, ZHANG Q, ZHANG G X, et al. Application of microwave irradiation in the removal of polychlorinated biphenyls from soil contaminated by capacitor oil[J]. Chemosphere, 2008, 72(11): 1655-1658. doi: 10.1016/j.chemosphere.2008.05.030
    [29] PETARCA L, CIONI B. Petroleum products removal from contaminated soils using microwave heating[J]. Chemical Engineering Transactions, 2011, 24: 1033-1038.
    [30] 中华人民共和国生态环境部. 土壤 石油类的测定 红外分光光度法: HJ 1051-2019[S]. 北京: 中国环境出版社, 2019.
    [31] 中华人民共和国生态环境部. 土壤和沉积物 石油烃(C10-C40)的测定 气相色谱法: HJ 1021-2019[S]. 北京: 中国环境出版社, 2019.
    [32] FALCIGLIA P P, GIUSTRA M G, VAGLIASINDI F G A. Low-temperature thermal desorption of diesel polluted soil: Influence of temperature and soil texture on contaminant removal kinetics[J]. Journal of Hazardous Materials, 2011, 185(1): 392-400. doi: 10.1016/j.jhazmat.2010.09.046
    [33] GEORGE C E, LIGHTSEY G R, JUN I, et al. Soil decontamination via microwave and radio frequency co-volatilization[J]. Environmental Progress & Sustainable Energy, 2010, 11(3): 216-219.
    [34] LIU X T, YU G. Combined effect of microwave and activated carbon on the remediation of polychlorinated biphenyl-contaminated soil[J]. Chemosphere, 2006, 63(2): 228-235. doi: 10.1016/j.chemosphere.2005.08.030
    [35] 齐红媛. 微波处理被原油和成品油污染土壤的规律研究[D]. 西安: 西安石油大学, 2013.
    [36] 中华人民共和国生态环境部. 土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准(试行): GB 36600-2018[S]. 北京: 中国环境科学出版社, 2018.
    [37] GILOT P, HOWARD J B, PETERS W A. Evaporation phenomena during thermal decontamination of soils[J]. Environmental Science and Technology, 1997, 31(2): 461-466. doi: 10.1021/es960293p
    [38] 李大伟. 石油污染土壤的碳材料增强微波热修复研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2008.
  • 加载中
图( 5) 表( 3)
计量
  • 文章访问数:  4100
  • HTML全文浏览数:  4100
  • PDF下载数:  40
  • 施引文献:  0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-09-29
  • 录用日期:  2021-11-30
  • 刊出日期:  2021-12-10
刘松涛, 谷兴家, 贾文波, 曹悦, 徐珺, 车凯, 郁金星, 陈传敏. 绝缘油污染土壤微波热脱附的影响因素[J]. 环境工程学报, 2021, 15(12): 3974-3981. doi: 10.12030/j.cjee.202109169
引用本文: 刘松涛, 谷兴家, 贾文波, 曹悦, 徐珺, 车凯, 郁金星, 陈传敏. 绝缘油污染土壤微波热脱附的影响因素[J]. 环境工程学报, 2021, 15(12): 3974-3981. doi: 10.12030/j.cjee.202109169
LIU Songtao, GU Xingjia, JIA Wenbo, CAO Yue, XU Jun, CHE Kai, YU Jinxing, CHEN Chuanmin. Influencing factors on the microwave thermal desorption of insulating oil contaminated soil[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(12): 3974-3981. doi: 10.12030/j.cjee.202109169
Citation: LIU Songtao, GU Xingjia, JIA Wenbo, CAO Yue, XU Jun, CHE Kai, YU Jinxing, CHEN Chuanmin. Influencing factors on the microwave thermal desorption of insulating oil contaminated soil[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(12): 3974-3981. doi: 10.12030/j.cjee.202109169

绝缘油污染土壤微波热脱附的影响因素

    通讯作者: 陈传敏(1973—),男,博士,教授。研究方向:电网环境保护及燃烧污染物控制。E-mail:hdccm@126.com
    作者简介: 刘松涛(1980—),男,博士,副教授。研究方向:环境污染控制技术。E-mail:taonyliu@163.com
  • 1. 华北电力大学(保定)环境科学与工程系,保定 071003
  • 2. 北京国电富通科技发展有限责任公司,北京 100071
  • 3. 国网河北省电力有限公司电力科学研究院,石家庄 050021
基金项目:
国家电网公司科技项目(5204DY19000A)

摘要: 为探究绝缘油污染土壤微波热脱附的影响条件,考察了温度、停留时间、土壤含水率、污染物初始浓度和微波功率对土壤中绝缘油去除效果的影响。结果表明,温度和停留时间显著影响土壤中绝缘油的去除率,在400 ℃、微波处理时间5 min的条件下,土壤中绝缘油的去除率为98.6%。当土壤含水率为5%时,土壤中绝缘油的去除率达到最佳。在微波处理15 min内,土壤中绝缘油的去除率随着绝缘油初始浓度的升高逐渐降低。微波功率越高,土壤中绝缘油的微波热脱附效率越高,综合考虑能耗和去除率,微波功率为1 000 W时较优。绝缘油污染土壤微波热脱附机理研究表明,脂肪烃主要通过蒸汽蒸馏和热解吸两种方式从土壤中脱除。本研究结果可为高浓度绝缘油污染土壤微波热脱附技术应用提供参考。

English Abstract

  • 据《全国土壤污染状况调查公报》[1],我国土壤污染物总超标率为16.1%,其中,油类有机物是导致土壤污染的重要污染物之一。绝缘油是通过石油蒸馏、精炼得到的一种矿物油,广泛用在变压器、电容器等电力设备中[2-3]。矿物绝缘油主要由烷烃、环烷烃和芳香烃等化合物组成,具有良好的绝缘性、稳定性和冷却性,但难以在自然界中降解[4-5]。其中,绝缘油中含有的多环芳烃(PAHs)具有“三致”效应,可严重危害环境和人群健康[6-7]。当这些电力设备在检修或者发生故障时,通常会发生绝缘油泄露,因而可能会对周围的土壤、地下水等造成污染[8]

    污染土壤修复方法主要分为物理修复、化学修复和生物修复,其中,物理修复中热脱附技术是处理油类有机污染物有效的方式之一[9-12]。微波加热具有整体加热、升温速率快等优点,热脱附处理过程中采用微波辅助加热的方式能够使土壤中的污染物得以快速挥发、分解或固定,从而提高修复效率[13-16]。目前,国内外采用微波加热修复污染土壤的研究主要集中在污染土壤中挥发性和半挥发性有机物(如甲苯、PAHs、PCBs等)[17-19]、重金属[20-21]、有机氯农药类[22]等污染物的治理。ABRAMOVITCH等[23-24]将微波加热应用于PCBs污染土壤的修复,采用活性炭和铅笔芯作为微波吸收介质,在PCBs的初始质量分数为146 mg·kg−1的土壤中加入400 mg活性炭,微波功率750 W加热25 min后,PCBs的去除率达到87.8%;当土壤中加入长2.7 cm、直径2.0 mm的铅笔芯,微波功率1 000 W加热3 min后,PCBs的去除率达到100%。田勐等[25]采用微波修复六氯苯(HCB)污染土壤,以MnO2作为吸收介质,发现在微波功率750 W加热20 min,酸性条件下HCB的去除率可达到100%。孙磊等[26]对五氯酚污染土壤的热修复实验中发现,五氯酚的去除率随着含水率的增加先升高再降低。而另有研究表明,污染物的去除率随着含水率的增加先降低再趋于稳定[22]。可见,对于含水率的研究还存在分歧,因此,有待进一步研究含水率对污染物去除率的影响。周翠红等[27]采用微波热脱附技术对二甲苯污染土壤进行了工艺参数研究,研究结果表明,微波功率、含水率和辐射时间对二甲苯的去除率有显著影响。在石油烃污染土壤修复方面,LIU等[28]研究了微波修复油类污染土壤中PCBs的适用性,在添加微波吸收剂的情况下微波辐射10 min,PCBs的去除效果达到80%以上。PETARCA等[29]采用微波作为热源,考察了温度、含水率和处理时间对石油烃类污染土壤去除效果的影响,结果表明,高介电损耗因子的污染物更容易被去除,此外,土壤中水分的含量对污染物的去除起到关键作用。

    绝缘油是石油烃类矿物油,是从石油中提炼出来的中性烃类分子的混合物,具有良好的化学稳定性,较难降解。实际绝缘油污染土壤中的成分复杂,微波修复绝缘油污染土壤修复的工艺参数和机理鲜有报道。本研究采用微波热脱附技术对绝缘油污染土壤进行修复,重点考察了温度、停留时间、含水率、初始浓度和微波功率5个因素对绝缘油去除效果的影响,并对土壤中绝缘油微波热脱附机理进行了分析,以期为微波热脱附技术应用于绝缘油污染土壤修复提供参考。

    • 微波热脱附实验装置如图1所示,实验装置包括气体装置、热脱附系统和尾气处理系统组成。采用氮气作为吹扫气体。热脱附系统采用CY-TH1000C-S微波气氛热重炉,频率为2.45 GHz±25 MHz,功率0.2~1.40 kW连续可调,采用热电偶实时测定系统炉膛温度,控温精度±0.05。尾气处理系统包括冷凝管、收集瓶和洗气瓶,微波热脱附过程中产生的不凝气体通过装有乙醇水溶液的洗气瓶吸收,处理后的尾气排入近地面大气中。

      实验仪器。SX2-10-12N箱式电阻炉;DHG-9145AD电热恒温鼓风干燥箱;ME203电子天平;JLBG-129U红外分光测油仪;JP-100S超声波清洗机;CY-TH1000C-S微波气氛热重炉;安捷伦7890B-5977B MSD气相色谱-质谱联用仪(GC-MS);QSC-12T氮吹仪。

      实验材料。绝缘油取自变电站25号变压器油,密度883 kg·m−3,闪点158 ℃,初馏点>250 ℃。硅胶、氧化铝(Al2O3)、无水硫酸钠(Na2SO4)、四氯乙烯(C2Cl4)、正己烷(C6H14)、二氯甲烷(CH2Cl2)均为分析纯;正辛烷(C8H18,99.4%)、正葵烷(C10H22,99.8%)、正十二烷(C12H26,99.6%)、正十六烷(C16H34,99.5%)、正二十一烷(C21H44,99.6%)、正三十四烷(C34H70,99.4%)、甲苯(C7H8,99.9%)、1,2,3-三甲基苯(C9H12,93.3%)、萘(C10H8,99.6%)、苊(C12H10,99.9%)、芘(C16H10,98.9%)、苯并苝(C22H12,95.7%)。

    • 1)污染土壤制备。由于从污染场地取来的绝缘油污染土壤中绝缘油含量不均匀,不利于比较微波热脱附修复效果,因此,本研究采用自配绝缘油污染土壤。土壤采集自变电站周围棕壤,土壤的孔隙度48.64%、含水率11.53%、pH值5.7、有机质质量分数为9.72 mg·g−1。为了实验样品的均一性,对土壤样品进行了预处理。在实验室将植物根茎、砂石等杂物去除,在通风橱中自然风干过28目筛搅拌均匀,将风干过28目筛的采集土壤在850 ℃下充分预处理6 h,以去除土壤中的有机污染物,待土壤冷却后放入棕色瓶中保存。

      准确称取100 g经过预处理的土壤,并加入50 mL绝缘油四氯乙烯(10 g·L−1)溶液在恒温摇床振荡24 h,转速设置为150 r·min−1。在旋转蒸发器中蒸干溶液,放置在通风橱中风干12 h,陈化7 d,即可制得绝缘油质量分数约为5 000 mg·kg−1的土壤样品。通过改变绝缘油加入量制得其他质量分数的土壤样品。

      2)实验方法。将绝缘油污染土壤放入微波热脱附反应系统中,以氮气为载气,设置不同微波条件进行实验;处理之后,继续用氮气氛围保护炉膛内温度冷却至室温,将处理后的土壤进行分析。

      温度和停留时间:取含油率和含水率均为5%的土壤30 g,在功率1 000 W下,升温速率为30 ℃·min−1,进行微波加热,分别考察300、350、400、450 ℃和不同微波辐照停留时间对土壤中绝缘油去除率的影响。

      含水率:取含油率5%,含水率分别为0、5%、10%和15%的土壤30 g,在微波功率1 000 W下进行加热,考察土壤含水率对土壤中绝缘油去除率的影响。

      初始浓度:取含油率分别为0.5%、1.5%、3%和5%,含水率为5%的土壤30 g,在1 000 W功率下进行加热,考察绝缘油初始浓度对土壤中绝缘油去除率的影响。

      微波功率:取含油率和含水率均为5%的土壤30 g,分别在400、600、800、1 000和1 200 W功率下进行加热,考察微波功率对绝缘油去除率和能耗的影响。

      土壤中绝缘油微波热脱附机理:取含油率和含水率均为5%的土壤30 g,在微波功率1 000 W下,分别加热到300、350、400和450 ℃,保持恒温5 min,采用GC-MS对处理前后土壤中绝缘油进行分析。

    • 1)土壤中绝缘油浓度分析。实验前后土壤样品中绝缘油浓度的测定参考《土壤石油类的测定 红外分光光度法》(HJ 1051-2019)[30]分析方法。实验土壤中绝缘油的去除率计算参考式(1)。

      式中:ER为土壤中绝缘油去除率;M为土壤中初始绝缘油质量分数,mg·kg−1m为土壤中残留绝缘油质量分数,mg·kg−1

      2)土壤中绝缘油成分分析。实验中采用气相色谱-质谱联用(GC-MS)方法对微波处理前后土壤中绝缘油进行分析检测,具体参考《土壤和沉积物 石油烃(C10-C40)的测定 气相色谱法》(HJ 1021-2019)[31]

    • 取含水率和含油率均为5%的土壤30 g,在功率1 000 W下,升温速率为30 ℃·min−1,进行微波加热,分别加热到300、350、400、450 ℃保持恒温,温度的波动范围为±10 ℃,考察温度和不同微波辐照停留时间对土壤中绝缘油去除率的影响,结果如图2所示。在同一热脱附温度下,随着停留时间的增加,土壤中绝缘油的去除率呈现先快速升高后趋于稳定的趋势。此结果表明,土壤中绝缘油的去除率基本在5 min时趋于平衡。当微波处理温度为300、350、400和450 ℃,停留时间5 min时,土壤中绝缘油的去除率分别为37.5%、68.5%、98.6%和99.9%;当停留时间达8 min时,土壤中绝缘油的去除率分别为38.3%、71.8%、99.6%和99.9%。由此可见,停留时间0~5 min是绝缘油的快速脱附阶段,在同一温度下,当微波热脱附平衡后,延长停留时间对土壤中绝缘油的去除影响较小。FALCIGLIA等[32]研究了在280 ℃下停留时间对土壤中柴油去除率的影响,结果与本实验相似。

    • 取含油率5%,含水率分别为0、5%、10%和15%的土壤30 g,在1 000 W功率下进行加热,考察土壤含水率对土壤中绝缘油去除率的影响,结果如图3所示。在微波处理时间0~15 min,含水率从0增加到5%,土壤中绝缘油的去除率逐渐升高。当含水率为5%,微波处理20 min,绝缘油去除率达到99.9%。当含水率从5%增加到15%,微波处理0~15 min,土壤中绝缘油去除率则逐渐降低。当微波处理足够长时间,绝缘油去除效果基本一致。由此可知,含水率过多或过少都不利于土壤中绝缘油的去除。土壤含水率从0到5%时绝缘油去除率升高,这可能是因为:在含水率较低的情况下,含水率增加使强极性水分子占据了更多的土壤吸附位点[33],使得较多的绝缘油可以从土壤中被去除。土壤含水率从5%到15%时绝缘油的去除率反而降低,这可能是因为:在微波热脱附过程中,过多的水分会导致微波加热挥发水分消耗较多能量[34],使得土壤中绝缘油被脱附出来后得到的能量降低,造成绝缘油去除率降低。

    • 取含油率分别为0.5%、1.5%、3%和5%,含水率为5%的土壤30 g,在1 000 W功率下进行加热,考察绝缘油初始浓度对土壤中绝缘油去除率的影响,结果见图4。在处理15 min内,绝缘油初始浓度越低,去除效率越好。在微波处理5 min时,含油率为0.5%的污染土壤绝缘油去除率为83.4%,而含油率为1.5%、3%和5%的污染土壤绝缘油去除率分别为42.5%、38.1%和33.9%。在同一绝缘油浓度下,绝缘油去除效果随着处理时间的延长而增加,如从微波处理时间5 min增加到15 min,含油率为5%的土壤中绝缘油去除率从33.9%提高到99.8%。微波处理时间大于15 min后,不同绝缘油初始浓度下,土壤中绝缘油的去除率基本保持一致,且均大于99.5%。这可能是因为,当加热到5 min时,反应系统炉膛中的温度在200 ℃左右,从0~5 min这一加热阶段土壤中的水分大量蒸发,并会携带走绝缘油中易挥发的轻质油组分,该阶段绝缘油主要是通过挥发方式进行脱除。随着微波继续加热,系统温度不断升高,当温度达到绝缘油中各组分的沸点时,吸附于土壤颗粒表面和孔隙中的绝缘油,通过挥发和热解将土壤和绝缘油进行分离。对于污染土壤含水率相同但初始含油率不同的情形,在微波处理0~5 min阶段,通过挥发方式蒸发出去的挥发性物质相同,所以,绝缘油初始浓度高的土壤绝缘油去除效果较差[35]。在微波功率1 000 W条件下,微波辅助加热处理15 min后,土壤中绝缘油的含量远低于《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 36600-2018)[36]中第一类用地的石油烃类筛选值(826 mg·kg−1)。

    • 取含油率和含水率均为5%的土壤30 g,在分别为400、600、800、1 000和1 200 W功率下进行加热,考察微波功率对绝缘油去除率和能耗的影响,结果见图5表1。从图5可看出,在微波功率低于800 W时,绝缘油去除率较低。当微波功率增加到800 W以上,去除率显著提高。在同一功率下,土壤中绝缘油去除效果随着微波处理时间的延长而增加,达到平衡后,去除率趋于稳定。在1 000和1 200 W功率下,处理15 min,绝缘油去除率分别为99.8%和99.9%,效果相当。在800 W功率下,处理20 min,绝缘油去除率为91.8%。由表1可看出,微波功率1 000 W处理15 min时的能耗为0.250 kJ;微波功率1 200 W处理15 min时的能耗为0.300 kJ;微波功率800 W处理20 min时的能耗为0.267 kJ。由此可知,功率越小,提高绝缘油去除率需要延长加热时间,同样能耗也越高。因此,当功率为1 000 W时,去除效果高且能耗最小。

    • 本实验对微波加热到不同温度处理前后的土壤中绝缘油进行了分析。通过与绝缘油原料GC-MS分析对比,其结果与绝缘油原成分基本相同。数次测试结果表明,回收率在85%~103%。微波处理前后土壤中绝缘油质量分数如表2表3所示。由表2可看出,土壤中绝缘油脂肪烃的组分主要是C12~C34饱和烃类化合物,C12以下的低分子脂肪烃质量分数仅有5.7 mg·kg−1,在绝缘油中含量很少。由表3可看出,土壤中芳香烃组分主要以C15.5~C34.01为主,C11.7~C15.5质量分数仅有1.2 mg·kg−1。非烃类有机物在检测过程中未检出,因此认定其质量分数为0。由土壤中绝缘油成分分析可知,对于绝缘油污染土壤中脂肪烃组分,当微波加热到300 ℃恒温并停留5 min,处理后土壤中脂肪烃C10~C12组分去除率为100%。C10~C12组分沸点较低易挥发,这部分可以认为是通过蒸汽蒸馏去除。当微波加热到350 ℃后,土壤中C12~C16的去除率从72.2%升高到95.1%。350 ℃接近该组分沸点,因此,C12~C16组分可以认为是通过蒸汽蒸馏和蒸发方式脱除。对于脂肪烃C16~C21和C21~C34组分,300 ℃处理后其去除率在50%左右。经过400 ℃处理后,土壤中绝缘油脂肪烃各组分去除率均达到94%以上。这是因为,绝缘油各组分的沸点在260~380 ℃,这一部分可能是通过蒸发方式去除。对于C21~C34组分,在400 ℃处理后去除率为94.8%,450 ℃处理后去除率达到99.7%,约5%可能是通过热解方式脱除。对于高浓度绝缘油污染土壤,绝缘油各组分除了吸附在土壤颗粒表面外,还有一部分存在于土壤孔隙中,这部分污染物需要加热温度达到沸点后通过气化脱离土壤[37]。回收冷凝油通过GC-MS分析,脂肪烃组分的成分主要是C12~C34,没有发现较短碳链的脂肪烃。这表明,土壤中脂肪烃可能是通过热解吸方式脱除。由此可知,土壤中绝缘油脂肪烃中易挥发组分通过蒸汽蒸馏方式脱除,较难挥发的组分主要是通过蒸汽蒸馏和热解吸两种方式脱除。这一实验现象与李大伟[38]对于石油烃微波修复去除机制相似。

    • 1)温度和停留时间显著影响土壤中绝缘油的去除率。随着温度及停留时间的增加,绝缘油去除率逐渐升高;当热脱附达到平衡后,绝缘油去除率趋于稳定。在400 ℃下停留5 min,绝缘油去除率高达98.6%。

      2)在本实验条件下,随着土壤含水率的增加,土壤中绝缘油的去除率先增加再降低;土壤含水率为5%时,土壤中绝缘油去除率最佳。在微波处理15 min内,土壤中绝缘油去除率随着绝缘油初始浓度的升高逐渐降低。

      3)微波功率为1 000和1 200 W,处理15 min时,绝缘油去除率分别为99.8%和99.9%,去除效果相当,此时能耗分别为0.250和0.300 kJ。微波功率为1 000 W时较佳。

      4)土壤中绝缘油微波热脱附的机理为,脂肪烃易挥发组分通过蒸汽蒸馏方式得到去除,较难挥发组分主要通过蒸汽蒸馏和热解吸两种方式从土壤中脱除。

    参考文献 (38)

返回顶部

目录

/

返回文章
返回