康紹果，李書鵬，范云

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污染地塊原位加熱處理技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

康紹果，李書鵬，范云

（北京建工環(huán)境修復(fù)股份有限公司，污染場(chǎng)地安全修復(fù)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100015）

近年來(lái)，污染地塊的原位加熱處理技術(shù)（ISTT）因其修復(fù)效率高、修復(fù)周期短、適用范圍廣以及可以達(dá)到極低的修復(fù)目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)得到快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用。原位加熱強(qiáng)化與土壤氣相抽提（SVE）、地下水抽出-處理（P&T）以及微生物修復(fù)等技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用為含非水相液體（NAPLs）、均質(zhì)化較差以及滲透性低的污染地塊快速修復(fù)提供了可能。然而，國(guó)內(nèi)原位加熱處理技術(shù)的研究及應(yīng)用仍處于起步階段，急需系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究及應(yīng)用研究。本文系統(tǒng)介紹了4類常用原位加熱技術(shù)，綜述國(guó)內(nèi)外污染地塊原位加熱處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并結(jié)合我國(guó)污染地塊的特點(diǎn)探討國(guó)內(nèi)污染地塊原位加熱處理技術(shù)研究開發(fā)需求。指出國(guó)內(nèi)應(yīng)同等重視原位加熱技術(shù)及抽出蒸汽和液體處理技術(shù)的研究，開發(fā)高效、廉價(jià)、快速、便捷以及環(huán)境友好的原位加熱處理技術(shù)及配套的集成化、模塊化及智能化修復(fù)設(shè)備。

污染地塊；熱分離技術(shù)；環(huán)境修復(fù)；脫附

美國(guó)、荷蘭、日本及澳大利亞等國(guó)家污染地塊修復(fù)技術(shù)研究開發(fā)開始于20世紀(jì)70年代，通過制定完善的污染地塊修復(fù)計(jì)劃，在修復(fù)技術(shù)及設(shè)備研發(fā)上投入大量資金，使其污染地塊修復(fù)技術(shù)得到快速發(fā)展，形成了成熟的修復(fù)技術(shù)體系并積累了豐富的工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)在21世紀(jì)初才開始重視污染地塊修復(fù)技術(shù)研究，把相關(guān)研究列入國(guó)家層面的科技研究開發(fā)計(jì)劃[1]。2016年5月國(guó)務(wù)院發(fā)布了《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》[2]，明確提出對(duì)污染地塊進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管控及治理修復(fù)，污染地塊修復(fù)行業(yè)將迎來(lái)快速發(fā)展，對(duì)污染地塊修復(fù)技術(shù)提出更高的要求。

原位加熱技術(shù)自20世紀(jì)70年代開始應(yīng)用于污染地塊的修復(fù)，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，提高液相抽出或土壤氣相抽提對(duì)污染物的去除率[3-5]。原位加熱技術(shù)具有耗時(shí)短、可同時(shí)處理多種污染物、對(duì)低滲透污染區(qū)及不均質(zhì)污染區(qū)域具有較強(qiáng)的適用性等優(yōu)點(diǎn)。因此，原位加熱技術(shù)近年來(lái)在國(guó)外得到了快速的發(fā)展及廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)被成功地應(yīng)用于修復(fù)土壤及地下水中的氯代溶劑類[6]、石油烴類[7]、苯系物類[8-9]、無(wú)機(jī)汞[10]以及持久性有機(jī)污染物（POPs）[11]等污染地塊。隨著污染地塊修復(fù)相關(guān)法律法規(guī)的落地以及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的頒布，國(guó)內(nèi)修復(fù)行業(yè)將迎來(lái)高速發(fā)展[12]，原位加熱處理技術(shù)需求將會(huì)快速增加。然而，國(guó)內(nèi)有關(guān)原位加熱技術(shù)自主研究處于起步階段，系統(tǒng)總結(jié)原位加熱技術(shù)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀的文獻(xiàn)較少[13]。

本文系統(tǒng)地介紹原位加熱處理技術(shù)及其在國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹幾種原位加熱方式，結(jié)合國(guó)內(nèi)污染地塊特點(diǎn)提出污染地塊原位修復(fù)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)及對(duì)國(guó)內(nèi)研發(fā)原位加熱處理技術(shù)的建議，以期為國(guó)內(nèi)原位加熱處理技術(shù)發(fā)展提供支持。

1 原位加熱處理技術(shù)概況

1.1 原位加熱處理技術(shù)基本原理

原位加熱處理技術(shù)通過對(duì)污染區(qū)域（飽和帶和非飽和帶）加熱，促使有機(jī)污染物加速移動(dòng)進(jìn)入氣相或液相，通過氣相或液相收集井收集輸送至地表進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下污染區(qū)域的快速修復(fù)[14]。原位加熱處理技術(shù)主要適用于土壤和地下水中揮發(fā)性、半揮發(fā)性有機(jī)污染物及揮發(fā)性的無(wú)機(jī)物如Hg、As以及Se的去除。污染物的主要去除機(jī)理包括促使污染物向氣相分配提高污染物氣相抽出效率、增加NAPL遷移能力提高液相抽出效率以及提高地下污染物反應(yīng)（水解、熱解及氧化降解）速率[3-5]。

1.1.1 促使污染物向氣相分配提高污染物氣相抽出效率

一般來(lái)說(shuō)，有機(jī)污染物的蒸氣壓隨溫度升高快速增長(zhǎng)，隨著污染區(qū)域溫度升高，通過加速污染物從土壤解吸及揮發(fā)/蒸發(fā)、形成最低共沸物（水-苯系物、水-氯代烴等體系）以及蒸氣蒸餾等作用，氣相中污染物濃度快速增加，通過對(duì)氣相的抽出，實(shí)現(xiàn)污染物區(qū)域的快速修復(fù)。同時(shí)，隨著氣相抽出的進(jìn)行，氣相中污染物的分壓降低進(jìn)一步加快污染物由液相或固相進(jìn)入氣相的速率。在加熱及氣相抽提的綜合作用下，土壤及地下水中污染物得到快速去除。

1.1.2 增加非水相液體（NAPLs）遷移能力提高液相抽出效率

隨著溫度的升高，污染物的黏度、NAPLs-水之間的界面張力以及土水分配系數(shù)將下降，污染物的遷移性能力得到大幅提升，污染物將更容易流入液相抽出井，通過液相抽出的方式得到快速的修復(fù)。該機(jī)制主要針對(duì)存在連續(xù)態(tài)NAPLs及殘?jiān)鼞B(tài)NAPLs污染區(qū)域。

1.1.3 提高地下污染物反應(yīng)（水解、熱解、氧化以及微生物降解等）速率

理論上溫度上升可提高有機(jī)污染物原位降解反應(yīng)速率，地下區(qū)域有機(jī)污染可發(fā)生的反應(yīng)主要包括水解、熱解、氧化以及微生物降解等，溫度升高均能提高上述反應(yīng)的速率（微生物降解反應(yīng)速率隨著溫度升高先升高后降低）。氧化和熱解主要是針對(duì)某些熱不穩(wěn)定的污染物，在溫度較高的情況下發(fā)生氧化反應(yīng)及熱解，將污染物降解為分子量更小的有機(jī)污染及碳或直接氧化為無(wú)毒的無(wú)機(jī)物。

1.2 原位加熱技術(shù)分類

根據(jù)熱量傳遞方式及能量轉(zhuǎn)化的不同，原位加熱技術(shù)可分為4種，即蒸汽/熱空氣注入技術(shù)（steam/hot air injection，SAI）、熱傳導(dǎo)加熱（thermal conductive heating，TCH）、電阻加熱（electrical resistive heating，ERH）和射頻加熱（radio frequency heating，RFH）[3]。

1.2.1 蒸汽/熱空氣注入技術(shù)

蒸汽/熱空氣注入技術(shù)（SAI）通過將水蒸氣或者熱空氣注入污染區(qū)域，熱量通過對(duì)流的方式傳遞，其概念模型如圖1所示。通過布置在污染區(qū)域的蒸汽或熱空氣注射井向土壤中導(dǎo)入氣流，氣流經(jīng)過污染區(qū)域時(shí)，一方面將熱量傳遞給污染區(qū)域，使污染區(qū)域溫度升高；另一方面流過污染區(qū)域的氣流將帶走氣相中的污染物，使氣相中污染物分壓降低，揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機(jī)物加速進(jìn)入氣相，隨注入的熱空氣或蒸汽進(jìn)入真空抽提井得以去除，最終實(shí)現(xiàn)污染物的清除。SAI技術(shù)運(yùn)行條件溫和，適用于均質(zhì)性好、水力傳導(dǎo)系數(shù)較大的污染區(qū)域的修復(fù)。

1.2.2 熱傳導(dǎo)加熱技術(shù)

熱傳導(dǎo)加熱技術(shù)是指熱量通過熱傳導(dǎo)的方式由熱源傳遞到污染區(qū)域。熱傳導(dǎo)技術(shù)中的熱源一般被稱為熱井（thermal wells），熱源可以是由導(dǎo)熱性好的材質(zhì)（如鋼材）制成的加熱井，也可以通過循環(huán)的熱空氣對(duì)熱井進(jìn)行加熱，熱傳導(dǎo)加熱技術(shù)示意圖如圖2所示。

熱傳導(dǎo)技術(shù)可以將污染區(qū)域加熱至幾百攝氏度，由于熱傳導(dǎo)技術(shù)中熱量的傳遞不通過載熱介質(zhì)，因此該技術(shù)適合于在滲透性差的污染地塊中應(yīng)用。另外，該技術(shù)對(duì)均質(zhì)化不好的污染地塊修復(fù)也可以取得較好的效果。原位熱傳導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用必須與土壤氣相抽提技術(shù)聯(lián)用，根據(jù)污染物在場(chǎng)地中的具體位置和場(chǎng)地的水文地質(zhì)特征，一般來(lái)說(shuō)熱井和土壤氣相抽提井的位置需要布置在不同的深度才能取得較好的修復(fù)效果。

1.2.3 電阻加熱技術(shù)

電阻加熱技術(shù)主要是基于焦耳定律，即電流流過電阻時(shí)，電能會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量，引起通電導(dǎo)體溫度的升高。在污染地塊修復(fù)中將電極直接安裝在污染區(qū)域，電流經(jīng)過飽和層或非飽和層介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生熱量，加熱通路上的水分和土壤，以此提高地下溫度。在這個(gè)過程中污染區(qū)域空隙中的水分起到傳導(dǎo)電流的作用，一般可將污染區(qū)域溫度提高至水的沸點(diǎn)。電阻加熱系統(tǒng)整體主要包括電力控制設(shè)施、電極、蒸氣（廢氣）回收設(shè)施和回收處理系統(tǒng)等。此技術(shù)一般采用六相或者三相電極加熱，使土壤和地下水中揮發(fā)性與半揮發(fā)性污染物變成氣體，再利用氣相抽提井對(duì)廢氣進(jìn)行真空抽提、收集和處理。電阻加熱技術(shù)示意圖如圖3所示。

圖3 原位電阻加熱技術(shù)示意圖[3]

1.2.4 射頻加熱技術(shù)

射頻加熱技術(shù)的加熱機(jī)制為電介質(zhì)類材料在高頻電場(chǎng)作用下，其分子和原子中正負(fù)電荷產(chǎn)生高頻率的交替位移，分子和原子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，從而使材料得到加熱。在污染地塊原位加熱中，施加于污染區(qū)域的交變電磁場(chǎng)誘導(dǎo)水分子和其他極性物質(zhì)的分子旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)分子間的相互摩擦產(chǎn)生大量的熱量，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染區(qū)域的加熱。

射頻技術(shù)利用高頻電壓產(chǎn)生的電磁波對(duì)污染區(qū)域進(jìn)行加熱，類似微波爐對(duì)食品的加熱，原位修復(fù)中常使用低頻率的電磁波。與微波相比，射頻加熱中使用的低頻率的電磁波穿透能力更強(qiáng)，因此可以加熱的深度更深，作用半徑更大。不同類型的土壤（干燥土或潮濕土、砂土或粉砂土）均可以通過射頻加熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)加熱。射頻加熱技術(shù)熱量轉(zhuǎn)移的效率超過90%，能源利用效率高。

射頻加熱技術(shù)應(yīng)用于原位污染地塊修復(fù)的示意如圖4所示，電磁波在射頻器中產(chǎn)生，通過配套的系統(tǒng)傳遞到位于土壤中的電極系統(tǒng)。電極可做成柱狀、片狀或網(wǎng)狀，柱狀電極可以同時(shí)作為土壤氣相抽提井使用。

1.3 原位加熱技術(shù)適用性及主要優(yōu)勢(shì)

原位加熱技術(shù)在國(guó)外有機(jī)污染地塊修復(fù)中得到了較多的應(yīng)用，KINGSTON等[17]統(tǒng)計(jì)了182個(gè)1988—2007年之間應(yīng)用原位加熱處理技術(shù)案例，根據(jù)使用加熱技術(shù)分類的結(jié)果如表1。

從表1可知，在幾種加熱方式中，應(yīng)用原位電阻加熱的案例是最多的。主要是因?yàn)椋孩僭浑娮杓訜峒夹g(shù)具有能量利用效率高、適應(yīng)于滲透性差及均質(zhì)化差的污染區(qū)域的修復(fù)等優(yōu)點(diǎn)；②污染地塊中受氯代溶劑類、石油烴類的污染比例較高，而這些污染物的沸點(diǎn)大多低于水的沸點(diǎn)，使用電阻加熱技術(shù)完全可以將污染區(qū)域的溫度加熱至其沸點(diǎn)以上。

以上介紹的4種原位加熱修復(fù)技術(shù)的特點(diǎn)及適用范圍總結(jié)如表2。

與原位化學(xué)氧化、異位熱脫附等技術(shù)相比，原位加熱處理技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)包括：耗時(shí)短，可同時(shí)處理多種污染物，對(duì)低滲透污染區(qū)及不均質(zhì)污染區(qū)域具有較強(qiáng)的適用性以及較高的修復(fù)效率。表3所示為原位加熱處理技術(shù)與原位化學(xué)氧化及異位熱脫附技術(shù)主要技術(shù)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比。

表1 原位加熱處理技術(shù)應(yīng)用案例小結(jié)（1988—2007年）[17]

①某些場(chǎng)地不能分辨其應(yīng)用規(guī)模（中試或者全尺度），因此沒有統(tǒng)計(jì)到應(yīng)用規(guī)模中。

表2 不同原位熱技術(shù)適用范圍及特點(diǎn)[5，13-14]

注：CHC，氯代碳?xì)浠衔铮╟hlorinated hydrocarbons）；BTEX，苯系物；PRO，石油類有機(jī)物（petroleum range organics）；PAHs，多環(huán)芳烴。

2 污染地塊原位加熱處理技術(shù)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外自20世紀(jì)80年代即開始將原位加熱處理技術(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)中使用了原位加熱處理技術(shù)[4]。國(guó)內(nèi)原位加熱處理技術(shù)的研究及應(yīng)用起步比較晚。

2.1 蒸汽強(qiáng)化抽提技術(shù)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

蒸汽強(qiáng)化抽提技術(shù)在20世紀(jì)30年代即在采油行業(yè)得到利用，在采油應(yīng)用中，利用熱蒸汽的注入降低油的黏度以使得原油更容易進(jìn)入回收井，蒸汽的注入促進(jìn)了孔隙中原油的回收[23]。受原油開采中應(yīng)用蒸汽注入的啟發(fā)，在修復(fù)領(lǐng)域，熱蒸汽被用于降低DNAPL（氯代溶劑、煤焦油、雜酚油以及氯代芳烴等）的黏度和表面張力，高效地提升揮發(fā)性較差的液體（例如木餾油以及重油）的回收效果。

國(guó)外對(duì)蒸汽強(qiáng)化抽提技術(shù)的研究較早，目前已在污染地塊修復(fù)中得到較為廣泛的應(yīng)用。在BETZ等[24]的研究中，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的SVE用于去除非飽和層中的非水相液體修復(fù)周期過長(zhǎng)，通過注入空氣以及蒸汽混合氣不但能加速修復(fù)，而且還能避免污染物的垂直遷移。2003年，由美國(guó)能源部實(shí)施的使用蒸汽加熱強(qiáng)化抽提和電阻加熱去除污染地塊中的DNAPL，經(jīng)歷4.5個(gè)月的修復(fù)后，對(duì)關(guān)注的污染物的去除效率在99.85%～99.99%，達(dá)到了修復(fù)目標(biāo)，滿足場(chǎng)地關(guān)閉的標(biāo)準(zhǔn)[25]。針對(duì)蒸汽強(qiáng)化抽提實(shí)施過程中高溫蒸汽由地表溢出導(dǎo)致溫度散失的問題，HODGES等[26]通過模型模擬認(rèn)為空氣注入對(duì)熱量散失的控制比用低滲透性的表面覆蓋層效果好，最好的方式是表面覆蓋與在蒸汽注入點(diǎn)上面注入空氣的方式相結(jié)合。KASLUSKY等[27-28]使用模型模擬的方式確定為了控制污染物豎向遷移的空氣蒸汽比，得出決定該比值的因素主要為初始飽和度和液體污染物的揮發(fā)性，并以模型預(yù)測(cè)的最優(yōu)空氣蒸汽比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)注入比下實(shí)施是控制污染物豎向遷移的有效方式，在最優(yōu)注入比下操作相對(duì)單獨(dú)注入蒸汽時(shí)可以更早地回收污染物，空氣蒸汽共同注入也可以提高污染物的回收率。

國(guó)內(nèi)對(duì)原位蒸汽強(qiáng)化抽提技術(shù)的自主研究處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，但通過與國(guó)外企業(yè)合作，已有企業(yè)進(jìn)行了原位蒸汽強(qiáng)化抽提中試研究。彭勝等[29]于2013年發(fā)表蒸汽強(qiáng)化抽提的研究論文，使用二維沙箱研究了砂土中TCE蒸汽強(qiáng)化抽提技術(shù)，結(jié)果表明粗砂層及細(xì)砂層TCE的去除率沒有顯著性差異，粗砂實(shí)驗(yàn)中觀察到輕微的TCE垂直遷移現(xiàn)象，細(xì)砂實(shí)驗(yàn)中沒觀察到TCE的垂直遷移現(xiàn)象。王寧 等[30]采用石英砂模擬包氣帶松散介質(zhì)，選取三氯乙烯作為典型污染物，在二維土箱內(nèi)人工設(shè)置不同的污染方式和污染區(qū)域，開展蒸汽注射修復(fù)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，蒸汽的注入有效地改善了SVE法后期出現(xiàn)的“拖尾”現(xiàn)象。

2.2 熱傳導(dǎo)加熱技術(shù)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外利用熱傳導(dǎo)技術(shù)進(jìn)行污染地塊的修復(fù)已經(jīng)有超過二十年的歷史，殼牌勘探和生產(chǎn)公司為了強(qiáng)化原油的回收開發(fā)了原位熱傳導(dǎo)加熱技術(shù)并申請(qǐng)了專利[15]，目前該專利技術(shù)由TerraTherm公司所擁有，主要應(yīng)用于污染地塊修復(fù)[31-32]。

表3 3種常用有機(jī)污染地塊修復(fù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比[18-22]

注：污染地塊修復(fù)周期及成本與地塊水文地質(zhì)特征、污染物類型及初始濃度、地塊周邊現(xiàn)狀、環(huán)境管理要求、修復(fù)目標(biāo)以及統(tǒng)計(jì)方式等不同而有較大差異，本表數(shù)據(jù)為統(tǒng)計(jì)分析文獻(xiàn)[18-22]所得，具體項(xiàng)目工期及成本要綜合考慮各種因素確定。

近年來(lái)，熱傳導(dǎo)加熱技術(shù)在國(guó)外有較多修復(fù)案例，1998年9月～1999年4月間，對(duì)位于Ferndale市的某受PCBs及PCDD/Fs污染的場(chǎng)地使用熱傳導(dǎo)技術(shù)進(jìn)行了修復(fù)[場(chǎng)地面積為40ft×30ft（12.2m×9.1m），污染物分布在地表以下2～15ft（0.6～4.6m），PCBs的初始濃度為0.15～860mg/kg，PCDD/Fs初始毒性當(dāng)量（TEQ）濃度為3.2μg/kg的2，3，7，8-TCDD]，共安裝了57口加熱井，污染區(qū)溫度在357～510℃。結(jié)果表明，土壤中污染物的去除率超過99%，整個(gè)工程花費(fèi)45.60萬(wàn)美元[33]。殼牌石油公司位于Eugene市的場(chǎng)地受苯（地下水中濃度1200μg/L）、石油類有機(jī)物（土壤中濃度3500mg/kg）、柴油類有機(jī)物（土壤中濃度9300mg/kg）污染，場(chǎng)地的面積大約為0.75英畝（3035m2）。使用原位熱傳導(dǎo)加熱技術(shù)對(duì)該場(chǎng)地進(jìn)行了修復(fù)，共安裝了761口加熱井，污染區(qū)域的溫度在282℃左右，經(jīng)過120天的循環(huán)加熱后，地下水中苯的濃度由1200μg/L下降至2.4μg/L，該污染地塊在2000年3月份取得了不需進(jìn)一步采取行動(dòng)的批文，整個(gè)修復(fù)過程花費(fèi)297.10萬(wàn)美元[34]。原位熱傳導(dǎo)加熱技術(shù)應(yīng)用于PAHs、PCP、二英類以及石油類碳?xì)浠衔锏任廴镜貕K也取得了成功[4]。

近五年來(lái)，熱傳導(dǎo)加熱技術(shù)經(jīng)歷了多次改善，加熱井變得更簡(jiǎn)單、成本更低、對(duì)腐蝕條件的耐受能力更強(qiáng)?，F(xiàn)在可以通過大部分的鉆探方法進(jìn)行熱井安裝，每臺(tái)鉆機(jī)每天可以安裝60～120m，控制系統(tǒng)也變得更加簡(jiǎn)單及智能化，配套的尾氣處理處置系統(tǒng)也可以根據(jù)項(xiàng)目的具體情況進(jìn)行配置[3，35]。

國(guó)內(nèi)對(duì)污染地塊原位熱傳導(dǎo)加熱技術(shù)的研究較少，有少量的專利申請(qǐng)及學(xué)術(shù)文獻(xiàn)的發(fā)表。2011年，天津某環(huán)保公司申請(qǐng)了題為“一種原位熱強(qiáng)化組合土壤氣相抽提技術(shù)治理污染土壤的裝置”的實(shí)用新型專利，其中使用的熱強(qiáng)化技術(shù)即為熱傳導(dǎo)加熱[36-37]。近幾年，華北電力大學(xué)[38]、上海環(huán)境科學(xué)研究院[39-41]、中國(guó)科學(xué)院地理研究所[42]等相繼已申請(qǐng)了原位熱傳導(dǎo)加熱相關(guān)的專利，主要涉及原位熱傳導(dǎo)修復(fù)裝置。廖志強(qiáng)[43]通過采集污染土壤在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行砂箱實(shí)驗(yàn)?zāi)M原位熱傳導(dǎo)加熱強(qiáng)化土壤氣相抽提對(duì)BTEX的去除率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：加熱能夠使土壤中的有機(jī)質(zhì)含量減少，有利于污染物的去除，而且加熱功率越高，有機(jī)質(zhì)去除的速率越快，朱杰等[44]實(shí)驗(yàn)也得到相同的結(jié)論。周昱等[45]在實(shí)驗(yàn)室使用石英砂進(jìn)行了熱傳導(dǎo)加熱強(qiáng)化SVE的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)石英砂中的水分對(duì)熱傳遞以及熱擴(kuò)散速度的影響顯著，接近熱源的砂層溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過水沸點(diǎn)，隨著與熱源距離的增加，砂層所能達(dá)到的最大溫度在下降。

2.3 電阻加熱技術(shù)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

電阻加熱技術(shù)最初是作為強(qiáng)化采油技術(shù)應(yīng)用的，早在1969年，利用電阻加熱強(qiáng)化采油即進(jìn)行了場(chǎng)地測(cè)試研究，19世紀(jì)70年代有許多相關(guān)的專利發(fā)表[46-47]。19世紀(jì)90年代早期，美國(guó)能源部科技辦公室即資助太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）進(jìn)行了電阻加熱在土壤修復(fù)領(lǐng)域應(yīng)用的研發(fā)項(xiàng) 目[48]。最初，電阻加熱被作為原位玻璃化過程的脫水工具，隨著研究的進(jìn)行，很快研究者發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可以應(yīng)用于地下污染修復(fù)。1997年，電阻加熱技術(shù)成為了一種商業(yè)化的修復(fù)技術(shù)[15]。

國(guó)外電阻加熱技術(shù)得到了較多研究及應(yīng)用，已有較多成功的工程應(yīng)用案例。在國(guó)外公布的研究文獻(xiàn)及應(yīng)用案例中，利用電阻加熱技術(shù)修復(fù)的污染物包括航空油及柴油、氯代有機(jī)溶劑、苯系物等。VAN ZUTPHEN等[49]利用二維沙箱實(shí)驗(yàn)研究了電阻加熱強(qiáng)化土壤氣相抽提對(duì)粉砂及低滲透土壤中TCE的修復(fù)，結(jié)果表明與單純使用土壤氣相抽提技術(shù)相比，電阻加熱強(qiáng)化土壤氣相抽提技術(shù)對(duì)TCE的去除效率提升了19倍，運(yùn)行45天后，99.8%的TCE被去除。Brown & Caldwell公司[4]使用電阻加熱技術(shù)修復(fù)了位于佐治亞州亞特蘭大市的受黏性特種油污染的土壤及地下水，經(jīng)過14～16周的運(yùn)行后，達(dá)到了修復(fù)目標(biāo)。

在過去的幾年間，原位電阻加熱技術(shù)得到了很大的改進(jìn)，主要表現(xiàn)在設(shè)備及應(yīng)用模式方面[3]。在應(yīng)用模式的改變上主要是認(rèn)識(shí)到在原位電阻加熱修復(fù)過程中存在物理、化學(xué)以及生物作用。在設(shè)備上的改善包括能源控制設(shè)備單元的簡(jiǎn)單化、電極設(shè)計(jì)的改進(jìn)以及改進(jìn)的可以保證電極周圍水汽含量的給水系統(tǒng)。在設(shè)備安裝效率、能源利用效率上，改進(jìn)后的系統(tǒng)都得到了大幅度提升[50]。

國(guó)內(nèi)有關(guān)電阻加熱強(qiáng)化的研究起步較晚，僅有極少的研究文獻(xiàn)發(fā)表。2014年李鵬等[51]研究了應(yīng)用電阻加熱強(qiáng)化氣相抽提技術(shù)對(duì)砂土、壤土和黏土中苯去除效果的影響及作用機(jī)制。結(jié)果表明，與常規(guī)抽提技術(shù)相比，在熱強(qiáng)化處理作用下氣相抽提對(duì)砂土和壤土中苯的去除效率提高了13.1%和12.3%，處理時(shí)間分別降低75%和14%。熱強(qiáng)化處理使得黏土含水率下降，土壤滲透率升高，苯的去除效率與對(duì)照相比提高了34%。

2.4 射頻加熱技術(shù)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

射頻加熱技術(shù)開始于20世紀(jì)30年代，在食品、醫(yī)療等行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，通?？梢苑譃檎T導(dǎo)加熱及電介質(zhì)加熱兩類。在20世紀(jì)70年代中期，射頻加熱技術(shù)被應(yīng)用于回收碳?xì)浠衔?，適合在原位土壤修復(fù)中應(yīng)用的射頻頻率通常在2～45MHz之間[52]。射頻能量通過一根或者多根天線被轉(zhuǎn)移到土壤，射頻加熱中熱量轉(zhuǎn)移發(fā)生在分子水 平上。

在20世紀(jì)90年代初，有一些使用射頻加熱技術(shù)進(jìn)行污染地塊原位修復(fù)的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)發(fā)表。BOWDERS等[53]使用原位射頻加熱技術(shù)修復(fù)受柴油污染的土壤，柴油去除率達(dá)到99%。PRICE等[54]的研究表明，RFH強(qiáng)化SVE技術(shù)不但能促進(jìn)石油烴類的熱回收，還能促進(jìn)污染物的微生物降解。ROLAND等[8]于2010年發(fā)表的文章在實(shí)驗(yàn)室及場(chǎng)地層面對(duì)原位射頻加熱技術(shù)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明原位加熱不會(huì)完全清除場(chǎng)地原有微生物。HUON 等[9]對(duì)某汽油站場(chǎng)地使用射頻加熱強(qiáng)化-SVE修復(fù)表明，相對(duì)單純的SVE，射頻加熱強(qiáng)化使得修復(fù)時(shí)間降低了80%以上，耗能與氣相抽提類似。

原位射頻加熱修復(fù)技術(shù)在過去十年里并沒有得到廣泛的應(yīng)用，僅在實(shí)驗(yàn)室研究較多，有完整信息的場(chǎng)地示范項(xiàng)目比較少。國(guó)內(nèi)對(duì)原位射頻加熱修復(fù)技術(shù)的研究較少，2013年上海環(huán)境科學(xué)研究院申請(qǐng)了射頻加熱修復(fù)相關(guān)的專利[55]，涉及射頻加熱的裝置及方法。楊偉等[56]在實(shí)際污染地塊中開展的射頻加熱強(qiáng)化-土壤氣相抽提研究表明：射頻陽(yáng)極采用并聯(lián)方式連接對(duì)場(chǎng)地的加熱效果較好，射頻加熱加速了污染物的去除。

3 污染地塊原位加熱處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 發(fā)展趨勢(shì)

美國(guó)環(huán)保署超級(jí)基金修復(fù)報(bào)告統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，原位加熱技術(shù)已經(jīng)成為主要原位修復(fù)技術(shù)之一，1982—2004年原位加熱處理技術(shù)應(yīng)用只占1%， 2005—2008年已上升到9%[57]。未來(lái)原位加熱處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)總結(jié)為以下幾個(gè)方面。

3.1.1 依托技術(shù)集成促進(jìn)原位加熱處理技術(shù)發(fā)展

首先，不同的原位加熱技術(shù)各有其優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)具體的污染地塊，單一地使用某種原位加熱技術(shù)通常很難達(dá)到預(yù)定的修復(fù)效果或者成本太高，通常需要聯(lián)合不同的加熱技術(shù)使用。針對(duì)某受三氯乙烯及三氯乙烷污染的場(chǎng)地（存在蒸汽不可達(dá)區(qū)域），SMITH等[58]首先使用蒸汽強(qiáng)化抽提技術(shù)修復(fù)了可注射蒸汽的區(qū)域，對(duì)表層有建筑物、蒸汽不可達(dá)的區(qū)域，使用電阻加熱技術(shù)進(jìn)行了修復(fù)，加熱修復(fù)后剩余的污染物殘?jiān)?，使用生物降解技術(shù)進(jìn)行修復(fù)，最終使得污染地塊達(dá)到了關(guān)閉的標(biāo)準(zhǔn)。HERON等[25]使用原位蒸汽強(qiáng)化抽提及原位電阻加熱技術(shù)聯(lián)用對(duì)存在低滲透區(qū)及高滲透區(qū)的土壤進(jìn)行修復(fù)，解決了受熱不均以及污染物垂向及水平遷移的問題，成功地將受VOCs污染的場(chǎng)地修復(fù)達(dá)到關(guān)閉的標(biāo)準(zhǔn)。

其次，國(guó)內(nèi)污染地塊具有污染物種類多、污染程度差異大、復(fù)合污染普遍、土壤類型多以及水文地質(zhì)條件變化大等特點(diǎn)。一些污染地塊在不同時(shí)期生產(chǎn)不同化學(xué)品，污染物類型非常復(fù)雜，且包氣帶及飽和帶均受污染，修復(fù)后土地再利用方式也不盡相同。因此，單項(xiàng)修復(fù)技術(shù)很難同時(shí)滿足修復(fù)質(zhì)量、工期以及成本的要求。充分利用各種修復(fù)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、發(fā)揮不同技術(shù)之間的協(xié)同效應(yīng)的集成技術(shù)將是未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向。與原位熱修復(fù)技術(shù)聯(lián)用形成的綜合修復(fù)技術(shù)通常包括原位加熱強(qiáng)化-SVE技 術(shù)[9，53]、原位加熱強(qiáng)化-微生物降解技術(shù)[54，58-59]、原位加熱強(qiáng)化-化學(xué)氧化技術(shù)[39]等。

3.1.2 依托設(shè)備創(chuàng)新促進(jìn)原位加熱處理技術(shù)發(fā)展

污染地塊修復(fù)具有場(chǎng)地環(huán)境復(fù)雜、不同地塊之間差異大（水文地質(zhì)、污染物濃度及性質(zhì)）、設(shè)備拆裝頻率高以及修復(fù)工期緊張等特點(diǎn)。原位加熱處理技術(shù)的發(fā)展必然需要依托修復(fù)設(shè)備的創(chuàng)新，開發(fā)與修復(fù)技術(shù)配套的集成化程度高、構(gòu)造緊湊、智能化控制以及適應(yīng)性強(qiáng)的設(shè)備將是今后原位加熱處理技術(shù)發(fā)展的主要方向。

原位加熱處理包括供能單元、加熱單元（加熱電極、加熱井）、氣液收集輸送單元、氣液處置單元以及監(jiān)測(cè)控制單元等，涉及的設(shè)備包括能源分配系統(tǒng)、蒸汽鍋爐、氣液抽提泵、換熱器、氣液分離器、高濃度氣相有機(jī)污染物降解設(shè)備以及污水處理設(shè)備等?，F(xiàn)階段上述設(shè)備存在集成程度低、安裝工期長(zhǎng)、智能化控制較差以及運(yùn)維復(fù)雜等問題。本文作者曾在重慶及寧波進(jìn)行過兩個(gè)原位加熱處理技術(shù)應(yīng)用工程項(xiàng)目，所使用的加熱井及高性能氣提泵由國(guó)外供應(yīng)商提供，抽出氣液處理處置系統(tǒng)各單元設(shè)備在國(guó)內(nèi)加工，實(shí)施過程由于設(shè)備集成程度低，導(dǎo)致安裝工期超過預(yù)定工期，運(yùn)行過程由于設(shè)備之間兼容性較差，不能實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化、智能化控制，導(dǎo)致操作控制復(fù)雜，維修時(shí)間增加，最終致使修復(fù)成本增加。另外，根據(jù)國(guó)內(nèi)外已實(shí)施修復(fù)項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)結(jié)果，原位加熱處理實(shí)施中能源成本約占運(yùn)行成本的60%～80%，因此研究開發(fā)適合在污染地塊修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的高效供能設(shè)備是設(shè)備創(chuàng)新的重點(diǎn)。

3.1.3 依托綠色修復(fù)理念促進(jìn)原位加熱處理技術(shù) 發(fā)展

國(guó)外很早就提出了綠色修復(fù)的理念，綠色修復(fù)即在修復(fù)工程中考慮修復(fù)實(shí)施過程的環(huán)境效益，重視選擇最小環(huán)境足跡的修復(fù)方案。美國(guó)EPA與ASTM合作于2013年發(fā)布了《綠色清除標(biāo)準(zhǔn)指南》（ASTM E2893-13）[60]，旨在促進(jìn)綠色修復(fù)的發(fā)展，為綠色修復(fù)方案制定、綠色修復(fù)實(shí)施過程提供 指導(dǎo)。

綠色修復(fù)是修復(fù)行業(yè)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，原位加熱處理技術(shù)作為一種極具潛力的揮發(fā)和半揮發(fā)性污染物的修復(fù)技術(shù)，也必將朝著更加綠色的方向發(fā)展。原位加熱處理技術(shù)將從提高能源利用效率、使用清潔可再生能源、修復(fù)材料及水資源循環(huán)利用、采取高效廢氣處置方法等措施降低實(shí)施過程的環(huán)境足跡，使原位加熱處理技術(shù)朝著綠色化的方向發(fā)展[61]。

3.2 我國(guó)污染地塊原位加熱處理技術(shù)發(fā)展的思考

原位加熱處理技術(shù)具有修復(fù)周期短、修復(fù)效率高、對(duì)污染物及場(chǎng)地水文地質(zhì)條件適用范圍廣、治理過程中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員及周圍環(huán)境危害小等特點(diǎn)，是極具潛力的污染地塊修復(fù)技術(shù)。我國(guó)在污染地塊原位加熱處理研究方面起步較晚，2010年以后才出現(xiàn)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究論文，僅有少量的專利申請(qǐng)及科研文獻(xiàn)發(fā)表，目前主要依靠與國(guó)外公司的合作進(jìn)行少量的中試研究及工程應(yīng)用，基礎(chǔ)研究環(huán)節(jié)比較薄弱。今后對(duì)污染地塊原位加熱處理技術(shù)理論及工程應(yīng)用研發(fā)重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)集中在以下3點(diǎn)。

（1）重視產(chǎn)學(xué)研的結(jié)合，引進(jìn)吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)時(shí)重視自主研發(fā)，盡快形成適合國(guó)內(nèi)污染地塊修復(fù)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的原位加熱處理技術(shù)及配套的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)原位加熱技術(shù)及裝備的國(guó)產(chǎn)化。

（2）高校科研機(jī)構(gòu)等重點(diǎn)關(guān)注原位加熱處理過程中污染物的去除機(jī)理以及遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制方面的研究，通過模型模擬的方法得出修復(fù)過程中污染物濃度與加熱時(shí)間、能量消耗等的定量數(shù)學(xué)關(guān)系，為該技術(shù)發(fā)展提供理論支持。

（3）企業(yè)應(yīng)該重點(diǎn)進(jìn)行原位加熱處理技術(shù)工程應(yīng)用研究，優(yōu)化工程參數(shù)，提高原位修復(fù)技術(shù)實(shí)施過程的管理水平。

國(guó)內(nèi)在推進(jìn)原位加熱技術(shù)國(guó)產(chǎn)化的過程中應(yīng)同步進(jìn)行原位加熱技術(shù)研究與抽出蒸汽及液體處理技術(shù)研究，形成適合國(guó)內(nèi)污染地塊原位加熱修復(fù)集成系統(tǒng)，包括原位加熱單元、抽出蒸汽及液體處理單元、自動(dòng)控制單元以及在線監(jiān)測(cè)單元等。

4 結(jié)語(yǔ)

目前我國(guó)污染地塊修復(fù)行業(yè)處于快速發(fā)展階段，修復(fù)技術(shù)不足以支撐修復(fù)行業(yè)的發(fā)展，急需研發(fā)系統(tǒng)的、具有工程化應(yīng)用價(jià)值、適合我國(guó)污染地塊以及擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的修復(fù)技術(shù)來(lái)支撐我國(guó)修復(fù)行業(yè)的快速發(fā)展。

原位加熱處理技術(shù)通過提高污染區(qū)域溫度，促進(jìn)污染物的揮發(fā)和遷移，通過回收揮發(fā)的氣態(tài)污染物以及高濃度的液相污染物實(shí)現(xiàn)對(duì)污染地塊的凈化和修復(fù)，具有修復(fù)周期短、適用范圍廣（不同污染物及不同特點(diǎn)的場(chǎng)地）以及修復(fù)效率高等特點(diǎn)。目前，原位加熱處理技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)得到大量的工程應(yīng)用，而國(guó)內(nèi)處于起步階段，現(xiàn)階段應(yīng)用原位加熱技術(shù)的修復(fù)項(xiàng)目核心材料或工藝都是從國(guó)外引進(jìn)。需要發(fā)揮“引進(jìn)-吸收-消化-創(chuàng)新”模式的優(yōu)勢(shì)，借鑒國(guó)外研究開發(fā)及工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行理論研究與應(yīng)用研究，結(jié)合我國(guó)污染地塊實(shí)際情況，發(fā)展快速高效、成本低廉、實(shí)施便捷以及環(huán)境友好的本土化原位加熱處理技術(shù)及配套修復(fù)設(shè)備。

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Research status and development trend ofthermal treatment technologies for contaminated site

KANG Shaoguo，LI Shupeng，F(xiàn)AN Yun

（National Engineering Laboratory for Site Remediation Technologies，BCEG Environmental Remediation Co.，Ltd.，Beijing 100015，China）

In recent years，thermal treatment（ISTT）for contaminated site remediation has been developed rapidly and applied widely because of its high remedial efficiency，short period of remediation time，wide application scope and very low remediation targets. Usually，thermal technologies are used in conjunction with soil vapor extraction（SVE），pump and treatment（P&T） and biodegradation. These combined technologies are available for addressing recalcitrant contaminated sites，which are source zones with non-aqueous phase liquids（NAPLs）heterogeneity and low permeability. However，the research and application of ISTT technologies are still at the initial stage and it is an urgent need for systematically basic and applied research in China. This paper focuses on introduction to four frequently used thermal technologies and reviews the current research status of ISTT domestically and internationally. Besides，it is also discussed demands for research and development of ISTT in China based on the features of Chinese contaminated sites. It is concluded that equal attention needs to be paid to the research ofthermal technologies and treatment technologies for vapor/liquid extraction. China should develop efficient，low-cost，rapid，convenient and environmentally friendlythermal treatment technologies and supporting equipment with integrated，modular and intelligent features.

contaminated site；thermal separation technology；environmental remediation；desorption

X53

A

1000–6613（2017）07–2621–11

10.16085/j.issn.1000-6613.2016-2144

2016-11-21；

2017-02-11。

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2013AA06A207-03）。

康紹果（1989—），男，碩士，工程師，從事污染地塊（土壤及地下水）調(diào)查評(píng)估及修復(fù)治理技術(shù)研究開發(fā)及項(xiàng)目管理。E-mail：kangshaoguo@163.com。

聯(lián)系人：李書鵬，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事環(huán)境修復(fù)（污染地塊、河道底泥、礦山以及農(nóng)田）技術(shù)研究開發(fā)及管理工作。E-mail：lishupeng@bceer.com。