「專家視角」燃氣熱脫附技術土壤修復效果及影響因素

摘要

以某退役煤氣廠土壤中苯、萘和 TPH 為目標汙染物，基於燃氣熱脫附技術開展了工程化的修復。當加熱井間距為 2。5 m，加熱 56 d，土壤可升至目標溫度 150 ℃，土壤中苯、萘和 TPH 的去除率分別為100%、92% 和 95%，均達到目標修復值。研究發現，沸點越低，汙染物去除率峰值出現越早；沸點越高，汙染物去除率峰值出現越晚。停止加熱後，測溫點距離加熱井越近，溫度升至峰值的時間越早；測溫點距離加熱井越遠，溫度升至峰值的時間越晚，溫度呈現出明顯的滯後現象。透過能耗分析，每處理1。0 m

3

汙染土壤約消耗天然氣 82。6 m

3

，電量 40。5 kW·h。本研究結果可為利用燃氣熱脫附技術進行土壤修復工程提供參考。

作者：

陳俊華1，2，李紹華1，2，劉晉愷1，2，詹明秀1，2，嶽勇1，2

中化環境修復（上海）有限公司；中國科學院生態環境研究中心城市與區域國家重點實驗室

近年來，隨著城市化程序的加速，堅持人與自然和諧共生、堅持綠色發展已成為普遍共識，大量化工企業被迫搬遷或關停，從而遺留了大量汙染地塊［1-2］，大多數遺留地塊具有高汙染、高風險的特點，對附近環境和人們的生活帶來很大風險，因此汙染地塊修復已經刻不容緩［3-4］。

在有機汙染土壤修復技術中，異位熱脫附技術由於修復效果良好，在國內工程應用中比例較高，但對於一些建築物附近或異味較重的汙染地塊，異位熱脫附技術的應用受到很大限制［5-6］。由於原位熱脫附技術具有適用範圍廣、環境干擾小和可操作性強等優點，該技術近幾年受到人們廣泛關注［7-10］。燃氣熱脫附技術 （Gas thermal desorption，GTD） 在原位熱脫附技術中表現優異，GTD 以天然氣或液化石油氣為能源，透過熱傳導方式加熱汙染地塊，結合抽提裝置實現降低地塊汙染物濃度的目的。GTD 具有處理汙染物種類多、土壤非均質性影響小、修復工藝簡單等突出優點，目前 GTD 已經成為很多科研機構和環保公司重點關注技術［11-12］。

蔣村等［13］ 研究了原位熱脫附技術對氯苯汙染土壤修復影響因素，結果表明，當土壤加熱目標溫度設定為 100 ℃ 時，90。0% 土壤樣品中氯苯去除率達 99。0% 以上，土壤粒徑、土壤含水率對土壤氯苯熱脫附去除效果也有較大影響。胡正等［14］ 研究了原位熱脫附技術在有機汙染地塊中的修復效果，熱脫附法對有機汙染土壤有良好的去除效果，修復后土壤中萘、苯並 （a） 芘的檢出質量分數≤ 0。8 mg·kg

1

，總石油烴檢出質量分數≤96。0 mg·kg

1

，遠小於汙染物修復目標值，修復效果較好。張攀等［15］ 研究表明，在熱脫附去除土壤中硝基苯的過程中，加熱 30 min 後脫附效率為 86。9%，在目標溫度停留 20 min 後，脫附效率為 91。0%，這說明加熱至目標溫度後的停留時間越長，熱脫附效果越好。目前，針對距離加熱井不同位置土壤溫度峰值問題，冷凝廢水中汙染物濃度問題以及能耗問題的研究較少，本研究透過土壤溫度變化、土壤汙染物含量變化、冷凝廢水汙染物含量變化和能耗等進行分析，研究 GTD 在有機汙染地塊中土壤修復效果及影響因素，以為後續類似工程提供實踐經驗。

1 材料與方法

1.1 汙染地塊概況

GTD 應用於我國北方某退役煤氣廠所遺留汙染地塊，地塊面積為1400。0 m

2

，汙染深度為 4。0~7。0m，待修復地塊地下水無汙染。場地調查結果顯示，主要汙染物為 TPH（C<16）、苯、萘等揮發性有機汙染物，其中 TPH、苯、萘最高濃度分別為 4720。0、19。4、529。0 mg·kg

1

。3種汙染物修復目標分別為 826。0、6。4、63。7 mg·kg

1

。地質勘察結果表明，汙染地塊修復區域可分為6個工程地質層，地層巖性分佈如表1所示。同時，根據現場地層情況的不同，0~2。0m主要以雜填土為主，2。0m以下為原狀土，分別對其理化性質進行了測試，具體資訊見表2。

表 1 地塊地層巖性分佈

Table 1 Stratigraphic lithologic distribution of site

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表 2 地塊各土層理化性質

Table 2 Physical and chemical properties of every soil in site

1.2 燃氣熱脫附工藝介紹

裝置主要由加熱系統、抽提系統、溫度監測系統、冷卻系統和尾氣處理系統 5 部分組成。工藝流程圖如圖 1 所示。根據本地塊汙染物與水的共沸點，設定土壤加熱的目標溫度為 150 ℃。首先，在土壤中安置加熱管並透過天然氣加熱升溫，高溫氣體由加熱內管進入，然後透過加熱外管後直接外排。加熱管透過熱傳導方式加熱周圍汙染土壤，並逐漸升高至目標溫度。隨著汙染土壤溫度的升高，目標汙染物 逐漸揮發，甚至裂解，含有汙染物的蒸汽透過抽提井被抽提至地表，再經冷卻系統將高溫蒸汽進行降溫，汽水分離後的氣體透過淨化處理後排放，液體暫存至儲存罐，最後輸送至廢水處理系統進行無害化處置。在土壤加熱過程中，利用壓力監測和溫度監測系統實時監控修復區域，並透過智慧化、自動化控制系統對加熱井溫度進行實時調控。

圖 1 原位燃氣熱脫附技術工藝流程圖

Fig。 1 Process flow diagram of in situ gas thermal desorption technology

1.3 地塊井位佈置

透過地塊水文地質勘測，地下水位在-30。0 m 以下，無需做止水帷幕和降水處理。根據地塊水文地質情況及計算結果，汙染地塊共佈置加熱井 261 口、抽提井 63 口、測溫井 43 口和壓力監測井 14 口，汙染地塊井位佈置如圖 2 所示。

圖 2 汙染地塊井位佈置

Fig。 2 Design of wells location in the contaminated site

加熱井、抽提井布位設計。土壤加熱溫度與加熱井排布方式有關，且加熱井排布不適合會導致能源成本大幅度增加。本修復專案採用正三角排布方式對加熱井進行佈置，透過數值計算和中試實驗，設定加熱井間距為 2。5 m，抽提井間距為 5。0 m，抽提井均勻分佈於加熱井周圍，具體排布如圖 3 所示。

圖 3 加熱井和抽提井布點設計

Fig。3 Design of heating wells and extraction wells

測溫井布位設計。為了監測汙染地塊內土壤冷點溫度變化，在修復區域內共佈置測溫井35 口，測溫井位於正三角排布的 3 口加熱井中心點，如圖 4 所示。測溫井內共放置 5 個熱電偶，熱電偶深度位置分別為0。5、1。5、3。0、 5。0、7。0 m。

圖 4 加熱井和測溫井布點設計

Fig。 4 Design of heating wells and temperature measuring wells

土壤導熱係數較低，為研究單口加熱井的周圍土壤溫度變化情況，在修復區域內選定 1 口加熱井並在其附近設定一系列測溫井，測溫井與選定加熱井的距離分別為 0。50、1。00、1。25、1。44 m，具體位置如圖 5 所示。

圖 5 距離單井熱源測溫井設計

Fig。 5Design of temperature measuring wells from single well heat source

高溫會對周邊建築物地基造成影響，因此需要監測加熱井熱量傳導距離。本研究選擇 1 口邊界處加熱井，研究其附近土壤溫度變化。在加熱井同一個方向設定一系列測溫井，測溫井與加熱井的距離分別為 0。5、1。0、1。5、 2。0、2。5 m。測溫井深度為8。0 m，其中熱電偶放置深度為7。0 m。

1.4 取樣分析

汙染地塊修復後，在地塊內佈置13個取樣點，取樣點均在冷點位置，記為 Q1~Q13。上層 0~4。0 m是未汙染土壤，在取樣點垂直方向上取2個土壤樣品，間隔為 2。0m；下層 4。0~7。0 m是汙染土壤，垂直方向上取3個土壤樣品，間隔為 1。0 m，取樣點具體位置如圖 6 所示。

圖 6 土壤取樣點位分佈

Fig。 6 Distribution of soil sample point

當土壤升至目標溫度後，燃氣熱脫附裝置仍維持加熱 7d，然後進行土壤樣品採集。樣品採集後立即放入 0~4 ℃ 的冷藏箱內儲存，並於 48 h 內送至實驗室進行檢測。實驗室檢測指標為苯、萘和 TPH，檢測裝置為氣質聯用儀 GC-MS（EXPEC 5231，杭州譜育科技發展有限公司） 和氣相色譜儀 （GC 2000，杭州譜育科技發展有限公司），檢測方法依據 HJ 605-2011［16］。

汙染地塊地下水位較深，但淺層滯水會隨土壤溫度升高而逐漸蒸發，經抽提井至地表，然後經過冷凝系統形成冷凝廢水。每 14 d 對冷凝廢水進行檢測 1 次，監測廢水中汙染物濃度變化，從而間接反映汙染土壤修復效果。實驗室檢測指標為苯、萘和 TPH，檢測裝置均為氣相色譜儀 （GC 2000，杭州譜育科技發展有限公司），檢測方法分別依據HJ1067-2019［17］、GB/T5750。8-2006［18］ 和HJ894-2017［19］。

2 結果與分析

2.1 土壤溫度變化

由於本地塊內測溫井較多，本研究選取 2 個具有代表性的測溫井進行土壤溫度變化分析，測溫井記為 Ta 和 Tb（具體位置見圖 4），土壤溫度隨時間變化如圖 7 所示。由圖可知，地塊內冷點處土壤升至目標溫度 150 ℃ 約需要 56d。土壤升至目標溫度後，熱脫附裝置持續加熱 7d後停止加熱，直至 77d 時 Ta 和 Tb 處土壤溫度才開始出現下降趨勢。這是因為，熱量在土壤中的傳遞需要一定過程，當停止加熱時，冷點處土壤溫度出現持續上升現象，該現象體現出溫度變化的滯後效應。停止加熱後，溫度監測系統繼續對土壤溫度進行監測，112d后土壤溫度仍大於 60 ℃。

圖 7 土壤溫度隨時間變化情況

Fig。 7 Variation of soil temperature with time

為研究單口加熱井附近土壤溫度變化情況，在距離加熱井 0。50、1。00、1。25、1。44 m 處分別設定測溫井，對附近土壤溫度進行監測，測溫井記為 T1、T2、T3 和 T4（見圖 5），溫度變化情況如圖 8 所示。測溫井距離加熱井越近，溫度越高，當最遠處測溫井 T4 升至目標溫度 150 ℃ 時，其他測溫井 T1、T2、T3 溫度分別 為 221、182、173 ℃，均已超過目標溫度。停止加熱後初始階段，一定時間內所有測溫井溫度仍會持續上升，且距離加熱井越近的測溫點達到溫度峰值的時間越早，距離加熱井越遠的測溫點達到溫度峰值的時間越晚，溫度呈現出明顯滯後現象。T1、T2 在第63 d 分別升至溫度峰值221、192 ℃，T3、T4 在第70 d 分別升至溫度峰值188、170 ℃。

圖 8 與加熱井不同距離處土壤溫度隨時間變化情況

Fig。8 Variation of soil temperature with time at different distances from heating well

有文獻表明［4，20］，GTD 加熱井間距一般設定為 1。5~4。0 m，透過計算，本專案中設定加熱井間距為 2。5 m。加熱井間距越小，土壤升至目標溫度所需時間越少，但所需佈置的加熱井數量增多，導致前期裝置投資增加。同時，加熱時間和加熱井數量的不同會導致燃氣消耗量不同。因此，需要綜合考慮工期、成本、技術等各種影響因素，才能設計最佳加熱井間距。

為研究加熱區域邊界外土壤溫度變化，距離邊界加熱井的一側設定不同距離 （0。5、1。0、1。5、2。0、2。5 m） 的測溫井，土壤溫度變化情況如圖 9 所示。由圖 9 可知，測溫井距離加熱井越近，溫度峰值越高；距離加熱井越遠，溫度峰值越低。2。5 m 處土壤溫度在第 70 d 時仍為 86。8 ℃。為避免土壤熱傳導對周邊建築物地基造成影響，可根據建築物地基材料的耐熱效能，合理控制加熱井與附近建築物之間的距離。

圖 9 加熱井邊界土壤溫度隨時間變化情況

Fig。 9 Variation of soil temperature with time at the boundary of heating well

2.2 土壤汙染物含量變化

汙染地塊土壤修復後共設定了 13 個土壤取樣點。選擇汙染地塊內 3 個具有代表性的取樣點進行資料分析，如表 3 所示。土壤修復前，汙染地塊 0~4。0 m 土壤未受到汙染，4。0~7。0 m 土壤均受到不同程度汙染，TPH 最高汙染濃度為 4762。0 mg·kg

1

，處於地下5。0~6。0 m；苯的最高汙染濃度為18。4 mg·kg

1

，處於地下 4。0~5。0 m；萘的最高汙染濃度為 388。5 mg·kg

1

，處於地下 4。0~ 5。0 m。土壤修復後，TPH 最高汙染濃度為 192。8 mg·kg

1

，苯為未檢出，萘的最高汙染濃度為 14。4 mg·kg

1

，處於地下6。0~7。0 m。經過計算 TPH 去除率均在 95% 以上，萘去除率超過了 92%，苯的去除率約為 100%，且汙染殘留主要集中於抽提井尾端。由此可知，經 GTD 修復后土壤中大部分汙染物已經轉化為氣相或液相被抽提出來，修復效果良好。

表 3 土壤中目標汙染物濃度變化

Table 3 Concentration variation of target pollutants in soil

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2.3 冷凝廢水汙染物濃度變化

汙染地塊土壤加熱過程中，水分會逐漸蒸發，土壤中汙染物會以氣體形式隨水蒸汽一起透過抽提系統移出地面，經冷凝系統處理後部分氣體轉化為液體，不凝氣透過尾氣處理系統達標後排放。修復過程中，每 14 d 對冷凝的廢水取樣 1 次，每次取 3 個水樣送至實驗室檢測，檢測結果如表 4 所示。第 7d 廢水樣品未檢出汙染物，這是因為剛開始加熱時，土壤溫度較低，汙染物沒有轉化為氣相被抽出。從第 21d 起廢水樣品中檢測出 TPH 和苯，至第 35d 廢水中才檢測出萘，這是因為，隨著加熱時間的延長，土壤溫度逐漸升高，高沸點汙染物開始逐漸向氣相轉化，並隨水蒸汽被抽提井抽出。冷凝廢水中不同汙染物濃度峰值出現的時間不同，苯濃度在第 35d 升至峰值，而 TPH 和萘的濃度峰值分別出現在第 35d 和第 63d，這與汙染物沸點有關，沸點越低，廢水中汙染物濃度峰值出現越早，沸點越高，廢水中汙染物濃度峰值出現越晚。苯沸點 80。1 ℃，萘沸點 217。9 ℃，本地塊中 TPH 主要為汽油餾分 （C4~C12） 和煤油餾分 （C10~C16），其對應的沸點範圍分別為 50~ 200 ℃ 和 130~250 ℃［21］。冷凝廢水中汙染物濃度間接反映汙染土壤修復效果。

表 4 冷凝廢水中目標汙染物含量變化

Table4Concentration variation of target pollutants in condensate wastewater

2.4 能耗分析

本專案自2021年9月20日開始執行，至2021年11月23日加熱系統停止執行，從開始加熱至停止加熱共執行 63d，施工週期內共消耗天然氣 924868。6 m

3

，消耗電量為 453600 kW·h，本專案共修復汙染土壤 11200 m

3

，能耗分析結果如下：每處理 1。0 m

3

汙染土壤約消耗天然氣 82。6 m

3

，電量 40。5 kW·h。

3 影響因素分析

影響 GTD 修復效果的主要因素包括加熱溫度、停留時間、土壤含水率、土壤滲透性和加熱井排布方式等［22-29］。利用溫度和汙染物含量變化等資料，對 GTD 修復效果影響因素進行分析與討論。

1） 加熱溫度。加熱溫度對汙染物去除率影響較大，具體見圖 10。汙染地塊目標加熱溫度與汙染物沸點有關，苯、萘和 TPH 的沸點分別為 80。1、217。9 ℃ 和 50~250 ℃。由拉烏爾定律可知，汙染物和水混合物的沸點低於單獨汙染物的沸點，這使得目標加熱溫度無須超過汙染物的沸點［23，30］。苯與水共沸點為 69。3 ℃，萘與水的共沸點為 98。8 ℃［31］。

圖 10 汙染物去除率隨加熱溫度變化情況

Fig。 10 Variation of pollutant removal rate with heating temperature

當土壤平均溫度超過 50 ℃ 時，有機物苯和 TPH 中低沸點的汽油餾分開始逐漸向氣相轉化；當土壤平均溫度超過 100 ℃ 時，萘以及 TPH 中的汽油餾分和煤油餾分均開始逐漸向氣相轉化，隨著加熱時間增加，土壤溫度升高，大量的 TPH 和萘開始向氣相轉化，這是由於 TPH 和 萘從土壤中脫附所需的溫度更高，開始向氣相轉化的時間點相對滯後。綜上所述，GTD 加熱溫度可直接影響汙染物的去除效果。一般而言，目標溫度越高，汙染物去除效果越好，但汙染物去除率與溫度並非成線性關係，較高溫度往往會伴隨著其他副產物的生成和能耗的增加，因此最佳目 標溫度的確定須要綜合考慮專案工期和成本等因素。

2）停留時間。土壤升溫前期，加熱溫度起修復關鍵作用，當土壤溫度升至目標溫度後，停留時間則是影響修復效果的主要因素。在本專案中，土壤升至目標溫度後繼續加熱 7d，即在目標溫度停留時間為 7d，土壤中不同目標汙染物的去除效果均較為理想。萘的最低去除率為 92%，TPH 的最低去除率為 95%，苯的去除率約為 100%（具體見圖 11）。修復后土壤中沸點較高的萘和 TPH 濃度雖然遠低於修復目標值，但仍有少量殘留，導致這一現象的原因可能是停留時間較短。綜上所述，實際施工過程中，應綜合考慮目標溫度與停留時間等因素，在施工工期內以最低成本完成汙染土壤修復。

圖 11 汙染物去除率隨加熱時間變化情況

Fig。 11 Variation of pollutant removal rate with heating time

3） 土壤含水率。在 GTD 修復土壤過程中，土壤含水率會對升溫時間產生影響，含水率越低，土壤升至目標溫度所需時間越短。因此加熱前降低土壤含水量，可大幅度縮短升溫時間。本專案地下水位較深，無須進行降水處置，但須要在場地表層進行混凝土防護，阻止降水對施工區域土壤含水率的影響。此外，土壤含水率還影響汙染物去除效果，降低土壤含水率會導致土壤通透性增大，有利於有機汙染物的揮發。這是因為，土壤含水率較高液態水會佔據大量的空隙，阻礙空氣的流通路徑。土壤含水率會對能耗產生影響，土壤含水率越高，則土壤升至目標溫度所須能量就越多。水的比熱容為 4。2×103 J·kg

1

·℃1，土壤比熱容為 0。8×103 J·kg

1

·℃1，水的較熱容比土壤大，土壤含水率越高，水分在加熱過程中吸收的能量越多，能耗越大。當目標溫度高於 100 ℃，土壤中水分須經過由液態水轉化為氣態水的過程，水的汽化熱為 2。3×106 J·kg

1

，遠高於液態水和土壤比熱容，須消耗 更多熱能。本地塊目標溫度為 150 ℃，因此，降低含水率可以大幅度降低整體能耗，提高汙染土壤修復效率。

4） 土壤滲透性。滲透性指由濃度差引起的水分淨移動能力，是影響有機汙染物在土壤中擴散速度的重要引數。高國龍等［32］ 研究表明，滲透性較好土壤中的有機物更容易被抽提，去除效率更高［33-34］。周啟星等［35］ 研究表明，當土壤滲透性大於104 cm·s

1

時，土壤中空氣流動較通暢，當土壤滲透性小於 106 cm·s

1

時，土壤中空氣流動受到較大影響。經檢測，本專案汙染地塊中地下 0~2。0 m 主要為雜填土，2。0~8。0 m 主要為粉砂土，滲透係數在 4。0×105 cm·s

1

以上，在加熱過程中，土壤受熱後會出現不同程度裂縫，增大土壤滲透係數，因此，在 GTD 修復過程中，有機物在土壤孔隙中的擴散速度不會受到較大影響，熱脫附效率較高。

綜上所述，採用 GTD 修復有機物汙染土壤，須要綜合考慮加熱溫度、停留時間、土壤含水率、土壤滲透性等影響因素。可以根據汙染物性質、工期等因素選定合適的目標溫度和停留時間。此外，為了避免二次汙染，需要對 GTD 修復過程中產生的廢氣和廢水進行有效收集和無害化處理。

4 結論

1） 當燃氣熱脫附加熱井間距為 2。5m，加熱時間為 56d，汙染土壤升至目標溫度 150 ℃，停止加熱後進行土壤檢測，汙染物萘、TPH 和苯的去除率分別為 92%、95% 和 100%，汙染物含量均在修復目標值之下。

2） 本專案以天然氣和電能為能源，每處理 1。0 m

3

汙染土壤約消耗天然氣 82。6 m

3

，電量 40。5 kW·h。

3）冷凝廢水中不同汙染物濃度峰值出現的時間不同，苯濃度在第 35d 升至峰值，而 TPH 和萘的濃度峰值分別出現在第 49d 和第 63d。沸點越低，汙染物去除率峰值出現越早；沸點越高，汙染物去除率峰值出現越晚。

END