雷大鵬 單暉峰* 楊登 葛傳芹 劉杉

江蘇大地益源環(huán)境修復(fù)有限公司

研究背景

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，城市空間不斷擴(kuò)大，大量城區(qū)內(nèi)工業(yè)企業(yè)搬遷，其中焦化廠在搬遷后場地內(nèi)通常會遺留有大量的含油固廢，同時在石油開采、運(yùn)輸、煉制及含油污水治理過程中會產(chǎn)生大量的含油固廢。據(jù)統(tǒng)計，我國每年新增含油固廢超500萬t，存量含油固廢規(guī)模超1.59億t，但含油固廢的實際處置率不到20%。在世界范圍內(nèi)，每年新增和存量含油固廢量分別達(dá)到6000萬，10億t。這些含油固廢如若不及時有效治理，不僅會占用大量土地資源，而且還存在巨大的環(huán)境污染風(fēng)險。含油固廢的減量化、無害化治理及資源化處置是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題。

含油污泥按危廢委外治理成本高昂，對于產(chǎn)廢企業(yè)來說，為節(jié)約成本，規(guī)避法律風(fēng)險，在場地內(nèi)對含油污泥進(jìn)行減量化、無害化治理是一種有吸引力且具有綜合優(yōu)勢的治理方式。原地治理此類含油污泥技術(shù)和工藝需要滿足有限的場地條件、治理費(fèi)用低、治理效率高、可操作性強(qiáng)等要求。目前治理含油污泥主要技術(shù)有萃取、熱解、焚燒、熱脫附、生物修復(fù)等，但這些治理技術(shù)大多存在安全風(fēng)險、高能耗、高投資、高治理成本、占地面積大，進(jìn)料要求高，無害化治理效果不穩(wěn)定等問題，且普遍無法將油泥治理到符合GB36600—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》中第一類建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)(篩選值為826mg/kg，管控值為5000mg/kg)。

工程化陰燃技術(shù)為難降解、難治理重質(zhì)(低揮發(fā)性)油泥或石油烴污染土壤等嚴(yán)重有機(jī)污染介質(zhì)提供了一種全新的解決方案。工程化陰燃技術(shù)基于陰燃機(jī)理，是一個以高效、可控、安全的形式回收利用能量的節(jié)能自持燃燒過程，主要用以治理石油烴、煤焦油、礦物油、新興污染物(如全氟化物)等多種有機(jī)物或非水相液體(NAPL)污染的惰性多孔介質(zhì)，包括但不限于土壤及各類油泥。工程化陰燃技術(shù)一般采用順向陰燃方式，即氣流推進(jìn)的方向與陰燃燃燒鋒面的推進(jìn)方向一致(順向陰燃比逆向陰燃的熱利用效率更高，治理效果更徹底，更容易保持自持燃燒)，利用油泥中有機(jī)污染物作為支持自持陰燃的燃料，通過熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射等方式將物料點(diǎn)燃，陰燃一經(jīng)啟動，污染物反應(yīng)所釋放的熱量隨之預(yù)熱及啟動臨近區(qū)域的污染物的燃燒，在充分的氣流補(bǔ)充下，燃燒鋒面在污染區(qū)可自持傳播/推進(jìn)，無須再外加能源或燃料，達(dá)到去除污染物的目的。該技術(shù)具有能耗低、治理效果好、安全高效等特點(diǎn)。

工程化陰燃技術(shù)用于污染土壤治理在國外始于2005年，2014年開始工程應(yīng)用推廣，至今已在北美、南美、歐洲、亞洲數(shù)項工程中落地，但主要應(yīng)用于石油類或有機(jī)污染土壤治理領(lǐng)域，針對油泥治理的應(yīng)用實踐幾乎為空白。

工程化陰燃技術(shù)治理油泥在國內(nèi)已有中試驗證，石油烴去除率可達(dá)到99.5%以上，殘留石油烴濃度遠(yuǎn)低于GB36600—2018第一類建設(shè)用地篩選值。本文所述示范工程是國內(nèi)首次應(yīng)用工程化陰燃技術(shù)治理油泥的工程案例。在對場地進(jìn)行調(diào)查、評估，并現(xiàn)場中試的基礎(chǔ)上，結(jié)合場地情況制定技術(shù)及實施方案，在國內(nèi)率先探索了工程化陰燃技術(shù)治理焦化廠搬遷場地遺留含油污泥的有效性及可行性。

摘  要

工程化陰燃技術(shù)是一種針對難降解、難治理重質(zhì)(低揮發(fā)性)油泥或石油烴污染土壤等重度有機(jī)污染介質(zhì)，基于陰燃機(jī)理的自持主動修復(fù)技術(shù)，其在國內(nèi)的研發(fā)、實踐還處于早期階段。湖北某焦化廠存量含油污泥的治理工程是工程化陰燃技術(shù)用于油泥治理在國內(nèi)的首演。通過現(xiàn)場中試確定了油泥預(yù)處理方法、藥劑配比和陰燃治理工藝條件。工程示范分為2步:第1步為預(yù)處理階段，采用“化學(xué)調(diào)質(zhì)+板框壓濾”工藝對含油污泥進(jìn)行脫水、減量；第2步為治理階段，采用4臺工程化異位陰燃反應(yīng)裝置執(zhí)行。含油污泥的含水率經(jīng)預(yù)處理后降至50%左右，經(jīng)陰燃治理后的油泥總量減少90%，目標(biāo)污染物去除率達(dá)到98%以上，滿足項目驗收指標(biāo)。

01

項目概況及治理目標(biāo)

該項目地塊位于湖北省某市焦化廠。該地塊由于環(huán)境問題已經(jīng)被省、市、區(qū)環(huán)保部門列為重點(diǎn)監(jiān)督企業(yè)。廠區(qū)內(nèi)存有大量含油污泥，主要為含油廢水處理產(chǎn)生的含油污泥及煉焦過程中產(chǎn)生的焦油渣，散發(fā)出的氣味具有刺激性，嚴(yán)重影響周邊環(huán)境與居民生活，油泥無害化處置問題亟待解決。

本項目含油污泥分布見圖1。其中，A區(qū)為氧化塘，B區(qū)為污水治理站，C區(qū)為冷凝槽，D區(qū)為煤氣柜，A、B區(qū)中含油污泥為污水治理過程中產(chǎn)生的含油污泥，C區(qū)中含油污染物為焦油渣，D區(qū)中主要為沉積的含油鐵銹及少量含油污泥殘渣。本項目中含油污泥含水率高，若不經(jīng)脫水直接裝車將會出現(xiàn)撒、漏現(xiàn)象，易對廠區(qū)環(huán)境造成二次污染。

項目場地可利用空間有限，工期僅120d。場地中存有含油污泥約5368t，表層滯水約6000t。含油污泥主要是含油污水在治理各環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的，具有初始含水率高(65%~85%)、含油量高、污染物成分復(fù)雜、雜物多、刺激性氣味重等特點(diǎn)。經(jīng)檢測該含油污泥主要污染物為總石油烴(TPHs)和多環(huán)芳烴。直接將含油污泥作為危廢委外處置成本高昂，且運(yùn)輸不便，存在較大環(huán)境風(fēng)險。因此，在項目現(xiàn)場完成存量油泥的減量化、無害化處置是本項目的基本需求。

治理目標(biāo)：本示范工程項目要求將含油污泥堆存池體中的全部表層滯水抽出，委外離場處置；存量含油污泥在現(xiàn)場執(zhí)行無害化處理后，要求污泥含水率降低至50%以下，治理后污染物(油泥及表層滯水)總量減少90%以上，含油污泥中目標(biāo)污染物(TPHs和多環(huán)芳烴)減少95%以上，在治理過程中須避免二次污染。

02

現(xiàn)場中試

工程化陰燃技術(shù)實施的主要影響參數(shù)包括物料的含水率、含油率、孔隙率、通透性、預(yù)處理介質(zhì)摻比等，主要過程參數(shù)包括陰燃速率(陰燃燃燒鋒面自持蔓延速率)、陰燃溫度、進(jìn)風(fēng)量(達(dá)西空氣通量，即垂直于氣流方向的單位橫截面積上的空氣量，cm/s)等。工程化陰燃技術(shù)雖然對油污染惰性多孔介質(zhì)的治理普遍適用，但不同項目的油泥來源及理化性質(zhì)差異明顯，預(yù)先執(zhí)行中試對驗證工程化陰燃技術(shù)的適用性、可行性至關(guān)重要。

此現(xiàn)場中試主要針對本示范工程項目中的氧化塘含油污泥與石英砂摻比以及不同脫水預(yù)處理方式對陰燃反應(yīng)的影響，以確認(rèn)技術(shù)可行性及探索工程實施的最佳操作條件。

中試對比了晾曬風(fēng)干和機(jī)械脫水2種含油污泥的預(yù)處理方式，脫水后的樣品再與石英砂以一定比例混合作為中試原料。試驗方案設(shè)計見表1。

采用1套自主研發(fā)的移動撬裝式陰燃反應(yīng)裝置(發(fā)明專利授權(quán)公告號CN109290353B)進(jìn)行中試。該裝置適用于中試和小規(guī)模應(yīng)急處置需求，主體包括2套陰燃反應(yīng)器(長×寬×高=2m×1.6m×0.8m)，配有熱電偶實時監(jiān)測物料溫度變化，底層為加熱通風(fēng)底板，上部3層為籠屜式陰燃反應(yīng)物料箱體，輔助系統(tǒng)包括供電單元、集煙罩、尾氣成分在線監(jiān)測單元、抽提單元，以及尾氣處置系統(tǒng)(圖2)。

中試結(jié)果如表2所示�？芍�:1)方案1和2的陰燃反應(yīng)溫度過高(>1000℃)，對設(shè)備材質(zhì)及使用壽命都有損害；2)方案3較方案4的點(diǎn)燃耗時(陰燃啟動環(huán)節(jié))略短，但方案4的陰燃反應(yīng)速率略高；3)方案3最高反應(yīng)溫度和最高尾氣溫度較方案4略高。4)方案3與4的參數(shù)差異可能與物料自身的非均質(zhì)性及物料預(yù)處理方式不同有關(guān)。5)方案5中物料摻混了石英砂，有助于改善物料的均質(zhì)性及通透性，但以犧牲處置效率為代價(因為陰燃治理的實際物料中僅2/3為油泥)。綜上所述，以控制陰燃反應(yīng)溫度在合適范圍，保障陰燃處置效率為主要參數(shù)，優(yōu)選出方案4工藝用于后續(xù)工程實施。

中試反應(yīng)過程的物料溫度監(jiān)測結(jié)果所呈現(xiàn)的沿陰燃鋒面蔓延方向依次峰值交替現(xiàn)象，與自持陰燃的典型溫度變化曲線圖一致，證明油泥治理確實經(jīng)歷了一個以自身污染物為燃料的自持陰燃過程。

對方案4治理后的物料進(jìn)行檢測，可知有機(jī)污染物(TPHs和多環(huán)芳烴)去除率均高達(dá)99%以上(表3)。陰燃治理后物料的pH提高是由預(yù)處理階段添加生石灰脫水所致。

中試也驗證了適宜進(jìn)風(fēng)量在點(diǎn)燃階段(陰燃啟動階段)在750m3/h左右，陰燃成功啟動后可適度提升風(fēng)量，在750~1500m3/h(對應(yīng)的達(dá)西空氣通量為1.89~3.78cm/s)范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，以控制物料陰燃溫度在適宜范圍。此中試得出的達(dá)西空氣通量的調(diào)節(jié)范圍與加拿大西安大略大學(xué)Gerhard團(tuán)隊執(zhí)行的1項罐底泥陰燃中試(粗砂混拌預(yù)處理)的物料點(diǎn)燃階段中使用的達(dá)西空氣通量-1.5cm/s，以及模擬研究中采用的0.5~3cm/s的范圍相近。

03

方案設(shè)計與施工

含油污泥含水率高，通透性較差，不利于陰燃的啟動及自持蔓延，所以物料脫水干化預(yù)處理步驟是含油污泥減量化治理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，且利于后續(xù)對含油污泥的陰燃治理。本項目結(jié)合場地條件及后續(xù)陰燃治理要求，采用中試方案4中的高壓隔膜壓濾干化脫水方式對含油污泥進(jìn)行干化預(yù)處理后，再銜接工程化陰燃工序，以進(jìn)一步減量化、無害化治理。

本項目含油污泥儲存于不同區(qū)域，對含油污泥治理過程中包含油污泥提取、含油污泥預(yù)處理、陰燃治理、尾氣治理、池體清洗、廢水外運(yùn)處置、二次污染防治等施工內(nèi)容。治理后的物料目標(biāo)污染物需滿足GB36600—2018第二類用地篩選值要求。

1. 工藝流程

根據(jù)場地內(nèi)含油污泥及廢渣的特點(diǎn)及分布情況劃分施工區(qū)域，根據(jù)治理工序確定施工流程(圖3)，根據(jù)中試所優(yōu)選的工藝流程及參數(shù)設(shè)計各工藝段的操作參數(shù)。

2. 含油污泥提取

首先在A區(qū)清理出1個污泥坑作為調(diào)理池使用，在調(diào)理池上方配建操作平臺，并在污泥進(jìn)口設(shè)置格柵網(wǎng)攔截污泥中的雜質(zhì)并定期清理。采用2臺300m3/h污泥泵抽提稀釋后的含油污泥，每臺污泥泵配備1臺流量為80m3/h的水泵及2臺高壓水槍對含油污泥進(jìn)行沖刷稀釋。使稀釋后的含油污泥含水率在90%左右，然后利用污泥泵將含油污泥泵入調(diào)理池。

采用相同方法對其他區(qū)域中的含油污泥稀釋，然后利用吸污車將稀釋后的含油污泥轉(zhuǎn)運(yùn)至調(diào)理池。

3. 含油污泥預(yù)處理施工

本項目的含油污泥中含油量較高，比阻大，通透性差。因此示范工程采用“化學(xué)調(diào)質(zhì)+板框壓濾”工藝對含油污泥進(jìn)行干化治理:待調(diào)理池中存滿稀釋后的含油污泥(含水率為80%~85%)，采用電動葫蘆配合人工向調(diào)理池中投加生石灰(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%~15%，以含油污泥絕干質(zhì)量計下同)、PAM(0.5‰~0.8‰)對含油污泥進(jìn)行化學(xué)調(diào)質(zhì)，攪拌10min后通過高壓泵泵入1臺過濾面積為800m2的高壓隔膜壓濾機(jī)進(jìn)行脫水干化治理，將含油污泥含水率降至50%左右。干化后的泥餅呈顆粒態(tài)，分散性、通透性提升，可滿足后續(xù)陰燃治理進(jìn)料條件。脫水后的泥餅通過皮帶機(jī)輸送至設(shè)備外側(cè)后，采用推土機(jī)將泥餅運(yùn)送至?xí)捍鎱^(qū)。

4. 含油污泥陰燃治理施工

干化后含油污泥的工程化異位陰燃處置采用單元模塊裝備(圖4)執(zhí)行，設(shè)計規(guī)格為4.7m×2.35m×1.85m，單元模塊裝備的底部設(shè)有電加熱和空氣注入分布系統(tǒng)，用于啟動陰燃和維持陰燃的自持蔓延，在陰燃反應(yīng)箱體內(nèi)部視需要可以放置支撐框架(圖4中未顯示)以保持待治理物料在箱體內(nèi)的分散性，頂部設(shè)有排風(fēng)管用于抽排陰燃尾氣和支撐防火布頂棚。

陰燃反應(yīng)箱體中物料堆積高度為1~1.3m，上層覆蓋20~30cm干凈土作為過濾層，單臺設(shè)備每批次治理干化含油污泥(堆積密度約1.4kg/m3)約11m3。每臺單元模塊裝備配備1臺防爆風(fēng)機(jī)，空氣從底端注入，氣流自下而上貫穿物料堆體(陰燃鋒面的蔓延方向)，尾氣在箱體頂端被抽提排出，進(jìn)入尾氣治理系統(tǒng)。

工程化陰燃治理含油污泥施工的主要過程如下:

1)上料。用鏟車鏟斗將干化含油污泥裝至陰燃箱體內(nèi)至目標(biāo)高度，將頂面耙平，再鋪放1層凈土或陰燃治理達(dá)標(biāo)后的物料作為過濾層，蓋上防火布頂棚。

2)運(yùn)行。檢查熱電偶及各種儀表、線路的連接和進(jìn)、排風(fēng)系統(tǒng)，確定無異常后開啟控制系統(tǒng)并接通電加熱器開始加熱。待底層物料溫度達(dá)到約300℃時開啟進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量，實現(xiàn)點(diǎn)燃。當(dāng)插入底層物料的熱電偶監(jiān)測的溫度曲線出現(xiàn)2~3個峰值交替時，顯示物料已穩(wěn)定進(jìn)入自持陰燃階段，此時可停止外部加熱，隨即可逐步提升及控制空氣通量推進(jìn)燃燒鋒面的蔓延。在運(yùn)行過程中對溫場、O2、CO、CO2、進(jìn)風(fēng)量、排風(fēng)量等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測。陰燃尾氣通過抽排系統(tǒng)輸送至尾氣治理系統(tǒng)進(jìn)行治理后排放，本示范工程采用的工藝是冷凝→多級噴淋→除濕→活性炭過濾→濕電除塵(除油、除塵)。

3)卸料。待反應(yīng)結(jié)束并降溫后開始用鏟車鏟斗卸料，卸料時配合噴霧抑制揚(yáng)塵措施。治理后的物料可作為下一批次油泥治理的覆蓋層使用，剩余物料暫存或外運(yùn)處置。

本示范工程采用4臺單元模塊陰燃反應(yīng)裝備，采用每2臺單元模塊為1組“錯峰”運(yùn)行，即1組2臺模塊同時啟動加熱，實現(xiàn)點(diǎn)燃后第2組再啟動加熱。

在陰燃治理過程中對每批次治理后物料進(jìn)行自檢。合格物料裝袋暫存于存儲間,自檢不合格物料則回混于泥餅,攪拌均勻后再次治理。陰燃施工流程見圖 5。

04

結(jié)果與分析

本項目抽排表層滯水約6000t，提取、預(yù)處理含油污泥5368t，處理時間25d，平均每天處理含油污泥約214.72t；外運(yùn)處置廢水3800t(含雨水)；干化處理共產(chǎn)生泥餅約2280t，運(yùn)行25d，平均每天產(chǎn)泥餅約91.2t；全部2280t油泥濾餅(注:C區(qū)的90t焦油渣因極其黏稠，通透性差，不適宜直接采用陰燃法治理而委外處置)經(jīng)陰燃治理耗時約90d，平均每天治理泥餅25.3t；陰燃治理后的固體物料總量約1100t，達(dá)到污染物總體減量90%(含表層滯水)的要求。

1. 預(yù)處理結(jié)果

在項目實施過程中，對每批次預(yù)處理后的含油污泥餅進(jìn)行含水率測定。結(jié)果顯示，泥餅含水率為45%~55%，滿足后續(xù)工程化陰燃進(jìn)料需求。

2. 工程化陰燃治理結(jié)果

在此示范工程中，物料基本在加熱4~6h時實現(xiàn)點(diǎn)燃，陰燃啟動，調(diào)節(jié)達(dá)西空氣通量在2.4~3.5cm/s內(nèi)可以將陰燃反應(yīng)溫度峰值控制在800℃左右，含油污泥堆體的自持陰燃過程耗時24~30h，燃燒鋒面的自持蔓延速率為0.5~0.8m/d，陰燃結(jié)束后物料的降溫過程耗時為8~10h，裝卸料耗時為4h。治理相同物料時，不同批次的陰燃處理時長(主要取決于自持蔓延速度)存在一定差異，這可能是由物料壓實、通透性、供氣不均勻所致，物料壓實度過大會影響物料的堆積密度、通透性及供氣的均勻性，從而影響陰燃治理的時長。

對治理后的每500m3物料進(jìn)行1次采樣自檢，自檢合格后的物料裝袋堆置于暫存間。治理前后物料的外觀對比詳見圖6。

對陰燃治理完成后的物料進(jìn)行采樣檢測，結(jié)果表明:目標(biāo)污染物去除率>98%，滿足物料減量95%的要求，同時達(dá)到GB36600—2018第二類用地篩選值要求(表4)，實際上甚至顯著低于其第一類用地篩選值。

3. 陰燃運(yùn)行費(fèi)用分析

此示范工程的預(yù)處理過程主要包括含油污泥抽提、短駁與干化處理。工程預(yù)處理含油污泥總量5368t，運(yùn)行142批次，產(chǎn)生泥餅2280t，產(chǎn)生廢水約3800t(含部分雨水)，預(yù)處理費(fèi)用主要由能耗、藥劑/耗材、短駁運(yùn)輸、人工組成，約合100元/t。工程化陰燃治理的2280t含油污泥干化泥餅，如果沒有摻拌輔料，直接運(yùn)行成本約合300元/t(不含設(shè)備折舊)。

對于工程化陰燃技術(shù)，用于治理物料的分散性、通透性極差，必須采用摻混輔料(如粗砂)等預(yù)處理手段加以調(diào)整改善，如果預(yù)處理后物料體積膨脹明顯，治理效率則將相應(yīng)降低，綜合成本可能抬升。因此，物料預(yù)處理技術(shù)的優(yōu)化是工程化陰燃治理油泥工藝進(jìn)一步研發(fā)重點(diǎn)之一。

隨著工程規(guī)模放大，以及工藝及工程裝備的優(yōu)化改進(jìn)，工程化陰燃技術(shù)治理油泥的成本將進(jìn)一步降低，使此技術(shù)對比其他高能耗技術(shù)的優(yōu)勢逐漸凸顯。

05

結(jié)論

1)工程化陰燃技術(shù)適用于焦化廠高含水含油污染物的治理。本研究先利用中試摸索出適宜的反應(yīng)條件，再工程規(guī)模化應(yīng)用，保障此項目的順利執(zhí)行。

2)“化學(xué)調(diào)質(zhì)+板框壓濾”預(yù)處理工藝與工程化陰燃工藝相結(jié)合，可滿足焦化廠中不同含油污泥治理要求，生石灰5%~8%和PAM0.5‰~0.8‰的藥劑比例，可將含油污泥含水率降至50%左右，陰燃治理后含油污泥總量減量90%以上，污染物去除率達(dá)到98%以上，治理效果穩(wěn)定。

3)在本研究示范工程條件下，工程化陰燃技術(shù)治理油泥的單位運(yùn)行成本約合300元/t，且其隨著工程規(guī)模放大、工藝優(yōu)化、技術(shù)裝備改良，有望進(jìn)一步降低。