土壤热脱附技术.docx
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土壤热脱附技术
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环境修复 关键词:
土壤修复技术 热脱附技术 污染土壤
北极星节能环保网讯:
土壤修复技术中的热脱附技术是指在真空条件下或通入载气时，通过直接或间接热交换，将土壤中的有机污染物加热到足够的温度，以使有机污染物从污染介质上得以挥发或分离，进入气体处理系统的过程。
热脱附可通过调节加热温度和停留时间等方式有选择地将污染物从一相转化为另一相，在修复过程中并不出现对有机污染物的破坏作用。
通过控制热脱附系统的温度和污染土壤停留时间有选择的使污染物得以挥发，并不发生氧化、分解等化学反应。
热脱附主要包含两个基本过程：
一是加热待处理物质，将目标污染物挥发成气态分离;二是将含有污染物的尾气进行冷凝、收集以及焚烧等处理至达标后排放至大气中。
热脱附技术具有污染物处理范围宽、设备可移动、修复后土壤可再利用等优点，特别对PCBs这类含氯有机物，非氧化燃烧的处理方式可以显著减少二恶英生成。
不过，热脱附技术并不适于有机防腐剂以及活性氧化剂还原剂污染土壤、污泥、沉淀物、滤渣的修复。
一般来说热脱附技术可以分类为原位热脱附技术和异位热脱附技术两大类。
原位热脱附技术
原位热脱附技术是石油污染土壤原位修复技术中一项重要手段，主要用于处理一些比较难开展异位环境修复的区域，例如，深层土壤以及建筑物下面的污染修复。
原位热脱附技术是将污染土壤加热至目标污染物的沸点以上，通过控制系统温度和物料停留时间有选择地促使污染物气化挥发，使目标污染物与土壤颗粒分离、去除。
热脱附过程可以使土壤中的有机化合物挥发和裂解等物理化学变化。
当污染物转化为气态之后，其流动性将大大提高，挥发出来的气态产物通过收集和捕获后进行净化处理。
原位热脱附技术特别适合重污染的土壤区域，包括高浓度、非水相的、游离的以及源头的有机污染物。
目前，原位热脱附技术可用于处理的污染物主要为含氯有机物（CVOCs），半挥发性有机物（SVOCs），石油烃类（TPH），多环芳烃（PAHs），多氯联苯（PCBs）以及农药等。
目前，热脱附技术在石化工厂、地下油库、木料加工厂和农药库房等区域以及在一些污染物源头修复治理工作中广泛应用，原位热脱附技术可以修复地下距离为30多米。
原位热脱附技术不仅可以用修复大型石化厂，针对一些小的区域污染也可以进行修复，例如干洗店甚至有居民居住的建筑物等，但是在修复过程必须要对室内的空气质量进行全程的监控，防止污染物超标。
异位热脱附技术
异位热脱附技术则用来处理一些适于开展异位环境修复的区域，将污染土壤提取出来并通过专门的热脱附系统装置处理。
异位热脱附系统可分为直接热脱附和间接热脱附，也可分为高温热脱附和低温热脱附。
（1）直接热脱附由进料系统、脱附系统和尾气处理系统组成。
进料系统：
通过筛分、脱水、破碎、磁选等预处理，将污染土壤从车间运送到脱附系统中。
脱附系统：
污染土壤进入热转窑后，与热转窑燃烧器产生的火焰直接接触，被均匀加热至目标污染物气化的温度以上，达到污染物与土壤分离的目的。
尾气处理系统：
富集气化污染物的尾气通过旋风除尘、焚烧、冷却降温、布袋除尘、碱液淋洗等环节去除尾气中的污染物。
（2）间接热脱附由进料系统、脱附系统和尾气处理系统组成。
与直接热脱附的区别在于脱附系统和尾气处理系统。
脱附系统：
燃烧器产生的火焰均匀加热转窑外部，污染土壤被间接加热至污染物的沸点后，污染物与土壤分离，废气经燃烧直排。
尾气处理系统：
富集气化污染物的尾气通过过滤器、冷凝器、超滤设备等环节去除尾气中的污染物。
气体通过冷凝器后可进行油水分离，浓缩、回收有机污染物。
主要设备包括进料系统：
如筛分机、破碎机、振动筛、链板输送机、传送带、除铁器等;脱附系统：
回转干燥设备或是热螺旋推进设备;尾气处理系统：
旋风除尘器、二燃室、冷却塔、冷凝器、布袋除尘器、淋洗塔、超滤设备等。
异位热脱附技术的处理周期可能为几周到几年，实际周期取决于以下因素：
（1）污染土壤的体积;
（2）污染土壤及污染物性质;（3）设备的处理能力。
一般单台处理设备的能力在3~200吨/小时之间，直接热脱附设备的处理能力较大，一般20~160吨/小时;间接热脱附的处理能力相对较小，一般3~20吨/小时。
影响异位热脱附技术处置费用的因素有：
（1）处置规模;
（2）进料含水率;（3）燃料类型、土壤性质、污染物浓度等。
国外对于中小型场地（2万吨以下，约合26800m3）处理成本约为100-300美元/m3，对于大型场地（大于2万吨，约合26800m3）处理成本约为50美元/m3。
根据国内生产运行统计数据，污染土壤热脱附处置费用约为600-2000元/吨。
总结
作为一种物理修复方法，热脱附技术具有污染物处理范围宽、处理速率高、设备可移动、修复后土壤可再利用等优点，特别是对于PCBs这类含氯有机物，非氧化燃烧的处理方式可以显著减少二噁英的生成。
自1985年美国EPA首次将该技术采纳为一项可行的土壤环境修复技术起即被广泛应用于国外处理挥发性和半挥发性有机污染物的土壤、污泥、沉淀物、滤渣等污染场地的修复。
另外，热脱附技术对于处理一些突发性的有机污染环境事故，如由于意外泄露、倾倒而发生的突发性土壤污染事故的应急修复也是一种不错的技术方案。
目前我国热脱附修复污染土壤应用近年来得到了快速发展，但尚存在着以下问题：
设备投资成本高、设备适用性不强、运行费用昂贵等问题;对不同污染物的认识不够，不当的参数组合会导致其他副产物的产生，特别是含氯有机物的处理过程中会产生二噁英;土壤修复工程的噪音和扬尘、粉尘污染等新污染源控制难。
上述问题需要国内产学研团队加强多学科交叉融合，团结协作以共同解决。
原标题:
漫谈热脱附技术
（一）——何为热脱附技术
漫谈热脱附技术——研究进展与应用案例
北极星节能环保网 来源:
中国生态修复网 2016/6/2113:
10:
47 我要投稿
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环境修复 关键词:
土壤修复技术 热脱附技术 有机污染物
北极星节能环保网讯:
土壤修复技术中的热脱附技术是指在真空条件下或通入载气时，通过直接或间接热交换，将土壤中的有机污染物加热到足够的温度，以使有机污染物从污染介质上得以挥发或分离，进入气体处理系统的过程。
热脱附技术在国外始于七十年代，广泛应用于工程实践，技术较为成熟。
在1982-2004年期间，约有70个美国超级基金项目采用异位热脱附作为主要的修复技术。
自上世纪八十年代以来，包括美国、法国、瑞士、加拿大、阿根廷、韩国、意大利、瑞典等多个国家研究者开展了含挥发性污染物（二甲苯、三氯乙烯等）、PCBs、PAHs（菲、芘等）、二恶英、石油以及十六烷和十碳到二十二碳等多种有机物污染对象进行了热脱附研究。
国外研究的主要结果
1、有机污染物在土壤中的去除过程主要是物理蒸发，脱附分为两个阶段，首先是土壤颗粒表面的快速蒸发，第二阶段蒸发受到颗粒内部扩散的限制;
2、温度是影响热脱附过程最主要的因素，随着温度的升高，污染物的脱附效率和降解效率会显著提高，但温度较高时可能会伴随着其他副产物的生成，如热脱附后多氯联苯降解效率可达48%-70%，但是由于PCDFs的生成，毒性当量反而是原始土壤毒性当量的2.8-6.3倍（固相）以及8.0-10.5倍（气相）;
3、土壤中有机污染物蒸发速率比纯物质的蒸发速率小（如在同等条件下芘的蒸发速率比纯芘的蒸发速率小5倍）;
4、土壤中的晶间水层对于污染物的脱附有明显的抑制作用，粒子内及粒子间的传质显著影响污染物的去除速率;
5、恰当催化剂的引入可以促进有机污染物的脱附以及降解过程，土壤中本身的矿物质对污染物的去除也有一定的催化作用，土壤中的二氧化硅以及其他矿物质会促进芘的分解以及与土壤中有机物分解产物的反应，飞灰中的C和Cu显著影响二噁英残余浓度;
6、通过对颗粒或者床层建立模型可以较好地模拟污染物在土壤中的脱附过程，为实际应用中运行参数的选择提供指导，如不同条件下土壤中农药的挥发速率可以通过对污染物蒸汽压、水溶性等的计算进行估计;
7、土壤含水率将直接影响到处理运行成本，高粘土含量或湿度会增加处理费用，因此对污染土壤的含水率有着严格的要求，一般要求其含水率不超过20%。
国外热脱附技术应用案例
国内研究的主要结果
相比于国外，我国热脱附修复污染土壤研究处于起步和逐步推广应用阶段，浙江大学，清华大学，中国科学院，南京农业大学，西北科技农林大学等多家单位在热脱附方面已进行了一系列研究。
新的认识主要有：
1、温度和时间是影响热脱附过程最主要的因素，停留时间的影响受温度限制
2、土壤成分主要是土壤中有机质含量以及二氧化硅和其他矿物质会对热脱附过程的影响，有机质对不同的有机物都有一定的相关性，但是不同的物质之间有一定的差异，二氧化硅和其他矿物质可促进污染物的脱附及降解;
3、土壤颗粒粒径的大小对于不同的物质表现出一定的差异;
4、获得了一些因素如土壤中污染物的初始浓度、土壤的含水率、载气流量、载气的种类、升温速率以及气氛含氧量，对热脱附过程的定量影响规律。
国内热脱附技术应用案例
我国对异位热脱附技术的应用处于起步阶段，已有少量应用案例。
国内案例介绍
（1）工程背景：
某两个退役化工厂曾大规模生产农药、氯碱、精细化工、高分子材料等近百个品种。
经场地调查与风险评估发现，两个厂区内土壤及厂区毗邻河道底泥均受到以VOCs和SVOCs为主的复合有机污染，开发前需要进行修复。
（2）工程规模：
12万m3
（3）主要污染物及污染程度：
主要污染物为卤代VOCs、BTEX、有机磷农药、多环芳烃等。
其中二甲苯最高浓度为2344mg/kg，修复目标值为6.99mg/kg;毒死蜱最高浓度29600mg/kg，修复目标值为46mg/kg。
（4）土壤理化特征：
现场调查结果显示，污染土壤主要为粉土、淤泥质粉质粘土和粉砂，含水率25%-35%。
（5）技术选择：
综合以上污染物特性、污染物浓度、土壤特征以及项目开发建设需求，异位热脱附技术对污染物的去除效率可达99.99%，适合处理本项目中VOCs、SVOCs的复合污染土壤。
（6）工艺流程和关键设备：
其工艺流程如下图所示。
（7）主要工艺及设备参数
1）污染土壤进料阶段：
将污染土壤转运至贮存车间内的预处理区域，粒径小于50mm的土块直接被送入回转窑，超规格的土块经过破碎后再次返回振荡筛进行筛分。
2）回转窑加热阶段：
将污染土壤均匀加热到设定的温度（300~500℃），并按照设定速率向窑尾输送，在此期间土壤中的污染物充分气化挥发。
3）尾气处理阶段：
尾气处理系统包括二燃室、急冷塔、布袋除尘器和酸性气体洗涤塔等。
烟囱上装有烟气实时在线监测装置，经过处理后的尾气达标排放。
异位热脱附技术主要设备参数
（8）成本分析：
本项目实际工程中热脱附部分费用包括：
人工费、挖运费、设备折旧、设备运输和安装/拆除费、燃料费、动力费、检修及维护费等，约为1000元/m3。
（9）修复效果：
已处理污染土壤10000吨，处理后污染土壤浓度达到修复目标。
（国内案例提供单位：
未公开）
总结
热脱附技术近年来正成为一个解决土壤污染的优质方法与研究热点，得到越来越广泛的应用。
目前我国在热脱附技术上的研究与应用与欧美发达国家的水平还存在一定的差距。
土壤修复是一个复杂的系统工程，在自有技术、装备储备不足的情况下，加强国际合作，积极引进发达国家先进技术，并在此基础上进行消化吸收和自主创新，不失为土壤修复企业建立自己的技术体系、构建核心竞争力的重要且快捷的途径。
【技术盘点】有机污染土壤热脱附技术：
传统与新兴技术盘点
北极星节能环保网 来源:
环境工程 作者:
高国龙 2016/8/513:
24:
44 我要投稿
所属频道:
环境修复 关键词:
热脱附技术 异位修复技术 场地修复
北极星节能环保网讯:
随着经济结构的调整，大量的化工厂地迁出城区，遗留的污染场地往往用做房地产开发，任务重，周期短，不宜采用修复时间较长的原位修复技术，需要快速高效的异位修复技术。
热脱附作为一种非燃烧技术，污染物处理范围宽、设备可移动、修复后土壤可再利用，特别是对含氯有机物，非氧化燃烧的处理方式可以避免二噁英的生成，广泛用于有机污染物污染土壤的修复。
“目前，污染土壤传统热脱附技术为滚筒式热脱附。
新兴热脱附技术包括流化床式热脱附、微波热脱附技术和远红外线热脱附。
到目前为止，欧美等国家有关热脱附修复污染土壤的研究较为深入，国内处于起步阶段。
因此，有必要对国内外学者所做的热脱附技术修复污染土壤工作进行总结，以便为我国污染土壤修复领域的工作者提供一定的参考依据，以期推动热脱附技术修复污染土壤的工程化应用。
1热脱附技术特点
热脱附是将污染物从一相转化为另一相的物理分离过程，在修复过程中并不出现对有机污染物的破坏作用。
通过控制热脱附系统的温度和污染土壤停留时间有选择的使污染物得以挥发，并不发生氧化、分解等化学反应。
“热脱附技术具有污染物处理范围宽、设备可移动、修复后土壤可再利用等优点,特别对PCBs这类含氯有机物,非氧化燃烧的处理方式可以显著减少二英生成。
2热脱附技术适用性与适用范围
美国环保署（EPA）最新发布的《场地清理处理技术：
年度状态报告（第12版）》中，给出了在1982~2005年美国超级基金所开展的场地修复项目中技术的采用情况，如图1所示。
图1超级基金场地修复项目中的技术采用情况
从图1中可以看出，共有69个项目采用了热脱附技术，占到了8%的比例。
该报告中还指出了热脱附技术已被成功用于下列污染物相关的污染场地修复项目中：
多环芳烃、其它非卤代半挥发性有机物、苯系物、其它非卤代挥发性有机物、有机农药和除草剂、其它卤代半挥发性有机物、卤代挥发性有机物、多氯联苯。
可以清楚地看到，热脱附技术的主要适用范围是半挥发性和挥发性的有机污染物，包括多环芳烃、有机农药和杀虫剂、多环芳烃等。
3热脱附技术研究现状
传统上采用滚筒式热脱附技术。
近年来，兴起了微波热脱附和远红外线热脱附。
3.1滚筒式热脱附技术
Chern等研究表明，滚筒式热脱附技术对于去除土壤中的挥发性和半挥发性有机污染物非常有效。
温度、停留时间、挥发性、载流气体流速是影响解吸效果的主要参数，温度越高、停留时间越长，则污染物的去除效率越高。
加热时间20分钟，温度分别为100、200、150和250℃时，1-十二烷、1-十六烷、萘、蒽的去除效率达到98%。
北京建工修复、杭州大地等两家污染土壤修复企业引进了两台国外热脱附设备。
清华大学蒋建国教授课题组在国内率先研发出了滚筒式逆向热脱附技术，开发了国内第一台具有自主知识产权的逆向热脱附系统（专利申请号201010598161.7.）。
3.2流化床式热脱附技术
流化床技术具有优点：
1）污染土壤在悬浮状态下与流体接触，流-固相界面积大，利于非均相反应。
2）土壤颗粒在流化床内混合激烈，颗粒在全床内的温度和浓度均匀一致，床层与内浸换热表面间的传热系数很高，全床热容量大，热稳定性高。
3）气体与土壤颗粒之间传热、传质速率也较其他接触方式为高。
4）操作弹性范围高，单位设备生产能力大，设备结构简单、造价低，符合工程化需要。
JoongKeeLee等采用流化床热脱附技术修复石油污染土壤。
分别考察了间歇式进料和连续进料情况下石油污染土壤的热脱附效率。
研究表明，间歇式进料情况下，温度300℃，时间30min，热脱附效率达到99%以上;连续式进料情况下，300℃以上，进气量与进料量的比值对于热脱附效率影响不大。
3.3微波热脱附技术
微波热脱附是最近兴起的一种热脱附技术。
不同于一般的常规加热方式，微波辐射能穿透土壤、加热水和有机污染物使其变成蒸汽从土壤中排出，其能量以电磁波的形式传递，具有高效的转换效率。
此法适用于清除挥发和半挥发性成分，并且对极性化合物特别有效。
目前仅处于实验室研究阶段。
利用微波能量不仅能使反应时间大为减少，在某些情况下，还能促进一些具体反应。
在短短几分钟之内，无机氧化物与其它一些物质的混合物可以迅速达到1200-1300℃。
因此，可以在一密封系统内利用微波迅速升至高温，将土壤中的多氯联苯之类的氯代有机芳烃分解。
利用微波能量热解六氯苯、五氯苯酚、2,2,5,5-四氯联苯的2,2,4,4,5,5一六氯联苯的实验结果表明，在向土壤中加入Cu2O或Al粉末，并加入浓度为10mol/L的NaOH溶液后，芳烃分解速率更快。
从微波修复污染土壤的机理来看，现存的土壤污染物都能够经微薄加热而得以去除，只是去除高低的问题。
关键是如何发挥微波德最大功效将其用于治理和修复污染土壤。
这就需要研究其主要影响因素：
污染物的介电常数、土壤的理化特性和吸波介质。
3.4真空强化远红线热脱附技术
随着对热脱附技术研究和应用的不断深入，发现传统热脱附技术能耗较高，并且土壤颗粒内部的有机污染物不易脱附出来。
这些不足是由于传统热脱附技术均是通过热风直接和污染接触，热量从外到内传递所致。
而远红外线加热是从土壤颗粒内部向外加热，直接结果就是颗粒内部的污染物容易脱附，整体热脱附效率较高，同时耗能较低。
从物理学角度，在密闭空间内抽真空，可以降低密闭空间体系中土壤有机污染物的沸点，在较低的温度下，就可以实现有机物的脱附。
图2为远红外线热脱附机制示意图。
图2热风与红外线热脱附传热传质情况对比
美国、台湾等地研究人员曾利用该技术处理有机物污染土壤，脱附效率在99.99%以上，但多是针对汽油、苯等低沸点、挥发性有机物污染土壤的修复，对沸点高、挥发性低的有机物污染土壤远红外热脱附修复研究甚少。
清华大学蒋建国教授课题组在国内率先开展了该方面的研究，已经开发了一套实验室层面的真空强化远红外热脱附系统，并对八溴二苯醚等半挥发性有机物污染土壤进行了初步热脱附研究，发现效果良好。
4热脱附效率影响因素
4.1土壤含水率
水在处理过程中的蒸发也需要燃料，所以过多的水分含量会提高操作费用。
另外，水蒸气在尾气处理过程中也要同尾气和解吸下来的污染物一同进入处理设备进行处理，过大的水量会导致产废率较低。
孙磊等发现热脱附处理五氯酚污染土壤时，在125℃情况下，污染土壤中PCP的残留量随含水量的增加（0～0.3～0.6g˙g-1）而降低，含水量达到一定程度后，PCP的残留量又随着土壤含水量的增加（0.6～1.2g˙g-1）而增加。
4.2土壤粒径
细质地土壤采用热脱附技术时，土壤随气流吹出滚筒，尾气处理系统超负荷运转，系统压力增大，降低整个系统的性能。
从热传递角度来看，沙质土壤不容易聚集成大的颗粒，与传热介质接触表面积大，易采用热脱附技术。
4.3土壤渗透性
土壤渗透性影响气态化的污染物导出土壤介质的过程，黏土含量高或结构紧实的土壤，渗透性比较低，不适合利用热脱附技术修复污染土壤。
在渗透性较差的土层中，通常含水量较高，甚至达到水饱和状态，从而使相当一部分的有机物滞留于水层保护的土层中，不能受到周围流动气流的直接影响。
因此，在采用热脱附法对挥发性和半挥发性污染土壤进行修复时，通常是对水不饱和土壤进行的。
4.4系统温度
加热污染土壤能促进土壤中有机污染物的清除，但是温度过高，会对矿物的组成结构造成破坏。
Leej在对汽油污染的土壤进行流动床热脱附的研究中，将土壤的温度由20℃增高到900℃，在这样高的温度下，虽然污染物可以彻底的清除，但是土壤中的水分，甚至土壤中的有机质和土壤矿物中的碳酸盐都会因高温分解而挥发掉。
因此，过高温度的加热修复对于环境样品的修复并不可取，在较低温度下，通过延长加热时问也可在一定程度上达到较好的修复效果。
作者单位为清华大学环境学院。
全文刊登在《环境工程》2012年第1期。
原标题:
有机污染土壤热脱附技术：
传统与新兴技术盘点
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