污染场地修复入门篇(3)-土壤修复物理化学技术详解

污染土壤的物理修复中国环境科学研究院三、固化/稳定化土壤修复技术3.1概念：固化/稳定化（Solidification/Stabilization）是指防止或者降低污染土壤释放有害化学物质过程的一组修复技术，通常用于重金属和放射性物质污染土壤的无害化处理，可以是原位也可以是异位。固化是指将污染物包被起来，使之呈颗粒状或大块状存在，进而使污染物处于相对稳定状态。稳定化是指将污染物转化为不易溶解、迁移能力或毒性变小的状态和形式，即通过降低污染物的生物有效性，实现其无害化或者降低其对生态系统危害性的风险3.2原理：固化/稳定化技术一般常采用的方法为:先利用吸附质如黏土、活性炭和树脂等吸附污染物，浇上沥青，然后添加某种凝固剂或黏合剂，使混合物成为一种凝胶，最后固化为硬块。3.3固化/稳定化技术具有以下一些特点：需要污染土壤与固化剂/稳定剂等进行原位或异位混合，与其他固定技术相比，无需破坏无机物质，但可能改变有机物质的性质稳定化可能与封装等其它固定技术联合应用，并可能增加污染物的总体积固化/稳定化处理后的污染土壤应当有利于后续处理现场应用需要安装下面全部或部分设施：原位修复所需的螺旋钻井和混合设备；集尘系统；挥发性污染物控制系统；大型储存池。3.4固化/稳定化技术优势可以处理多种复杂金属废物费用低廉加工设备容易转移所形成的固体毒性降低，稳定性增强凝结在固体中的微生物很难生长，不致破坏结块结构3.5固化/稳定化技术影响因素物理机制：水分及有机污染物含量过高，部分潮湿土壤或者废物颗粒与粘结剂接触粘合，而另一部分未经处理的土壤团聚体或结块，最后形成处理土壤与粘结剂混合不均匀；亲水有机物对养护水泥或者矿渣水泥混合物的胶体结构有破坏作用；干燥或粘性土壤或废物容易导致混合不均化学机制：化学吸附/老化过程；沉降/沉淀过程；结晶作用其他因素：含油或油脂的污染土壤固化/稳定化后，其稳定性较差；污染土壤本身某些固定组分3.6异位固化/稳定化3.6.1异位固化/稳定化限制因素最终处理时的环境条件可能会影响污染物的长期稳定性一些工艺可能会导致污染土壤或固废体积显著增大有机物质的存在可能会影响黏结剂作用的发挥VOCs通常很难固定对于成分复杂的污染土壤或固体废物还没有发现很有效的粘合剂石块或碎片比例太高会影响粘结剂的注入和与土壤的混合3.7原位固化/稳定化混合尾气处理（可选）尾渣处理固化/稳定化介质固化/稳定化药剂水3.7.1原位固化/稳定化的影响因素许多污染物/过程相互复合作用的长期效应尚未有现场实际经验可以参考污染物埋藏深度会影响、限制一些具体的应用过程必须控制好粘结剂的注射和混合过程，防止污染物扩散进入清洁土壤与水的接触或者结冰/解冻循环过程会降低污染物的固定化效果粘结剂的输送和混合要比异位固化过程困难，成本相对也高3.8设计需要注意的问题安全性问题不同介质间的污染问题其它问题：防范措施、有毒气体的处理、设备的检查等4、玻璃化修复技术（Vitrificationremediation）包括原位和异位技术原位玻璃化技术的发展起源于20世纪五六十年代核废料的玻璃化处理技术，近年来推广到土壤修复4.1原位玻璃化技术是指通过向污染土壤插入电极，对污染土壤固相组分给予1600~2000度的高温处理，使有机污染物和一部分无机化合物如硝酸盐、硫酸盐和碳酸盐等得以挥发或热解从而从土壤中去除的过程。其中，有机污染物热解产生的水分和热解产物由气体收集系统进行进一步处理。熔化的污染土壤冷却后形成化学惰性的、非扩散的整块坚硬玻璃体，有害无机离子得到固定。此技术适用于含水量较低、污染物深度不超过6M的土壤4.1.1原位玻璃化技术的影响因素埋设的导体通路质量分数超过20%的砾石土壤加热引起的污染物向清洁土壤的迁移易燃易爆物质的累积土壤或者污泥中可燃有机污染物的质量分数超过5%~10%固化的物质可能会妨碍今后现场的土地利用与开发低于地下水位的污染修复需要采取措施防止地下水反灌湿度太高会影响成本4.1.2原位玻璃化技术应用的成本估算固定成本可变成本其它管理工作人员设备安置电源、电极设备租用罩子及尾气处理设备租用运行维护人工费能源动力费现场监控现场卫生、安全保障工艺控制采用分析尾气处理4.2异位玻璃化技术指使用等离子体、电流或其他热源在1600~2000度的高温熔化土壤及其中的污染物，使有机污染物在高温下被热解或蒸发去除，有害无机离子则得以固定化，产生的水分和热解产物由气体收集系统进行进一步处理。熔化的污染土壤冷却后形成化学惰性的、非扩散的整块坚硬玻璃体，有害无机离子得到固定。4.2.1异位玻璃化技术影响因素需要控制尾气中的有机污染物以及一些挥发的重金属蒸汽需要处理玻璃化后的残渣湿度太高会影响成本五、热力学修复技术（Thermodynamicremediation）利用热传导（如热井和热墙）或辐射（如无线电波加热）实现对污染土壤的修复包括高温（100℃）原位修复技术、低温（100℃）原位修复技术和原位电磁波加热修复技术5.1高温原位加热修复技术利用气提井和鼓风机将水蒸汽和污染物收集起来，通过热传导加热，可以通过加热毯从地表进行加热，也可以通过安装在加热井中的加热器件进行。高温原位加热修复技术主要用于半挥发性的卤代有机物和非卤代化合物、多氯联苯以及密度较高的非水质液体有机物等5.1.1高温原位加热修复技术的影响因素地下土壤的异质性会影响原位修复处理的均匀程度提取挥发性弱一些的有机物的效果，取决于处理过程所选择的最高温度加热和蒸汽收集系统必须严格设计、严格操作、以防止污染物扩散进入清洁土壤经过修复的土壤结构，可能会由于高温而发生变化如果处理饱和层土壤，需要高能来将水加热，会大幅度提高成本含有大量粘性土壤及腐殖质的土壤，由于对挥发性有机物具有较高吸附性，会导致去除速率降低需要尾气收集处理系统5.1.2高温原位加热修复技术应用的成本估算固定成本可变成本其它管理工作提取井安装采样点安装设备人员设备安置加热设备租用尾气处理设备租用能源动力费现场监控现场卫生、安全保障工艺控制采用分析尾气处理5.2低温原位加热修复技术利用蒸汽井加热，包括蒸汽注射钻头、热水浸泡或者电阻加热产生蒸汽加热，可以将土壤加热到100度主要用于处理的污染物是半挥发性卤代物和非卤代物及浓的非水溶性液态物质。5.2.1主要的影响因素地下土壤的异质性，会影响修复处理的均匀程度渗透性能低的土壤难以处理在不考虑重力的情况下，会引起蒸汽绕过非水溶性液态稠密污染物地下埋藏的导体，会影响电阻加热的应用效果流体注射和蒸汽收集系统，必须严格设计、严格操作，以防止污染物扩散进入清洁土壤蒸汽、水和有机液体必须回收处理需要尾气收集处理系统5.2.2低温原位加热修复技术应用的成本估算固定成本可变成本其它管理工作提取井安装采样点安装设备人员设备安置加热设备租用尾气处理设备租用冷凝设备租用能源动力费现场监控现场卫生、安全保障工艺控制采用分析有机液体污染物处理尾气处理5.3原位电磁波加热修复技术也属于高温原位加热技术，利用高频电压产生的电磁波能量对现场土壤进行加热，利用热量强化土壤蒸汽浸提技术，使污染物在土壤颗粒内解吸而达到污染土壤的修复目的。无线电波加热主要利用无线电波中的电磁能量进行加热，过程无需土壤的热传导。能量由埋在钻孔中的电极导入土壤介质，加热机制类似于微波炉加热。正常的加热系统包括：无线电能量辐射布置系统；无线电能量发生、传播和监控系统；污染物蒸汽屏蔽包容系统；污染物蒸汽回收处理系统5.3.1影响因素含水量高于25%的土壤能耗很大，水的蒸发降低了系统的效率对非挥发性有机物、无机物、金属及重油无效深入15米的地下土层，某些特定的电磁波加热技术的运用效果不理想粘性土壤吸附的污染物难于去除，会降低电磁波加热系统性能六热解吸修复技术（Thermal-desorptionremediation）是通过直接或间接热交换，将污染介质及其所含的有机污染物加热到足够的温度（通常被加热到150~540度），以使有机污染物从污染介质上得以挥发或分离的过程分为两类：土壤或沉积物加热温度为150-315度的技术为低温热解吸技术和温度达到315-540度的高温热解吸技术热解吸技术可以分为两步：1、加热被污染的物质使其中的有机污染物挥发；2、处理废气，防止挥发污染物扩散到大气可以分为直接接触加热（火焰辐射直接加热或燃气对流直接加热）和间接接触加热（通过物理隔离，如钢板，将热源与被加热污染物分开）两种热解吸系统可以进一步分为两类：连续给料系统和批量给料系统连续给料系统采用异位处理方式，即污染物必须从原地挖出，经过一定处理后加入处理系统。连续给料系统既可采用直接加热方式，也可采用间接火焰加热方式。代表性的连续给料热解吸系统包括：直接接触热解吸系统-旋转干燥机；间接接触热解吸系统-旋转干燥机和热旋转。批量给料系统既可以是原位修复，如热毯系统、热井和土壤气体抽提设备，也可以是异位修复，如加热灶和热气抽提设备。6.1直接接触热解吸系统6.1.1经历了3个发展阶段旋转干燥机织物滤尘器喷射引擎再燃装置760-980℃230℃土壤处理土壤150-200℃空气第一代直接接触热解吸系统流程图旋转干燥机织物滤尘器喷射引擎再燃装置760-980℃232℃土壤处理土壤260-540℃空气第二代直接接触热解吸系统流程图气体冷却装置旋转干燥机织物滤尘器喷射引擎再燃装置760-980℃232℃土壤处理土壤260-650℃空气第三代直接接触热解吸系统流程图气体冷却装置湿气体清洗器废水处理与排放第一代直接接触热解吸系统只适用于低沸点（低于260~315℃）的非氯代污染物的修复处理。整个系统加热温度大致为150~200℃第二代直接接触热解吸系统在原来的基础上，扩大了可应用范围，对高沸点（大于315℃）的非氯代污染物也适用。第三代直接接触热解吸系统用来处理高沸点氯代污染物。比第二代系统多了酸性气体中和装置，以控制盐酸向大气的释放以及一个利用富含化学降解剂的水喷淋设备，湿的气体清洗器是最常用到的气体控制系统6.2间接接触热解吸系统包括两个阶段：污染物被解吸下来，也就是在相对低的温度下使污染物与污染土壤相分离；他们被浓缩成浓度较高的液体形式，适合运送到特定地点的工厂进行进一步的传统处理包括间接接触旋转-干燥热解吸系统和间接接触热螺旋解吸系统6.3热空气浸提热解吸系统（HAVE）是异位处理过程6.4热毯和热井热毯的温度可达1000度，并且通过与污染物的直接接触式热传导，将地表下1米深土层中的污染物变成气态。热井技术是将电子浸透加热元件埋入地下2-3米深的土层，修复从地下1米到地下水位线深度污染区域的土壤6.5系统设计及其考虑因素6.5.1修复处理过程：土壤性质、温度、气流6.5.2系统设计及性能：各处理单元参数（热解吸技术分为两个大类：连续给料技术和批量给料技术）：第一层可行性实验：为了证实热解吸技术对某一土壤类型及污染物混合体的有效性。小批量的污染介质在一个静态的马弗炉中，在较宽的温度范围内加热，并开展较长时间的试验，以发现土壤处理的最低温和达到污染物处理标准所需的停留时间。目的是确定热解吸技术对欲修复土壤类型是否适用。第二层可行性实验：通过在实验室的条件下，模仿全方位系统操作，以少量污染土壤为研究对象，确定那种类型的热解吸技术更适合第三层可行性实验：技术人员要在现场建造出整套修复设施，然后将污染土壤通过热解吸系统6.5.3系统所需资源燃料、水、电力需要的燃料数量主要决定于：欲处理土壤的体积；土壤本身含有的热量；燃料的热值；达到最佳处理效果所需要的温度；土壤水分含量；土壤的其他的物理与化学性质；周围的环境；热解吸系统装备的热效率和燃烧效率。水被用来控制尾气处理过程的温度，作为中和尾气所加化学试剂的介质，湿润处理残留物电力用来开动泵、鼓风机以及传送设备和电极、照明等。6.5.4修复地点的实际条件当地的土地利用状况当地的气候条件