土壤污染热修复装置的研究.pdf

土壤污染热修复装置的研究 潘永刚1石云峰2 1． 广州机械设计研究所， 广州 510600; 2． 广州市金龙峰环保设备工程有限公司， 广州 510220 摘要 针对我国场地污染严重， 挥发性、 半挥发性的总石油烃、 多环芳烃等有机物污染和重金属污染较普遍的土壤现 状， 介绍了一种土壤热修复技术的方法与应用范围， 并研发了一套用于污染土壤热修复的装置。试验确定了进料量、 土壤湿度、 燃烧温度、 热解析炉滚筒转速、 进料粒径等最佳运行条件， 实现对有机物污染的土壤净化的目的， 有助于土 壤修复技术的应用走向设备化、 市场化和产业化。 关键词 有机物污染; 汞污染; 热修复; 土壤净化 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201407028 ＲESEAＲCH AND DEVELOPMENT OF SOIL POLLUTION HOT ＲEPAIＲ DEVICE Pan Yonggang1Shi Yunfeng2 1． Guangzhou Machinery Ｒesearch Institute，Guangzhou 510600， China; 2． Guangzhou Jinlongfeng Environmental Protection Equipment and Engineering Co． ， Ltd，Guangzhou 510220， China AbstractIn order to solve the severe site pollution which was generated by organic pollution including volatile and semi- volatile petroleum hydrocarbons，polycyclic aromatic hydrocarbons pollution and heavy metal pollution of soil in China，a of soil thermal remediation technology was introduced． This paper disscused its applied range and develop a hot recovery apparatus for polluted soil． The experiment discovered the optimum operating condition such as the quantity， soil moisture，combustion temperature，the speed of thermal desorption furnace roller，the particle size of the matter， etc．The realization of purifying organic polluted soil， helped the development of equipment， marketization and industrialization of soil remediation technology． Keywordsorganic pollution;mercury pollution;thermal remediation;soil decontamination 收稿日期 2013 －09 －10 随着国内经济升级、 产业转移和转型， 大批的 钢铁、 化工等工业用地、 固体废物堆放场、 军事基地 等从城市中心地带向其他地区或者郊区搬迁， 留下 了大批受污染的场地。土壤中的污染物主要为总 石油烃、 多环芳烃等有机物， 有些土壤还有汞、 砷等 重金属的污染物， 受污染的土壤难以恢复， 对农产 品和人体健康造成危害。我国 “十二五” 规划纲 要 将节能环保列为七大战略性新兴产业之首， 其 中土壤修复在环保产业的重点发展之列。针对国 内在土壤修复方面设备和装置的现状， 选取挥发 性、 半挥发性有机物和重金属汞等的污染土壤， 以 热修复技术方法为突破口， 研究重点有机物、 汞污 染的场地土壤修复装置。 1土壤热修复方法 土壤热修复是指利用污染物的热挥发性， 采用直 接或间接加热的方法， 提高土壤温度 150 ～760 ℃ ， 促进污染物在水 － 气、 固 － 气界面中优先分布于气相 的特性， 从而促使污染物质 如汞或有机物 从土壤 中解析出来， 通过回收挥发的气态污染物质对其进行 进一步的深度处理， 包括布袋除尘、 过滤、 再焚烧、 活 性炭吸附等措施使排放气体达标排放， 处理过的土壤 则通过加水降温冷却排放最终回填， 从而实现对污染 土壤的净化和修复。热处理修复技术适用于处理土 壤中挥发性有机物、 半挥发性有机物、 汞和砷等重金 属的污染物、 农药、 高沸点氯代化合物， 不适用于处理 土壤中重金属 Zn、 Cu、 Cd、 Pb、Cr 等 、 腐蚀性有机 物、 活性氧化剂和还原剂等。土壤热修复方法在发达 国家成功地运用于众多的土壤修复项目当中。作为 721 土 壤 修 复 Soil Ｒemediation 一种物理修复方法， 具有工艺简单、 处理迅速、 恢复周 期短、 技术成熟等优点， 适用于城市中心的受污染土 壤的快速修复， 满足商业再开发的需求， 对于处理一 些突发性的有机污染环境事故的紧急修复也是一种 选用的技术方法。 2装置设备的研究 2. 1土壤热修复装置的方式 按照是否需要开挖土方分为原位热修复和异位 热修复; 按进料方式分为连续进料式热修复和间歇式 进料热修复; 按热修复设备的可移动性又分为固定式 热修复和可移动式热修复; 按加热方式又分为直接加 热式热修复和间接加热式热修复。经过工艺比选和 针对我国的污染土壤特点， 本研究选用原位、 连续进 料和间接加热的热修复方式。 2. 2土壤热修复装置的原理 根据土壤热修复方法， 研究 500kg/h 的土壤热修 复装置， 包括一级螺旋输送机、 振动筛、 二级螺旋输送 机、 热解析炉回转窑、 三级螺旋输送机、 破碎机、 第一 水冷凝器、 旋风除尘器、 焚烧炉、 气体冷凝器、 汞分离 器、 第二水冷凝器、 布袋除尘器、 引风机、 冷却塔、 控制 系统和附属装置等。其工艺步骤 一级螺旋输送机将 待修复土壤输送到振动筛， 过筛土壤经过二级螺旋输 送机输送到热解析炉回转窑中， 利用厌氧环境从土壤 里解吸/分离挥发性和半挥发性有机化合物、 重金属 汞等污染物， 保持物料的温度在 450 ～760 ℃， 热解析 炉回转窑里保持轻微负压， 使流程中的气体从转窑内 出来进入二次燃烧室进行充分的燃烧; 经过焙烧的土 壤经过三级螺旋输送机输送至破碎机破碎; 从热解析 炉回转窑出来的废气则通过第一水冷凝器降温至 280 ～ 320 ℃， 汞蒸气降温到液 － 气相变临界温度 359 ℃以下变成液态汞金属; 进入汞分离器， 分离出 颗粒粉尘和液态汞; 从汞分离器出来的废气进入二次 燃烧室燃烧， 经过气体冷凝器与第二水冷凝器， 使废 气的温度降至 150 ～200 ℃， 经过布袋除尘器除尘， 除 尘后的气体通过引风机外排; 洗涤吸收塔出来的洗涤 水经沉淀池分离沉淀物后送到冷却塔进行冷却， 排到 循环水池作冷却水循环使用; 经高温解析后的土壤进 入混合搅拌器冷却后从系统排出， 运送回原场所 回填。 2. 3装置的核心关键设备 热解析炉回转窑设备， 由回转滚筒、 传动及支撑 机构、 加料机构、 加料端罩、 出料端罩、 加热炉、 测控系 统、 废气处理系统等部分组成。其主要技术参数及要 求如下 散状土堆密约 1. 5 g/cm3， 湿含量约 20; 滚 筒规格 470 mm 6 000 mm; 常用温度 600 ～900 ℃ 滚筒外 ， 450 ～800 ℃ 滚筒内 ; 燃耗 液化气最大 10 kg/h; 滚 筒 转 速 常 用 转 速 1. 3 r/min， 0. 6 ～ 3 r/min范围可调; 处理量 最大 500 kg/h; 结构型式 间接外加热， 耐火纤维炉膛， 整体钢支座结构; 控温方 式 PID 智能仪表 2 点自动控温， 带超温报警; 加料方 式 螺旋给料机给料， 速度可调; 出料方式 轴向出料; 密封方式 迷宫式 石墨填料接触密封; 排烟方式 钢 烟囱自然抽排， 配余热水套加热液化气罐; 废气处理 配粉尘回收装置、 冷凝器和废气焚烧炉处理等。 2. 4装置的主要外形图 设计研究的 500kg/h 热修复装置主要外形图如 图 1、 图 2 所示， 带有自控系统， 实现自动进料、 自动 出料、 灰量少、 无二次污染、 可由卡车运至土壤修复现 场等特点。 图 1热解析炉回转窑立面图 Fig． 1Thermal desorption furnace elevation of rotary kiln 图 2装置管道平面布置图 Fig． 2Piping layout 3试验最佳运行参数 试验装置的运作以及达到最佳处理效果， 保证进 料均匀且连续、 土样燃烧时间充分、 土样湿度及粒径 适中、 燃烧温度合适、 净化达到标准情况等， 获得试验 821 环境工程 Environmental Engineering 数据， 为污染土壤热修复设备化应用提供设计研究 参数。 3. 1试验污染土壤样品成分和土壤的净化参考标准 试验 土 壤 的 潮 湿 度 19. 2;固 体 物 含 量 80. 8、 平均密度 1. 75; 汞含量为≤2 ～2. 69 mg/kg; 总石油烃含量在 1 786 ～ 40 167 mg/kg; 多环芳烃 26. 10 mg/kg; 其他苯并［ a］蒽、 二苯并［ a、 h］蒽有少 量超标。土壤净化参考标准 GB 156181995土壤 环境质量标准 第三级标准值。 3. 2试验方法 影响试验的因素包括土壤的湿度、 燃烧温度、 滚 筒转速、 进料粒径和进料量。经过试验确定土壤的湿 度、 燃烧温度、 滚筒转速为主要因素， 进料粒径和进料 量为次要因素。采用单因素试验法对次要因素进行 试验， 确定进料粒径和进料量的最佳值; 采用正交试 验法对三个重要影响因素进行试验， 确定土壤的湿 度、 燃烧温度、 滚筒转速的最佳值。确定研究装置的 最佳运行参数。 3. 3试验结果及分析 试验分三个阶段进行 第一阶段确定最佳粒径; 第二阶段确定最佳进料量; 第三阶段确定燃烧温度、 土壤湿度、 滚筒转速的最佳运行值。 3. 3. 1确定最佳粒径 当进料粒径为试验唯一变化因素， 其他试验条件 为燃烧温度 550 ℃、 土壤湿度 10 ～20、 滚筒转速 1. 0 r/min、 进料量 500 kg/h 保持不变。进料粒径分 别为 ＜5 mm、 5 ～8mm 时， 已修复土壤的有机质含量 不同。当进料粒径 ＜ 5 mm 时， 出土的有机质为 0. 905， 未检测到总石油烃中的 C29～ C36; 当进料粒 径为 5 ～8 mm 时， 出土的有机质为 1. 106， 总石油 烃中的 C29～ C36的含量为 24 mg/kg。因为进料粒径 的增大， 热解析炉窑体内的反应程度减弱， 土壤中的 有机质挥发出来的量变小， 因此出土的有机质增大， 处理效率降低。进料粒径和已修复土壤的有机质的 变化关系见图 3。 3. 3. 2确定最佳进料量 当进料量为试验唯一变化因素， 其他试验条件为 燃烧温度 550 ℃、 湿度 10 ～ 20、 转速 1. 0 r/min、 进料粒径 ＜5 mm 保持不变， 进料量分别为 300， 500， 700 kg/h 时， 已修复土壤的有机质的含量不同。在进 料量为 300 kg/h 时， 出土的有机质为 0. 811; 在进 料量为 500 kg/h 时， 出土的有机质为 0. 905; 在进 图 3进料粒径对已修复土壤中有机质的影响 Fig．3The impact of feeding grain diameter to organic matter content of remedied soil 料量为 700 kg/h 时， 出土的有机质为 1. 098。在进 料量分别为 300， 500 kg/h 时， 出土未检测到总石油 烃中的 C29～ C36、 出土未检测到多环芳烃中的芘; 在 进料粒径为700 kg/h 时， 出土总石油烃中的 C29～ C36 的含量为 27 mg/kg、 出土多环芳烃中的芘的含量为 0. 3 mg/kg; 而其他有机污染物在 300， 500， 700 kg/h 的试验条件下均未检出。进料量的增大， 土壤在热解 析炉窑体内的停留、 反应时间减短， 土壤中有机质挥 发量变小， 有机质含量随之增大， 处理效率降低。进 料量和已修复土壤的有机质变化关系见图 4。 图 4进料量对已修复土壤中有机质的影响 Fig．4The impact of handling capacity to organic matter content of remedied soil 3. 3. 3正交试验法 采用正交试验法确定燃烧温度、 土壤湿度、 滚筒 转速的最佳运行值 试验结果见表 1 所列试验组为 有代表性的试验组 。 经对确定最佳燃烧温度、 土壤湿度、 滚筒转速的 试验结果分析，在试验条件3 号， 总石油烃中的C15～ C28的含量为 24 mg/kg， C29～ C36的含量为30 mg/kg， 而在其他试验条件下， 总石油烃和多环芳烃均未检 出。土壤中的有机质随着燃烧温度的升高而减少 见图 5 ; 液化石油气的用量见图 6， 液化石油气的 用量随着燃烧温度的升高而增大。 921 土 壤 修 复 Soil Ｒemediation 表 1试验条件 Table 1Test conditions 序号 燃烧温 度/℃ 滚筒转速/ r min －1 土壤湿 度/ 进料量/ kg h －1 粒径/ mm 1 号 5500. 6＜10500＜5 2 号 5501. 010 ～20500＜5 3 号 5501. 320 ～30500＜5 4 号 6501. 0＜10500＜5 5 号 6501. 310 ～20500＜5 6 号 6500. 620 ～30500＜5 7 号 7501. 3＜10500＜5 8 号 7500. 610 ～20500＜5 9 号 7501. 020 ～30500＜5 图 5土壤的有机质随燃烧温度的变化趋势 Fig．5Organic matter of soil after remediation in different temperature 图 6液化石油气的用量 Fig．6Gas consumption in different temperature 在试验 4 号、 5 号、 6 号、 7 号、 8 号、 9 号， 其燃烧 的温度在 650 ℃和 750 ℃， 虽然有机物都未检出， 但 是已修复土壤中的有机质比在燃烧温度为 550 ℃的 出土要低。而且液化石油气的用量较大， 因此不是最 佳的运行条件。在试验 3 号， 总石油烃中的 C15～ C28 的含量为 24 mg/kg， C29～ C36的含量为 30 mg/kg， 有 机污染物的去除率降低。而试验 1 号， 虽然有机污染 物均未检出， 但是由于反应较充分， 已修复土壤的有 机质相对试验 2 号要小， 而且土壤在热解析炉窑体内 的停留时间较试验 2 号要长， 处理效率较低， 因此试 验 1 号、 试验 3 号不是最佳的运行条件。试验 2 号的 试验出土有机污染均未检出， 去除率高; 液化石油气 的用量最少， 运行成本较低; 因此试验 2 号为最佳的 运行条件。 3. 3. 4装置的废气排放和已修复处理土壤检验 在对装置试验条件为燃烧温度为 550 ℃、 含水率 为 10 ～20、 转速为 1. 0 r/min、 粒径 ＜5 mm、 进料 量为 500 kg/h 的已修复处理土壤检验结果见表 2。 达到净化参考标准的国标 GB 156181995 第三级标 准值。根据 DB 44272001广东省大气污染物排放 限值 第二时段标准， 颗粒物的最高允许排放浓度为 18 mg/m3，一 氧 化 碳 的 最 高 允 许 排 放 浓 度 为 1 000 mg/m3， 总挥发性有机物未做要求。经对排放 废气的检测和结果分析， 排放废气中颗粒物、 CO、 VOCs 的排放浓度符合标准。 表 2已修复处理土壤检验结果 Table 2The results of content of remedied soil 检测项目检测结果 pH 值 8. 10 水分/ 0. 396 有机质/ 0. 905 汞/ mg kg －1 ＜0. 002 总石油烃/ mg kg －1 C6～ C9＜0. 5 C10～ C14＜10 C15～ C28、C29～ C36＜20 多环芳烃/ mg kg －1 萘、 苊烯、 苊、 芴、 菲、 蒽、 荧蒽、 芘、 苯并 a 蒽、 屈 ＜0. 1 苯并 a 芘、 二苯并 a， h 蒽、 苯并 k 荧蒽＜0. 1 茚苯 1， 2， 3- cd 芘、 苯并 b 荧蒽、 苯并 苝 二萘嵌苯 ＜0. 1 3. 4试验最佳运行参数 采用单因素试验法对这两个次要影响因素进行 试验， 确定当进料粒径 ＜ 5 mm， 进料量为 500 kg/h 时， 试验效果最好; 采用正交试验法对三个重要影响 因素进行试验， 确定当土壤的湿度为 10 ～20、 燃 烧温度为550 ℃、 滚筒转速为1. 0 r/min 时， 试验效果 最好， 而且运行成本最低; 该污染土壤热修复装置的 最佳运 行 条 件 为 进 料 粒 径 ＜ 5 mm，进 料 量 为 500 kg/h， 土壤的湿度为 10 ～ 20， 燃烧温度为 550 ℃， 滚筒转速为 1. 0 r/min， 而且废气中 CO、 VOCs、 颗粒物的排放浓度符合排放标准。 4结论 1 最佳运行条件为进料粒径 ＜ 5 mm， 进料量为 下转第 39 页 031 环境工程 Environmental Engineering 远远高于连续流生物阴极 MFC。 参考文献 ［1］Bruce L，Shaoan C， Valerie W， et al． Graphite fiber brush anodes for increased power production in air- cathode microbial fuel cells ［J］．Environmental Science ＆ Technology，2007，41 17 3341- 3346. ［2］温青，吴英，王贵领，等． 双极室联合处理啤酒废水的微生物 燃料电池［J］． 高等学校化学学报， 2010， 31 6 1231- 1234. ［3］关毅，张鑫． 微生物燃料电池［J］ ． 化学进展，2007，19 1 74- 79. ［4］Wu X，Zhao F，Ｒahunen N，et al． A role for microbial palladium nanoparticles in extracellular electron transfer［J］ ．Angewandte Chemie International Edition， 2011， 50 427- 430. ［5］陈立香，肖勇，赵峰． 微生物燃料电池生物阴极［J］． 化学进 展， 2012， 24 1 157- 162. ［6］Kontani Ｒ，Tsujimura S，Kano K． Air diffusion biocathode with CuO aselectrocatalystadsorbedoncarbonparticle- modified electrodes［J］． Bioelectrochemistry， 2009， 76 10- 13. ［7］吴夏芫，宋天顺，支银芳，等． 小球藻生物阴极型微生物燃料 电池的基础特性［ J］ ． 过程工程学报， 2012， 12 1 131- 135. ［8］谢珊，陈阳，梁鹏，等． 好氧生物阴极型微生物燃料电池的同 时硝化和产电的研究［J］ ． 环境科学，2010，31 7 1601- 1606. ［9］Zhen He，Shelly D M，Largust A．Electricity generation from artificial wastewater using an upflow microbial fuel cell［J］． Environ Sci Technol， 2005， 39 5262- 5267. ［ 10］张翠萍，刘广立，张仁铎，等． 喹啉和吡啶共存条件下的 MFC 产电特性研究［J］． 环境科学学报， 2010， 30 7 1372- 1376. ［ 11］赵世辉，李友明，万小芳，等． 木质素磺酸盐在微生物燃料电 池中的降解及产电性能研究［J］． 环境工程学报，2011，5 7 1647- 1650. ［ 12］詹亚力，王琴，闫光绪，等． 高锰酸钾作阴极的微生物燃料电 池［J］． 高等学校化学学报， 2008， 29 3 559- 563. ［ 13］You S J，Zhao Q L，Zhang J N，et al． A microbial fuel cells using permanganate as the cathodic electron acceptor ［J］．Power Sources， 2006， 162 2 1409- 1415. ［ 14］Cao X X，Huang X，Liang P，et al． A completely anoxic microbial fuel cell using a photo- biocathode for cathodic carbon dioxide reduction［J］． Energy ＆ Environmental Science，2009，2 5 498- 501. ［ 15］Huang J S，Yang P，Guo Y，et al． Start- up of a continuous flow MFCandbio- particles ation ［J］．JournalofChemical Engineering of Chinese Universities， 2010， 24 4 694- 699. 第一作者 印霞棐 1990 － ， 女， 硕士研究生， 主要研究方向为环境生 物技术。s08332104 smail． jsut． edu． cn 通讯作者 刘维平 1965 － ， 男， 博士， 教授， 主要从事环境生物技术方 面的研究工作。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 wpliu outlook． com 上接第 130 页 500 kg/h， 土壤的湿度为 10 ～ 20、 燃烧温度为 550 ℃、 滚筒转速为 1. 0 r/min， 处理后土壤达到 GB 156181995 第三级标准值。 2 排放的废气符合 DB 44272001 第二时段 标准。 3 实现对有机物污染的土壤净化的目的， 有助 于土壤修复技术的应用走向设备化、 市场化和产 业化。 参考文献 ［1］钱暑强， 刘铮． 污染土壤修复技术介绍［J］ ． 化工进展， 2000， 19 4 10- 12． ［2］田晋跃， 刘刚． 土壤污染修复工程技术装备初探［J］． 工程机 械， 2003， 34 12 33- 37． ［3］龚佰勋． 环保设备设计手册固体废物处理设备［M］ ． 北京 化 学工业出版社， 2004． ［4］王琪． 工业固体废物处理及回收利用［ M］ ． 北京 中国环境科学 出版社， 2006． ［5］高翔云， 汤志云， 李建和， 等． 国内土壤环境污染现状与防治措 施［J］． 环境保护， 2006 4 50- 53． ［6］潘永刚， 石云峰， 胡继波， 等． 一种土壤修复方法 中国， ZL 20120015621. 8［P］． 2013． ［7］潘永刚， 石云峰， 胡继波， 等． 一种土壤修复系统 中国， ZL 20120015615. 2［P］． 2013． ［8］国家环境保护部 污染场地土壤修复技术导则 征求意见 稿［Z］． 上海市环境科学研究院和环境保护部南京环境科学 研究 所 等，2009． http / /www． zhb． gov． cn/gkml/hbb/bgth/ 200912/t20091223_183351． htm． ［9］王瑛， 李扬， 黄启飞， 等． 温度和停留时间对 DDT 污染土壤热脱 附效果的影响［J］． 环境工程， 2012， 30 1 116- 120． ［ 10］周霞， 刘云彪， 李辉． 石油污染土壤综合修复治理方法研究 ［J］． 环境工程， 2013， 31 4 105- 108． 第一作者 潘永刚 1965 － ， 男， 所长， 高级工程师， 主要从事轻化工 艺、 环保装备领域的研究。Lpyg vip． tom． com 第二作者 石云峰 1968 － ， 男， 总经理， 高级工程师， 主要从事环保工 程、 环保设备领域的研究。 93 水污染防治 Water Pollution Control