朱 煜

(上海申環(huán)環(huán)境工程有限公司,上海 200092)

目前,土壤污染已成為全球重要的環(huán)境問題。2016年發(fā)布的《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》顯示全國土壤總超標(biāo)率達(dá)16.1%,其中耕地土壤超標(biāo)率19.4%,工礦廢棄地土壤污染問題突出[1]。鑒于土壤污染問題嚴(yán)重威脅人體健康和生態(tài)環(huán)境,因此對(duì)能夠高效處理污染土壤的修復(fù)技術(shù)需求非常強(qiáng)烈。

原位熱脫附(In-Situ Thermal Desorption,ISTD)技術(shù)是一種高效的污染土壤修復(fù)技術(shù),其通過加熱升高污染區(qū)域的溫度,改變污染物的飽和蒸氣壓及溶解度等物化性質(zhì),增加氣相或者液相中污染物的濃度,使污染物被汽化抽提出來[2]。ISTD技術(shù)能夠處理氯代烴、苯系物、石油烴類、汞、農(nóng)藥、多氯聯(lián)苯(PCBs)、二噁英等多種污染物,且對(duì)不同類型的污染土壤修復(fù)均具有較強(qiáng)的適用性,在焦化廠、鋼鐵廠、煤制氣廠、地下油庫、農(nóng)藥廠等各類工業(yè)有機(jī)污染場(chǎng)地被廣泛應(yīng)用[3]。美國環(huán)保署超級(jí)基金報(bào)告統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,ISTD的工程應(yīng)用逐年增加,1982—2004年ISTD技術(shù)在所有土壤修復(fù)項(xiàng)目中的應(yīng)用率僅為1%,2015—2017年增至5%[4]。

盡管ISTD技術(shù)具備修復(fù)效率高、適用性強(qiáng)、無反彈效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn),但其能耗問題非常顯著。由于加熱過程中土壤、水分等也會(huì)消耗能量,數(shù)據(jù)顯示ISTD修復(fù)工程中能源成本占比高達(dá)60%～80%,因此高能耗導(dǎo)致的應(yīng)用成本升高成為ISTD技術(shù)應(yīng)用的主要瓶頸問題[2]。目前,國內(nèi)針對(duì)ISTD修復(fù)技術(shù)的工程應(yīng)用研究較多,但關(guān)于ISTD技術(shù)及裝備的節(jié)能降耗研究還較為缺乏。因此,本文基于對(duì)ISTD系統(tǒng)能耗和國內(nèi)外典型工程案例的分析,總結(jié)了影響能耗的關(guān)鍵因素,系統(tǒng)的梳理并提出了主要的節(jié)能降耗措施,以期為降低ISTD技術(shù)的工程應(yīng)用成本提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)組成與能量分析

1.1 系統(tǒng)組成

ISTD的系統(tǒng)組成主要包括加熱系統(tǒng)、抽提和處理系統(tǒng)以及其他輔助單元[3-5]。加熱系統(tǒng)通過升溫對(duì)受污染區(qū)域進(jìn)行加熱,常用的加熱系統(tǒng)包括電阻加熱(ERH)、熱傳導(dǎo)加熱(TCH)和蒸汽強(qiáng)化抽提(SEE)[5-6]。ERH通過在土壤中直接安裝由多個(gè)電極組成的電極網(wǎng)絡(luò),從而形成電流回路將電能轉(zhuǎn)換成熱能升溫[2]。TCH可分為燃?xì)饧訜?GTR)和電加熱(ETR),其在土壤中安置熱處理井,通過熱傳導(dǎo)向地下輸入熱量使土壤中的有機(jī)污染物發(fā)生揮發(fā)和裂解反應(yīng)[3]。SEE主要是依靠注入土壤的高溫蒸汽液化放熱,從而實(shí)現(xiàn)土壤中有機(jī)污染物的脫附[5]。

抽提和處理系統(tǒng)主要作用是將污染物從地下抽出,然后分離處理。抽提系統(tǒng)一般在加熱井旁配備豎直抽提井,然后在引風(fēng)機(jī)的作用下將空氣和汽化的污染物吸入系統(tǒng)[3]?？紤]到污染物汽化后會(huì)因浮力上升至土壤淺層,該系統(tǒng)需配備水平抽提管以避免污染物蒸汽逸散進(jìn)入大氣。此外,該系統(tǒng)還布設(shè)溫度和壓力監(jiān)測(cè)井等,以對(duì)溫度、電壓、真空度、流量和地下壓力等各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),從而能夠?qū)崟r(shí)評(píng)估修復(fù)效果和能源消耗,確保及時(shí)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的調(diào)整。其他輔助單元包括數(shù)據(jù)收集及控制系統(tǒng)[3]。典型的原位熱脫附的工藝系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 原位熱脫附系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of ISTD system

1.2 能量分析

在ISTD修復(fù)過程中,能量主要分為2部分,即土壤利用的能量Q土壤利用和損失的能量Q損失(圖2)。其中,Q土壤利用主要用于土壤和地下水的升溫,水汽化以及污染物揮發(fā)、熱解,Q損失則與加熱系統(tǒng)的選擇相關(guān)[7]。由圖2可知,不同ISTD技術(shù)均存在被抽提尾氣帶走的能量損失(Q尾氣損失)以及向土壤表層及側(cè)壁散失的能量損失(Q散熱損失)。Q尾氣損失主要受尾氣溫度、組分及其濃度的影響,尾氣溫度的升高,導(dǎo)致尾氣中有機(jī)污染物和水蒸氣濃度增大,進(jìn)而會(huì)增加Q尾氣損失。Q散熱損失主要受土壤加熱溫度和保溫材料性能的影響,土壤加熱溫度越高,土壤與外界空氣的溫差越大,Q散熱損失越大;保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)越低,阻止熱量擴(kuò)散的能量越強(qiáng),Q散熱損失越小[3-7]。

圖2 原位熱脫附能量流向Fig.2 Energy flow diagram of ISTD

GTR和SEE都需要通過熱流體(高溫氣體或蒸氣)將熱量傳輸?shù)降叵乱约訜嵬寥?而流體在井管內(nèi)流動(dòng)過程中受流體性質(zhì)、流動(dòng)狀態(tài)與井管性質(zhì)的影響,會(huì)產(chǎn)生流阻損失[8]。根據(jù)流體力學(xué)規(guī)律,井管的長度越長、直徑越小、井壁越不光滑,流體的壓強(qiáng)、流量、速度越大,流阻損失越大。此外,GTR、ETR和SEE在通過熱傳導(dǎo)進(jìn)行傳熱時(shí),均會(huì)產(chǎn)生熱泄露,即散發(fā)到周圍環(huán)境的熱量[7]。根據(jù)冷卻傳熱理論傅里葉定律(Fourier′s Law)和牛頓定律(Newton′s Law),GTR中燃燒器和連接加熱井以及燃燒器的管道,SEE中連接水蒸汽發(fā)生器和加熱井的管道和ETR中暴露在空氣部分的加熱棒長度越長,導(dǎo)熱系數(shù)越高,熱泄露損失的能量越大。

進(jìn)一步對(duì)比GTR和SEE發(fā)現(xiàn),GTR燃燒產(chǎn)生的高溫氣體在加熱土壤后會(huì)被排出,而SEE加熱土壤的高溫蒸氣直接噴射進(jìn)入土壤,直接被抽提井抽出,因此GTR的能量損失還包括Q煙氣和Q不完全燃燒[7-9]。其中,Q煙氣主要受燃燒產(chǎn)生的高溫氣體的溫度、組成,加熱區(qū)域土壤的溫度、比熱容影響。在熱脫附過程中,隨著土壤溫度逐漸升高,高溫氣體被利用的比例降低,Q煙氣也會(huì)逐漸增大。Q不完全燃燒主要由空燃比決定,根據(jù)燃燒情況采用適當(dāng)?shù)倪^量空氣系數(shù)可以避免這一能量損失。根據(jù)現(xiàn)有研究[9],在GTR中Q散熱損失占Q總的5%～8%,高溫?zé)煔馀欧艙p失的熱量Q煙氣損失占比10%～20%,Q尾氣損失占比5%～20%,Q熱泄露和Q流阻損失占比10%～20%。

2 應(yīng)用案例分析

ISTD技術(shù)作為一種相對(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,本研究對(duì)國內(nèi)外原位熱脫附的典型工程案例進(jìn)行匯總,分析了不同案例的土壤修復(fù)成本和能耗水平,結(jié)果見表1。

表1 國內(nèi)外典型工程應(yīng)用案例Tab.1 Typical engineering application cases at home and abroad

由表1可以發(fā)現(xiàn),國內(nèi)外在ISTD修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用上存在明顯差異。在修復(fù)成本方面,國外ERH的修復(fù)成本一般不超過130美元/m3,TCH的修復(fù)成本在130～200美元/m3,SEE的修復(fù)成本低于60美元/m3[18]。國內(nèi)目前較多采用GTR技術(shù),修復(fù)成本為400～2 000 元/m3,個(gè)別場(chǎng)地甚至高達(dá)2 800元/m3(案例4)。此外,由于目前國內(nèi)修復(fù)工程大多引進(jìn)國外設(shè)備,電費(fèi)、燃料費(fèi)等能源費(fèi)用也高于國外,造成國內(nèi)ISTD修復(fù)工程的建設(shè)和運(yùn)行成本都相對(duì)較高。修復(fù)規(guī)模也是工程成本的重要影響因素之一,規(guī)模越大,能耗和成本也相對(duì)越低。對(duì)比美國加利福尼亞州的兩個(gè)電加熱修復(fù)項(xiàng)目(案例6和案例7)發(fā)現(xiàn)[13-14],相同的加熱溫度條件下,即使案例6的修復(fù)方量遠(yuǎn)大于案例7,但得益于規(guī)模效應(yīng),其能耗比案例7更低。此外,對(duì)比分析案例發(fā)現(xiàn),污染程度、面積和土壤質(zhì)地的不同,修復(fù)成本浮動(dòng)范圍也較大。

在修復(fù)面積方面,國外ISTD修復(fù)工程以中小型污染場(chǎng)地居多。2010年環(huán)境安全技術(shù)認(rèn)證項(xiàng)目(ESTCP)報(bào)告顯示,121個(gè)修復(fù)工程中面積小于4 000 m2有117個(gè),其中小于1 000 m2的污染場(chǎng)地占比超過66.7%。但近年來調(diào)查發(fā)現(xiàn),ISTD應(yīng)用于大型修復(fù)項(xiàng)目的案例也逐漸增多,國外最大的原位電加熱修復(fù)項(xiàng)目修復(fù)面積達(dá)到12 950 m2(案例6)[13],原位蒸氣熱脫附項(xiàng)目的修復(fù)面積達(dá)46 000 m2[17](案例12)。相比于國外,我國已成功將ISTD修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于修復(fù)方量達(dá)數(shù)十萬方的大型場(chǎng)地,如案例1的廣州油制氣廠修復(fù)面積高達(dá)32萬m2,是目前國內(nèi)最大的原位燃?xì)鉄崦摳叫迯?fù)項(xiàng)目。

從工程案例的實(shí)施過程來看,為了指導(dǎo)和優(yōu)化修復(fù)工程的開展,國外研究者在污染物分布與水文地質(zhì)的高精度刻畫、模型構(gòu)建與數(shù)值模擬方面進(jìn)行了深入研究。美國加利福尼亞州的場(chǎng)地修復(fù)項(xiàng)目(案例7)通過應(yīng)用建模分析計(jì)算修復(fù)所需能量及其流向,發(fā)現(xiàn)工程實(shí)際投入能量2 200萬kWh,其中45%用于將地下土壤加熱至目標(biāo)溫度,53%用于蒸發(fā)地下水,此外由于污染物燃燒釋放了一定熱量,導(dǎo)致總消耗能量略低于模型分析的2 650萬kWh[14]。紐約布魯姆縣修復(fù)項(xiàng)目(案例8)通過精細(xì)刻畫污染物分布與水文地質(zhì)特征得出了污染物遷移轉(zhuǎn)化參數(shù),目標(biāo)修復(fù)區(qū)域經(jīng)過多階段野外勘探和測(cè)試,通過膜界面探針(MIP)和土壤樣品的實(shí)驗(yàn)室分析,形成了有關(guān)土壤中四氯乙烯存在的性質(zhì)和濃度的高密度數(shù)據(jù),創(chuàng)建了精確的三維可視化來表征修復(fù)區(qū)域中四氯乙烯的質(zhì)量分布;再結(jié)合有機(jī)碳分析和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn),得出了特定地點(diǎn)的吸附分配系數(shù),結(jié)果可支持污染區(qū)域的熱脫附修復(fù)精準(zhǔn)控制[15]。我國雖然引進(jìn)熱脫附技術(shù)較晚,但工程應(yīng)用發(fā)展較為迅速,相關(guān)模擬研究也已取得一定成效。田垚等[19]對(duì)熱脫附加熱進(jìn)行建模分析并進(jìn)行了加熱條件優(yōu)化;朱焰等[20]建立了依據(jù)土壤性質(zhì)和加熱溫度的能量與熱量平衡模型。

總體來說,目前國內(nèi)外研究主要集中在污染物脫附效果,而在節(jié)能降耗方面的研究略顯不足,工程實(shí)際實(shí)施過程中也較少考慮節(jié)能降耗相關(guān)措施。而在國內(nèi)外大規(guī)模ISTD的應(yīng)用趨勢(shì)下,采取節(jié)能降耗措施可以節(jié)省大量能源成本,降低溫室氣體排放,具有顯著經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

3 能耗影響因素分析

對(duì)于單個(gè)ISTD修復(fù)項(xiàng)目,加熱系統(tǒng)設(shè)置的目標(biāo)處理溫度、加熱持續(xù)時(shí)間是影響單位修復(fù)土壤能耗的主要因素。此外,由于抽提系統(tǒng)所消耗的能量約占總消耗能量的30%[11],抽提效率也是系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵影響因素。

3.1 目標(biāo)處理溫度

通過國內(nèi)外案例分析發(fā)現(xiàn),目標(biāo)處理溫度最低為100 ℃,最高為335 ℃[16]。對(duì)比污染物種類可知,大多目標(biāo)處理溫度略低于該場(chǎng)地污染物的沸點(diǎn),這可能是因?yàn)檎魵鈮航档?、污染物裂解、氧化以及污染物共沸讓污染物在低于沸點(diǎn)時(shí)就可以被汽化抽提。當(dāng)存在流動(dòng)氣流時(shí),蒸氣壓會(huì)顯著影響氣相中餾分的分配,當(dāng)蒸汽壓從133 kPa降低至0.42 kPa時(shí),苯并(a)芘的沸點(diǎn)從500 ℃降低到300 ℃[21],進(jìn)而導(dǎo)致污染物在低于常壓沸點(diǎn)時(shí)即開始沸騰。污染物在土壤中也會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),當(dāng)土壤中含有一定氧氣時(shí)污染物易發(fā)生氧化反應(yīng)生成沸點(diǎn)較低的氧化物,缺氧時(shí)污染物受高溫影響化學(xué)鍵斷裂生成高反應(yīng)性自由基,經(jīng)過脫氫縮合低聚反應(yīng)生成焦炭等物質(zhì),導(dǎo)致污染物所需目標(biāo)處理溫度降低。例如,在美國得克薩斯州的場(chǎng)地修復(fù)項(xiàng)目中,目標(biāo)污染物三氯乙烯的濃度從5 960～28 500 μg/L降至130～5 900 μg/L,而其他氯代烴,如二氯乙烯、三氯乙烷、四氯乙烯的濃度都有不同程度的提升[21],表明污染物在加熱土壤中發(fā)生了化學(xué)轉(zhuǎn)化。此外,部分污染物加熱時(shí)發(fā)生共沸(2個(gè)或多個(gè)組分的液體混合物以特定比例組成時(shí),該混合物沸騰溫度低于他們各自的沸點(diǎn)),也會(huì)使得污染物在低于其沸點(diǎn)時(shí)被汽化。因此,在開展ISTD修復(fù)工程時(shí),應(yīng)充分考慮污染物的裂解、氧化和污染物共沸,并根據(jù)土壤中的蒸汽壓調(diào)整目標(biāo)加熱溫度,以免溫度設(shè)定過高造成能源浪費(fèi)。

3.2 加熱持續(xù)時(shí)間

加熱持續(xù)時(shí)間受土壤質(zhì)地、加熱井間距等影響較大,結(jié)合土壤的熱力學(xué)建模和傳熱學(xué)原理可知土壤質(zhì)地主要的熱力學(xué)影響因素為土壤含水率、地下水流速和土壤導(dǎo)熱系數(shù)。水的比熱容較高,在土壤上升至100 ℃之前,大部分熱量用于升溫土壤孔隙中的水至沸點(diǎn)以及滿足其汽化潛熱,因此含水率越高,加熱所需時(shí)間越長。地下水流速也會(huì)影響加熱所需時(shí)間[9],流速越快,相同時(shí)間內(nèi)地下水帶走熱量越多。研究表明,當(dāng)止水帷幕沒有完全封閉或深度不足時(shí),地下水會(huì)不斷從帷幕破孔或帷幕底部為加熱區(qū)域土壤持續(xù)補(bǔ)水,進(jìn)而降低土壤升溫速率,延長加熱時(shí)間[22]。由于土壤加熱過程中熱量需從加熱井附近區(qū)域傳導(dǎo)至遠(yuǎn)離加熱井區(qū)域,因此土壤導(dǎo)熱系數(shù)越低,加熱井間距越大,熱量在地下傳導(dǎo)會(huì)越慢,熱量傳遞至監(jiān)測(cè)點(diǎn)所需時(shí)間也越長。關(guān)于確定加熱持續(xù)時(shí)間的技術(shù)方法相關(guān)文獻(xiàn)很少,已有ISTD修復(fù)工程大多依靠檢測(cè)土壤溫度,收集臨時(shí)和確定性土壤樣品,檢測(cè)其中目標(biāo)污染物濃度是否符合標(biāo)準(zhǔn),以判斷是否需要繼續(xù)加熱,但這種存在滯后性的檢測(cè)手段和較為粗放的運(yùn)行方式容易造成能源的浪費(fèi)。因此,在開展ISTD工程時(shí),可通過模型構(gòu)建與數(shù)值模擬精準(zhǔn)確定所需加熱持續(xù)時(shí)間,從而節(jié)能高效的修復(fù)污染場(chǎng)地。

3.3 抽提效率

加熱期間,大多數(shù)案例更關(guān)注土壤溫度的時(shí)空變化和污染物的最終去除效率,對(duì)抽提效率即單位能耗下的抽提氣體體積的關(guān)注較少,但抽提效率對(duì)能耗與污染物脫附率的影響不容小覷。抽提效率受土壤滲透性影響,滲透系數(shù)越小,抽提阻力越大,抽提效果越差。土壤滲透性受土壤類型、土壤粒徑和孔隙率影響。不同土壤類型其滲透系數(shù)相差達(dá)104倍,粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中粗砂、風(fēng)化黃鐵礦的平均滲透系數(shù)為2.94×10-6、1.29×10-4、3.85×10-3、1.43×10-2cm/s[23]。對(duì)于滲透性較好的土壤,土壤氣相中的VOCs、SVOCs更容易被抽提,去除率也更高[24]。蔣村等[25]研究發(fā)現(xiàn)不同土壤粒徑對(duì)抽提效率具有明顯影響,土壤粒徑越小,廢水中氯苯增加速度越快,土壤抽提效率越高。當(dāng)土壤類型和粒徑一定時(shí),土壤孔隙率的增大也會(huì)提高抽提效率。此外,由于土壤中土壤裂隙、根系通道和蟲洞等大孔隙優(yōu)先通路的存在,導(dǎo)致優(yōu)先通路附近污染區(qū)域會(huì)被優(yōu)先修復(fù),而優(yōu)先通路以外的污染區(qū)域修復(fù)效果有限。因此,在設(shè)計(jì)抽提功率時(shí),須考慮地質(zhì)類型、優(yōu)先通路對(duì)抽提效果的影響[26-27],使得滲透系數(shù)較小、孔隙率較低的土壤中污染物也能被高效去除。而針對(duì)滲透系數(shù)較大的土壤,可適當(dāng)降低抽提功率以節(jié)能降耗。

4 節(jié)能降耗措施

由ISTD的能量平衡分析可知,ISTD系統(tǒng)可通過降低總輸入能量和提高能量利用率來降低整體能耗。降低總輸入能量主要通過精準(zhǔn)控制,或耦合其他技術(shù)以降低目標(biāo)加熱溫度和縮短加熱持續(xù)時(shí)間。提高能量利用率可通過回用尾氣中的熱量及其中的有機(jī)物熱值、回用被排出煙氣的能量、強(qiáng)化傳熱等方式進(jìn)行節(jié)能降耗。

4.1 降低總輸入能量

4.1.1 精準(zhǔn)控制

基于前文影響因素分析,可以看出土壤加熱溫度、加熱時(shí)間和抽提效率均與污染物分布特征、水文地質(zhì)特征有關(guān)。在ISTD系統(tǒng)中,可基于污染場(chǎng)地的污染特征(污染物種類和污染物濃度)和水文地質(zhì)特征(土壤性質(zhì)與地下水分布)的差異性,在不同加熱階段實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)加熱系統(tǒng)(GTR中高溫氣體的溫度、壓強(qiáng)、流量;SEE中高溫蒸氣的溫度、壓強(qiáng)、流量、濃度;ERH中的電流;ETR中的功率)以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制,從而用更少的能量實(shí)現(xiàn)相同的土壤修復(fù)效果。

針對(duì)單一加熱井單一污染物分布和水文地質(zhì)特征,可通過精準(zhǔn)控制不同加熱階段的加熱溫度來降低能耗。Xu等[28]提出一種以恒定的溫度變化率和恒定的水分體積變化率完成加熱的控制策略,并采用數(shù)值模擬的方法計(jì)算發(fā)現(xiàn),該策略與恒定過量空氣系數(shù)控制策略相比能耗減少24%。Zhai等[29]提出了一種模糊協(xié)調(diào)控制策略,即通過特定的規(guī)則和函數(shù)將輸入的土壤溫度、土壤含水率、加熱井相對(duì)位置轉(zhuǎn)化為燃燒器和加熱井所需的出口溫度,再根據(jù)輸出的數(shù)值調(diào)整燃燒器產(chǎn)生的高溫氣體流量和溫度,通過數(shù)值模擬的方法計(jì)算發(fā)現(xiàn),該策略與恒定過量空氣系數(shù)控制策略相比能耗減少48.7%。Heron等[13]采用三級(jí)加熱,以去除不同類型的污染物,即1級(jí)低溫加熱(70～90 ℃)去除煤焦油,2級(jí)中溫加熱(約100 ℃)去除苯系物和萘,3級(jí)高溫加熱(> 100 ℃)實(shí)現(xiàn)對(duì)高沸點(diǎn)VOCs(如高分子量多環(huán)芳烴)的去除,結(jié)果顯示能耗被有效降低(表1中案例6)。Gorm等[14]采用了14 d升溫(輸入功率緩慢提高到900～1 000 kW),71 d固定溫度運(yùn)行,15 d受控冷卻的三段加熱,使土壤在110 d內(nèi)加熱到目標(biāo)溫度(100 ℃),通過精準(zhǔn)控制實(shí)現(xiàn)了降低能耗的目的(表1中案例7)。

針對(duì)單一加熱井復(fù)雜污染物分布特征和水文地質(zhì)特征,即不同深度的土層含水率和污染物濃度、分布不同,加熱到目標(biāo)溫度所需的能量不同,可通過分層控溫的方式進(jìn)行精準(zhǔn)控制,在保證不同深度土層溫度場(chǎng)均勻的同時(shí)實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約。采用ERH時(shí),可通過電極井下層的加熱區(qū)填充導(dǎo)電的加熱區(qū)填料及設(shè)置電極,在加熱區(qū)上層填充絕緣的非加熱區(qū)填料,實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱井進(jìn)行分段控溫[30-33]。采用ETR時(shí),可通過控制不同深度加熱棒的加熱功率進(jìn)行分段控溫。

針對(duì)多個(gè)加熱井,由于不同加熱單元之間熱量與水分遷移的相互影響導(dǎo)致存在區(qū)域中心溫度大于邊界溫度的問題,可通過建模計(jì)算在溫度梯度、壓力梯度和濕度梯度的作用下整個(gè)加熱區(qū)域的水分遷移汽化過程,及其對(duì)土壤溫度場(chǎng)的影響,以實(shí)時(shí)調(diào)整加熱功率及加熱井的加熱溫度,實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域的溫度場(chǎng)均勻控制。鑒于土壤加熱是一個(gè)多介質(zhì)、多組分、多相流的傳熱傳質(zhì)過程,其影響因素較多,包括熱脫附溫度、熱脫附時(shí)間、土壤質(zhì)地、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率、土壤含水率、加熱井間距等,污染物性質(zhì)和土壤理化性質(zhì)也會(huì)隨加熱時(shí)間和溫度產(chǎn)生變化,因此對(duì)土壤的精準(zhǔn)熱力學(xué)建模和加熱器的精準(zhǔn)控制要求較高[21]。

4.1.2 技術(shù)耦合

由于土壤加熱過程中伴隨著復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng),而技術(shù)耦合可差異性的處理不同于地質(zhì)中的不同污染物,進(jìn)而強(qiáng)化水熱裂解、氧化以及汽化等反應(yīng)[34]。對(duì)于水文地質(zhì)條件差異性較大的污染場(chǎng)地,可將ISTD技術(shù)與低溫蒸汽注射技術(shù)聯(lián)用。其中,ISTD技術(shù)用于處理滲透性較差的污染土壤和包氣帶中難降解的有機(jī)污染物,蒸汽注射熱脫附用來處理滲透性較高和地下水流較快的區(qū)域以及飽和區(qū)中的有機(jī)污染物,從而避免了單一高溫?zé)崦摳侥芎母叩钠款i問題。在ERH與蒸氣注射技術(shù)聯(lián)用的案例中,土壤處理6周后,污染物去除率增加了1 000倍[35]。對(duì)于污染物含有較多高分子烴類的污染場(chǎng)地,可采用化學(xué)氧化與ISTD技術(shù)聯(lián)用,其中氧化劑的高活性會(huì)破壞高沸點(diǎn)多環(huán)芳烴,降低目標(biāo)加熱溫度,加熱也會(huì)也會(huì)提升氧化劑的活化效率。Yukselen A Y等[36]研究了不同溫度下活化過硫酸鹽降解高嶺土和冰磧土中的PCBs,發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度從23 ℃上升至45 ℃,反應(yīng)24 h后,PCBs的去除率從22.5%上升至92.6%。此外,還可采用生物修復(fù)與ISTD技術(shù)聯(lián)用,ISTD技術(shù)可以增強(qiáng)有機(jī)物在土壤中的解吸能力,提高污染物的微生物可降解性,同時(shí)環(huán)境溫度的提高也會(huì)強(qiáng)化污染物的微生物降解過程[37]。Marcet等[38]研究了原位加熱條件下微生物對(duì)四氯乙烯的脫氯行為,結(jié)果表明,當(dāng)溫度從15 ℃上升至43 ℃,還原性脫鹵基因的豐度增加1.0～1.5倍。上述研究表明,耦合熱處理可明顯提升污染物的去除率和降低成本[35-38]。

4.2 提高能源利用效率

提高能源利用效率是指在總輸入能量中提高能量利用率并降低能量損失。提高能量利用率的主要方式包括:①通過設(shè)置伴熱抽提管道或尾氣回?zé)艿?以回用尾氣中有機(jī)物的熱值;②通過將煙氣通入未開始運(yùn)行的加熱井、或通過換熱器預(yù)熱通入燃燒器的空氣,或直接把煙氣當(dāng)作空氣通入燃燒器,以回用煙氣中的能量;③通過優(yōu)化加熱井以強(qiáng)化傳熱與物質(zhì)遷移[3-7]。

4.2.1 回用尾氣

在GTR中,設(shè)置伴熱抽提管道是指在加熱井附近安裝一個(gè)小型抽提管,將抽提出的尾氣回注到燃燒器中完成尾氣的回用[3]。設(shè)置尾氣回?zé)艿朗侵咐眉訜峋腥紵魉a(chǎn)生的高溫,將尾氣引流至燃燒器中進(jìn)行高溫燃燒。兩者均可有效利用尾氣中有機(jī)污染物的熱值,節(jié)省能源消耗的同時(shí)降低了廢氣的處理量和處理成本[3]。尾氣中有機(jī)污染物濃度受土壤污染程度及運(yùn)行階段的影響,在高濃度污染場(chǎng)地?zé)崦摳竭\(yùn)行初期,伴熱抽提管中有機(jī)污染物濃度和溫度較高,在運(yùn)行中后期即土壤溫度接近污染物沸點(diǎn)時(shí),尾氣回?zé)苤杏袡C(jī)污染物濃度和溫度較高,而伴熱抽提管中有機(jī)污染物此時(shí)大多已被抽提出來,濃度較低。運(yùn)行末期,由于拖尾效應(yīng),尾氣回?zé)艿乐杏袡C(jī)污染物濃度較低[39]。此外,在尾氣回用過程中,應(yīng)配置全自動(dòng)VOCs檢測(cè)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)尾氣有機(jī)物濃度,以動(dòng)態(tài)調(diào)整尾氣回流比例、燃燒器的助燃空氣流量和天然氣流量,確保加熱井維持在目標(biāo)溫度[40]。趙濤等[41]中試試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),伴熱抽提后,燃?xì)鉄崂寐蔬_(dá)到75%以上,節(jié)能的同時(shí)提高了污染物處置效率。目前,熱抽提管和尾氣回?zé)艿囊驯怀晒?yīng)用于實(shí)際修復(fù)工程中(表1中案例2、3)。

4.2.2 回用煙氣

在GTR中,高溫的煙氣可用于余熱回用,保有一定熱量的煙氣可再次通入熱脫附系統(tǒng),進(jìn)而減少天然氣的消耗量[42]。煙氣回用可通過將先運(yùn)行的加熱井排出的煙氣通入尚未運(yùn)行的加熱井中,以提前預(yù)熱土壤。如表1中案例11,該場(chǎng)地分成2批次完成了石油烴污染土壤修復(fù),在保證污染物濃度低于修復(fù)目標(biāo)值(100 mg/kg)的同時(shí),能源利用率得到顯著提升?；赜梅椒ㄟ€包括將煙氣通入熱交換系統(tǒng)以預(yù)熱通入燃燒器的助燃空氣,提高空氣初始溫度[42-44],或?qū)煔獍匆欢ū壤?dāng)作助燃空氣直接返回燃燒器。Li等[43]通過建模分析對(duì)這2種方法進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)利用高溫?zé)煔鈱?duì)30%的助燃空氣進(jìn)行預(yù)熱后,能量利用率提升1.2%;煙氣直接回流時(shí),能量利用率隨著回流量的增加而增加,回流比為0.3時(shí),能量利用率提升7.9%。在相同回流比例下,煙氣直接回流比煙氣預(yù)熱助燃空氣能源利用率提升更高,但煙氣直接回流過程中煙氣氧濃度會(huì)逐漸降低,需要監(jiān)測(cè)燃燒器點(diǎn)火處的氧濃度以保證燃?xì)馔耆紵?/p>

4.2.3 優(yōu)化加熱井

在GTR中,傳統(tǒng)熱傳導(dǎo)裝置—加熱井為圓管式,具有加熱深度大,單位加熱長度輸入功率高和加熱較為均勻等優(yōu)勢(shì),但也存在傳熱效率低,加熱井出口煙氣溫度較高等亟待解決的問題。不少研究者提出了一些非傳統(tǒng)的加熱井構(gòu)造來提高加熱井的傳熱效率。廖弋雷等[44]提出了一種節(jié)能高效的層疊式原位燃?xì)鉄崦摳郊訜嵯到y(tǒng),即將熱傳導(dǎo)裝置改為散熱板式,散熱板內(nèi)部為曲折反復(fù)的彎道,高溫氣體在內(nèi)部“之”字形往復(fù)前進(jìn)。該系統(tǒng)有效增大了熱傳導(dǎo)裝置的傳熱面積和高溫氣體湍流程度,能夠快速有效的加熱土壤。牛曉陽等[45]提出了一種污染土壤燃?xì)庠蝗細(xì)鉄崦摳叫迯?fù)系統(tǒng),將傳統(tǒng)煙氣的內(nèi)進(jìn)外出改為左進(jìn)右出,有效增大了高溫氣體的湍流程度,提升傳熱效率。然而,井管湍流程度的增強(qiáng)和傳熱面積的增大雖然可以有效強(qiáng)化傳熱,但高溫氣體的溫度也會(huì)隨途經(jīng)距離的增加而迅速降低,從而導(dǎo)致土壤溫度場(chǎng)分布不均勻,引發(fā)后續(xù)污染物在抽提井中冷卻堵塞抽提井、重質(zhì)非水相液體重新冷凝造成二次污染等嚴(yán)峻問題。因此,在后續(xù)研發(fā)中應(yīng)關(guān)注不同形式加熱井增強(qiáng)傳熱與溫度場(chǎng)均勻的相互關(guān)系,以增強(qiáng)能源利用效率的同時(shí)降低不同位置土壤之間的溫度差異,保證污染物脫附效果。

對(duì)于ERH,可采用陽極逼近,優(yōu)化電極形狀的方式節(jié)約能耗,提升修復(fù)性能。陽極逼近是指通過縮短兩極間距來抵消電極極板損耗的電壓,從而起到減小能耗的作用。電極形狀決定電場(chǎng)強(qiáng)度和分布,相同電壓梯度下,柱狀電極相比板狀電極中心區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度較高,所以優(yōu)化電極形狀可提高有機(jī)物向陰極富集的效率,縮短修復(fù)時(shí)間,從而達(dá)到節(jié)能降耗的效果[46-47]。

5 結(jié)論與展望

隨著近年來修復(fù)技術(shù)可持續(xù)性評(píng)價(jià)的落實(shí)與推進(jìn),ISTD技術(shù)的能耗問題得到了廣泛關(guān)注。本文充分比較了國內(nèi)外原位熱脫附修復(fù)技術(shù)工程實(shí)施,論述了原位熱脫附技術(shù)的能耗影響因素,并在此基礎(chǔ)上總結(jié)了原位熱脫附技術(shù)的節(jié)能降耗措施。研究發(fā)現(xiàn)通過積極采取節(jié)能降耗措施,可有效降低有機(jī)污染土壤處置成本及溫室氣體排放,提升我國有機(jī)污染土壤原位修復(fù)技術(shù)水平。但目前國內(nèi)在ISTD技術(shù)、設(shè)備和工程實(shí)施等方面仍缺乏相關(guān)理論研究和工程經(jīng)驗(yàn),為更好的應(yīng)用和推廣ISTD技術(shù),可重點(diǎn)從以下幾方面開展深入研究:

(1)運(yùn)用物探、膜界面探針、同位素示蹤等多種技術(shù)手段進(jìn)行污染物分布與水文地質(zhì)高精度刻畫、以合理確定加熱井間距、深度和位置分布。

(2)充分考慮加熱過程中土壤含水率、孔隙率、導(dǎo)熱系數(shù)等物性參數(shù)的變化,土壤裂隙、異質(zhì)性對(duì)熱量傳導(dǎo)和污染物遷移的影響以及污染物在高溫影響下的遷移轉(zhuǎn)化作用,構(gòu)建全過程熱傳導(dǎo)數(shù)值模擬模型;結(jié)合小試、中試和實(shí)際修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)參數(shù)驗(yàn)證和修正模型,從而運(yùn)用模型得出隨時(shí)間變化的燃?xì)鉁囟?土壤升溫速率、熱脫附時(shí)間等工藝參數(shù)。

(3)研發(fā)能夠依據(jù)回用氣體類型、溫度、流量、有機(jī)物濃度進(jìn)行燃?xì)饬髁亢椭伎諝饬髁繉?shí)時(shí)調(diào)控的燃燒器以及其他余熱回用熱脫附相關(guān)設(shè)備,并進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用。

(4)創(chuàng)新加熱井材質(zhì)、形式、構(gòu)造以強(qiáng)化加熱井傳熱,提高能量利用率的同時(shí)保證土壤均勻加熱。