异位热解吸技术在有机污染土壤修复中的应用和发展

杨勇，黄海，陈美平，李鹏，牛静，张文，徐峰，何云飞，田立斌，杜伟

1.中科华南(厦门)环保有限公司，福建 厦门 361021 2.中科鼎实环境工程有限公司，北京 100028



异位热解吸技术在有机污染土壤修复中的应用和发展

杨勇1,2，黄海2，陈美平2，李鹏2，牛静2，张文2，徐峰2，何云飞2，田立斌2，杜伟2

1.中科华南(厦门)环保有限公司，福建 厦门 361021 2.中科鼎实环境工程有限公司，北京 100028

热解吸技术以其高效、快速、适应性强等特点，在国外污染场地的修复项目中得以广泛应用。我国虽然起步较晚，但近年来国内相关的研究工作与工程应用发展迅速。介绍了热解吸技术原理、适用范围、分类及影响因素，国外热解吸技术与装备的发展历程及产业化发展现状；分析了热解吸技术在国内发展及应用特点和自主研发的装备工程化应用的现状；总结了该技术在国内工程应用过程中暴露的技术瓶颈与产业化问题，并提出解决这些问题的方向与建议。

热解吸技术；污染场地修复；影响因素；工程应用；产业化发展

目前，国内许多大中城市为调整产业结构和改善城市环境，关停或搬迁了大量工矿企业，由此产生了数量众多的受污染场地。日益紧缺的城市土地资源使得人们开始重视这些受污染场地的修复和再开发工作。截至2014年7月，国内环境修复项目共335个，涵盖了24个省、直辖市和自治区。其中土壤修复项目有192个，占总修复项目数量的57%[1]，表明土壤修复在环境修复中占据重要位置。通过与发达国家土壤修复产业的发展历程比较，可以预测我国土壤修复产业在2014—2020年间有望达到6 856亿元的体量[1]，其中修复工程、修复设备和药剂的份额占总预期体量的12以上。广阔的市场前景，助推了大批技术及设备的研发和应用。

热解吸技术(TD)以其修复速度快、效率高和普适性强等特点受到了国内研究者的重视。尽管该技术在欧美等发达国家已工程化应用近30年，但是对于国内研究和工程技术人员而言，还是一项新技术。近年来，国内研究者逐渐开展了许多与热解吸技术相关的研究工作，探索采用热解吸技术修复硝基苯[2]、PBDEs[3]、DDTs[4]、六氯苯[5]、六六六(HCH)[6]、汞[7]、苯系物[8]、PCBs[9]、PAHs[10]等污染土壤。这些研究工作不仅涉及了热解吸运行因素(如温度、处理时间、载气流量、加热方式)，污染土壤因素(如湿度、有机质含量、粒径大小)，还涉及了污染物在热解吸过程中的转化和去除动力学过程[11]，尾气排放及处理措施[12]，热解吸技术的强化处理措施[11]，热解吸处理对土壤理化性质的影响[10]等；此外还有少量的工程案例分析[13]，甚至探索新的热解吸技术方法[14]。说明国内研究者对该技术的研究已全面展开，且涵盖了热解吸技术的多个方面。

然而，上述的研究工作主要是针对热解吸工艺参数、解吸过程中科学问题探索和国外案例的分析[15-16]，对热解吸设备在国内的发展、工程应用及产业化的分析总结不多，对国内热解吸技术与设备的发展现状分析有限，无法了解热解吸技术与装备在我国场地修复过程中的地位、技术发展瓶颈。笔者通过介绍热解吸技术的原理、适用范围及分类，从技术应用与产业化发展的角度分析热解吸技术在国内外的发展历程，重点分析了热解吸技术与装备在国内的研究发展现状，总结了发展过程中技术瓶颈与产业化问题，提出了解决这些问题的方向与建议，以期为突破热解吸技术与装备的瓶颈及其产业化提供支持。

1 技术原理及适用范围

图1 热解吸技术流程Fig.1 Thermal desorption technology principle diagram

热解吸技术已被成功用于PAHs、其他非卤代半挥发性有机物、苯系物、其他非卤代挥发性有机物、有机农药和除草剂、其他卤代半挥发性有机物、卤代挥发性有机物、PCBs和汞污染土壤的修复项目中，但该技术不能用于大部分的无机污染物污染土壤的修复[17]。热解吸技术除了用于土壤修复以外，还可用于其他污染介质，如污泥、沉积物和滤饼等(表1)。

美国国家环境保护局(US EPA)最新发布的《场地清理处理技术:年度状态报告》[19，21]中总结了1982—2011年美国超级基金所开展的场地修复项目中技术的应用情况(图2)。从图2可以看出，在516个有明确技术记录的异位土壤修复项目中，采用热解吸技术的占项目总数的14.2%(73个))，仅次于固化稳定化技术(SS)和物理分离技术(PS)。

表1 热解吸技术对土壤、污泥、沉积物和滤饼中常见污染物的处理有效性[22-24]

注：1代表已经证明有效(工程证明有效)；2代表可能有效(专家认为技术有效)；3代表可能无效(专家认为技术无效)。

图3 热解吸技术的分类Fig.3 Classification of thermal desorption

注：SS为固化稳定化技术；PS为物理分离技术；TD为热解吸技术；BR为生物修复技术；PT为抽出处理技术；RU为回收利用技术；CR为化学修复技术。图2 1982—2011年美国超级基金有明确技术记录的异位处理项目统计Fig.2 Summary of treatment technologies of US Super Fund supported projects in 1982-2011

2 热解吸技术的分类

热解吸技术根据不同的分类方法可划分为不同的类型：根据处理污染物时所需温度的高低可分为高温热解吸技术(>315 ℃)和低温热解吸技术(150～315 ℃)。根据修复地点的不同可分为原位热解吸技术和异位热解吸技术：典型的原位热解吸技术主要有热蒸汽抽提技术、加热井和加热毯技术；典型的异位热解吸技术有回转窑和加热螺旋器等。根据加热火焰与物料的接触方式可分为直接热解吸技术和间接热解吸技术(图3)[17]。对于回转窑而言，根据物料行进方向与烟气方向的异同又可分为顺流热解吸技术和逆流热解吸技术。

3 热解吸技术的影响因素

影响热解吸技术应用及处理效率的因素主要有污染物特性(污染物类型)、设备操作特性(加热温度、停留时间、物料与热源的接触程度)和土壤特性(土壤含水率、土壤质地和粒径、土壤有机质等)。

3.1 污染物类型

从表1可知，热解吸技术不适用于大多数重金属污染土壤的修复。对于有机污染物而言，由于不同有机污染物的沸点不同，热解吸处理时所需的温度和停留时间也不同。挥发性有机化合物其饱和蒸汽压较大、沸点较低，修复受该类污染物污染的土壤时通常需要的加热温度较低、时间较短，可以采用低温热解吸技术；半挥发性有机化合物的饱和蒸汽压较低、沸点高，修复受该类污染物污染土壤时通常需要较高的加热温度和较长的停留时间才能达到修复目标，可采用高温热解吸技术。污染物的类型除了会影响热解吸第一阶段的运行参数外，还会影响第二阶段的尾气处理工艺，如当污染物中含有氯代有机污染物时，在尾气处理时往往需要加装碱液喷淋装置，以便去除烟气中的HCl等酸性气体[17]。

3.2 加热温度

热解吸技术的核心是通过加热污染的土壤，促使土壤中的污染物挥发分离，温度越高，污染物挥发越快。因此，加热温度是热解吸技术的关键参数之一，甚至是决定性因素[25]。加热温度过低土壤无法达到修复要求，温度过高则造成能源的浪费。据美国海军工程服务中心[17]的报告统计，燃料成本占运行成本的40%～50%。考虑到美国的燃气价格远低于我国，因此国内燃料成本占运行成本的比例更高。根据实际工程的初步统计，燃料成本约占运行成本的60%。因此，确定和控制合理的热解吸温度对降低修复成本至关重要，一般需要通过试验(包括静态动态模拟试验、热重试验、现场调试试验等)，并综合考虑修复时间、处理量、修复成本等因素才能确定。

加热温度对土壤本身的性质有重要的影响。夏天翔等[10]的研究表明，当土壤温度加热到450 ℃处理30 min后，2份受试土壤中的有机质含量都发生显著变化，土壤比表面积降低。Araruna等[26]的研究发现，经过热解吸处理后，土壤的细颗粒所占比例增加。因此，如果考虑热解吸处理后土壤的再利用，需注意土壤性质的变化。

3.3 停留时间

根据污染物、污染程度、含水率的不同土壤所要求的停留时间不同，一般为5～40 min。合适的停留时间一方面能确保土壤在热解吸设备中停留足够长的时间，以达到修复目标；另一方面能结合修复工程的需要，确保达到设计产量，以保证修复项目按时完成。停留时间越长，处理量越小，单位修复成本越高。因此，停留时间对热解吸的处理量和修复效果影响很大。对于热解吸窑体而言，窑体的斜度和转速是影响停留时间的主要因素；此外，窑体本身的长短和内部结构也对停留时间有重要影响。

3.4 土壤与热源的接触程度

热解吸可采用直接或间接的方式加热土壤。总体而言，直接热解吸处理时物料可与火焰直接接触，对污染土壤的加热效果较好，热能利用率较高，处理量相同时热能消耗低。而间接热解吸设备由于首先需要加热设备本身，然后再由热解吸设备把热量传导到污染土壤，热效率比直接热解吸的低。美国TARMAC公司(Tarmac International, Inc.)开发的处理量为15 th的直接热解吸设备，在相同土壤含水率的情况下，土壤热解吸阶段的能耗为间接热解吸(处理量10～15 th)的12左右。

就异位回转窑直接热解吸而言，窑体内部的结构也影响物料与热源的接触程度。窑体内部的结构设计合理，不但可以有效地利用热源的热能，使物料与高温烟气或火焰充分接触，提高修复效率和设备的处理能力，同时还可有效地降低窑体的外部温度，保护窑体免于温度过高而造成的损害。然而，不合理的内部设计可能导致物料受热不均匀或是扬尘过大，影响修复效率和后续尾气处理。

此外，热解吸的物料与烟气的相对行进方向也对修复效率有影响。一般而言，逆流式热利用效率相对较高，但由于物料在高温区出料，温度较高，提高了物料的降温负荷；顺流式热解吸排放的烟气温度较高，对后续尾气处理工艺设计造成影响。

3.5 土壤含水率

对于异位热解吸系统而言，土壤湿度过高影响土壤的输送及进料过程。更重要的是，由于水的蒸发潜热巨大(2 257.2 kJkg)，土壤中的水分受热蒸发过程中会吸收大量的热能，因此土壤含水率太高将显著增加热解吸能耗。Troxler等[27]基于如下假设：1)有机质浓度为10 gkg；2)土壤处理温度343 ℃；3)热解吸排放烟气温度178 ℃；4)土壤比热容为0.58 kJ(kg·℃)；5)水蒸发潜热2 460 kJkg；6)有机物蒸发潜热880 kJkg推算出土壤含水率与热解吸能耗之间的关系。随着土壤含水率的增加，蒸发水分消耗的热量快速增加。当土壤含水率在10%～15%时，加热土壤消耗的热量基本与蒸发水分的能耗相当；而含水率高于15%时，蒸发水分的能耗超过了加热土壤消耗的能量，因此建议采用热解吸技术处理的土壤含水率一般控制在15%以下[17,28]。当土壤含水率较高时，对某些污染物的去除率也有较大影响。庄相宁等[6]在研究热解吸对土壤中HCH的去除效果时发现，当土壤含水率超过16%时，β-HCH、γ-HCH、δ-HCH的去除率明显降低。Sharma等[29]也指出，热解吸过程中土壤含水率会影响污染物的解吸过程。因此，如土壤含水率较高，需要进行预处理，一般可采用自然风干、添加石灰等方式降低土壤含水率，如此可大幅降低热解吸的能耗，提高修复效率，同时便于工程物料筛分和输送。

3.6 土壤质地与粒径

一般认为，土壤粗颗粒与细颗粒的分界线是200目(0.075 mm)，如果物料中12以上的颗粒大于200目，认为是粗颗粒(如砾石和沙粒)；反之，则认为是细颗粒(如粉粒和黏粒)。在实际工程实施当中，粗颗粒和松散物料由于不易团聚，可充分与热源接触，热解吸处理效果好。而在土质较黏、土壤湿润时细颗粒容易发生团聚或受热板结，土壤导热性差，致使团聚体内难以加热，降低热解吸修复效率。王瑛等[30]用热解吸修复DDTs污染土壤，结果表明，热解吸50 min后，土壤粒径从小于0.15 mm增大到0.25～0.85 mm，土壤修复效率从55.42%增至99.95%。表明粒径越大，修复效率越高。傅海辉等[31]在研究土壤中多溴二苯醚的热解吸特性时发现，当土壤粒径为<75、75～<125、125～<250和250～<425 μm时，热解吸30 min后，污染物的去除率分别为49.53%、73.88%、83.56%和87.09%，PBDEs总去除率随着粒径增大而增大。但研究也有不一致的结论。Qi等[9]研究土壤颗粒中PCBs的热解吸规律表明，细颗粒(<250 μm)中PCBs的去除率高于粗颗粒(420～841 μm)，推断PCBs在土壤内部扩散速率是影响其去除速率的限速步骤，较小颗粒中的PCBs更易从土壤颗粒内部逸出土壤表面。Gu等[32]研究了不同土壤粒径对HCH热解吸处理动力学过程的影响，结果表明，当热解吸温度为340 ℃，加热20 min后，粒径大于2 mm土壤的HCHs去除速率和最终去除率低于粒径更小的土壤，其原因是HCHs的热解吸过程分为2个完全不同的阶段：1)土壤颗粒表面的HCHs快速挥发阶段；2)受内部扩散速率控制的慢速挥发阶段。土壤颗粒较大时，污染物在颗粒内部扩散的路径更长，从而导致了去除速率和最终去除率相对较低。

实验室研究结果不一致的原因可能与污染物在不同粒径土壤颗粒中的赋存浓度有关[33]，也可能是土壤的物化性质(有机质含量、土壤矿物组成)不同所致。有研究表明，土壤有机质的存在可强化污染物与土壤的结合力，从而抑制热解吸过程[31]。实验室小试用土一般都是经烘干、筛分处理，导致土壤性状与实际修复工程中的污染土壤性状存在明显差异，试验时不会出现由于含水率和黏粒高导致的土壤团聚、板结等问题，导致实验室结果有时与工程试验结果和经验不一致。实际工程中，一般进入热解吸设备的土壤颗粒小于5 cm，过大颗粒需要筛分破碎处理。热解吸一般适合处理沙土、粉土等，当遇到黏土时，可掺混一些沙土，便于进料，防止黏壁堵塞。

3.7 土壤有机质

土壤中的污染物(如PAHs、PCBs等)与土壤有机质有较强的结合能力[11]，因此土壤有机质会对污染物的热解吸过程造成影响。傅海辉等[31]在比较原土和去除部分有机质后的土中PBDEs热解吸规律时发现，去除部分有机物的土壤中PBDEs的脱附效率高于原土的脱附效率，表明有机质会抑制污染物的热解吸过程。然而，土壤有机质并不总是抑制污染物的热解吸过程。王瑛等[34]研究DDT在土壤中的热解吸过程发现，有机质的存在能显著提高p,p′-DDT在土壤中的脱附效率，但是对o,p′-DDT和p,p′-DDD的脱附效率影响不明显。张瑜[35]研究了3种不同有机质含量的土壤中污染物的热解吸过程发现，有机质含量高的土壤经过热解吸处理后污染物去除率高。进一步研究发现，有机质含量高的土壤中有机质在热解吸过程中的热损失显著高于有机质较低的土壤。有机质的损失也使得吸附于这些有机质上的污染物释放，从而提高污染物的去除率。

此外，土壤中的有机质含量不仅影响污染物的解吸过程，也影响热解吸技术形式的选择。一般而言，当土壤中有机质含量(或污染物浓度)达1%～3%时，不推荐采用直接热解吸技术，而采用间接热解吸技术处理[17]。

4 国内外热解吸技术发展与应用

4.1 国外热解吸技术发展与应用

4.1.1 热解吸技术应用统计

尽管多种热解吸系统都在超级基金工程中得以应用，但1982—2011年US EPA超级基金支持的108个使用热解吸技术的工程项目统计表明，原位和异位热解吸技术的案例分别为35和73个，占32.4%和67.6%；在异位热解吸案例中，采用直接热解吸的案例占68.5%(其中回转窑式热解吸占63.0%)，间接热解吸的占31.5%(图4)。这些数据表明，国外异位热解吸应用比原位热解吸更加广泛，而回转窑式直接热解吸是异位热解吸发展的主流方向。

图4 1982—2011年美国超级基金项目热解吸技术应用情况统计Fig.4 Summary of thermal desorption technology used in US Super Fund supported projects in 1982-2011

4.1.2 国外直接热解吸设备发展

直接热解吸是指火焰与土壤直接接触的热解吸类型，其发展经历了3个阶段。

第1阶段：第1代直接热解吸系统为基本型，其核心包括了土壤热解吸窑体、布袋除尘器、尾气二次燃烧系统3部分，工艺流程见图5。在该热解吸系统中，布袋除尘器直接与热解吸窑体相连。布袋除尘的滤袋一般耐受温度低于300 ℃，如烟气温度高于滤袋的耐受温度，可导致布袋损坏。因此，该热解吸设备一般不能处理高沸点有机物污染土壤，通常用来处理低沸点(260～315 ℃)的有机物污染土壤。经过布袋除尘处理后的烟气，在二燃室高温焚化，最后达标排放。

图5 第1代直接热解吸工艺流程Fig 5 First generation-direct-contact thermal desorption process

第2阶段：第2代直接热解吸系统将二次燃烧室置于热解吸窑体之后(图6)，并在布袋除尘器前加装了烟气降温系统，可有效解决第1代直接热解吸由于滤袋耐热性不足导致热解吸不能处理高沸点有机污染物污染土壤的缺陷。此系统可有效处理高沸点的有机污染物，如PAHs等。但第2代直接热解吸与第1代的情况类似，都没有洗气塔，无法去除烟气中的酸性气体，因此不能用于处理含卤族元素的有机污染物。

图6 第2代直接热解吸工艺流程Fig.6 Second generation-direct-contact thermal desorption process

图7 第3代直接热解吸工艺流程Fig.7 Third generation-direct-contact thermal desorption process

第3阶段：第3代直接热解吸系统流程见图7，其是第2代系统的基础上增加了洗气塔装置，从而可用于处理焚烧后产生酸性气体的有机污染物，如含氯代有机物。热解吸窑体加热至500～600 ℃，废气中的有机物在二次燃烧室中加热至760～983 ℃，焚化，排出的烟气经冷却单元后由布袋除尘器去除颗粒状污染物，废气再经湿式洗气塔中和酸性气体(通常为HCl)。

4.1.3 国外热解吸设备产业链

经过近30年的发展，国外热解吸技术已相当成熟，并形成了热解吸技术的产业链条。根据加热方式、加热温度、处理的污染物等不同，开发了多种热解吸设备，包括直接(间接)热解吸设备、低温(高温)热解吸设备，原位热解吸设备系统、堆式热解吸系统等。热解吸设备的开发不仅包括土壤的处理技术，还涵盖了尾气、废水等的处理，形成了融合土、气、水等处理技术为一体的专业的热解吸设备生产企业(如Midwest Soil Remediation, Inc.等)。这些企业可生产一种或多种不同处理能力的热解吸设备，也可提供热解吸设备的配件。部分企业除销售热解吸设备外，也可提供热解吸设备的租赁服务，甚至可承担修复工程，并负责工程实施和设备运营。此外，一些大型的贸易商也开始销售热解吸设备。有些设备生产企业在开拓新的国际市场时，根据自身的市场定位，只提供设备租赁，并以分包的方式参与工程的运行(表2)。总体而言，国外已经形成了热解吸的专业化生产、销售、设备租赁、工程实施、设备运营等一系列成熟的产业链条，市场成熟，热解吸设备已经成为一种成熟的土壤修复专用装备。

表2 部分国外热解吸相关企业情况

4.2 我国热解吸技术发展与应用

4.2.1 热解吸技术应用统计

注：SS为固化稳定化技术；CK为水泥窑协同处置技术；TD为热解吸技术；CO为化学氧化技术；LF为填埋技术；SVE为气相抽提技术；SW为土壤淋洗技术；MBR为微生物修复技术；IN为焚烧技术。图8 2005—2014年国内土壤修复技术应用统计比例Fig.8 Summary of soil remediation technology application in China in 2005-2014

我国污染场地修复技术起步较晚，目前仍处于起步阶段，但国内场地修复市场发展迅速，处于快速增长阶段，特别是2010—2015年。国内旺盛的市场需求，促使了场地修复技术的快速发展和应用。图8是2005—2014年期间我国污染场地修复技术的应用情况统计。从图8可以看出，固化稳定化、水泥窑协同处置、化学氧化和热解吸技术是当前国内主流的修复技术。另有调查报告[1]统计了2008—2012年污染场地及农田修复项目中所用的修复技术，结果显示固化稳定化、焚烧、换土、气相抽提和热解吸技术是国内污染土壤(包括污染场地和农田土壤)修复的主要技术[2]。虽然2个技术统计数据的口径有差异，但是都指出热解吸技术是当前国内土壤修复的主要技术之一，在众多的修复技术中处于重要的位置。热解吸技术在国内的发展分为直接引进国外成熟设备和自主研发国产设备2种。

4.2.2 国外热解吸设备在国内的应用与问题

2007年在世界银行资助下，我国首次引进国外热解吸设备用于浙江某化工农药厂POPs污染土壤的修复，这也是我国第一例采用热解吸技术修复土壤的工程案例；2012年依托“中加合作示范项目——土壤热相分离技术(TPS)工程化应用”项目[36]，由环境保护部南京环境科学研究所与加拿大某公司开展了热解吸工程化应用探索；2013年国内引进首套大型直接热解吸设备，设计处理量达到20～40 th，并应用于江苏某农药厂的土壤修复工程[37]；同年江苏省引进了国外首套原位热解吸设备，用于该省内某化工厂的中试项目[38]；2014—2015年国外热解吸设备企业开始以分包、设备运营的方式承担了浙江某农药厂和硫酸厂的污染土壤修复工程(表3)。

表3 国外热解吸设备在国内土壤修复工程应用情况

由表3可以看出，目前国内引进的热解吸技术包括直接热解吸、间接热解吸和原位热解吸技术等国外主流技术。这些设备与工艺在国外发展已经很成熟，采用模块化或车载式设计，适合土壤修复工程经常变换场地的需要，直接引进可快速地解决国内场地修复市场对土壤修复设备的需求，缓解燃眉之急。但是经过几年的工程应用，一些国外引进设备的不足愈加凸显：1)国外设备费用昂贵，使许多国内中小土壤修复企业望而却步，难以在国内推广使用，无法满足国内众多修复企业的需求；2)受知识产权保护，国内企业难以掌握其核心技术；3)国外热解吸设备企业目前还没有在国内建立完备的售后服务站点，无法及时提供技术支持或设备维修，可能严重影响场地修复工程的进度；4)国内污染场地污染差异大，污染物种类和污染程度千差万别，其要求针对某一特定的污染场地对热解吸设备或前处理工艺做相应的改动调整，目前，引进的设备其生产商往往位于国外，无法及时对引进设备进行相应的调整，致使设备运行不顺畅。因此，引进国外热解吸设备只能解燃眉之急，并不是长久之计。

4.2.3 国内自主研发热解吸技术发展、应用与瓶颈

热解吸设备普适性强、快速高效、处理量大，符合目前国内污染场地规模大、修复时间短的基本国情需求。在工程实施过程中由于国外热解吸设备在我国应用的不足之处，表明只有引进、消化、吸收和创新才是热解吸技术及设备发展的必由之路。因此，国内的科研院所和企业在引进热解吸设备的同时，在国家科技项目和企业自筹资金的支持下，开展了大量的基础研究和设备开发探索，并发表了大量的论文和专利成果(图9)。热解吸技术的研发成为近年来污染场地修复技术开发的热点之一。

图9 2010—2015年国内热解吸技术相关论文、专利数量统计Fig.9 Summary of papers and patents on thermal desorption in China in 2010-2015

从图9可以看出，2010—2015年我国研究人员每年在国内外期刊上发表有关热解吸技术的论文数量基本处于上升趋势，特别是专利数量上升趋势更加明显。专利数量的快速增加表明，国内热解吸技术的研究受到人们的密切关注，成为研究热点。专利不仅数量快速增加，专利的内容也从整体转向细节扩展：2013年以前专利的内容主要是关于热解吸的整体设备工艺和方法，基本没有关注热解吸的技术和设备细节；2013年起开始关注设备的技术细节，如专利“一种热解吸加热室结构”[39]及“一种具有出料除尘功能的土壤热解吸处理系统”[40]，表明人们在技术工艺和设备研究方面已有较多的积累和进展，技术人员已不满足热解吸整体设备和工艺的设计，开始追求热解吸设备的精细化。另外，随着人们在实际场地修复工程中对热解吸设备的运用和经验积累，开始探索以热解吸技术为中心的综合治理技术，如专利“热解吸联合氧化剂修复有机物污染土壤的装置及修复方法”[41]和“一种用热解吸高温循环喷淋废水提高常温解吸大棚处理效率的余热利用系统”[42]。这些探索表明技术人员对热解吸的理解更加深化。专利数量和内容的变化也从侧面反映出国内热解吸技术工艺研发的足迹。

为了支撑场地修复市场对热解吸技术的需求，国家以科研立项的形式支撑热解吸技术的研发。在我国场地修复市场快速发展前期，针对高浓度PCBs污染场地土壤开发基于热解吸技术的修复工艺与设备“十一五”国家高技术研究发展计划(863计划)“典型工业污染场地土壤修复关键技术研究与综合示范”重点项目子课题“多氯联苯类污染场地修复技术设备研发与示范”，开始从国家层面开展热解吸技术与装备的开发。国家“十二五”国家高技术研究发展计划(863计划)中，有4个课题(电子垃圾拆解场地重金属—有机污染物协同控制与生物修复技术与示范、化工园区重大环境事故场地污染快速处理技术与装备、半挥发性有机物污染场地物化与生物修复技术、污染土壤及场地修复评估及综合集成与管理体系)涉及到热解吸设备工艺与装备的研发和应用。热解吸技术也从只关注异位热解吸设备发展到涵盖了国外主流的热处理技术，包括异位热解吸(含间接和直接热解吸)和原位热解吸；用途也从传统的土壤修复扩展到了事故现场的应急处置；同时也考虑了热解吸技术与其他技术的集成应用。多家土壤修复企业参与课题的研究工作，表明热解吸的研究已经开始向实用化和工程化发展。

除了国家层面重视热解吸设备的研发外，已有地方政府甚至区县政府立项资助热解吸技术与装备的研发：如2013年北京市西城区科技计划项目资助了“用于修复有机污染土壤的热解吸技术开发”的中试设备研发，并开展了中试研究；2015年北京市科学技术委员会立项资助了“钢铁行业污染场地共性修复技术研发”的科技项目，并撬动企业资本参与其中的热解吸设备的研发、中试和工程化应用研究。

旺盛的市场需求也吸引了国内有技术实力的修复企业主动投资研发具有自主知识产权的热解吸设备，并取得了较大的进展：如2011年北京某企业自主研发了我国第一套工程化热解吸设备，处理量达3～10 th，并用于北京某化工厂的土壤修复工程；2012年山西省环境科学研究院自行开发了一套热解吸设备，同时开展了示范工程研究；2013年国内首套大型(处理量20～30 th)高温热解吸设备研发成功，并应用于北京某焦化厂的PAHs污染土壤修复工程；2014年国内首套低温热解吸设备研发成功，用于修复北京某焦化厂的苯、萘等污染土壤，处理量达到30～40 th。

与直接热解吸相比，间接热解吸技术的尾气排放量少，处理相对容易。同时，国外的工程经验表明，处理农药类、POPs类污染的土壤多采用间接热解吸技术，可降低二苯英的产生和排放。因此，间接热解吸的研发也受到人们的关注。

尽管自主研发的热解吸在国内的发展时间很短，但近几年，热解吸设备很快从研发走向了工程化应用(表4)，并在工程应用过程中不断完善升级。

然而，由于自主研发热解吸设备开发时间短，技术人员经验不足，难免存在一些不足，主要表现在：1)热解吸设备是由多个模块组成，其中涉及土壤修复、污水处理、尾气净化、热能工程、机械加工与设计等多种专业，而国内缺乏专业的生产厂家，无法把以上专业有机地融合到一起，导致国产热解吸设备的专业性不足；2)目前国内自主研发的设备多是由水泥、建材等传统行业的回转窑设备改造而来，没有充分根据土壤修复的本身特点和技术要求来设计，导致与国外相同大小的设备，处理量明显偏低，技术水平较低；3)国内大型热解吸设备绝大多数是固定式的，与国外移动式的相比，设备转移不方便，拆卸安装费用较高，耗时长，很难适应土壤修复工程经常需要转移设备的实际需要；4)二次污染控制技术不成熟,目前国内自主研发的热解吸技术的尾气处理多是采用传统的活性炭吸附或是借鉴危险废物焚烧的尾气处理工艺，没有针对该技术设计，专业化水平低，导致二次污染风险较大。这些不足表明还需将理论研究、工程设计与机械加工等专业融合，培育出专业的热解吸设备生产厂家。总之，由于国内土壤修复行业刚刚起步，国内土壤修复相关环保设备的研发还相当不足，热解吸技术和设备的研发多借鉴国外成熟设备，设备研制和生产仍处于初步发展阶段，且研制的设备大部分还是以自用为主，设备租赁、工程分包与运营、设备零部件销售等部分环节只是零星出现，完整的产业链条还远未形成。

表4 目前自主研发设备应用的工程案例汇总

5 展望

自主研发热解吸设备及相关产业链条开始形成，并逐渐壮大，但还需多方努力：1)需要完善技术工艺，优化设备设计，开发模块化、可移动的热解吸工艺和设备，确保土壤、污水和尾气都能够实现现场处置，并达到相关标准；同时采用多种余热回用技术、回收高温土壤、高温烟气中的废热，降低系统能耗，提高热脱附的适应性和技术水平。2)逐渐培养专业设备生产厂家，确保设备的质量与专业性；同时制定热解吸修复技术指南，指导热解吸技术的应用，培养专业的技术工人，确保设备使用的规范性。3)在借鉴其他行业的尾气处理方式的基础上，开发高效、节能、低成本的尾气处理技术，确保热解吸尾气的排放符合标准。4)根据我国的国情，开发适合本土要求的多元化的热解吸设备，包括异位直接、间接热解吸、原位热解吸等系统，形成国内自主研发热解吸设备技术体系，满足不同场地对热解吸技术类型的需要。

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Development and Application of Ex-situ Thermal Desorption Technology in Organic Pollutants Contaminated Field Remediation

YANG Yong1,2, HUANG Hai2, CHEN Meiping2, LI Peng2, NIU Jing2, ZHANG Wen2,XU Feng2, HE Yunfei2, TIAN Libin2, DU Wei2

1.Zhongke Huanan(Xiamen) Environment Co. Ltd., Xiamen 361021, China 2.Zhongke Dingshi Environmental Engineering Co. Ltd., Beijing 100028, China

Thermal desorption technology is efficient, rapid and with strong adaptability for various pollutants and contaminated sites, and has been widely used in foreign remediation projects. Although this technology started late in China, the development of related researches and engineering applications is rapid. The principles, application scopes, classifications and influencing factors of thermal desorption technology were introduced. The development process of the technology and equipment as well as the industrialization status in foreign markets summarized. The development and application characteristics of this technology and the engineering application status of self-developed equipment in China were analyzed, and the technical bottlenecks and industrialization barriers pointed out. The future development directions and some advices were given in order to solve the existing problems.

thermal desorption technology; contamination field remediation; influence factors; engineering application; industrialization

2016-03-30

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2013AA06A211)

杨勇(1976—)，男，高级工程师，博士，主要从事污染场地修复工作，yangyong@zkdshj.com

X53

1674-991X(2016)06-0559-12

10.3969j.issn.1674-991X.2016.06.081

杨勇，黄海，陈美平,等.异位热解吸技术在有机污染土壤修复中的应用和发展[J].环境工程技术学报,2016,6(6):559-570.

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