文章推荐 | 工程化阴燃技术治理含油污泥工程示范
雷大鹏 单晖峰* 杨登 葛传芹 刘杉
江苏大地益源环境修复有限公司
研究背景
随着我国城镇化进程的快速推进，城市空间不断扩大，大量城区内工业企业搬迁，其中焦化厂在搬迁后场地内通常会遗留有大量的含油固废，同时在石油开采、运输、炼制及含油污水治理过程中会产生大量的含油固废。据统计，我国每年新增含油固废超500万t，存量含油固废规模超1.59亿t，但含油固废的实际处置率不到20%。在世界范围内，每年新增和存量含油固废量分别达到6000万，10亿t。这些含油固废如若不及时有效治理，不仅会占用大量土地资源，而且还存在巨大的环境污染风险。含油固废的减量化、无害化治理及资源化处置是当前研究的热点问题。
含油污泥按危废委外治理成本高昂，对于产废企业来说，为节约成本，规避法律风险，在场地内对含油污泥进行减量化、无害化治理是一种有吸引力且具有综合优势的治理方式。原地治理此类含油污泥技术和工艺需要满足有限的场地条件、治理费用低、治理效率高、可操作性强等要求。目前治理含油污泥主要技术有萃取、热解、焚烧、热脱附、生物修复等，但这些治理技术大多存在安全风险、高能耗、高投资、高治理成本、占地面积大，进料要求高，无害化治理效果不稳定等问题，且普遍无法将油泥治理到符合GB36600—2018《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》中第一类建设用地标准(筛选值为826mg/kg，管控值为5000mg/kg)。
工程化阴燃技术为难降解、难治理重质(低挥发性)油泥或石油烃污染土壤等严重有机污染介质提供了一种全新的解决方案。工程化阴燃技术基于阴燃机理，是一个以高效、可控、安全的形式回收利用能量的节能自持燃烧过程，主要用以治理石油烃、煤焦油、矿物油、新兴污染物(如全氟化物)等多种有机物或非水相液体(NAPL)污染的惰性多孔介质，包括但不限于土壤及各类油泥。工程化阴燃技术一般采用顺向阴燃方式，即气流推进的方向与阴燃燃烧锋面的推进方向一致(顺向阴燃比逆向阴燃的热利用效率更高，治理效果更彻底，更容易保持自持燃烧)，利用油泥中有机污染物作为支持自持阴燃的燃料，通过热传导、热对流、热辐射等方式将物料点燃，阴燃一经启动，污染物反应所释放的热量随之预热及启动临近区域的污染物的燃烧，在充分的气流补充下，燃烧锋面在污染区可自持传播/推进，无须再外加能源或燃料，达到去除污染物的目的。该技术具有能耗低、治理效果好、安全高效等特点。
工程化阴燃技术用于污染土壤治理在国外始于2005年，2014年开始工程应用推广，至今已在北美、南美、欧洲、亚洲数项工程中落地，但主要应用于石油类或有机污染土壤治理领域，针对油泥治理的应用实践几乎为空白。
工程化阴燃技术治理油泥在国内已有中试验证，石油烃去除率可达到99.5%以上，残留石油烃浓度远低于GB36600—2018第一类建设用地筛选值。本文所述示范工程是国内首次应用工程化阴燃技术治理油泥的工程案例。在对场地进行调查、评估，并现场中试的基础上，结合场地情况制定技术及实施方案，在国内率先探索了工程化阴燃技术治理焦化厂搬迁场地遗留含油污泥的有效性及可行性。
摘 要
工程化阴燃技术是一种针对难降解、难治理重质(低挥发性)油泥或石油烃污染土壤等重度有机污染介质，基于阴燃机理的自持主动修复技术，其在国内的研发、实践还处于早期阶段。湖北某焦化厂存量含油污泥的治理工程是工程化阴燃技术用于油泥治理在国内的首演。通过现场中试确定了油泥预处理方法、药剂配比和阴燃治理工艺条件。工程示范分为2步:第1步为预处理阶段，采用“化学调质+板框压滤”工艺对含油污泥进行脱水、减量；第2步为治理阶段，采用4台工程化异位阴燃反应装置执行。含油污泥的含水率经预处理后降至50%左右，经阴燃治理后的油泥总量减少90%，目标污染物去除率达到98%以上，满足项目验收指标。
01
项目概况及治理目标
该项目地块位于湖北省某市焦化厂。该地块由于环境问题已经被省、市、区环保部门列为重点监督企业。厂区内存有大量含油污泥，主要为含油废水处理产生的含油污泥及炼焦过程中产生的焦油渣，散发出的气味具有刺激性，严重影响周边环境与居民生活，油泥无害化处置问题亟待解决。
本项目含油污泥分布见图1。其中，A区为氧化塘，B区为污水治理站，C区为冷凝槽，D区为煤气柜，A、B区中含油污泥为污水治理过程中产生的含油污泥，C区中含油污染物为焦油渣，D区中主要为沉积的含油铁锈及少量含油污泥残渣。本项目中含油污泥含水率高，若不经脱水直接装车将会出现撒、漏现象，易对厂区环境造成二次污染。
项目场地可利用空间有限，工期仅120d。场地中存有含油污泥约5368t，表层滞水约6000t。含油污泥主要是含油污水在治理各环节中产生的，具有初始含水率高(65%~85%)、含油量高、污染物成分复杂、杂物多、刺激性气味重等特点。经检测该含油污泥主要污染物为总石油烃(TPHs)和多环芳烃。直接将含油污泥作为危废委外处置成本高昂，且运输不便，存在较大环境风险。因此，在项目现场完成存量油泥的减量化、无害化处置是本项目的基本需求。
治理目标：本示范工程项目要求将含油污泥堆存池体中的全部表层滞水抽出，委外离场处置；存量含油污泥在现场执行无害化处理后，要求污泥含水率降低至50%以下，治理后污染物(油泥及表层滞水)总量减少90%以上，含油污泥中目标污染物(TPHs和多环芳烃)减少95%以上，在治理过程中须避免二次污染。
02
现场中试
工程化阴燃技术实施的主要影响参数包括物料的含水率、含油率、孔隙率、通透性、预处理介质掺比等，主要过程参数包括阴燃速率(阴燃燃烧锋面自持蔓延速率)、阴燃温度、进风量(达西空气通量，即垂直于气流方向的单位横截面积上的空气量，cm/s)等。工程化阴燃技术虽然对油污染惰性多孔介质的治理普遍适用，但不同项目的油泥来源及理化性质差异明显，预先执行中试对验证工程化阴燃技术的适用性、可行性至关重要。
此现场中试主要针对本示范工程项目中的氧化塘含油污泥与石英砂掺比以及不同脱水预处理方式对阴燃反应的影响，以确认技术可行性及探索工程实施的最佳操作条件。
中试对比了晾晒风干和机械脱水2种含油污泥的预处理方式，脱水后的样品再与石英砂以一定比例混合作为中试原料。试验方案设计见表1。
采用1套自主研发的移动撬装式阴燃反应装置(发明专利授权公告号CN109290353B)进行中试。该装置适用于中试和小规模应急处置需求，主体包括2套阴燃反应器(长×宽×高=2m×1.6m×0.8m)，配有热电偶实时监测物料温度变化，底层为加热通风底板，上部3层为笼屉式阴燃反应物料箱体，辅助系统包括供电单元、集烟罩、尾气成分在线监测单元、抽提单元，以及尾气处置系统(图2)。
中试结果如表2所示。可知:1)方案1和2的阴燃反应温度过高(>1000℃)，对设备材质及使用寿命都有损害；2)方案3较方案4的点燃耗时(阴燃启动环节)略短，但方案4的阴燃反应速率略高；3)方案3最高反应温度和最高尾气温度较方案4略高。4)方案3与4的参数差异可能与物料自身的非均质性及物料预处理方式不同有关。5)方案5中物料掺混了石英砂，有助于改善物料的均质性及通透性，但以牺牲处置效率为代价(因为阴燃治理的实际物料中仅2/3为油泥)。综上所述，以控制阴燃反应温度在合适范围，保障阴燃处置效率为主要参数，优选出方案4工艺用于后续工程实施。
中试反应过程的物料温度监测结果所呈现的沿阴燃锋面蔓延方向依次峰值交替现象，与自持阴燃的典型温度变化曲线图一致，证明油泥治理确实经历了一个以自身污染物为燃料的自持阴燃过程。
对方案4治理后的物料进行检测，可知有机污染物(TPHs和多环芳烃)去除率均高达99%以上(表3)。阴燃治理后物料的pH提高是由预处理阶段添加生石灰脱水所致。
中试也验证了适宜进风量在点燃阶段(阴燃启动阶段)在750m3/h左右，阴燃成功启动后可适度提升风量，在750~1500m3/h(对应的达西空气通量为1.89~3.78cm/s)范围内调节，以控制物料阴燃温度在适宜范围。此中试得出的达西空气通量的调节范围与加拿大西安大略大学Gerhard团队执行的1项罐底泥阴燃中试(粗砂混拌预处理)的物料点燃阶段中使用的达西空气通量-1.5cm/s，以及模拟研究中采用的0.5~3cm/s的范围相近。
03
方案设计与施工
含油污泥含水率高，通透性较差，不利于阴燃的启动及自持蔓延，所以物料脱水干化预处理步骤是含油污泥减量化治理的关键环节，且利于后续对含油污泥的阴燃治理。本项目结合场地条件及后续阴燃治理要求，采用中试方案4中的高压隔膜压滤干化脱水方式对含油污泥进行干化预处理后，再衔接工程化阴燃工序，以进一步减量化、无害化治理。
本项目含油污泥储存于不同区域，对含油污泥治理过程中包含油污泥提取、含油污泥预处理、阴燃治理、尾气治理、池体清洗、废水外运处置、二次污染防治等施工内容。治理后的物料目标污染物需满足GB36600—2018第二类用地筛选值要求。
1. 工艺流程
根据场地内含油污泥及废渣的特点及分布情况划分施工区域，根据治理工序确定施工流程(图3)，根据中试所优选的工艺流程及参数设计各工艺段的操作参数。
2. 含油污泥提取
首先在A区清理出1个污泥坑作为调理池使用，在调理池上方配建操作平台，并在污泥进口设置格栅网拦截污泥中的杂质并定期清理。采用2台300m3/h污泥泵抽提稀释后的含油污泥，每台污泥泵配备1台流量为80m3/h的水泵及2台高压水枪对含油污泥进行冲刷稀释。使稀释后的含油污泥含水率在90%左右，然后利用污泥泵将含油污泥泵入调理池。
采用相同方法对其他区域中的含油污泥稀释，然后利用吸污车将稀释后的含油污泥转运至调理池。
3. 含油污泥预处理施工
本项目的含油污泥中含油量较高，比阻大，通透性差。因此示范工程采用“化学调质+板框压滤”工艺对含油污泥进行干化治理:待调理池中存满稀释后的含油污泥(含水率为80%~85%)，采用电动葫芦配合人工向调理池中投加生石灰(质量分数为8%~15%，以含油污泥绝干质量计下同)、PAM(0.5‰~0.8‰)对含油污泥进行化学调质，搅拌10min后通过高压泵泵入1台过滤面积为800m2的高压隔膜压滤机进行脱水干化治理，将含油污泥含水率降至50%左右。干化后的泥饼呈颗粒态，分散性、通透性提升，可满足后续阴燃治理进料条件。脱水后的泥饼通过皮带机输送至设备外侧后，采用推土机将泥饼运送至暂存区。
4. 含油污泥阴燃治理施工
干化后含油污泥的工程化异位阴燃处置采用单元模块装备(图4)执行，设计规格为4.7m×2.35m×1.85m，单元模块装备的底部设有电加热和空气注入分布系统，用于启动阴燃和维持阴燃的自持蔓延，在阴燃反应箱体内部视需要可以放置支撑框架(图4中未显示)以保持待治理物料在箱体内的分散性，顶部设有排风管用于抽排阴燃尾气和支撑防火布顶棚。
阴燃反应箱体中物料堆积高度为1~1.3m，上层覆盖20~30cm干净土作为过滤层，单台设备每批次治理干化含油污泥(堆积密度约1.4kg/m3)约11m3。每台单元模块装备配备1台防爆风机，空气从底端注入，气流自下而上贯穿物料堆体(阴燃锋面的蔓延方向)，尾气在箱体顶端被抽提排出，进入尾气治理系统。
工程化阴燃治理含油污泥施工的主要过程如下:
1)上料。用铲车铲斗将干化含油污泥装至阴燃箱体内至目标高度，将顶面耙平，再铺放1层净土或阴燃治理达标后的物料作为过滤层，盖上防火布顶棚。
2)运行。检查热电偶及各种仪表、线路的连接和进、排风系统，确定无异常后开启控制系统并接通电加热器开始加热。待底层物料温度达到约300℃时开启进风系统，调节进风量，实现点燃。当插入底层物料的热电偶监测的温度曲线出现2~3个峰值交替时，显示物料已稳定进入自持阴燃阶段，此时可停止外部加热，随即可逐步提升及控制空气通量推进燃烧锋面的蔓延。在运行过程中对温场、O2、CO、CO2、进风量、排风量等关键参数进行实时监测。阴燃尾气通过抽排系统输送至尾气治理系统进行治理后排放，本示范工程采用的工艺是冷凝→多级喷淋→除湿→活性炭过滤→湿电除尘(除油、除尘)。
3)卸料。待反应结束并降温后开始用铲车铲斗卸料，卸料时配合喷雾抑制扬尘措施。治理后的物料可作为下一批次油泥治理的覆盖层使用，剩余物料暂存或外运处置。
本示范工程采用4台单元模块阴燃反应装备，采用每2台单元模块为1组“错峰”运行，即1组2台模块同时启动加热，实现点燃后第2组再启动加热。
在阴燃治理过程中对每批次治理后物料进行自检。合格物料装袋暂存于存储间,自检不合格物料则回混于泥饼,搅拌均匀后再次治理。阴燃施工流程见图 5。
04
结果与分析
本项目抽排表层滞水约6000t，提取、预处理含油污泥5368t，处理时间25d，平均每天处理含油污泥约214.72t；外运处置废水3800t(含雨水)；干化处理共产生泥饼约2280t，运行25d，平均每天产泥饼约91.2t；全部2280t油泥滤饼(注:C区的90t焦油渣因极其黏稠，通透性差，不适宜直接采用阴燃法治理而委外处置)经阴燃治理耗时约90d，平均每天治理泥饼25.3t；阴燃治理后的固体物料总量约1100t，达到污染物总体减量90%(含表层滞水)的要求。
1. 预处理结果
在项目实施过程中，对每批次预处理后的含油污泥饼进行含水率测定。结果显示，泥饼含水率为45%~55%，满足后续工程化阴燃进料需求。
2. 工程化阴燃治理结果
在此示范工程中，物料基本在加热4~6h时实现点燃，阴燃启动，调节达西空气通量在2.4~3.5cm/s内可以将阴燃反应温度峰值控制在800℃左右，含油污泥堆体的自持阴燃过程耗时24~30h，燃烧锋面的自持蔓延速率为0.5~0.8m/d，阴燃结束后物料的降温过程耗时为8~10h，装卸料耗时为4h。治理相同物料时，不同批次的阴燃处理时长(主要取决于自持蔓延速度)存在一定差异，这可能是由物料压实、通透性、供气不均匀所致，物料压实度过大会影响物料的堆积密度、通透性及供气的均匀性，从而影响阴燃治理的时长。
对治理后的每500m3物料进行1次采样自检，自检合格后的物料装袋堆置于暂存间。治理前后物料的外观对比详见图6。
对阴燃治理完成后的物料进行采样检测，结果表明:目标污染物去除率>98%，满足物料减量95%的要求，同时达到GB36600—2018第二类用地筛选值要求(表4)，实际上甚至显著低于其第一类用地筛选值。
3. 阴燃运行费用分析
此示范工程的预处理过程主要包括含油污泥抽提、短驳与干化处理。工程预处理含油污泥总量5368t，运行142批次，产生泥饼2280t，产生废水约3800t(含部分雨水)，预处理费用主要由能耗、药剂/耗材、短驳运输、人工组成，约合100元/t。工程化阴燃治理的2280t含油污泥干化泥饼，如果没有掺拌辅料，直接运行成本约合300元/t(不含设备折旧)。
对于工程化阴燃技术，用于治理物料的分散性、通透性极差，必须采用掺混辅料(如粗砂)等预处理手段加以调整改善，如果预处理后物料体积膨胀明显，治理效率则将相应降低，综合成本可能抬升。因此，物料预处理技术的优化是工程化阴燃治理油泥工艺进一步研发重点之一。
随着工程规模放大，以及工艺及工程装备的优化改进，工程化阴燃技术治理油泥的成本将进一步降低，使此技术对比其他高能耗技术的优势逐渐凸显。
05
结论
1)工程化阴燃技术适用于焦化厂高含水含油污染物的治理。本研究先利用中试摸索出适宜的反应条件，再工程规模化应用，保障此项目的顺利执行。
2)“化学调质+板框压滤”预处理工艺与工程化阴燃工艺相结合，可满足焦化厂中不同含油污泥治理要求，生石灰5%~8%和PAM0.5‰~0.8‰的药剂比例，可将含油污泥含水率降至50%左右，阴燃治理后含油污泥总量减量90%以上，污染物去除率达到98%以上，治理效果稳定。
3)在本研究示范工程条件下，工程化阴燃技术治理油泥的单位运行成本约合300元/t，且其随着工程规模放大、工艺优化、技术装备改良，有望进一步降低。
来源：雷大鹏,单晖峰,杨登等.工程化阴燃技术治理含油污泥工程示范[J].环境工程,2022,40(10):150-155,168.
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