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土壤原位热脱附修复技术的发展及应用

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学社博客 发表于 2019-8-20 14:01 | 显示全部楼层 打印 上一主题 下一主题
随着场地修复行业在中国的发展渐渐拉开大幕,威立雅也引入了其法国全资子公司在欧洲广泛应用多年的热修复技术– 原位电热热脱附技术。在这次的技术讲座中,现任威立雅中国土壤修复部技术经理徐贝妮将为我们对这一技术进行讲解。
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1原位热脱附技术简介

2 l( {$ P$ k: p+ w1 o4 }, {, K
, E8 z$ U, v* c. x: G! `, p/ w2 C原位热脱附Situ Thermal Desorption (ISTD)/土壤蒸汽热提取Soil Vapor Thermal Extraction (SVTE):是一种土壤修复流程,是通过对土壤进行加热,达到污染物的挥发温度,再通过真空抽离提取到地面之上,进行无害化处理后再排放的技术。
8 T! m6 t. p2 F: z. a
. x  [" m( @2 W; q. C根据污染物在土壤中所在的深度,原位热脱附有两种加热方法:" ^, M& B+ p, X" e# c' c6 n2tech.cn
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1)对于污染物深度比较浅的,通过电热毯平铺在污染区域进行加热
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2)污染物深度>5m, 利用加热井并在垂直方向在地下安插电加热管进行区域性的加热,达到污染物的挥发温度(最高500°C)后,再利用真空井对气相的污染物进行物理性抽提,通过冷凝分离,再对提取出的气体和液体分别进行无害化处理,最后进行排放。; E  y+ l7 Y* Z; C% o2tech.cn
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2原位热修复技术分类
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& T+ ]% G& O& N- }; i+ w3 ^# R2 B热导加热法 Thermal Conduction Heating (TCH), 也叫原位热脱附 In-Situ Thermal Desorption(ISTD)' @# b4 E( G9 ^2 a% L1 c2tech.cn

# T% a$ u1 a/ C* Y6 `$ [通过土壤的导热率进行加热  l8 [' \# f, V; g5 f2tech.cn

- }8 G& M0 g5 V9 L$ a0 F0 c目标温度范围广泛
; n- l0 \2 t8 D+ Q8 ~' S2 I& V! e2 B. p5 `2tech.cn
可应用于中到低渗透率的土壤" W# q5 z, }/ w$ a( W2tech.cn

3 e1 r+ j; l) i. R) _污染物:自由相(<100°C),可挥发性污染物VOCs/CVOCs (~100°C), 半挥发性污染物SVOCs(>100°C) 如多环芳烃! _% g' U( P# w9 ~  `# q2tech.cn
9 M* x1 `2 g# g* C2tech.cn
$ w1 M9 _, @9 v6 ^+ J! }2tech.cn
电阻加热法 Electrical Resistance Heating (ERH),或者叫焦耳/欧姆加热法 Joule or Ohmic Heating/ w2 w: b$ I7 I! u2tech.cn
( w8 C% z& @' M/ r: G( d$ l2tech.cn
通过土壤导电率进行加热1 {# U0 H" [6 `/ [) I& P2tech.cn

7 I9 F) b" N( l# l% R( r  k温度难高于水的沸点(100°C-120°C)# ~  S) h. L" w3 s/ O7 e2tech.cn

9 n6 A$ Q1 r: l& f( d7 d5 v3 X, o可应用于中到低渗透率的土壤,需要水的注入,加热效果会受到地面以下金属杂质的影响
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自由相(<100°C),可挥发性污染物VOCs/CVOCs (~100°C)& a" `) A* s1 @8 H# a/ j) s. T2tech.cn

- J1 H* U0 b" |6 _( n( Y: Z# v4 C7 e  `  n  a2tech.cn
蒸汽加热法 Steam Enhanced Extracton (SEE)——蒸汽注入法Steam Injection# Q/ F2 I- J/ J$ O: U/ r. s2tech.cn

- D+ d' ]0 p- P: h  Q通过注入热蒸气到地面以下进行加热
! t; K8 k% _' t' b8 g5 G* B$ |+ a8 c2tech.cn
温度难高于水的沸点8 h5 F, o, E5 ^2tech.cn
* G% R; V+ m# p2tech.cn
适用于高渗透率的土壤,很难导入低渗透率土壤
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' p2 k. ^+ H& i自由相(<100°C),可挥发性污染物VOCs/CVOCs (~100°C),: B( J" K. I' T; W2 Q! @! q2tech.cn
- N  |! u2 x# R0 L2tech.cn

4 S! ~; o/ x5 y# Y. R) ?3 G所以,原位热脱附技术适用于处理中到低渗透率土壤中,具有半挥发性的有机污染物,这种情况下的加热温度需要达到400°C-500°C,电阻加热法和蒸汽加热法都无法达到。
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3原位加热热脱附技术 - 加热处理布局

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: g% l' N% s0 @- m/ H5 e4 P" F8 T( ]$ s1 z# n2 Z' g2tech.cn
环境学社1.jpg
, c6 v! z6 H; j5 H. cFig. 1 原位热脱附布局示意图
. i. m7 b, k$ ^
! d5 R# A% N7 [/ F1 O如图所示,通过区域性的布置加热井,加热井中的加热装置会对土壤进行加热,抽提井对挥发的污染物进行抽离,地下也铺设了监控孔对温度和压力进行监控,污染物抽提到地面后,会对尾气进行分离和处理。
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7 p$ {. i* ~( B2 S6 x: y2 t; t/ E: ]$ y1 R7 \5 r4 g2tech.cn
环境学社2.jpg
& \$ ?! J" [: Q  [# H! N7 C5 lFig 2. 套管式加热与抽提
- [7 T# [$ h" z4 ^8 o2 R$ h- C
- u7 P) A) N2 K2 B! Y5 A' ?与第一种加热方式不同,图二所示加热装置与抽提装置是套管的形式。内管是加热装置,外管是抽提装置。/ o  y6 z1 G, p; D  _, i2tech.cn

% X( b  n) l+ r" i( Q. \: H! b土壤蒸汽热提取(SVTE)
: l4 I1 d+ |  q0 [% i
. O2 o9 H( J9 w4 p  n) p& O9 |- c! B由于加热导致土壤中的温差,气流会从热源流至低温区域,以达到整个区域的热平衡,利用抽提系统的合理布局对蒸汽进行抽提。抽提系统选择液环真空泵,适用于渗透率极低的土壤,还可以达到气和水的双相抽提。不但可以处理低饱和地带,也可以处理有地下水的区域。. c+ t6 y" Y, q2tech.cn

, z9 C# Q1 l3 t) _/ L适用的污染物种类
! `0 v- M* t; D9 u3 h4 i4 m6 I4 Y* x: b2tech.cn
原位热修复技术能处理大多数的有机化合物。
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1 c" [/ Q. f: P2 x% C, T多氯联苯(PCBs) 与二噁英(Dioxins)
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3 g# N1 y8 ^7 ^  f9 [多环芳烃(PAHs) 与煤焦油(Coal tars)
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' F. G# }/ [5 j8 v4 f5 s: S- e氯有机溶剂
. d- e4 Q0 A" j+ t0 c* J& t% @) |0 R% V& W# W7 S- ?2tech.cn
杀虫剂与除草剂
! X$ _' \' L3 c6 t! i; n) P  C
6 f3 p9 _( B6 e5 Q2 d石油,石油产品
; P  A& a* A$ B- L/ k7 C
% A% H0 P# v, O2 [' F- Z$ f所有其他挥发性或半挥发性碳氢化合物
6 s, ]; x" ?2 b0 k6 [3 o8 ?- I; _+ j
2 t6 m' ^  L! K9 J# q重质及轻质非水相液体(DNAPL and LNAPL)
7 l8 g1 A, j- w+ G2 r0 J
7 V8 ~, n3 R2 K" v几乎所有其他有机化合物或有机化合物混合物
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汞(挥发性金属,沸点处于PCB范围内)
. ]: B+ M' N1 Q$ s- T* H% _" h3 d1 J- s2tech.cn
原位热脱附技术相比较于蒸汽注入法和电阻加热法,更适用于低渗透率土壤,无地下水的低饱和地带,并对沸点比较高的SVOCs有很好的去除效果。* t2 F- H* C, g* ~' i" s* t2tech.cn

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4案例分析

. D0 X, j7 M# |- q  `3 X
) F5 L. s7 v- t' Q6 N1.     这是一个由美国投资,威立雅在越南对于军事化用地的土壤修复项目,主要污染物为二噁英。项目期四年,总共需处理19公顷土地,77000方土壤。由于土方量比较大,又急于开发,所用技术是改良版的原位热修复。首先清挖土壤和底泥,污染土壤被堆放在105m x 70mx 6m的水泥围堰中,再进行热脱附处理。目标加热温度为21天达到335°C,加热周期5-7个月,1200个加热管。
, e+ T( K$ Q, H+ s+ q! p
; `; t# ^$ H0 x0 R8 l水泥围堰搭设后首先铺设石砾导水层,然后堆放污染土壤,再在上面铺设隔热层,土壤堆好后垂直安插加热井,间距2.7m。通过一个水平安置的抽离系统,会有足够的氧气进入土壤层对二噁英进行分解,真空抽提管道抽提释放出的气体再通过冷却分离气体和液体。气体通过热交换和脱水,相对干燥的尾气经过两级活性炭处理进行排放。液体通过除尘袋,液体冷却,油水分离,MPP系统,以及活性炭处理达到排放标准。因为加热温度比较高,周期比较长,处理后95%以上的二噁英在土壤中被完全分解,剩余的二噁英将以液体和气体的形式收集起来并分别送入到水处理和废气处理系统。) f: t& V; S& e( f) D2tech.cn

: B" _/ A6 C0 [# D2.     这是一项在德国斯图加特费尔巴哈开展的SVTE试点案一个工业区,共确认300多个受污染的场地,其中193个场地地下水因氯代烃(CHC)受到污染影响,目前仍在开展多项传统的“抽提与处理”(P&R)修复活动,经过17年的传统方法处理都没有达到很好的效果。
0 C7 K& y& t: v- |8 A) O' Y) `. I& u. z7 `2tech.cn
项目所在场地土壤和地下水有挥发性氯代烃(CHC)污染,由于场地周围有无法拆除的建筑物,所以利用原位热脱附的技术进行处理,通过污染源数据来看,污染区域有些已经达到了地下水区域,原位热脱附技术的优势就是不但可以对土壤进行处理,连同地下水也可以一同处理。
% L6 J$ O0 A6 }' z& x. H1 z( Y( Z, h
4 E( C, J% ?* ~/ l+ v场地有超过120平米的污染,污染深度达到了3.5至10.5m,污染所在土壤为地渗透率不饱和以及中渗透率裂岩蓄水层。土壤中CHC浓度高达2500毫克/千克,地下水CHC浓度高达100毫克/升。此前17年的修复措施效果甚微,仅仅去除了800千克CHC。
. k! @' R" N. J0 n7 o( t: O( @9 D: C
2 E( G" b! y# B- k 威立雅通过子公司GRA Valtech设计并安装了SVTE系统,有21个钻孔,7个用于加热,7个用于通风,7个用于监控。加热棒长度为10.5m,温度达到700度。6周内去除了230千克CHC,远远好于传统方法。尾气适用活性炭经由双通通道进行最终处理。去除效果可以达到90%-99%。% m% T9 C0 _5 e$ @, d8 Y2 r2tech.cn

, x* |# D" Y& l1 C6 N* q7 i  g! ^8 ~3 Q2 fSVTE/ISTD技术的卖点:
) y  d: `) }4 I
$ U. g$ }# H6 Y* Y, P实现较高的清除标准,去除率可达到99%以上2 G( |! K* x% w6 R2tech.cn
8 \! V7 L; ]- F* J& L2tech.cn
修复速度快
; Z9 [: t6 A8 N, L' }' T0 I7 a6 R4 K3 ?2tech.cn
可处理多种化合物( p- V$ \5 Z0 \; R; D# ~. g% H2tech.cn

( O; U& u4 G  D2 z& ?' V# t$ m对于场地的异构性不敏感# S8 T: S) O2 y+ g1 E$ {2tech.cn
( I( K* c& Y( ]4 j$ G; L$ n' J2tech.cn
可运用于建筑下方区域
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稳定,高效,经过实验验证的技术& {( i1 w) n3 K5 w8 O" B2tech.cn
% S2 N- e1 j# x6 e; o8 g2tech.cn
有关争论:
1 n+ p- d) x+ N. Z
! ^! |. Z( c: w# w  \* z2 R处理费用昂贵;但是行之有效,处理彻底,长期效果来看成本并不一定比传统技术高
! h  z" n, L; Y! s8 A! y# u
  k. Y* ?5 O8 V( V能源消耗,碳足迹较高;但相较于挖掘修复,修复速度快的效果在能源消耗上远远优于长期处理方法( [7 H' b3 |- \* v2tech.cn
: a1 D: @9 a, c) h) L2tech.cn
3.    这个项目施工场地处在居民区建筑物之间,由于建筑物不可拆除,SVTE/ISTD技术使得修复成为可能。虽然离居民区和公路很近,但并不影响居民生活3 |8 i5 p  \1 v1 u2 c2tech.cn
1 @6 t8 |  m9 v5 i2tech.cn
5互动问答
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8 \* t; F$ S7 V5 x1. 装置的加热会影响居民区地下水气管道吗?
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0 Z5 @7 t* M+ K1 y" M项目事先会调研场地尽量避开水气管道,由于热传导其实没有很远,即使离居民区很近,加热管2米之外不会有温度影响。
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1 J1 _1 e- M9 O- q* `) v2. 成本和价格大概是多少?$ l" i; v! d* {" A4 V* G2tech.cn
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影响这个技术最关键的因素是土壤的含水率,如果含水率非常高的话会需要提前对地区降水。但是国内大部分区域都是粘土,南方和沿海地区地下水水位又比较浅,在这种情况下降水会比较困难,国内项目规模普遍比较大,所以区域化降水难实现。含水率会直接影响价格,如果把土壤含水率降低,价格大概¥1000/立方米,如果含水量达到30%-40%,价格会达到¥2000/立方米。
# N6 w2 f. L( x- R, S
8 _, D# I  H$ r3. 如果场地比较大,原位热处理还是挖掘成本低?
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不一定仅仅看成本决定用哪个技术,比如一些农药厂的场地修复无法实施挖掘,因为挖掘味道会很大,周围居民会抗议。如果场地不是需要挖掘地基的话,还需要找干净的土进行回填,技术上可行性不高。但是单从技术上来看的话,在中国挖掘成本比原位热处理要便宜。* s" R8 x, ?' G7 i1 b2tech.cn

* n7 _4 U$ Z" }6 s% Z4. 其他修复技术,比如微生物和化学的方法实际的应用情况如何?
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2 f1 ~! m) }. W" w# I! ]* Y生物修复在美国比较常规的方法,但目前在中国很少会用到,但以后也许会是趋势。生物修复要求的时间周期会比较长,但中国的项目要求交付的比较快,而且需要占地面积会比较大,所以异位生物处理不是太适用。化学处理如果是原位的方法,需要注入化学药剂导入,但是中国很多地方粘土含量比较高,渗透系数比较低,化学药剂不一定能注入到想注入的地方,如果化学物品溢流会有二次污染,但是也有做化学氧化的,加上搅拌的动作,但是能处理的深度不会超过5米。: s& f! L4 c; |& S5 P2 a2tech.cn

/ h7 ~: @% M9 J5. 原位加热技术会和化学氧化结合实用吗?
9 P, f8 N+ u% G, A( ]% x  `9 o5 v4 l( W8 M3 o, Z$ ?. `2 P2tech.cn
这个技术通常不会和化学氧化进行联合处理,但是通常会和浓缩技术合用,当含水量很高的时候,先把水抽离进行处理,土壤中含水量降低了以后再进行原位热脱附处理。' C) U5 S  Y5 B. Z& n! p# k2tech.cn
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