燃氣熱脫附技術修復有機污染場地研究與應用進展

摘要: 原位燃氣熱脫附是目前修復有機污染土壤最具潛力的技術之一。在查閱文獻的基礎上，結合國內外實際案例，系統(tǒng)梳理了有機污染土壤原位燃氣熱脫附修復技術的原理、適用范圍、優(yōu)缺點以及工藝施工流程，對國內外燃氣熱脫附技術的研究現狀和工程應用情況進行了對比分析，并對該技術的發(fā)展趨勢和應用前景進行了展望，以期為我國有機污染土壤原位熱修復技術的推廣和應用提供參考。

附近年來，隨著我國“退二進三”和“退城進園”政策的進一步落實，大批化工企業(yè)被迫搬遷、改造或關閉停產，導致大量有機污染場地被遺留在城市及其周邊地區(qū)。這些污染場地將對人體健 康和生態(tài)環(huán)境造成嚴重危害，從而制約城市的建設與發(fā)展。

 

原位熱脫附技術自 20 世紀 70 年代開始應用于有機污染場地的修復，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，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污染物的去除率。根據加熱方式不同，原位熱脫附技術可分為蒸汽強化 提取技術、電阻加熱技術和熱傳導技術等。其中，熱傳導技術因熱源不同又可分為電加熱和燃 氣熱脫附。原位熱脫附技術的優(yōu)點在于無須挖掘和運輸污染土壤，二次污染相對可控，對低滲 透污染區(qū)、非均質污染區(qū)域具有較強的適用性和較好的修復效果。但原位熱脫附技術的修復周期 和修復效果具有一定的不確定性，主要取決于以下幾個因素：

1) 場地污染物類型和濃度、污染 面積或深度等；

2) 土壤中有機質的含量 ( 土壤有機質會使污染物吸附在土壤上，從而限制其蒸 發(fā) )；

3) 場地水文地質條件 ( 如土壤含水率、滲透性、導熱性等 )；

4) 修復標準的選定 ( 某些地方標準會比國家標準的要求更為嚴格，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 第一類建設用地規(guī)定的篩選值為68 mg·kg − 1)。 

燃氣熱脫附 (gas thermal desorption, GTD) 是利用燃氣燃燒為熱源，通過熱傳導方式使得土壤溫 度升高，再將有機污染物解吸處理，以進一步處理廢水和廢氣。其技術優(yōu)勢在于燃氣便于運輸、 輸送方便；相比電加熱方式，對于場地基礎條件要求較低、啟動快速、運行靈活。歐美等發(fā)達 國家針對 GTD 技術已有初步研究和應用，而國內仍處于起步階段。因此，有必要對國內外有關 GTD 技術的研究現狀和工程案例進行總結和分析，以期為我國污染土壤原位修復領域的科研及工 程應用提供參考，推動我國 GTD 技術的工程化應用進程。

 

1  燃氣熱脫附技術原理及工藝

 

1.1    基本原理

GTD 技術的原理如圖 1 所示。在燃燒器中，通入天然氣或液化石油氣，同時通過抽風機產生 的負壓將清潔空氣吸入，在燃燒器內混合，點火燃燒，產生高溫氣體。高溫氣體注入加熱井中， 通過熱傳導方式加熱目標修復區(qū)域，使得土壤溫度升高至修復目標溫度。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，此時借助氣相抽提 (soil vapor extraction，SVE) 將含有污染物 的蒸汽提取至地表，然后進入后續(xù)的尾氣治理系統(tǒng)，達到污染物去除的目的，最終實現達標排放。

1.2    系統(tǒng)組成

根據上述工藝原理，整套 GTD 工藝主要包括 4 個部分：燃料供應系統(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)測系統(tǒng)、數據傳輸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等 )、尾水尾氣處理系統(tǒng)。

 

1) 燃料系統(tǒng)。GTD 技術采用管道輸送燃氣，燃氣管道上安裝有調壓閥，確保進入燃燒器的燃 氣壓力滿足設備要求。

 

2) 加熱系統(tǒng)。加熱系統(tǒng)的設計關鍵是加熱井點布置，須綜合考慮污染物的濃度、工期要求及 現場的平面布置等因素。

 

3) 抽提系統(tǒng)。整個原位修復區(qū)域外設有防滲阻隔墻，確保區(qū)域外的地下水不會流入。抽提 系統(tǒng)一般設計為豎向 SVE 井和水平 SVE 管，通過在土壤中形成負壓來抽提加熱產生的污染氣體。抽提管的長度與加熱管一致，同時確保抽提范圍能覆蓋到整個修復區(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。設置混凝土隔熱層一方面可減少熱量 散失，并確�，F場操作的安全；另一方面還可防止污染物擴散，避免運行時造成二次污染。

5) 溫度監(jiān)測和傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)在整個加熱過程中，對單個燃燒器的燃燒狀況、壓力以及土 壤中關鍵位置的溫度、壓力等參數進行實時監(jiān)測和數據傳輸，從而實現對整個過程的實時監(jiān)控。修復區(qū)域中的單個燃燒器可以單獨控制，也可以組合控制，以達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 集輸送至現場污水處理站進行處理；尾氣統(tǒng)一收集輸送至現場尾氣處理站，經過一級氣水分離、 冷凝、二級氣水分離后，少量不凝氣體進入到蓄熱式氧化爐或燃燒室中完成徹底處理，最終達標排放。

1.3    施工流程

 

GTD 工藝施工流程主要包括：測量放線，施工現場準備及場地平整，場地封閉阻隔及降水， 加熱和抽提井建設，設備連接和整裝調試，加熱修復和尾氣治理；修復治理驗收完成后，進行管 道和燃燒器等的拆除，最終完成修復施工。施工過程特別注意以下 4 點。 

 

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

 

2) 為保證燃氣熱脫附的效果和降低熱損失，在 GTD 原位修復區(qū)周邊設置閉合的防滲墻，以防 止外界地下水進入 GTD修復區(qū)；同時，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 形式進行保溫，如輕質混凝土等。 

 

3) 地面硬化阻隔完成后，進行設備及管線連接 ( 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23-24備連接等 ) 時，宜做到設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備的運行，防止管道漏氣，以保障處理設備末端 排氣口的氣體質量達標。同時，尾水應及時收集、妥善輸送、及時處置，以保證出水達標。 

 

1.4    技術優(yōu)勢

 

原位 GTD 技術主要優(yōu)勢包括 3 個方面。 

 

1) GTD 最高加熱溫度可達到 500 °C，可原位達標去除幾乎所有有機污染物和部分揮發(fā)性的無 機污染物。因整個污染區(qū)域處于高溫負壓環(huán)境，故會增加有機物的流動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入蒸汽。綜合上述 2 點，該技術綜合性價比很高。 

 

2) GTD 技術不受復雜地質及水文地質條件等因素限制，對低滲透性污染場地修復具有很強的 適宜性。同時，GTD 的加熱深度大，最大加熱深度目前可達 18 m，并可根據實際工程需要再加大 深度。 

 

3) GTD 技術使用天然氣和石油氣等一次能源，單位加熱長度內輸入功率比電加熱過程更高， 可加速土壤升溫效果，縮短修復工期。同時，該技術系統(tǒng)安裝便捷，設備重復利用率高。另外，當修復現場電力供給緊張時，燃氣運輸的便利性更能保證修復項目的順利實施。 

 

1.5    技術缺陷

 

相比其他原位熱修復技術，GTD 技術的主要缺陷包括 3 個方面。

 

1) 加熱系統(tǒng)出口的排煙溫度一般為 200~400 °C，燃氣加熱能源利用率僅為 30%~60%，其熱量 損失達 40%~70%，因而造成大量的能量浪費。此外，在燃氣加熱土壤的過程中，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，實現定深加熱，能量損失可以達到補償，加熱 也就更均勻；而用燃氣加熱時，其底部加熱溫度最高，由于在淺層能量輸入很低，達到目標溫度 會比較困難，故會產生受熱不均勻的現象。 

 

3) 電加熱技術的安全保護措施 ( 如漏電保護等 ) 及安全操作規(guī)程非常完備，而燃氣加熱需要管 道供應燃氣，現場管道及管線設計尤為關鍵，會受施工現場的封閉性條件限制，存在較大的安全隱患。

 

2    研究進展

 

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

 

影響原位熱脫附中熱質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)域內的溫度梯度、土壤及地下水介質的熱導率和保溫隔熱性能。其中，熱傳導主要發(fā)生于固 體之間，適合于低滲透率場地；熱對流則依賴于流體間的相對運動，適合于高滲透率場地；而熱 輻射主要存在于熱源與周邊土壤之間的熱交換，距離熱源較遠處則因溫差較小基本可以忽略。由此可見，土壤內的傳熱過程也受諸多因素影響。而相對于傳熱，傳質過程則更為復雜，各相間 的物質輸運相互牽連。圖 2 為有機污染土壤內典型的傳質過程示意圖。在典型有機污染場地中， 大多數有機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立自由相存 在；而某些難溶性有機污染物往往又具有較強 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間不斷 變化，因此，有機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 的物性均會發(fā)生動態(tài)變化。POLING 等發(fā) 現，當溫度由 25 °C升至 140 °C時，萘在水中 溶解度增加 45 倍。HERON 等 [29] 發(fā)現，當溫度由 23 °C升至 99 °C后，三氯乙烯亨利常數增加了 8 倍；同時，他們還發(fā)現，當有機物和地下水 處于混合狀態(tài)時，混合物沸點往往會低于 100 °C。
 

 

對于土壤污染物遷移機理的研究，已有研究者從污染物遷移角度出發(fā)建立了關于非水相 液體在地下運移的多相流模型。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 染物的不混溶流動當作活塞流處理，將多相流概化為單相流動，不考慮各相之間的相互影響，也 未引入毛細壓力和飽和度之間的函數關系。第 2 類模型假設多相流體是同時流動的，有機物是不 混溶流動的，并考慮了各相間毛細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 等在此基礎上發(fā)展了基于多孔介質微觀尺度的污染物遷移模型，能夠獲得更真實的結果。這些模型理論上支持污染物遷移的預測，但由于各自假定條件不同，導致模型使 用受限。尤其在考慮溫度影響時，污染物受熱蒸發(fā)，其輸運方式將會發(fā)生很大變化。由于原位熱 脫附過程中的傳熱傳質是一個多物理場動態(tài)耦合問題，目前尚未有合適的模型能涵蓋所有問題， 因此，有必要對其理論模型開展更為深入的研究。 此外，現有原位熱脫附技術在應用時存在一個很大問題——成本較高，因此，如何提高修復 效率、降低能耗成為推動該技術發(fā)展的關鍵因素。為提高修復效率，部分研究者采用熱活化耦合 化學氧化的工藝進行聯合修復。KORDKANDI 等利用熱活化過硫酸鹽氧化亞甲基藍以達到 99.5% 的降解率；NIE 等利用熱活化過硫酸鹽氧化氯霉素以達到 96.3% 的降解率。以上研究均在水溶液中進行。而徐開泰等發(fā)現，熱活化 Na2S2O8 降解土壤中菲 (PHE) 的過程符合準一級動力 學，且受水浴、反應溫度、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，PHE 基本無降解；333 K 時，PHE 開始緩慢降解；363 K 時，10 min 內 PHE 的降解率可達 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系統(tǒng)和方法，通過使用燃氣內 燃機所產生的高溫煙氣和電力對污染土壤進行原位加熱修復。其中，高溫煙氣和電阻加熱的結合 使用可同時進行煙氣熱修復和電阻熱修復，形成多能互補機制，具有雙重保障。但該系統(tǒng)須同時 配備發(fā)電系統(tǒng)等附屬設備，從而使系統(tǒng)變得非常復雜。此外，程功弼等發(fā)明了一種異位燃氣加 熱抽提一體式熱脫附裝置，包括燃氣加熱裝置、多個加熱抽提一體化井、尾氣處理裝置、電控裝 置，多個加熱抽提一體化井水平平行排列。多個加熱抽提一體化井修復土壤區(qū)域的外周設有多個 隔熱板，隔熱板上設有用于感應土壤溫度的溫度傳感器。此工藝的熱脫附效率高、可靈活應用， 便于土壤污染處理的工程操作和使用。

 

除上述理論研究外，不少學者針對原位熱修復技術進行了不同規(guī)模的中試實驗，為該技術的 實際應用奠定了基礎。HERON 等先后利用熱傳導式原位熱脫附技術對有機污染場地進行了中 試實驗研究，并對修復周期和 1 m3 的綜合修復成本進行了詳細分析。梅志華等在面積為 100 m2、 深度為 18 m位熱脫附過程中熱質傳遞的各種因素，深入研究其熱質傳遞規(guī)律，通過 數值方法實現對熱脫附過程的有效預測來優(yōu)化布置以降低修復成本，從而推動該技術的發(fā)展和應用，為工程實際方案設計提供理論基礎和技術參考。

 

3    工程應用案例分析

 

GTD 是一種相對高效、成熟的污染土壤修復技術，在全球已有很多成功應用案例，但多靠經 驗操作。許多國家自 20 世紀 80 年代即開始將原位熱處理修復技術應用于污染地塊的修復中，已在 上百項污染地塊修復工程中使用了原位熱處理技術。KINGSTON 等統(tǒng)計了 1982—2007 年的 182 個原位修復項目，其中以熱傳導加熱形成的項目數量占 14.3%。在我國，原位熱處理修復技術 應用起步較晚，但也積累了幾個工程案例。下面對國內外有關燃氣熱脫附修復污染土壤典型案例 進行匯總和分析。

 

調研發(fā)現，在國外，使用 GTD 技術的公司主要包括：美國Georemco 環(huán)境修復公司、德國旭 普林環(huán)境工程有限公司、比利時哈默斯以及法國威立雅等。表 1 總結了國外若干燃氣熱脫附修復實例。29-30

GTD 技術具有修復期間對場地周邊居民生活影響小、污染物處理范圍寬、設備可移動、處理 速率快、修復后土壤可再利用等優(yōu)點。因此，GTD 技術在國內的應用案例也在逐漸增多，如廣州 油制氣廠地塊土壤修復、寧波江東甬江東南岸區(qū)域 JD01-01-10 地塊、首鋼園區(qū)焦化廠 ( 綠軸 ) 地塊 污染治理等修復項目。目前國內 GTD 技術仍處于引進消化吸收和自主研發(fā)階段，少數企業(yè)依靠引 進國外先進技術初步掌握了核心技術，如江蘇大地益源環(huán)境修復有限公司、森特士興集團股份有 限公司等，他們相應地占據了一定的市場份額。目前，GTD 技術仍然屬于“黑箱操作”，加熱溫度 的確定和修復終點的確定基本靠經驗，加熱的精準性及污染物去除的精準性難以控制，造成修復 不足或過度修復。表 2 總結了國內公司采用 GTD 修復技術的實例。

 

由表 1 和表 2 可知，適用場景、加熱溫度、修復深度、加熱周期和降低能耗是在污染場地實 際修復中必須要考慮的關鍵問題。 

 

3.1    適用場景

 

在國外，GTD 技術更多地應用在污染濃度較高的污染源區(qū)域，處理的污染物主要包括總石油 烴、苯系物和氯代烴。該類項目具備 4 個特點：污染土方量較小 ( 單批次 <3 000 m3)，修復面積較 小 (<300 m2)，污染濃度較高 ( 最高 150 000 mg·kg − 1，平均濃度約 15 000 mg·kg − 1)，修復目標低 (<300 mg·kg − 1)。實施形式多數采用原位修復的方式，個別案例如案例 4( 見表 1) 采用異位建堆的形式實施加熱過程，分 6 個批次完成了 12000 t 石油烴污染土壤的修復工作。 

 

在我國，實際修復工程大多以工業(yè)污染場地為主，如焦化廠、農藥廠和化工廠等。處理的污 染物以苯系物、多環(huán)芳烴和石油烴等為主。同時，國內修復項目處置土方量和修復面積一般都很 大，導致修復工期較長，因此，對 GTD 裝置的工業(yè)化程度要求也更高。另外，修復過程的能耗取 決于土壤含水量、孔隙度、受污染情況以及目標加熱溫度等。UDELL[48]認為，至少有 10%~30% 的 水分會被加熱至沸騰；HERON等 [40-42] 進一步計算得出，修復的耗能大體是 200~400 kWh·m − 3，并在一塊污染面積達 1.3×104 m2 的原位熱脫附修復項目中，計算得出平均能耗為 249 kWh·m − 3。因此，針對國內大型原位修復場地，降低系統(tǒng)能耗，保證裝置的運行穩(wěn)定性，以及研發(fā)配套的安全、高效、集成化的尾水尾氣處理系統(tǒng)，是國內原位修復項目中迫切需要解決的實際問題。

 

3.2    加熱溫度

 

對比國外工程案例可發(fā)現，目標污染物基本涵蓋了所有典型有機污染物，且目標加熱溫度均在 220 °C以下。這可能是由于共沸現象的存在 ( 共沸是指 2 個組分或多組分的液體混合物以特定比例組成時，在恒定壓力下沸騰，其蒸氣組成比例與溶液相同的現象 )。一般混合物的沸騰溫度會低于他們各自的沸點，使得目標加熱溫度無須超過污染物的沸點 [14]。因此，我國在開展 GTD 實施的 過程中，應充分考慮共沸現象，盡量避免設置過高的目標加熱溫度。 

 

案例中介紹目標加熱溫度為冷點監(jiān)測處的溫度，達到此溫度時，需要恒溫一段時間。個別案例無法達到設定溫度的原因是由于地下水的持續(xù)補充，導致大部分熱量損失，無法將修復區(qū)域加熱到該目標溫度。 

 

3.3    修復深度

 

原位熱脫附只能是由下層到上層的持續(xù)加熱，所以對修復深度存在一定的要求。對比國外的 17 個案例發(fā)現，最深的修復深度在 14 m 左右，而國內目前修復最深的深度為 18 m。這可能是因 為 GTD 只能自底部開始加熱，煙氣由下往上溫度逐漸降低，當深度達到一定值時，燃氣加熱過程會導致修復區(qū)域溫度場分布變化較大。在原位熱修復過程中，如果土壤中溫度場分布不均勻將會導致如下后果 : 1) 重質非水相液體重新冷凝，造成不可控的二次污染過程；2) 污染物在抽提井中發(fā) 生冷卻，堵塞抽提井；3) 監(jiān)測井發(fā)生塌陷，造成修復場地沉降。因此，應盡量降低不同深度土 壤之間的溫度差異。 

 

3.4    加熱周期

 

雖然加熱周期取決于污染物性質及污染濃度、修復方量、加熱井點數量等因素，但從國外案例來看，一般加熱周期都只在 30~40 d。如果僅從國外 17 個案例分析來看，GTD 技術修復周期短的優(yōu)勢是成立的，即針對點源污染，可在較短時間內完成修復過程；但大型污染場地若采用 GTD 技術，再加上分批次處理，修復工期則存在較大的不確定性。

 

3.5    降低能耗

 

由于 GTD 過程存在大量的能量損失，因此，需要采取一定的節(jié)能手段。對比國內外的工程案例，總結了 3 種降低能耗的方式。 

 

1) 分批次處理。從一個批次加熱井 ( 運行中 ) 出來的尾氣進到另一批次的加熱井 ( 未開始運行 ) 中，提前預熱另一個批次的污染土壤。如表 1 中的案例 11，分成 2 個批次分別完成了 2 400 m3 和 3 857 m3 石油烴污染土壤修復，從而達到修復目標值 (<100 mg·kg − 1)。 

 

2) 耦合原位化學氧化技術。如表 1 中的案例 8，先將污染區(qū)域進行 GTD，將污染物降低到較低濃度 ( 此時未達到修復目標值 )，然后停止加熱，將加熱管拔出。再利用原位化學氧化技術，向加熱井內注入氧化藥劑，氧化藥劑利用余熱的催化作用，發(fā)揮最大的活性，實現污染物的徹底氧化降解。此種利用耦合多種修復技術的方式，可以有效降低單種修復技術的能耗，同時，防范 GTD 修復后期出現的“拖尾”現象。 

 

3) 設置伴熱抽提管道。如表 2 中的案例 6，在加熱管外裝一個小型抽提管道，將抽提氣回注到加熱管內燃燒區(qū)域，完成徹底燃燒�？衫糜袡C污染物燃燒放熱，節(jié)省一部分能量；亦可實現污 染物的協(xié)同處理，降低尾氣處理負荷。設置伴熱抽提管道的方式在國外早期的案例中并未出現， 而在最近幾年的修復案例中，均設置伴熱抽提管道，實現污染物的“再燃”。

 

4    問題與展望

 

經過 30 年的發(fā)展，國際上許多國家在熱脫附修復有機污染場地方面形成了完整的成套技術和裝備，廣泛應用于高濃度有機污染土壤的異位或原位修復。我國在這方面尚處于起步階段，存在的主要問題包括 2 個方面：1) 基礎理論與國外存在差距，如有機污染物在不同升溫階段的遷移轉化規(guī)律，土壤水分含量、質地等理化性質對熱修復的影響機制尚不清晰。2) 核心技術靠進口、國產化程度低。國外設備引進費用較高，需要研發(fā)我國具有獨立自主知識產權的熱脫附技術裝備。未來，研發(fā)具有熱回用單元的能量高效利用、智能化、污染物排放可控的原位熱脫附成套技術與裝備，提升我國原位熱脫附成套技術與裝備的修復能力與能效水平將成為主流趨勢。 

 

目前，由于國內在原位熱脫附技術、設備及工程實施等方面缺乏經驗，為了更好更高效地應用于有機污染場地的修復過程，可重點從以下 3 個方面開展深入研究。 

 

1) 原位熱脫附技術能量高效利用和節(jié)能減排技術的研發(fā)。開展原位熱脫附過程的關鍵影響參數研究，如熱脫附溫度、處理時間、土壤質地、熱導率及熱擴散率、土壤含水率以及加熱井間距等對污染物脫除效率影響規(guī)律，優(yōu)化工程設計，精準化施工避免能量浪費；開展修復區(qū)域表層阻隔材料和豎向止水帷幕材料保溫性能的研發(fā)，減少熱量向周圍擴散，提升能量利用效率；探索有機污染物的再利用方法，如抽提出的有機污染蒸汽可考慮送入燃氣熱傳導加熱系統(tǒng)的燃燒器中作為能源使用；利用可再生能源產熱、高效燃燒器及電熱設備、高溫煙氣循環(huán)換熱、高溫抽提混合液換熱、地下水力阻隔與隔熱實施等手段提高熱利用及轉換效率，節(jié)能降耗；開展污染物的去除機理以及遷移轉化機制方面的研究，通過模型模擬以及數值模擬等方法得出修復過程中污染物濃度與加熱時間、能量消耗等的定量數學關系，構建解吸動力學模型，嚴控修復施工節(jié)點。 

 

2) 原位熱脫附全過程熱傳導數值模擬及應用軟件的開發(fā)。開展原位熱脫附修復污染土壤全過程熱傳導數值模擬，掌握熱量在非均質土壤中的熱傳導規(guī)律；探明水分在不斷析出過程中土壤動態(tài)熱物性變化規(guī)律，特別是土壤導熱系數的變化特性；建立包括土壤、水蒸氣、目標污染物等物質在內的能量平衡和物質平衡模型；借助小型和中試實驗對模擬結果進行對比修正，掌握土工參數和加熱溫度等參數對熱量在土壤中傳導速率的影響作用機理；給出多種典型目標污染物在不同修復周期以及不同地質條件下的熱傳導速率，并基于修正后的全過程熱傳導數值模擬進行軟件開發(fā)，最終獲得輸入目標污染物沸點和溶解度、修復周期、加熱溫度、土工參數等現場條件即可得到加熱井間距、加熱井溫度及升溫速率等推薦值的工程化應用軟件。 

 

3) 多種修復技術耦合工藝、應用設備的研發(fā)和二次污染的防控。一是組合工藝研發(fā)。探索原位熱脫附技術與其他修復技術在實際應用中的聯合應用，如利用熱脫附后的余熱促進微生物對有機污染物降解活動；利用熱脫附過程增加地下水有機質含量，為微生物修復活動提供碳源，充分發(fā)揮微生物的活性，使微生物的修復效果達到最佳；利用余熱激活過硫酸鹽等氧化劑的方式促進原位化學氧化修復過程等。二是應用設備研發(fā)。我國原位熱脫附修復技術研究和工程應用起步較晚，大多停留在設計研發(fā)階段，距離設備商業(yè)化應用還具有較大差距。急需結合我國污染地塊實際情況，發(fā)展快速高效、成本低廉、實施便捷以及環(huán)境友好的本土化原位熱處理修復技術及配套修復設備。三是二次污染防控。加強原位熱脫附過程抽提出的地下污染物的處理與處置，嚴格控制二次污染，加強高濃度抽提氣體的高效冷凝回收等；建立原位熱脫附全修復效果和環(huán)境全過程的檢測方法。同時，開展原位熱脫附過程中修復場地內的大氣和廢水有組織和無組織排放檢測，嚴格控制二次污染物排放。

 

參考文獻略

（本文作者單位：北京建工環(huán)境修復股份有限公司，污染場地安全修復技術國家工程實驗室，中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域國家重點實驗室，中國計量大學計量測試工程學院；作者：李書鵬，焦文濤，李鴻炫，宋少宇，籍龍杰，劉鵬，詹明秀，王進卿）

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