污染場地修復(fù)入門篇(3) 土壤修復(fù)物理化學(xué)技術(shù)詳解

1、污染土壤的物理修復(fù)污染土壤的物理修復(fù)中國環(huán)境科學(xué)研究院中國環(huán)境科學(xué)研究院三、固化三、固化/ /穩(wěn)定化土壤修復(fù)技術(shù)穩(wěn)定化土壤修復(fù)技術(shù) 3.1 3.1 概念概念：固化/穩(wěn)定化（Solidification/Stabilization）是指防止或者降低污染土壤釋放有害化學(xué)物質(zhì)過程的一組修復(fù)技術(shù)，通常用于重金屬和放射性物質(zhì)污染土壤的無害化處理，可以是原位也可以是異位。 固化固化是指將污染物包被起來，使之呈顆粒狀或大塊狀存在，進(jìn)而使污染物處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定化穩(wěn)定化是指將污染物轉(zhuǎn)化為不易溶解、遷移能力或毒性變小的狀態(tài)和形式，即通過降低污染物的生物有效性，實現(xiàn)其無害化或者降低其對生態(tài)系統(tǒng)危害性的風(fēng)險3.

2、2 3.2 原理：原理： 固化/穩(wěn)定化技術(shù)一般常采用的方法為:先利用吸附質(zhì)如黏土、活性炭和樹脂等吸附污染物，澆上瀝青，然后添加某種凝固劑或黏合劑，使混合物成為一種凝膠，最后固化為硬塊。3.3 固化固化/穩(wěn)定化技術(shù)具有以下一些特點：穩(wěn)定化技術(shù)具有以下一些特點： 需要污染土壤與固化劑/穩(wěn)定劑等進(jìn)行原位或異位混合，與其他固定技術(shù)相比，無需破壞無機物質(zhì)，但可能改變有機物質(zhì)的性質(zhì) 穩(wěn)定化可能與封裝等其它固定技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，并可能增加污染物的總體積 固化/穩(wěn)定化處理后的污染土壤應(yīng)當(dāng)有利于后續(xù)處理 現(xiàn)場應(yīng)用需要安裝下面全部或部分設(shè)施：原位修復(fù)所需的螺旋鉆井和混合設(shè)備；集塵系統(tǒng)；揮發(fā)性污染物控制系統(tǒng)；大型儲存池

3、。3.4 固化固化/穩(wěn)定化技術(shù)優(yōu)勢穩(wěn)定化技術(shù)優(yōu)勢可以處理多種復(fù)雜金屬廢物費用低廉加工設(shè)備容易轉(zhuǎn)移所形成的固體毒性降低，穩(wěn)定性增強凝結(jié)在固體中的微生物很難生長，不致破壞結(jié)塊結(jié)構(gòu)3.5 3.5 固化固化/ /穩(wěn)定化技術(shù)影響因素穩(wěn)定化技術(shù)影響因素 物理機制物理機制：水分及有機污染物含量過高，部分潮濕土壤或者廢物顆粒與粘結(jié)劑接觸粘合，而另一部分未經(jīng)處理的土壤團聚體或結(jié)塊，最后形成處理土壤與粘結(jié)劑混合不均勻；親水有機物對養(yǎng)護水泥或者礦渣水泥混合物的膠體結(jié)構(gòu)有破壞作用；干燥或粘性土壤或廢物容易導(dǎo)致混合不均 化學(xué)機制化學(xué)機制：化學(xué)吸附/老化過程；沉降/沉淀過程；結(jié)晶作用 其他因素：其他因素：含油或油脂的污染

4、土壤固化/穩(wěn)定化后，其穩(wěn)定性較差；污染土壤本身某些固定組分3.6 異位固化異位固化/穩(wěn)定化穩(wěn)定化3.6.1 異位固化異位固化/穩(wěn)定化限制因素穩(wěn)定化限制因素 最終處理時的環(huán)境條件可能會影響污染物的長期穩(wěn)定性 一些工藝可能會導(dǎo)致污染土壤或固廢體積顯著增大 有機物質(zhì)的存在可能會影響?zhàn)そY(jié)劑作用的發(fā)揮 VOCs通常很難固定 對于成分復(fù)雜的污染土壤或固體廢物還沒有發(fā)現(xiàn)很有效的粘合劑 石塊或碎片比例太高會影響粘結(jié)劑的注入和與土壤的混合3.7 原位固化原位固化/穩(wěn)定化穩(wěn)定化混合混合尾氣處理（可選）尾氣處理（可選）尾渣處理尾渣處理固化固化/穩(wěn)定化介質(zhì)穩(wěn)定化介質(zhì)固化固化/穩(wěn)定化藥劑穩(wěn)定化藥劑水水3.7.1 3.7

5、.1 原位固化原位固化/ /穩(wěn)定化的影響因素穩(wěn)定化的影響因素 許多污染物/過程相互復(fù)合作用的長期效應(yīng)尚未有現(xiàn)場實際經(jīng)驗可以參考 污染物埋藏深度會影響、限制一些具體的應(yīng)用過程 必須控制好粘結(jié)劑的注射和混合過程，防止污染物擴散進(jìn)入清潔土壤 與水的接觸或者結(jié)冰/解凍循環(huán)過程會降低污染物的固定化效果 粘結(jié)劑的輸送和混合要比異位固化過程困難，成本相對也高3.8 3.8 設(shè)計需要注意的問題設(shè)計需要注意的問題安全性問題不同介質(zhì)間的污染問題其它問題：防范措施、有毒氣體的處理、設(shè)備的檢查等4、玻璃化修復(fù)技術(shù)、玻璃化修復(fù)技術(shù)（Vitrification remediation）包括原位和異位技術(shù)包括原位和異位技術(shù)

6、 原位玻璃化技術(shù)的發(fā)展起源于20世紀(jì)五六十年代核廢料的玻璃化處理技術(shù)，近年來推廣到土壤修復(fù) 4.1 4.1 原位玻璃化技術(shù)原位玻璃化技術(shù)是指通過向污染土壤插入電極，對污染土壤固相組分給予16002000度的高溫處理，使有機污染物和一部分無機化合物如硝酸鹽、硫酸鹽和碳酸鹽等得以揮發(fā)或熱解從而從土壤中去除的過程。其中，有機污染物熱解產(chǎn)生的水分和熱解產(chǎn)物由氣體收集系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步處理。熔化的污染土壤冷卻后形成化學(xué)惰性的、非擴散的整塊堅硬玻璃體，有害無機離子得到固定。 此技術(shù)適用于含水量較低、污染物深度不超過6M的土壤4.1.1 4.1.1 原位玻璃化技術(shù)的影響因素原位玻璃化技術(shù)的影響因素 埋設(shè)的導(dǎo)體通

7、路 質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過20%的礫石 土壤加熱引起的污染物向清潔土壤的遷移 易燃易爆物質(zhì)的累積 土壤或者污泥中可燃有機污染物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過5%10% 固化的物質(zhì)可能會妨礙今后現(xiàn)場的土地利用與開發(fā) 低于地下水位的污染修復(fù)需要采取措施防止地下水反灌 濕度太高會影響成本4.1.2 4.1.2 原位玻璃化技術(shù)應(yīng)用的成本估原位玻璃化技術(shù)應(yīng)用的成本估算算固定成本固定成本可變成本可變成本其它管理工作其它管理工作人員設(shè)備安人員設(shè)備安置置電源、電極設(shè)備租用電源、電極設(shè)備租用罩子及尾氣處理設(shè)備租用罩子及尾氣處理設(shè)備租用運行維護人工費運行維護人工費能源動力費能源動力費現(xiàn)場監(jiān)控現(xiàn)場監(jiān)控現(xiàn)場衛(wèi)生、安全保障現(xiàn)場衛(wèi)生、安全保障工藝

8、控制采用分析工藝控制采用分析尾氣處理尾氣處理4.2 4.2 異位玻璃化技術(shù)異位玻璃化技術(shù) 指使用等離子體、電流或其他熱源在16002000度的高溫熔化土壤及其中的污染物，使有機污染物在高溫下被熱解或蒸發(fā)去除，有害無機離子則得以固定化，產(chǎn)生的水分和熱解產(chǎn)物由氣體收集系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步處理。熔化的污染土壤冷卻后形成化學(xué)惰性的、非擴散的整塊堅硬玻璃體，有害無機離子得到固定。4.2.1 4.2.1 異位玻璃化技術(shù)影響因素異位玻璃化技術(shù)影響因素需要控制尾氣中的有機污染物以及一些揮發(fā)的重金屬蒸汽需要處理玻璃化后的殘渣濕度太高會影響成本五、熱力學(xué)修復(fù)技術(shù)（五、熱力學(xué)修復(fù)技術(shù)（Thermodynamic reme

9、diation） 利用熱傳導(dǎo)（如熱井和熱墻）或輻射（如無線電波加熱）實利用熱傳導(dǎo)（如熱井和熱墻）或輻射（如無線電波加熱）實現(xiàn)對污染土壤的修復(fù)現(xiàn)對污染土壤的修復(fù) 包括高溫（包括高溫（100 100 ）原位修復(fù)技術(shù)、低溫（）原位修復(fù)技術(shù)、低溫（ 100 100 ）原位）原位修復(fù)技術(shù)和原位電磁波加熱修復(fù)技術(shù)修復(fù)技術(shù)和原位電磁波加熱修復(fù)技術(shù)5.1 5.1 高溫原位加熱修復(fù)技術(shù)高溫原位加熱修復(fù)技術(shù) 利用氣提井和鼓風(fēng)機將水蒸汽和污染物收集起來，通過熱傳導(dǎo)加熱，可以通過加熱毯從地表進(jìn)行加熱，也可以通過安裝在加熱井中的加熱器件進(jìn)行。 高溫原位加熱修復(fù)技術(shù)主要用于半揮發(fā)性的鹵代有機物和非鹵代化合物、多氯聯(lián)苯以及

10、密度較高的非水質(zhì)液體有機物等5.1.1 5.1.1 高溫原位加熱修復(fù)技術(shù)的影響因素高溫原位加熱修復(fù)技術(shù)的影響因素 地下土壤的異質(zhì)性會影響原位修復(fù)處理的均勻程度 提取揮發(fā)性弱一些的有機物的效果，取決于處理過程所選擇的最高溫度 加熱和蒸汽收集系統(tǒng)必須嚴(yán)格設(shè)計、嚴(yán)格操作、以防止污染物擴散進(jìn)入清潔土壤 經(jīng)過修復(fù)的土壤結(jié)構(gòu)，可能會由于高溫而發(fā)生變化 如果處理飽和層土壤，需要高能來將水加熱，會大幅度提高成本 含有大量粘性土壤及腐殖質(zhì)的土壤，由于對揮發(fā)性有機物具有較高吸附性，會導(dǎo)致去除速率降低 需要尾氣收集處理系統(tǒng)5.1.2 5.1.2 高溫原位加熱修復(fù)技術(shù)應(yīng)用的成本估算高溫原位加熱修復(fù)技術(shù)應(yīng)用的成本估算固

11、定成本固定成本可變成本可變成本其它管理工作其它管理工作提取井安裝采樣點安裝設(shè)備人員設(shè)備安置加熱設(shè)備租用尾氣處理設(shè)備租用能源動力費現(xiàn)場監(jiān)控現(xiàn)場衛(wèi)生、安全保障工藝控制采用分析尾氣處理5.2 5.2 低溫原位加熱修復(fù)技術(shù)低溫原位加熱修復(fù)技術(shù)利用蒸汽井加熱，包括蒸汽注射鉆頭、熱水浸泡或者電阻加熱產(chǎn)生蒸汽加熱，可以將土壤加熱到100度主要用于處理的污染物是半揮發(fā)性鹵代物和非鹵代物及濃的非水溶性液態(tài)物質(zhì)。5.2.1 5.2.1 主要的影響因素主要的影響因素 地下土壤的異質(zhì)性，會影響修復(fù)處理的均勻程度 滲透性能低的土壤難以處理 在不考慮重力的情況下，會引起蒸汽繞過非水溶性液態(tài)稠密污染物 地下埋藏的導(dǎo)體，會影

12、響電阻加熱的應(yīng)用效果 流體注射和蒸汽收集系統(tǒng)，必須嚴(yán)格設(shè)計、嚴(yán)格操作，以防止污染物擴散進(jìn)入清潔土壤 蒸汽、水和有機液體必須回收處理 需要尾氣收集處理系統(tǒng)5.2.2 5.2.2 低溫原位加熱修復(fù)技術(shù)應(yīng)用的成本估算低溫原位加熱修復(fù)技術(shù)應(yīng)用的成本估算固定成本固定成本可變成本可變成本其它管理工作其它管理工作提取井安裝采樣點安裝設(shè)備人員設(shè)備安置加熱設(shè)備租用尾氣處理設(shè)備租用冷凝設(shè)備租用能源動力費現(xiàn)場監(jiān)控現(xiàn)場衛(wèi)生、安全保障工藝控制采用分析有機液體污染物處理尾氣處理5.3 5.3 原位電磁波加熱修復(fù)技術(shù)原位電磁波加熱修復(fù)技術(shù) 也屬于高溫原位加熱技術(shù)，利用高頻電壓產(chǎn)生的電磁波能量對現(xiàn)場土壤進(jìn)行加熱，利用熱量強化

13、土壤蒸汽浸提技術(shù)，使污染物在土壤顆粒內(nèi)解吸而達(dá)到污染土壤的修復(fù)目的。無線電波加熱主要利用無線電波中的電磁能量進(jìn)行加熱，過程無需土壤的熱傳導(dǎo)。能量由埋在鉆孔中的電極導(dǎo)入土壤介質(zhì)，加熱機制類似于微波爐加熱。 正常的加熱系統(tǒng)包括：無線電能量輻射布置系統(tǒng)；無線電能量發(fā)生、傳播和監(jiān)控系統(tǒng)；污染物蒸汽屏蔽包容系統(tǒng)；污染物蒸汽回收處理系統(tǒng)5.3.1 5.3.1 影響因素影響因素 含水量高于25%的土壤能耗很大，水的蒸發(fā)降低了系統(tǒng)的效率 對非揮發(fā)性有機物、無機物、金屬及重油無效 深入15米的地下土層，某些特定的電磁波加熱技術(shù)的運用效果不理想 粘性土壤吸附的污染物難于去除，會降低電磁波加熱系統(tǒng)性能六六 熱解吸修

14、復(fù)技術(shù)（熱解吸修復(fù)技術(shù)（Thermal-desorption remediation） 是通過直接或間接熱交換，將污染介質(zhì)及其所含的有機污染物加熱到足夠的溫度（通常被加熱到150540度），以使有機污染物從污染介質(zhì)上得以揮發(fā)或分離的過程 分為兩類：土壤或沉積物加熱溫度為150-315度的技術(shù)為低溫?zé)峤馕夹g(shù)和溫度達(dá)到315-540度的高溫?zé)峤馕夹g(shù) 熱解吸技術(shù)可以分為兩步：1、加熱被污染的物質(zhì)使其中的有機污染物揮發(fā)；2、處理廢氣，防止揮發(fā)污染物擴散到大氣 可以分為直接接觸加熱（火焰輻射直接加熱或燃?xì)鈱α髦苯蛹訜幔┖烷g接接觸加熱（通過物理隔離，如鋼板，將熱源與被加熱污染物分開）兩種 熱解吸系統(tǒng)可

15、以進(jìn)一步分為兩類：連續(xù)給料系統(tǒng)和批量給料系統(tǒng) 連續(xù)給料系統(tǒng)采用異位處理方式，即污染物必須從原地挖出，經(jīng)過一定處理后加入處理系統(tǒng)。連續(xù)給料系統(tǒng)既可采用直接加熱方式，也可采用間接火焰加熱方式。代表性的連續(xù)給料熱解吸系統(tǒng)包括：直接接觸熱解吸系統(tǒng)-旋轉(zhuǎn)干燥機；間接接觸熱解吸系統(tǒng)-旋轉(zhuǎn)干燥機和熱旋轉(zhuǎn)。 批量給料系統(tǒng)既可以是原位修復(fù)，如熱毯系統(tǒng)、熱井和土壤氣體抽提設(shè)備，也可以是異位修復(fù)，如加熱灶和熱氣抽提設(shè)備。6.1 6.1 直接接觸熱解吸系統(tǒng)直接接觸熱解吸系統(tǒng)6.1.16.1.1經(jīng)歷了經(jīng)歷了3 3個發(fā)展階段個發(fā)展階段旋轉(zhuǎn)干燥機旋轉(zhuǎn)干燥機織物濾塵器織物濾塵器噴射引擎再燃噴射引擎再燃裝置裝置760-980

16、760-980 230土土壤壤處理土壤處理土壤150-200空空氣氣第一代直接接觸熱解吸系統(tǒng)流程圖旋轉(zhuǎn)干燥機旋轉(zhuǎn)干燥機織物濾塵器織物濾塵器噴射引擎噴射引擎再燃裝置再燃裝置760-980 760-980 232土土壤壤處理土壤處理土壤260-540260-540空空氣氣第二代直接接觸熱解吸系統(tǒng)流程圖氣體冷卻裝置氣體冷卻裝置旋轉(zhuǎn)干燥機旋轉(zhuǎn)干燥機織物濾塵器織物濾塵器噴射引擎噴射引擎再燃裝置再燃裝置760-980 760-980 232土土壤壤處理土壤處理土壤260-650260-650空空氣氣第三代直接接觸熱解吸系統(tǒng)流程圖氣體冷卻裝置氣體冷卻裝置濕氣體清洗器濕氣體清洗器廢水處理廢水處理與排放與排放

17、第一代直接接觸熱解吸系統(tǒng)只適用于低沸點（低于260315 ）的非氯代污染物的修復(fù)處理。整個系統(tǒng)加熱溫度大致為150200 第二代直接接觸熱解吸系統(tǒng)在原來的基礎(chǔ)上，擴大了可應(yīng)用范圍，對高沸點（大于 315 ）的非氯代污染物也適用。 第三代直接接觸熱解吸系統(tǒng)用來處理高沸點氯代污染物。比第二代系統(tǒng)多了酸性氣體中和裝置，以控制鹽酸向大氣的釋放以及一個利用富含化學(xué)降解劑的水噴淋設(shè)備，濕的氣體清洗器是最常用到的氣體控制系統(tǒng)6.2 6.2 間接接觸熱解吸系統(tǒng)間接接觸熱解吸系統(tǒng) 包括兩個階段：污染物被解吸下來，也就是在相對低的溫度下使污染物與污染土壤相分離；他們被濃縮成濃度較高的液體形式，適合運送到特定地點的

18、工廠進(jìn)行進(jìn)一步的傳統(tǒng)處理 包括間接接觸旋轉(zhuǎn)-干燥熱解吸系統(tǒng)和間接接觸熱螺旋解吸系統(tǒng)6.3 熱空氣浸提熱解吸系統(tǒng)（熱空氣浸提熱解吸系統(tǒng)（HAVE）是異位處理過程是異位處理過程6.4 6.4 熱毯和熱井熱毯和熱井熱毯的溫度可達(dá)1000度，并且通過與污染物的直接接觸式熱傳導(dǎo)，將地表下1米深土層中的污染物變成氣態(tài)。熱井技術(shù)是將電子浸透加熱元件埋入地下2-3米深的土層，修復(fù)從地下1米到地下水位線深度污染區(qū)域的土壤6.5 6.5 系統(tǒng)設(shè)計及其考慮因素系統(tǒng)設(shè)計及其考慮因素 6.5.1 6.5.1 修復(fù)處理過程修復(fù)處理過程：土壤性質(zhì)、溫度、氣流 6.5.2 6.5.2 系統(tǒng)設(shè)計及性能系統(tǒng)設(shè)計及性能：各處理單元

19、參數(shù) （熱解吸技術(shù)分為兩個大類：連續(xù)給料技術(shù)和批量給料技術(shù)）： 第一層可行性實驗：為了證實熱解吸技術(shù)對某一土壤類型及污染物混合體的有效性。小批量的污染介質(zhì)在一個靜態(tài)的馬弗爐中，在較寬的溫度范圍內(nèi)加熱，并開展較長時間的試驗，以發(fā)現(xiàn)土壤處理的最低溫和達(dá)到污染物處理標(biāo)準(zhǔn)所需的停留時間。目的是確定熱解吸技術(shù)對欲修復(fù)土壤類型是否適用。 第二層可行性實驗：通過在實驗室的條件下，模仿全方位系統(tǒng)操作，以少量污染土壤為研究對象，確定那種類型的熱解吸技術(shù)更適合 第三層可行性實驗：技術(shù)人員要在現(xiàn)場建造出整套修復(fù)設(shè)施，然后將污染土壤通過熱解吸系統(tǒng)6.5.36.5.3系統(tǒng)所需資源系統(tǒng)所需資源燃料、水、電力燃料、水、電力 需要的燃料數(shù)量主要決定于：欲處理土壤的體積；土壤本身含有的熱量；燃料的熱值；達(dá)到最佳處理效果所需要的溫度；土壤水分含量；土壤的其他的物理與化學(xué)性質(zhì)；周圍的環(huán)境；熱解吸系統(tǒng)裝備的熱效率和燃燒效率。 水被用來控制尾氣處理過程的溫度，作為中和尾氣所加化學(xué)試劑的介質(zhì)，濕潤處理殘留物 電力用來開動泵、鼓風(fēng)機以及傳送設(shè)備和電極、