燃?xì)鉄崦摳郊夹g(shù)修復(fù)有機(jī)污染場(chǎng)地研究與應(yīng)用進(jìn)展

環(huán)境修復(fù)網(wǎng)訊:摘 要 原位燃?xì)鉄崦摳绞悄壳靶迯?fù)有機(jī)污染土壤最具潛力的技術(shù)之一。在查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外實(shí)際案例，系統(tǒng)梳理了有機(jī)污染土壤原位燃?xì)鉄崦摳叫迯?fù)技術(shù)的原理、適用范圍、優(yōu)缺點(diǎn)以及工藝施工流程，對(duì) 國內(nèi)外燃?xì)鉄崦摳郊夹g(shù)的研究現(xiàn)狀和工程應(yīng)用情況進(jìn)行了對(duì)比分析，并對(duì)該技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景進(jìn)行了 展望，以期為我國有機(jī)污染土壤原位熱修復(fù)技術(shù)的推廣和應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞 有機(jī)污染場(chǎng)地；土壤修復(fù)；原位；燃?xì)鉄崦摳?/p>

近年來，隨著我國“退二進(jìn)三”和“退城進(jìn)園”政策的進(jìn)一步落實(shí)，大批化工企業(yè)被迫搬遷、改造或關(guān)閉停產(chǎn)，導(dǎo)致大量有機(jī)污染場(chǎng)地被遺留在城市及其周邊地區(qū)。這些污染場(chǎng)地將對(duì)人體健 康和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害，從而制約城市的建設(shè)與發(fā)展。

原位熱脫附技術(shù)自20世紀(jì)70年代開始應(yīng)用于有機(jī)污染場(chǎng)地的修復(fù)，其基本原理是通過加熱 提高污染區(qū)域的溫度，改變污染物的物化性質(zhì)，增加氣相或者液相中污染物的濃度，從而提高液 相抽出或土壤氣相抽提對(duì)污染物的去除率。根據(jù)加熱方式不同，原位熱脫附技術(shù)可分為蒸汽強(qiáng)化 提取技術(shù)、電阻加熱技術(shù)和熱傳導(dǎo)技術(shù)等。其中，熱傳導(dǎo)技術(shù)因熱源不同又可分為電加熱和燃 氣熱脫附。原位熱脫附技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于無須挖掘和運(yùn)輸污染土壤，二次污染相對(duì)可控，對(duì)低滲 透污染區(qū)、非均質(zhì)污染區(qū)域具有較強(qiáng)的適用性和較好的修復(fù)效果。但原位熱脫附技術(shù)的修復(fù)周期 和修復(fù)效果具有一定的不確定性，主要取決于以下幾個(gè)因素：1)場(chǎng)地污染物類型和濃度、污染 面積或深度等；2)土壤中有機(jī)質(zhì)的含量(土壤有機(jī)質(zhì)會(huì)使污染物吸附在土壤上，從而限制其蒸 發(fā))；3)場(chǎng)地水文地質(zhì)條件(如土壤含水率、滲透性、導(dǎo)熱性等)；4)修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)的選定(某些地方標(biāo)準(zhǔn)會(huì)比國家標(biāo)準(zhǔn)的要求更為嚴(yán)格，如北京市規(guī)定氯苯在居住用地的篩選值為41 mg·kg−1，而國家在 第一類建設(shè)用地規(guī)定的篩選值為68 mg·kg−1)。

燃?xì)鉄崦摳?gas thermal desorption, GTD)是利用燃?xì)馊紵秊闊嵩矗ㄟ^熱傳導(dǎo)方式使得土壤溫 度升高，再將有機(jī)污染物解吸處理，以進(jìn)一步處理廢水和廢氣。其技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于燃?xì)獗阌谶\(yùn)輸、 輸送方便；相比電加熱方式，對(duì)于場(chǎng)地基礎(chǔ)條件要求較低、啟動(dòng)快速、運(yùn)行靈活。歐美等發(fā)達(dá) 國家針對(duì)GTD技術(shù)已有初步研究和應(yīng)用，而國內(nèi)仍處于起步階段。因此，有必要對(duì)國內(nèi)外有關(guān) GTD技術(shù)的研究現(xiàn)狀和工程案例進(jìn)行總結(jié)和分析，以期為我國污染土壤原位修復(fù)領(lǐng)域的科研及工 程應(yīng)用提供參考，推動(dòng)我國GTD技術(shù)的工程化應(yīng)用進(jìn)程。

1 燃?xì)鉄崦摳郊夹g(shù)原理及工藝

1.1 基本原理

GTD技術(shù)的原理如圖1所示。在燃燒器中，通入天然氣或液化石油氣，同時(shí)通過抽風(fēng)機(jī)產(chǎn)生 的負(fù)壓將清潔空氣吸入，在燃燒器內(nèi)混合，點(diǎn)火燃燒，產(chǎn)生高溫氣體。高溫氣體注入加熱井中， 通過熱傳導(dǎo)方式加熱目標(biāo)修復(fù)區(qū)域，使得土壤溫度升高至修復(fù)目標(biāo)溫度。在加熱過程中，污染物 從土壤中解吸出來或者發(fā)生裂解反應(yīng)，此時(shí)借助氣相抽提(soil vapor extraction，SVE)將含有污染物 的蒸汽提取至地表，然后進(jìn)入后續(xù)的尾氣治理系統(tǒng)，達(dá)到污染物去除的目的，最終實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。

1.2 系統(tǒng)組成

根據(jù)上述工藝原理，整套GTD工藝主要包括4個(gè)部分：燃料供應(yīng)系統(tǒng)、加熱和抽提系統(tǒng)、輔 助配套系統(tǒng)(包括地面保溫系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等)、尾水尾氣處理系統(tǒng)。

1)燃料系統(tǒng)。GTD技術(shù)采用管道輸送燃?xì)?，燃?xì)夤艿郎习惭b有調(diào)壓閥，確保進(jìn)入燃燒器的燃 氣壓力滿足設(shè)備要求。

2)加熱系統(tǒng)。加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是加熱井點(diǎn)布置，須綜合考慮污染物的濃度、工期要求及 現(xiàn)場(chǎng)的平面布置等因素。

3)抽提系統(tǒng)。整個(gè)原位修復(fù)區(qū)域外設(shè)有防滲阻隔墻，確保區(qū)域外的地下水不會(huì)流入。抽提 系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)為豎向SVE井和水平SVE管，通過在土壤中形成負(fù)壓來抽提加熱產(chǎn)生的污染氣體。抽提管的長度與加熱管一致，同時(shí)確保抽提范圍能覆蓋到整個(gè)修復(fù)區(qū)域。

4)地面保溫系統(tǒng)。井管系統(tǒng)安裝完畢后，一般在表面覆蓋一層25 mm厚的隔熱材料和25 mm 厚的混凝土用作隔熱層，然后再安裝燃燒器和地面管道等。設(shè)置混凝土隔熱層一方面可減少熱量 散失，并確保現(xiàn)場(chǎng)操作的安全；另一方面還可防止污染物擴(kuò)散，避免運(yùn)行時(shí)造成二次污染。

5)溫度監(jiān)測(cè)和傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)在整個(gè)加熱過程中，對(duì)單個(gè)燃燒器的燃燒狀況、壓力以及土 壤中關(guān)鍵位置的溫度、壓力等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。修復(fù)區(qū)域中的單個(gè)燃燒器可以單獨(dú)控制，也可以組合控制，以達(dá)到溫度梯度和能量消耗最優(yōu)化。

6)尾水尾氣處理系統(tǒng)。在加熱過程中，土壤中的污染物從土壤中解吸出來，形成含污染物的 蒸汽。含污染物的蒸汽被抽提井抽取至地表，然后進(jìn)入后續(xù)的尾水及尾氣系統(tǒng)處理。尾水統(tǒng)一收 集輸送至現(xiàn)場(chǎng)污水處理站進(jìn)行處理；尾氣統(tǒng)一收集輸送至現(xiàn)場(chǎng)尾氣處理站，經(jīng)過一級(jí)氣水分離、 冷凝、二級(jí)氣水分離后，少量不凝氣體進(jìn)入到蓄熱式氧化爐或燃燒室中完成徹底處理，最終達(dá)標(biāo)排放。

1.3 施工流程

GTD工藝施工流程主要包括：測(cè)量放線，施工現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備及場(chǎng)地平整，場(chǎng)地封閉阻隔及降水， 加熱和抽提井建設(shè)，設(shè)備連接和整裝調(diào)試，加熱修復(fù)和尾氣治理；修復(fù)治理驗(yàn)收完成后，進(jìn)行管 道和燃燒器等的拆除，最終完成修復(fù)施工。施工過程特別注意以下4點(diǎn)。

1)加熱井的間隔距離會(huì)直接影響污染物的去除效果，因此，加熱井的間隔距離應(yīng)合理經(jīng)濟(jì)。根據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn)，一般設(shè)置為1.5~4 m。確定加熱井的間隔距離后，可根據(jù)污染區(qū)域的面積及 范圍進(jìn)行加熱井的布置。為抵消圍繞目標(biāo)處理區(qū)周邊的邊緣效應(yīng)，加熱井通常要沿著劃定的目標(biāo) 處理區(qū)的極限橫向延伸一定距離。

2)為保證燃?xì)鉄崦摳降男Ч徒档蜔釗p失，在GTD原位修復(fù)區(qū)周邊設(shè)置閉合的防滲墻，以防 止外界地下水進(jìn)入GTD修復(fù)區(qū)；同時(shí)，為減少來自處理區(qū)頂部的熱量損失，需要以表面覆蓋物的 形式進(jìn)行保溫，如輕質(zhì)混凝土等。

3)地面硬化阻隔完成后，進(jìn)行設(shè)備及管線連接(主要包括加熱井上部燃燒器連接、天然氣管線 連接、抽提井管線與設(shè)備連接等)時(shí)，宜做到設(shè)備管線的連接布局盡量合理整齊，避免相互交叉。

4)尾水尾氣處理系統(tǒng)須定期檢查尾氣處理設(shè)備的運(yùn)行，防止管道漏氣，以保障處理設(shè)備末端 排氣口的氣體質(zhì)量達(dá)標(biāo)。同時(shí)，尾水應(yīng)及時(shí)收集、妥善輸送、及時(shí)處置，以保證出水達(dá)標(biāo)。

1.4 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

原位GTD技術(shù)主要優(yōu)勢(shì)包括3個(gè)方面。

1) GTD最高加熱溫度可達(dá)到500 ℃，可原位達(dá)標(biāo)去除幾乎所有有機(jī)污染物和部分揮發(fā)性的無 機(jī)污染物。因整個(gè)污染區(qū)域處于高溫負(fù)壓環(huán)境，故會(huì)增加有機(jī)物的流動(dòng)性并降低其汽化所需的蒸 發(fā)溫度，使其迅速從土壤中解吸并進(jìn)入蒸汽。綜合上述2點(diǎn)，該技術(shù)綜合性價(jià)比很高。

2) GTD技術(shù)不受復(fù)雜地質(zhì)及水文地質(zhì)條件等因素限制，對(duì)低滲透性污染場(chǎng)地修復(fù)具有很強(qiáng)的 適宜性。同時(shí)，GTD的加熱深度大，最大加熱深度目前可達(dá)18 m，并可根據(jù)實(shí)際工程需要再加大 深度。

3) GTD技術(shù)使用天然氣和石油氣等一次能源，單位加熱長度內(nèi)輸入功率比電加熱過程更高， 可加速土壤升溫效果，縮短修復(fù)工期。同時(shí)，該技術(shù)系統(tǒng)安裝便捷，設(shè)備重復(fù)利用率高。另外，當(dāng)修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)電力供給緊張時(shí)，燃?xì)膺\(yùn)輸?shù)谋憷愿鼙ＷC修復(fù)項(xiàng)目的順利實(shí)施。

1.5 技術(shù)缺陷

相比其他原位熱修復(fù)技術(shù)，GTD技術(shù)的主要缺陷包括3個(gè)方面。

1)加熱系統(tǒng)出口的排煙溫度一般為200~400 ℃，燃?xì)饧訜崮茉蠢寐蕛H為30%~60%，其熱量 損失達(dá)40%~70%，因而造成大量的能量浪費(fèi)。此外，在燃?xì)饧訜嵬寥赖倪^程中，能量損耗更高。

2)電加熱可以輕易控制不同深度的電能輸出，實(shí)現(xiàn)定深加熱，能量損失可以達(dá)到補(bǔ)償，加熱 也就更均勻；而用燃?xì)饧訜釙r(shí)，其底部加熱溫度最高，由于在淺層能量輸入很低，達(dá)到目標(biāo)溫度 會(huì)比較困難，故會(huì)產(chǎn)生受熱不均勻的現(xiàn)象。

3)電加熱技術(shù)的安全保護(hù)措施(如漏電保護(hù)等)及安全操作規(guī)程非常完備，而燃?xì)饧訜嵝枰?道供應(yīng)燃?xì)猓F(xiàn)場(chǎng)管道及管線設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，會(huì)受施工現(xiàn)場(chǎng)的封閉性條件限制，存在較大的安全隱患。

2 研究進(jìn)展

在原位熱脫附技術(shù)中，熱量可通過熱輻射、熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流等方式在土壤和地下水中進(jìn)行傳 遞，使水和有機(jī)污染物受熱蒸發(fā)，并通過抽提工藝進(jìn)行捕集。究其本質(zhì)，可將土壤視為多孔介 質(zhì)，而原位熱脫附過程可看成是多孔介質(zhì)內(nèi)多組分多相流傳熱傳質(zhì)過程[25]。然而，由于土壤特性 及污染物類型復(fù)雜多變，目前對(duì)其內(nèi)在熱質(zhì)傳遞過程的認(rèn)識(shí)尚不充分。

影響原位熱脫附中熱質(zhì)傳遞過程的因素很多。從傳熱過程來看，其傳熱效率主要取決于污染 區(qū)域內(nèi)的溫度梯度、土壤及地下水介質(zhì)的熱導(dǎo)率和保溫隔熱性能。其中，熱傳導(dǎo)主要發(fā)生于固 體之間，適合于低滲透率場(chǎng)地；熱對(duì)流則依賴于流體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，適合于高滲透率場(chǎng)地；而熱 輻射主要存在于熱源與周邊土壤之間的熱交換，距離熱源較遠(yuǎn)處則因溫差較小基本可以忽略。由此可見，土壤內(nèi)的傳熱過程也受諸多因素影響。而相對(duì)于傳熱，傳質(zhì)過程則更為復(fù)雜，各相間 的物質(zhì)輸運(yùn)相互牽連。圖2為有機(jī)污染土壤內(nèi)典型的傳質(zhì)過程示意圖。在典型有機(jī)污染場(chǎng)地中， 大多數(shù)有機(jī)污染物在水相中的溶解性較差，其 主要吸附于土壤顆粒表面或以獨(dú)立自由相存 在；而某些難溶性有機(jī)污染物往往又具有較強(qiáng) 的遷移性(如三氯乙烯、二氯甲烷和石油烴 等)，可以穿過低滲透性土層至深層地下環(huán)境 。并且，熱脫附過程中土壤溫度隨時(shí)間不斷 變化，因此，有機(jī)污染物在地下水中的溶解 度、在土壤表面的吸附性以及地下水和污染物 的物性均會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。POLING等發(fā) 現(xiàn)，當(dāng)溫度由25 ℃升至140 ℃時(shí)，萘在水中 溶解度增加45倍。HERON等[29]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度由 23 ℃升至99 ℃后，三氯乙烯亨利常數(shù)增加了 8倍；同時(shí)，他們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有機(jī)物和地下水 處于混合狀態(tài)時(shí)，混合物沸點(diǎn)往往會(huì)低于100 ℃。

對(duì)于土壤污染物遷移機(jī)理的研究，已有研究者從污染物遷移角度出發(fā)建立了關(guān)于非水相 液體在地下運(yùn)移的多相流模型。這些模型分為3類。第1類是解析和半解析模型。該類模型將污 染物的不混溶流動(dòng)當(dāng)作活塞流處理，將多相流概化為單相流動(dòng)，不考慮各相之間的相互影響，也 未引入毛細(xì)壓力和飽和度之間的函數(shù)關(guān)系。第2類模型假設(shè)多相流體是同時(shí)流動(dòng)的，有機(jī)物是不 混溶流動(dòng)的，并考慮了各相間毛細(xì)壓力隨飽和度的變化。第3類模型考慮各相各組分間的傳輸和 分配。此外，QUINTARD等在多孔介質(zhì)的宏觀尺度下提出了基于體積平均方法的兩相非平衡理 論模型。而BAHAR等在此基礎(chǔ)上發(fā)展了基于多孔介質(zhì)微觀尺度的污染物遷移模型，能夠獲得更真實(shí)的結(jié)果。這些模型理論上支持污染物遷移的預(yù)測(cè)，但由于各自假定條件不同，導(dǎo)致模型使 用受限。尤其在考慮溫度影響時(shí)，污染物受熱蒸發(fā)，其輸運(yùn)方式將會(huì)發(fā)生很大變化。由于原位熱 脫附過程中的傳熱傳質(zhì)是一個(gè)多物理場(chǎng)動(dòng)態(tài)耦合問題，目前尚未有合適的模型能涵蓋所有問題， 因此，有必要對(duì)其理論模型開展更為深入的研究。

此外，現(xiàn)有原位熱脫附技術(shù)在應(yīng)用時(shí)存在一個(gè)很大問題——成本較高，因此，如何提高修復(fù) 效率、降低能耗成為推動(dòng)該技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。為提高修復(fù)效率，部分研究者采用熱活化耦合 化學(xué)氧化的工藝進(jìn)行聯(lián)合修復(fù)。KORDKANDI等利用熱活化過硫酸鹽氧化亞甲基藍(lán)以達(dá)到 99.5%的降解率；NIE等利用熱活化過硫酸鹽氧化氯霉素以達(dá)到96.3%的降解率。以上研究均在水溶液中進(jìn)行。而徐開泰等發(fā)現(xiàn)，熱活化Na2S2O8降解土壤中菲(PHE)的過程符合準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力 學(xué)，且受水浴、反應(yīng)溫度、Na2S2O8濃度、菲初始濃度、水土比和共存離子等因素的影響。一般而 言，溫度越高，PHE降解率越高；313 K時(shí)，PHE基本無降解；333 K時(shí)，PHE開始緩慢降解；363 K 時(shí)，10 min內(nèi)PHE的降解率可達(dá)65%。

杜玉吉等發(fā)明了一種利用分布式能源的污染土壤原位熱修復(fù)系統(tǒng)和方法，通過使用燃?xì)鈨?nèi) 燃機(jī)所產(chǎn)生的高溫?zé)煔夂碗娏?duì)污染土壤進(jìn)行原位加熱修復(fù)。其中，高溫?zé)煔夂碗娮杓訜岬慕Y(jié)合 使用可同時(shí)進(jìn)行煙氣熱修復(fù)和電阻熱修復(fù)，形成多能互補(bǔ)機(jī)制，具有雙重保障。但該系統(tǒng)須同時(shí) 配備發(fā)電系統(tǒng)等附屬設(shè)備，從而使系統(tǒng)變得非常復(fù)雜。此外，程功弼等發(fā)明了一種異位燃?xì)饧?熱抽提一體式熱脫附裝置，包括燃?xì)饧訜嵫b置、多個(gè)加熱抽提一體化井、尾氣處理裝置、電控裝 置，多個(gè)加熱抽提一體化井水平平行排列。多個(gè)加熱抽提一體化井修復(fù)土壤區(qū)域的外周設(shè)有多個(gè) 隔熱板，隔熱板上設(shè)有用于感應(yīng)土壤溫度的溫度傳感器。此工藝的熱脫附效率高、可靈活應(yīng)用， 便于土壤污染處理的工程操作和使用。

除上述理論研究外，不少學(xué)者針對(duì)原位熱修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了不同規(guī)模的中試實(shí)驗(yàn)，為該技術(shù)的 實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。HERON等先后利用熱傳導(dǎo)式原位熱脫附技術(shù)對(duì)有機(jī)污染場(chǎng)地進(jìn)行了中 試實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)修復(fù)周期和1 m3的綜合修復(fù)成本進(jìn)行了詳細(xì)分析。梅志華等在面積為100 m2、 深度為18 m的某退役溶劑廠污染區(qū)域開展了GTD中試研究，結(jié)果表明：土壤中苯、氯苯和石油類 污染物最高去除率分別為99.8%、99.7%和98.2%；地下水中苯、氯苯和石油類污染物最高去除率 分別為98.8%、97.7%和100%。GTD修復(fù)技術(shù)主要受管壁溫度和停留時(shí)間的影響，溫度越高，停留時(shí)間越長，污染物去除效果越好。另外，在相同的加熱溫度和停留時(shí)間條件下，含水率較小和 孔隙率較大的土壤中污染物去除效果較好。然而，上述研究并未對(duì)加熱井和抽提井的間距、排布方式以及熱脫附周期等影響因素進(jìn)行詳細(xì)討論，往往只憑工程師的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)際操作。此外， 我國污染場(chǎng)地具有污染成因復(fù)雜、污染種類繁多、污染程度嚴(yán)重和修復(fù)規(guī)模大等特點(diǎn)，這也對(duì)原 位熱脫附技術(shù)的實(shí)施提出了更高的要求。由此可知，我國GTD修復(fù)技術(shù)的研究還處于初步階段， 有必要系統(tǒng)地分析影響原位熱脫附過程中熱質(zhì)傳遞的各種因素，深入研究其熱質(zhì)傳遞規(guī)律，通過 數(shù)值方法實(shí)現(xiàn)對(duì)熱脫附過程的有效預(yù)測(cè)來優(yōu)化布置以降低修復(fù)成本，從而推動(dòng)該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為工程實(shí)際方案設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考。

3 工程應(yīng)用案例分析

GTD是一種相對(duì)高效、成熟的污染土壤修復(fù)技術(shù)，在全球已有很多成功應(yīng)用案例，但多靠經(jīng) 驗(yàn)操作。許多國家自20世紀(jì)80年代即開始將原位熱處理修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于污染地塊的修復(fù)中，已在 上百項(xiàng)污染地塊修復(fù)工程中使用了原位熱處理技術(shù)。KINGSTON等統(tǒng)計(jì)了1982—2007年的 182個(gè)原位修復(fù)項(xiàng)目，其中以熱傳導(dǎo)加熱形成的項(xiàng)目數(shù)量占14.3%。在我國，原位熱處理修復(fù)技術(shù) 應(yīng)用起步較晚，但也積累了幾個(gè)工程案例。下面對(duì)國內(nèi)外有關(guān)燃?xì)鉄崦摳叫迯?fù)污染土壤典型案例 進(jìn)行匯總和分析。