近年來(lái)，被高遷移能力和高毒性的揮發(fā)性/半揮發(fā)性有機物污染的場(chǎng)地備受關(guān)注，且已有多種修復技術(shù)用于此類(lèi)污染場(chǎng)地的治理修復。其中，原位熱脫附技術(shù)具有修復效果好、修復周期短、二次污染可控、適用于不同水文地質(zhì)條件等優(yōu)勢，被快速推廣應用，亦成為研究熱點(diǎn)。2013年，我國第一個(gè)原位熱脫附修復中試項目在蘇州某化工廠(chǎng)污染場(chǎng)地落地。迄今為止，已完成或正在進(jìn)行的原位熱脫附修復工程共23例。這些工程分布在我國中部、南部，以及長(cháng)三角、京津冀等地區，主要為高深度高濃度的農藥和焦化污染場(chǎng)地，其涉及的有機污染物類(lèi)型包括VOCs、多環(huán)芳烴和農藥等。

原位熱脫附是指向地下輸入熱能以加熱土壤及地下水、提高目標污染物的蒸氣壓及溶解度、促進(jìn)污染物揮發(fā)或溶解，同時(shí)采用土壤氣相抽提或多相抽提加速污染物向氣相轉化揮發(fā)、降低土壤中有機污染物濃度，并通過(guò)地面尾水尾氣處理系統實(shí)現污染物徹底清除的技術(shù)。原位熱脫附技術(shù)的加熱方式可分為蒸汽/熱空氣注入加熱(SAIH)、電阻加熱(ERH)、熱傳導加熱(TCH)和射頻加熱(RFH)。原位熱脫附工藝流程一般包括加熱單元、抽提單元、尾水尾氣處理單元和監測控制單元等(見(jiàn)圖1)。其中，加熱單元包括供能系統和地下加熱裝置；抽提單元包括地下抽提管路和地面抽提系統；尾水尾氣處理單元包括冷凝、氣液分離和其他處理設備；監測控制單元包括溫度、壓力和運行參數等的監測與調控裝置。

原位熱脫附技術(shù)具有較好應用前景，然而，由于該技術(shù)設備復雜、集成度較高、工藝繁多，在國內仍處于應用起步階段?，F有研究集中于原位熱脫附過(guò)程中土壤的溫度變化規律、污染物脫附規律及修復成本核算等，而關(guān)于地面尾水尾氣處理工藝、設備選型設計等的研究較少。我國現有原位熱脫附工程在尾水尾氣處理方面存在諸多問(wèn)題。如在工藝設計方面，由于缺乏工程技術(shù)規范和計算依據，很多企業(yè)在工藝設計上基本以經(jīng)驗為主，工藝水平難以固化并提高。在技術(shù)應用中，加熱后產(chǎn)生的高腐蝕性氣體會(huì )損壞后續處理單元，進(jìn)而影響整體處理效果；在二次污染方面，由于對不同質(zhì)地土壤、不同污染物的脫附規律認識不足，導致在尾氣處理過(guò)程中可能產(chǎn)生二次污染物(如二惡英等)，而在施工過(guò)程中還可能產(chǎn)生噪音或粉塵污染等問(wèn)題；在經(jīng)濟性方面，土壤的粘土含量高或濕度高均會(huì )延長(cháng)抽提周期，導致大量能源浪費，從而增加對尾水尾氣的處理成本。

本文針對原位熱脫附尾水尾氣處理中的問(wèn)題，分析其常見(jiàn)處理工藝，甄別實(shí)際應用中的關(guān)鍵問(wèn)題，并對原位熱脫附過(guò)程尾水尾氣處理工藝設計和設備選型中應注意的問(wèn)題進(jìn)行總結歸納，以期為原位熱脫附技術(shù)的應用推廣提供參考。

1.  尾水尾氣處理技術(shù)的概況

1.1  污染物的脫附規律

在原位熱脫附過(guò)程中，污染物的脫附規律會(huì )決定尾水尾氣的組成、濃度等，并影響后端尾水尾氣處理系統的設置。因此，研究熱脫附過(guò)程中土壤污染物的脫附規律，對于探索抽提蒸汽中污染物的組成、含量等特點(diǎn)，優(yōu)化尾水尾氣處理工藝具有重要意義。

原位熱脫附過(guò)程中的溫度、加熱時(shí)間、土壤性質(zhì)等都會(huì )對土壤中污染物的脫附產(chǎn)生影響。在開(kāi)展原位熱脫附技術(shù)應用時(shí)，應綜合考慮加熱溫度和時(shí)間。一般而言，溫度越高、加熱時(shí)間越長(cháng)，污染物的脫附就越徹底。在熱脫附的前期，溫度起主導作用，而在溫度穩定后的中后期，時(shí)間則是主要影響因素。熱脫附過(guò)程中污染物的去除可歸納為遷移能力增強、分離能力增強、轉化能力增強、熱解/燃燒及固定化幾個(gè)階段。遷移分離的增強約發(fā)生在溫度大于100℃時(shí)，并貫穿整個(gè)脫附過(guò)程，其增強程度取決于污染物自身的熱反應能力；而轉化效果增強約發(fā)生在溫度大于200℃時(shí)；熱解/燃燒是土壤失重的主要階段，所需溫度大于400℃；固定化則一般發(fā)生在300~500℃。與不同反應溫度相對應的是不同階段產(chǎn)生的抽提蒸汽組分存在差異。同時(shí)，土壤為非均相傳熱基質(zhì)，其自身傳熱效率較差。這是由于土壤性質(zhì)會(huì )顯著(zhù)影響其傳熱效率，其水分含量、孔隙率、有機質(zhì)含量等均會(huì )導致土壤導熱系數降低，從而影響污染物的脫附效率和抽提蒸汽的物質(zhì)組成。

綜上所述，在實(shí)施原位熱脫附技術(shù)之前，需進(jìn)行詳細的場(chǎng)地水文地質(zhì)調查和大量小試、中試實(shí)驗，以掌握場(chǎng)地水文地質(zhì)特點(diǎn)及污染物脫附規律，進(jìn)而開(kāi)展有針對性的尾水尾氣處理工藝設計，最終保證尾氣尾水的有效凈化和達標排放。

1.2  處理技術(shù)現狀

尾水尾氣處理系統用于處理土壤中抽提出的蒸汽。由于該蒸汽通常由水蒸汽、空氣和氣相有機污染物組成，因此，尾水尾氣處理包括蒸汽冷凝及對熱脫附產(chǎn)生廢水和廢氣的處理。蒸汽處理系統中部件尺寸的選擇取決于預期蒸汽最大產(chǎn)生速率、處理負載量、污染物濃度，以及相應的空氣排放限值。

王奕文等系統梳理總結了異位熱脫附過(guò)程中尾氣處理技術(shù)的研究進(jìn)展。相較于異位熱脫附尾氣，原位熱脫附產(chǎn)生的尾氣具有一定的特殊性，如濕度大、氣量小、污染物濃度波動(dòng)大等，給處理帶來(lái)困難。若對尾水尾氣的處理不當，導致有害物質(zhì)逸散至周邊環(huán)境中造成二次污染，其負面效應會(huì )比污染場(chǎng)地本身更嚴重。然而，有關(guān)原位熱脫附修復過(guò)程中尾氣治理技術(shù)路線(xiàn)的研究仍鮮見(jiàn)報道。

BERLIN等對汞污染土壤的原位熱脫附廢氣進(jìn)行了回收實(shí)驗，其結果表明：平均汞回收率穩定在56%；影響回收率的因素有汞蒸汽的形成、汞的化學(xué)形態(tài)及設備的沖洗液效率。孟祥帥等以某燃氣熱脫附修復工程為例，系統分析了修復全過(guò)程中污染物產(chǎn)生環(huán)節、處理工藝、排放濃度及達標情況。該工程采用“尾氣回燒+活性炭吸附”技術(shù)處理脫附廢氣，采用“芬頓氧化+混凝+活性炭吸附”處理廢水，可實(shí)現其達標排放。另外，亦有少數關(guān)于原位熱脫附案例的文獻，簡(jiǎn)要提及了尾水尾氣處理工藝及效果。近年來(lái)，國內部分單位還引進(jìn)了國外技術(shù)，其中包括美國GEO公司的C3尾氣處理技術(shù)。該技術(shù)采用高壓低溫的處置方式(1.01×106 Pa，-40℃)，通過(guò)物理相態(tài)變化將有機污染物以液態(tài)形式分離出來(lái)，效果較好。

1.3  技術(shù)相關(guān)專(zhuān)利

涉及原位熱脫附尾水尾氣的可查專(zhuān)利較多。筆者查詢(xún)了熱傳導技術(shù)(電加熱、燃氣加熱)和電阻加熱技術(shù)的尾氣處理模塊相關(guān)專(zhuān)利，分析總結了各專(zhuān)利中尾水尾氣處理系統的組成、工藝流程及優(yōu)缺點(diǎn)，具體如表1所示。

在現有原位熱脫附技術(shù)專(zhuān)利中，主要尾氣處理工藝包括除塵、冷凝、氣液分離、吸附、燃燒、催化氧化等。不同專(zhuān)利即上述工藝的不同組合方式，且多數工藝均為在負壓風(fēng)機的抽吸作用下，抽提尾氣經(jīng)氣液分離單元來(lái)完成氣液兩相的初步分離。以上3種原位熱脫附技術(shù)的尾水尾氣處理工藝區別不大。另外，原位燃氣加熱技術(shù)還需考慮供熱燃氣的排放達標問(wèn)題。同時(shí)，考慮到抽提廢氣含有一定量粉塵、長(cháng)期集聚會(huì )堵塞尾氣處理管道和設備等問(wèn)題，個(gè)別專(zhuān)利還在工藝中設置了除塵單元。然而，以上專(zhuān)利還存在一些問(wèn)題需要解決，如采用高溫燃燒來(lái)降解尾氣污染物的工藝大都未凈化可能產(chǎn)生的酸性氣體，且多數技術(shù)未設置完整的尾水處理工藝，基本無(wú)法實(shí)現尾水就地處理。

2.  尾水尾氣的處理技術(shù)應用

2.1  尾水的處理技術(shù)及流程

尾水處理單元主要對抽出的污染地下水、熱脫附抽提廢水、尾氣冷凝水等進(jìn)行集中處理。尾水處理設計施工按照相關(guān)國家標準規范執行，其排放亦應符合相關(guān)行業(yè)和地方標準要求。尾水處理工藝一般有油水分離、混凝、吹脫、高級氧化、活性炭吸附等。

尾氣經(jīng)冷凝后在氣液分離器中進(jìn)行油水分離。含油污水的深度處理可分為一級除油處理和二級除油處理。經(jīng)一級除油處理后出水含油量應控制在30mg?L?1以下，經(jīng)油水分離裝置處理排出的水中含油量應低于10mg?L?1 。油污經(jīng)收集統一送至危廢處理廠(chǎng)進(jìn)行處置。抽出的地下水、基坑廢水和氣液分離器產(chǎn)生的廢液經(jīng)匯總引入污水處理站。在污水處理站經(jīng)處理達標后方可回用或排放。污水處理站常采用“調節沉淀池→絮凝/混凝沉淀池→芬頓氧化池→中和沉淀池→砂濾/炭濾裝置→回用或排放”這一處理工藝(圖2)。污水在調節沉淀池內混合均勻后沉淀，以減緩對后續物化處理系統的沖擊?；炷c絮凝處理工藝建設規模由處理水量確定，其設計水量由原位熱脫附過(guò)程的最大水量確定，絕大部分目標污染物在該工藝中被去除；然后，在中和反應池中，該污水pH被調至6~9，并在此通過(guò)沉淀作用使得上一段工藝產(chǎn)生的絮體被去除；最后，在砂濾/炭濾裝置中通過(guò)濾料的截留、沉降和吸附作用，達到凈水目的。在污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的污泥經(jīng)板框壓濾機脫水后成為危險廢物，被統一運送至危廢處理廠(chǎng)。

2.2  尾氣的處理技術(shù)及應用

尾氣處理單元主要處理熱脫附抽提、廢水吹脫處理等工藝環(huán)節產(chǎn)生的廢氣，其工程設計及施工應符合相關(guān)標準規定。目前，針對原位熱脫附尾氣的單一治理技術(shù)主要有回收技術(shù)及銷(xiāo)毀技術(shù)(表2)?；厥占夹g(shù)指基于物理方法，通過(guò)改變溫度、壓力或采用介質(zhì)吸附、吸收等方法對氣相有機污染物進(jìn)行富集分離；銷(xiāo)毀技術(shù)則基于化學(xué)或生化反應，用熱、光和微生物將有機化合物轉變成為二氧化碳和水等無(wú)毒物質(zhì)。尾氣處理單元的排放應符合相關(guān)行業(yè)和地方標準要求。另外，各種技術(shù)的工程規范可參考文獻。

然而，單一處理技術(shù)往往存在多種缺陷，導致尾氣治理不徹底或能耗居高不下。蘇偉健梳理了6個(gè)重點(diǎn)行業(yè)130家企業(yè)的尾氣治理方案，發(fā)現復合工藝的處理效率普遍高于單一技術(shù)。通常經(jīng)過(guò)組合工藝，可最大限度地發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢，提高尾氣污染物的凈化效率。在初級處理中多采用吸收、吸附及冷凝等技術(shù)。這是由于這些技術(shù)方法應用得更早、技術(shù)相對成熟，但其處理效率不高。相比而言，直燃、催化燃燒技術(shù)處理效果更為徹底，故多作為終端處理措施。此外，仍需對光催化、等離子體、生物降解等技術(shù)開(kāi)展進(jìn)一步研究，將其作為組合技術(shù)的一部分與其他技術(shù)共同完成尾氣的治理。表3即組合技術(shù)的應用情況對比。

2.3  各類(lèi)技術(shù)實(shí)際應用中的問(wèn)題

1)冷凝技術(shù)應用中存在的問(wèn)題。作為尾氣處理的首要環(huán)節，冷凝工藝的效果對后續處理工藝影響較大。根據物質(zhì)的物理特性，當溫度降至露點(diǎn)溫度時(shí)，部分物質(zhì)會(huì )轉變?yōu)橐合嗖奈矚庵蟹蛛x，從而可降低氣相中的污染物含量。一般認為，氣相有機污染物的體積分數高于1%時(shí)即屬于高濃度有機廢氣。若該廢氣具有回收價(jià)值，則建議對其進(jìn)行回收。通常先采用冷凝(冷凍)技術(shù)回收廢氣中的有機物，再通過(guò)焚燒等技術(shù)進(jìn)一步去除殘留。而對于體積分數低于0.1%的氣相有機污染物，通常采用吸附濃縮技術(shù)、生物技術(shù)、低溫等離子體技術(shù)、吸收技術(shù)等將其直接去除。

2)吸附技術(shù)應用中存在的問(wèn)題。吸附技術(shù)適用于處理低濃度、大風(fēng)量的有機廢氣，常用于吸附脂肪化合物、芳香族化合物、大部分含氯溶劑、常用醇類(lèi)、少部分酮類(lèi)，以及酯類(lèi)物質(zhì)等。高濃度、大流量的有機廢氣吸附處理中尚存在如下問(wèn)題。吸附過(guò)程熱效應高，會(huì )放出一定熱量，如活性炭吸附高濃度油氣時(shí)，吸附床溫升可達50~60℃，存在火災風(fēng)險；若廢氣中含有酮、醛、酯、烯烴、硫等活性物質(zhì)，易在活性炭表面發(fā)生化學(xué)反應、堵塞炭孔，導致吸附效率降低；隨著(zhù)活性炭微孔逐漸被破壞，其使用壽命縮短，從而間接增加了廢氣處理費用；由于很難徹底實(shí)現活性炭的解吸再生，故二次污染在所難免。另外，利用不同類(lèi)型活性炭設計吸附裝置時(shí)，還應注意如下幾點(diǎn)。流經(jīng)顆粒狀吸附劑的氣體流速宜低于0.6m?s?1；流經(jīng)纖維狀吸附劑的氣體流速宜低于0.15m?s?1；流經(jīng)蜂窩狀吸附劑的氣體流速宜低于1.2m?s?1。蜂窩分子篩的BET比表面積不宜小于350m2?g?1，蜂窩活性炭的BET比表面積不小于750m2?g?1，活性炭纖維吸附劑的BET比表面積不小于1100m2?g?1。

3)燃燒技術(shù)應用中存在的問(wèn)題。目前，工業(yè)上廣泛應用的燃燒技術(shù)分為直接燃燒法、熱力燃燒法和催化燃燒法。這3種方法均為在一定條件下，將有機廢氣燃燒氧化生成無(wú)毒無(wú)害或低害的物質(zhì)，進(jìn)而達到凈化廢氣的目的。直接燃燒時(shí)，高溫火焰與有機廢氣直接接觸，若污染物濃度過(guò)高，則存在爆炸的風(fēng)險；當氧濃度較低時(shí)，易導致有機物燃燒不徹底，生成二次污染物。熱力燃燒法和催化燃燒法均需對尾氣進(jìn)行預處理，確保尾氣中粉塵質(zhì)量濃度低于10mgNm?3。另外，還要避免硅烷、有機硅等物質(zhì)形成蓄熱體、堵塞催化劑。

3.  展望

1)注重基礎理論研究，科學(xué)設計尾氣處理系統。原位熱脫附過(guò)程中抽提出來(lái)的污染物濃度隨加熱時(shí)間長(cháng)短發(fā)生變化，在某一時(shí)刻，其抽出的污染物濃度可能達到最大值，從而對尾水尾氣處理裝置的運行會(huì )造成沖擊負荷。因此，在工藝設計中，應充分考慮修復場(chǎng)地的污染物特點(diǎn)，詳細測算尾水尾氣流量和污染物濃度峰值。同時(shí)，要科學(xué)認識整個(gè)原位熱脫附過(guò)程中污染物的脫附規律，摸清尾氣中污染物濃度的變化規律，以掌握脫附高峰出現時(shí)間，提前制定應對策略。

2)增強尾氣處理系統完整性和合理性，保證尾氣達標。宜采用國內外先進(jìn)、成熟、可靠的技術(shù)，確保尾氣處理工程的設計、施工和運行管理能力符合規范，并確保各項排放指標達到標準。如在選擇活性炭吸附工藝時(shí)，需設置除霧裝置，避免水分過(guò)高導致活性炭失效。在選擇燃燒處理工藝時(shí)，需結合污染物類(lèi)型設置可選擇的除酸模塊，保證尾氣達標排放；同時(shí)，需要結合污染物濃度，設置一定的防爆措施。在修復工程實(shí)施過(guò)程中，應對排放尾氣進(jìn)行監測。采用活性炭吸附等工藝處理尾氣時(shí)，可在尾氣排放口采用火焰離子檢測器或光離子檢測器進(jìn)行檢測；采用熱催化氧化工藝處理尾氣時(shí)，宜設置連續排放監測系統。另外，可考慮回收尾水尾氣處理系統中有價(jià)值的廢油。

3)強化系統模塊化、集成化程度，提高普適性。對尾水尾氣處理系統進(jìn)行模塊化、集成化的設計，設置可自由切換組合的多工藝模塊，可用于處理不同類(lèi)型的污染物，提高系統的普遍適用性。同時(shí)，撬裝化設計方便裝置的吊裝和移動(dòng)，設備布置緊湊占地面積小、便于維護和管理。尾氣治理工作應從源頭、過(guò)程和末端同步展開(kāi)。末端治理技術(shù)應向信息化、自動(dòng)化、撬裝化、小型化、集約化、節能化、全密閉的方向發(fā)展。

4)提高能量利用效率，降低尾氣治理成本。盡可能對抽提尾氣、燃燒處理的高溫煙氣進(jìn)行熱能回收利用，以降低整體處理成本。

5)做好二次污染防范措施，實(shí)現綠色修復。加強對原位熱脫附過(guò)程中脫附氣體的收集并防范廢水跑冒滴漏。一方面做好抽提井中氣體的高效收集，以確保抽提管線(xiàn)的密閉性，防止管線(xiàn)污染物中廢氣逸散；采用負壓設計，維持管道和設備內的負壓狀態(tài)；確保系統內動(dòng)力設備穩定運行、動(dòng)力設備應設有應急旁通和雙電源等保護措施等。另一方面，落實(shí)二次污染防治措施，應做好修復區域內所有尾氣收集，對配套設備的降噪、減振制定相應措施。（來(lái)源：北京建工環(huán)境修復股份有限公司，北京建工綠色能源環(huán)境科技有限責任公司，中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，城市與區域國家重點(diǎn)實(shí)驗室）