有机物-重金属复合污染土壤热脱附-固化稳定化联合修复工艺研究

有机物-重金属复合污染土壤热脱附-固化稳定化联合修复工艺研究

艾国军  田宝虎  郭涛

航天凯天环保科技股份有限公司

摘要：有机物-重金属的复合污染已成为土壤污染的一种普遍形式，其环境效益和修复治理更为复杂，已引起广泛关注。本文以湖南某有机物-重金属复合污染场地为例，探究热脱附-固化/稳定化联合修复工艺的治理效果，为我国复合污染场地治理提供有效的工程案例参考。

关键词：有机物;重金属；热脱附；固化/稳定化

1 引言

2014年环境保护部发布的《全国土壤污染状况调查公报》指出我国土壤污染总点位超标率16.1%，污染类型包括无机型类、有机型类和复合型类三种。随着我国工农业的快速发展，多种污染物进入环境，我国场地污染物多呈现复合型特征（1）。如何同时有效处理土体中重金属和有机物，保障修复土壤的长期安全性，是处置复合污染土壤所必须解决的关键问题（2）。

目前国内外对单一重金属或有机物污染的修复方法均已成熟，如固化/稳定化、淋洗、电动修复、氧化还原、气相抽提、热脱附、微生物降解、生物通风、植物修复技术等。由于重金属与有机物具有完全不同的物理化学性质，两者的修复机理不尽相同，且重金属和有机物之间存在复杂的交互作用（3,4），使得复合污染的环境效益更为复杂，产生的危害和治理难度更大，采用单一的修复方法难以达到理想的修复效果。如何采取有效的修复技术手段，实现有机物-重金属复合污染土壤修复的突破性进展，成为了当前研究热点之一。

本研究以某重金属-有机物复合污染地块为研究对象，旨在明确热脱附-固化/稳定化联合修复技术在实际污染场地应用中的具体工艺流程及参数设计，为相关的工程提供参考。

2 项目概况

2.1 项目背景

本场地位于湖南省岳阳市某滨江工业园区，场地周边有一化学品厂，生产期间产生的废水、废渣未经任何处理直接排放至场地内，同期旁边的炼铟厂也将生产过程产生的含砷和镉的废水、废渣排入，长期排放造成场地有机物及重金属超标。项目场地规划属于工业用地，因污染严重，影响了其后续的使用。经场地调查和风险评估，涉及的主要污染物有重金属砷、镉，有机物苯酚等，治理面积30197.22 m2，其中污水深度1~2 m，底泥污染深度0.81~1.46 m，历史遗留废渣4458.6 m3。场地内污水抽排至污水厂处理，废渣与底泥采用热脱附-固化稳定化联合修复技术处理。

2.2 土壤修复目标

项目场调和风评于2017年开展，以湖南省《重金属污染场地土壤修复标准》（GB 43/T 1125-2016）工业用地标准限值为修复目标值，土壤、底泥重金属浸出浓度执行《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）III类标准。以《北京市场地土壤环境风险评价筛选值》（GB 11-811-2011）工业用地标准限值为参考依据，并结合风险评估结论，确定苯酚修复目标值为90 mg/kg。

表1 土壤/废渣治理修复工程目标值

3 工艺设计

3.1 工艺流程

将场地内污水抽干后，采用污泥泵或挖机将底泥清运至固化车间脱水，土壤及废渣分批运输至车间并进行破碎机筛分预处理。对预处理后的底泥及废渣进行热脱附处理，并对尾气进行处理，然后添加药剂进行固化/稳定化处理，待养护3~5天后，将验收合格的稳定化的干泥、废渣回填至原场地并压实整平。

图1 工艺流程图

3.2 实施过程

3.2.1 底泥脱水预处理

底泥通过污泥泵/车辆输送至带式脱水机，添加PAM药剂、聚合硫酸亚铁混凝，脱水后泥饼含水率低于60%，将泥饼进一步晾晒，使其含水率达到满足热脱附进料要求。

3.2.2 筛分破碎预处理

晾晒底泥、废渣等采用颚式破碎机对进行破碎，然后通过振动筛进行筛分，剔除大颗粒物质，提高后续热脱附和固化/稳定化处理效率。

3.2.3热脱附

（1）技术适用性分析

热脱附通过直接或间接加热，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。适用于处理挥发及半挥发性有机污染物（如石油烃、农药、多氯联苯）和汞，不适用于无机污染物的处理（汞除外），也不适用于腐蚀性有机物、活性氧化剂和还原剂含量较高的土壤。

本项目目标污染物为苯和苯酚，苯为芳香烃，常温下易挥发，熔点5.5℃，沸点80.1℃，引燃温度560℃，爆炸上限8.0%，爆炸下限1.2%；苯酚熔点43℃，沸点181.9℃。热脱附技术对其具有较好的去除效果。

（2）工艺流程

图2 热脱附处理工艺流程

经过预处理后的底泥和废渣通过输送皮带进入热脱附回转窑，在高温工况（300~500℃）促使底泥和废渣中的有机污染物汽化挥发，达到去除污染物的目的。热脱附设备内部由通风系统控制，处于负压状态，能有效防止汽化污染物泄露。含有汽化污染物的尾气经过离心风机输送依次通过旋风除尘器、袋式除尘器、喷淋塔、汽水分离器、活性炭箱净化处理，最后尾气中各类污染物浓度低于《大气污染物综合排放标准》（GB 16297-1996）中规定的限值，最终通过烟囱高空达标排放。

（3）热脱附工艺参数

加热方式：直接加热

燃料类型：液化石油气

处理目标污染物：苯、苯酚

进料粒径：≤30 mm

进料含水率：≤20%

窑体温度范围：200~250℃

窑体停留时间：20~30 min

回转窑转速：1~4 rpm

工作压力：微负压

停留时间：20~120 min可调

处理能力：>15 t/h

燃料消耗量：9~15 Nm3/t

出料含水率：5%~8%

出料污染物浓度：苯酚≤90 mg/kg

（4）成本分析

热脱附费用包括：人工费、预处理费、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，700~800元/m3。

3.2.4 固化/稳定化

（1）技术适用性分析

固化/稳定化通过向污染土壤中添加固化剂/稳定化剂，经充分混合，使其与污染介质、污染物发生沉淀、吸附、配位、有机络合、氧化还原等作用（5），将污染土壤固封为结构完整的具有低渗透性的固化体，或将污染物转化成化学性质不活泼形态，降低污染物在环境中的迁移和扩散。适用于处理金属类、石棉、放射性物质、腐蚀性无机物、氰化物、砷化合物等无机物以及农药/除草剂、石油或多环芳烃、多氯联苯类以及二噁英等有机化合物。

本项目关注污染物为砷和镉，已有较多案例采用固化/稳定化技术进行处理，适用性强。

（2）工艺流程

图 3 固化/稳定化工艺

将热脱附处理后的干泥和废渣运至单斗提升机，废料、水、固化/稳定化药剂分别通过计量称取，按实验确定的比例投入双轴搅拌机，充分搅拌混合，由出料口卸出，堆存养护，待检验合格后，原位回填，不合格的进入破碎机破碎后与渣料混合后再次进行处理。采用自控系统控制废渣、干泥、各种药剂及水的配加和搅拌机的固化/稳定化搅拌作业，一次搅拌周期包括准备、进料、搅拌、出料四个环节，共计6 min，其中准备约1 min，进料约1.5 min，搅拌2 min，出料1.5 min。连续运行过程中，一次进料完成后，立刻进入下一个准备阶段，在出料的过程中，提升斗上升，待出料完成后，料斗开始进料，进料时间约0.5 min，节约准备时间和提升斗上升时间，一个周期共计4 min。

（3）设备工艺参数

进料粒径：<30 mm

出料容量：1200 L

理论生产率：35 m3/h

搅拌轴转速：27 r/min

提升斗容量：1 m3

料斗提升速度：18 m/min

单次运行时间：准备1 min，进料1.5 min，搅拌2 min，出料1.5 min

连续运行时间：进料0.5 min，搅拌2min，出料1.5 min

固化剂：水泥、粉煤灰

稳定剂：硫基化合物

药剂配比：土壤:水泥:粉煤灰:重金属稳定剂=1:0.03:0.03: 0.1

稳定剂水剂配置浓度：30%

混合料含水率：40%左右

固化体养护周期：≥48 h

（4）成本分析

包括人工费、预处理费、设备折旧、设备运输和安装/拆除费、燃料费、动力费、药剂费、检修及维护费等，300~400元/m3。

4 处置效果与分析

4.1 场地清挖效果分析

本项目严格按照设计范围和深度分层开挖施工，开挖至规定范围后停止施工并及时进行复核校验。基坑开挖结束后，依据《污染地块风险管控与土壤修复效果评估技术导则（试行）》（HJ25.5-2018）相关规定，对基坑底部及侧壁进行采样检测，点位检测超标区域进一步开挖，直至目标污染物完全清除为止。经第三方单位效果评估，本项目对废渣和底泥进行了充分的清挖，满足设计要求。

4.2 场地修复效果分析

施工过程中，对修复区域内底泥和废渣按处理批次取样，处理每500 m3污染底泥或废渣取样1次，回填土壤定期进行检测。利用采样工具采集处理后的样品，采集后送往具备第三方检测资质的检测单位检测。经检测，上层土壤中的砷和镉含量满足《重金属污染场地土壤修复标准》（DB43/T1125-2016）工业用地标准限值；苯酚含量满足《北京市场地土壤环境风险评价筛选值》（DB11-811-2011）工业用地标准限值；砷、镉、苯、甲苯的含量也满足《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB36600-2018）中规定的第二类用地筛选值的要求。场地内所有土壤、底泥、废渣的pH值、砷、镉、苯和苯酚的水浸浓度满足《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）III类标准要求。

4.3 尾气处理效果分析

热脱附尾气经废气处理系统处理后，尾气中的挥发性有机物满足《工业企业挥发性有机物排放控制标准》的要求。

5 结论

本项目通过热脱附+固化/稳定化技术对有机物-重金属复合污染土壤及废渣进行治理，检测结果均小于修复目标值，满足设计方案的要求，污染治理效果达标。

重金属和有机物之间存在交互作用，后期研究中建议加强交互作用对修复机理的研究，充分利用重金属与有机物共存时的协同作用，提高修复效率，降低修复成本，减弱治理后土壤的生态及环境风险。

参考文献：

[1]李鸿炫,胡金星,林伟等.重金属-有毒有机物复合污染土壤的过硫酸盐氧化修复模拟研究[J].环境科学学报,2017,37(09):3553-3560.

[2]夏威夷, 丁亮, 王栋, 朱迟, 曲常胜, 王水, 蔡光华, 郭乾. 重金属有机物复合污染土壤固化稳定化技术研究进展[J]. 绿色科技, 2021, 23 (06): 16-19+22.

[3]薛琳. 土壤环境中重金属-有机物复合污染联合修复技术研究进展[J]. 广东化工, 2023, 50 (12): 199-200+209.

[4]李婉怡, 於维维, 余琼阳, 赵玲, 王月梅, 宋家音, 马文亭, 张宁, 张光华, 董荷玲, 滕应, 骆永明. 土壤重金属–有机物复合污染环境效应与修复技术研究进展[J]. 土壤, 2023, 55 (03): 453-463.

[5]黄占斌, 赵鹏, 王颖南, 马妍, 刘祥宏. 土壤重金属固化稳定化材料研发及其应用基础研究进展[J]. 农业资源与环境学报, 2022, 39 (03): 435-445.