原位熱脫附修復技術節能降耗措施研究進展

朱 煜

(上海申環環境工程有限公司,上海 200092)

目前,土壤污染已成為全球重要的環境問題。2016年發布的《“十三五”生態環境保護規劃》顯示全國土壤總超標率達16.1%,其中耕地土壤超標率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重威脅人體健康和生態環境,因此對能夠高效處理污染土壤的修復技術需求非常強烈。

原位熱脫附(In-Situ Thermal Desorption,ISTD)技術是一種高效的污染土壤修復技術,其通過加熱升高污染區域的溫度,改變污染物的飽和蒸氣壓及溶解度等物化性質,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技術能夠處理氯代烴、苯系物、石油烴類、汞、農藥、多氯聯苯(PCBs)、二噁英等多種污染物,且對不同類型的污染土壤修復均具有較強的適用性,在焦化廠、鋼鐵廠、煤制氣廠、地下油庫、農藥廠等各類工業有機污染場地被廣泛應用[3]。美國環保署超級基金報告統計結果顯示,ISTD的工程應用逐年增加,1982—2004年ISTD技術在所有土壤修復項目中的應用率僅為1%,2015—2017年增至5%[4]。

盡管ISTD技術具備修復效率高、適用性強、無反彈效應等優點,但其能耗問題非常顯著。由于加熱過程中土壤、水分等也會消耗能量,數據顯示ISTD修復工程中能源成本占比高達60%～80%,因此高能耗導致的應用成本升高成為ISTD技術應用的主要瓶頸問題[2]。目前,國內針對ISTD修復技術的工程應用研究較多,但關于ISTD技術及裝備的節能降耗研究還較為缺乏。因此,本文基于對ISTD系統能耗和國內外典型工程案例的分析,總結了影響能耗的關鍵因素,系統的梳理并提出了主要的節能降耗措施,以期為降低ISTD技術的工程應用成本提供理論依據和技術支撐。

1 系統組成與能量分析

1.1 系統組成

ISTD的系統組成主要包括加熱系統、抽提和處理系統以及其他輔助單元[3-5]。加熱系統通過升溫對受污染區域進行加熱,常用的加熱系統包括電阻加熱(ERH)、熱傳導加熱(TCH)和蒸汽強化抽提(SEE)[5-6]。ERH通過在土壤中直接安裝由多個電極組成的電極網絡,從而形成電流回路將電能轉換成熱能升溫[2]。TCH可分為燃氣加熱(GTR)和電加熱(ETR),其在土壤中安置熱處理井,通過熱傳導向地下輸入熱量使土壤中的有機污染物發生揮發和裂解反應[3]。SEE主要是依靠注入土壤的高溫蒸汽液化放熱,從而實現土壤中有機污染物的脫附[5]。

抽提和處理系統主要作用是將污染物從地下抽出,然后分離處理。抽提系統一般在加熱井旁配備豎直抽提井,然后在引風機的作用下將空氣和汽化的污染物吸入系統[3]?？紤]到污染物汽化后會因浮力上升至土壤淺層,該系統需配備水平抽提管以避免污染物蒸汽逸散進入大氣。此外,該系統還布設溫度和壓力監測井等,以對溫度、電壓、真空度、流量和地下壓力等各項數據進行監測,從而能夠實時評估修復效果和能源消耗,確保及時進行相關參數的調整。其他輔助單元包括數據收集及控制系統[3]。典型的原位熱脫附的工藝系統如圖1所示。

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

1.2 能量分析

在ISTD修復過程中,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、熱解,Q損失則與加熱系統的選擇相關[7]。由圖2可知,不同ISTD技術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,導致尾氣中有機污染物和水蒸氣濃度增大,進而會增加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;保溫材料的導熱系數越低,阻止熱量擴散的能量越強,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)將熱量傳輸到地下以加熱土壤,而流體在井管內流動過程中受流體性質、流動狀態與井管性質的影響,會產生流阻損失[8]。根據流體力學規律,井管的長度越長、直徑越小、井壁越不光滑,流體的壓強、流量、速度越大,流阻損失越大。此外,GTR、ETR和SEE在通過熱傳導進行傳熱時,均會產生熱泄露,即散發到周圍環境的熱量[7]。根據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,導熱系數越高,熱泄露損失的能量越大。

進一步對比GTR和SEE發現,GTR燃燒產生的高溫氣體在加熱土壤后會被排出,而SEE加熱土壤的高溫蒸氣直接噴射進入土壤,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煙氣主要受燃燒產生的高溫氣體的溫度、組成,加熱區域土壤的溫度、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煙氣也會逐漸增大。Q不完全燃燒主要由空燃比決定,根據燃燒情況采用適當的過量空氣系數可以避免這一能量損失。根據現有研究[9],在GTR中Q散熱損失占Q總的5%～8%,高溫煙氣排放損失的熱量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 應用案例分析

ISTD技術作為一種相對高效、成熟的污染土壤修復技術,在全球已有很多成功應用案例,本研究對國內外原位熱脫附的典型工程案例進行匯總,分析了不同案例的土壤修復成本和能耗水平,結果見表1。

表1 國內外典型工程應用案例Tab.1 Typical engineering application cases at home and abroad

由表1可以發現,國內外在ISTD修復技術的應用上存在明顯差異。在修復成本方面,國外ERH的修復成本一般不超過130美元/m3,TCH的修復成本在130～200美元/m3,SEE的修復成本低于60美元/m3[18]。國內目前較多采用GTR技術,修復成本為400～2 000 元/m3,個別場地甚至高達2 800元/m3(案例4)。此外,由于目前國內修復工程大多引進國外設備,電費、燃料費等能源費用也高于國外,造成國內ISTD修復工程的建設和運行成本都相對較高。修復規模也是工程成本的重要影響因素之一,規模越大,能耗和成本也相對越低。對比美國加利福尼亞州的兩個電加熱修復項目(案例6和案例7)發現[13-14],相同的加熱溫度條件下,即使案例6的修復方量遠大于案例7,但得益于規模效應,其能耗比案例7更低。此外,對比分析案例發現,污染程度、面積和土壤質地的不同,修復成本浮動范圍也較大。

在修復面積方面,國外ISTD修復工程以中小型污染場地居多。2010年環境安全技術認證項目(ESTCP)報告顯示,121個修復工程中面積小于4 000 m2有117個,其中小于1 000 m2的污染場地占比超過66.7%。但近年來調查發現,ISTD應用于大型修復項目的案例也逐漸增多,國外最大的原位電加熱修復項目修復面積達到12 950 m2(案例6)[13],原位蒸氣熱脫附項目的修復面積達46 000 m2[17](案例12)。相比于國外,我國已成功將ISTD修復技術應用于修復方量達數十萬方的大型場地,如案例1的廣州油制氣廠修復面積高達32萬m2,是目前國內最大的原位燃氣熱脫附修復項目。

從工程案例的實施過程來看,為了指導和優化修復工程的開展,國外研究者在污染物分布與水文地質的高精度刻畫、模型構建與數值模擬方面進行了深入研究。美國加利福尼亞州的場地修復項目(案例7)通過應用建模分析計算修復所需能量及其流向,發現工程實際投入能量2 200萬kWh,其中45%用于將地下土壤加熱至目標溫度,53%用于蒸發地下水,此外由于污染物燃燒釋放了一定熱量,導致總消耗能量略低于模型分析的2 650萬kWh[14]。紐約布魯姆縣修復項目(案例8)通過精細刻畫污染物分布與水文地質特征得出了污染物遷移轉化參數,目標修復區域經過多階段野外勘探和測試,通過膜界面探針(MIP)和土壤樣品的實驗室分析,形成了有關土壤中四氯乙烯存在的性質和濃度的高密度數據,創建了精確的三維可視化來表征修復區域中四氯乙烯的質量分布;再結合有機碳分析和實驗室實驗,得出了特定地點的吸附分配系數,結果可支持污染區域的熱脫附修復精準控制[15]。我國雖然引進熱脫附技術較晚,但工程應用發展較為迅速,相關模擬研究也已取得一定成效。田垚等[19]對熱脫附加熱進行建模分析并進行了加熱條件優化;朱焰等[20]建立了依據土壤性質和加熱溫度的能量與熱量平衡模型。

總體來說,目前國內外研究主要集中在污染物脫附效果,而在節能降耗方面的研究略顯不足,工程實際實施過程中也較少考慮節能降耗相關措施。而在國內外大規模ISTD的應用趨勢下,采取節能降耗措施可以節省大量能源成本,降低溫室氣體排放,具有顯著經濟和環境效益。

3 能耗影響因素分析

對于單個ISTD修復項目,加熱系統設置的目標處理溫度、加熱持續時間是影響單位修復土壤能耗的主要因素。此外,由于抽提系統所消耗的能量約占總消耗能量的30%[11],抽提效率也是系統能耗的關鍵影響因素。

3.1 目標處理溫度

通過國內外案例分析發現,目標處理溫度最低為100 ℃,最高為335 ℃[16]。對比污染物種類可知,大多目標處理溫度略低于該場地污染物的沸點,這可能是因為蒸氣壓降低、污染物裂解、氧化以及污染物共沸讓污染物在低于沸點時就可以被汽化抽提。當存在流動氣流時,蒸氣壓會顯著影響氣相中餾分的分配,當蒸汽壓從133 kPa降低至0.42 kPa時,苯并(a)芘的沸點從500 ℃降低到300 ℃[21],進而導致污染物在低于常壓沸點時即開始沸騰。污染物在土壤中也會發生化學反應,當土壤中含有一定氧氣時污染物易發生氧化反應生成沸點較低的氧化物,缺氧時污染物受高溫影響化學鍵斷裂生成高反應性自由基,經過脫氫縮合低聚反應生成焦炭等物質,導致污染物所需目標處理溫度降低。例如,在美國得克薩斯州的場地修復項目中,目標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生了化學轉化。此外,部分污染物加熱時發生共沸(2個或多個組分的液體混合物以特定比例組成時,該混合物沸騰溫度低于他們各自的沸點),也會使得污染物在低于其沸點時被汽化。因此,在開展ISTD修復工程時,應充分考慮污染物的裂解、氧化和污染物共沸,并根據土壤中的蒸汽壓調整目標加熱溫度,以免溫度設定過高造成能源浪費。

3.2 加熱持續時間

加熱持續時間受土壤質地、加熱井間距等影響較大,結合土壤的熱力學建模和傳熱學原理可知土壤質地主要的熱力學影響因素為土壤含水率、地下水流速和土壤導熱系數。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以及滿足其汽化潛熱,因此含水率越高,加熱所需時間越長。地下水流速也會影響加熱所需時間[9],流速越快,相同時間內地下水帶走熱量越多。研究表明,當止水帷幕沒有完全封閉或深度不足時,地下水會不斷從帷幕破孔或帷幕底部為加熱區域土壤持續補水,進而降低土壤升溫速率,延長加熱時間[22]。由于土壤加熱過程中熱量需從加熱井附近區域傳導至遠離加熱井區域,因此土壤導熱系數越低,加熱井間距越大,熱量在地下傳導會越慢,熱量傳遞至監測點所需時間也越長。關于確定加熱持續時間的技術方法相關文獻很少,已有ISTD修復工程大多依靠檢測土壤溫度,收集臨時和確定性土壤樣品,檢測其中目標污染物濃度是否符合標準,以判斷是否需要繼續加熱,但這種存在滯后性的檢測手段和較為粗放的運行方式容易造成能源的浪費。因此,在開展ISTD工程時,可通過模型構建與數值模擬精準確定所需加熱持續時間,從而節能高效的修復污染場地。

3.3 抽提效率

加熱期間,大多數案例更關注土壤溫度的時空變化和污染物的最終去除效率,對抽提效率即單位能耗下的抽提氣體體積的關注較少,但抽提效率對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相差達104倍,粉質黏土、粉細砂、中粗砂、風化黃鐵礦的平均滲透系數為2.94×10-6、1.29×10-4、3.85×10-3、1.43×10-2cm/s[23]。對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]研究發現不同土壤粒徑對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。當土壤類型和粒徑一定時,土壤孔隙率的增大也會提高抽提效率。此外,由于土壤中土壤裂隙、根系通道和蟲洞等大孔隙優先通路的存在,導致優先通路附近污染區域會被優先修復,而優先通路以外的污染區域修復效果有限。因此,在設計抽提功率時,須考慮地質類型、優先通路對抽提效果的影響[26-27],使得滲透系數較小、孔隙率較低的土壤中污染物也能被高效去除。而針對滲透系數較大的土壤,可適當降低抽提功率以節能降耗。

4 節能降耗措施

由ISTD的能量平衡分析可知,ISTD系統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控制,或耦合其他技術以降低目標加熱溫度和縮短加熱持續時間。提高能量利用率可通過回用尾氣中的熱量及其中的有機物熱值、回用被排出煙氣的能量、強化傳熱等方式進行節能降耗。

4.1 降低總輸入能量

4.1.1 精準控制

基于前文影響因素分析,可以看出土壤加熱溫度、加熱時間和抽提效率均與污染物分布特征、水文地質特征有關。在ISTD系統中,可基于污染場地的污染特征(污染物種類和污染物濃度)和水文地質特征(土壤性質與地下水分布)的差異性,在不同加熱階段實時調節加熱系統(GTR中高溫氣體的溫度、壓強、流量;SEE中高溫蒸氣的溫度、壓強、流量、濃度;ERH中的電流;ETR中的功率)以實現精準控制,從而用更少的能量實現相同的土壤修復效果。

針對單一加熱井單一污染物分布和水文地質特征,可通過精準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,并采用數值模擬的方法計算發現,該策略與恒定過量空氣系數控制策略相比能耗減少24%。Zhai等[29]提出了一種模糊協調控制策略,即通過特定的規則和函數將輸入的土壤溫度、土壤含水率、加熱井相對位置轉化為燃燒器和加熱井所需的出口溫度,再根據輸出的數值調整燃燒器產生的高溫氣體流量和溫度,通過數值模擬的方法計算發現,該策略與恒定過量空氣系數控制策略相比能耗減少48.7%。Heron等[13]采用三級加熱,以去除不同類型的污染物,即1級低溫加熱(70～90 ℃)去除煤焦油,2級中溫加熱(約100 ℃)去除苯系物和萘,3級高溫加熱(> 100 ℃)實現對高沸點VOCs(如高分子量多環芳烴)的去除,結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固定溫度運行,15 d受控冷卻的三段加熱,使土壤在110 d內加熱到目標溫度(100 ℃),通過精準控制實現了降低能耗的目的(表1中案例7)。

針對單一加熱井復雜污染物分布特征和水文地質特征,即不同深度的土層含水率和污染物濃度、分布不同,加熱到目標溫度所需的能量不同,可通過分層控溫的方式進行精準控制,在保證不同深度土層溫度場均勻的同時實現能源節約。采用ERH時,可通過電極井下層的加熱區填充導電的加熱區填料及設置電極,在加熱區上層填充絕緣的非加熱區填料,實現對加熱井進行分段控溫[30-33]。采用ETR時,可通過控制不同深度加熱棒的加熱功率進行分段控溫。

針對多個加熱井,由于不同加熱單元之間熱量與水分遷移的相互影響導致存在區域中心溫度大于邊界溫度的問題,可通過建模計算在溫度梯度、壓力梯度和濕度梯度的作用下整個加熱區域的水分遷移汽化過程,及其對土壤溫度場的影響,以實時調整加熱功率及加熱井的加熱溫度,實現整個區域的溫度場均勻控制。鑒于土壤加熱是一個多介質、多組分、多相流的傳熱傳質過程,其影響因素較多,包括熱脫附溫度、熱脫附時間、土壤質地、熱導率、熱擴散率、土壤含水率、加熱井間距等,污染物性質和土壤理化性質也會隨加熱時間和溫度產生變化,因此對土壤的精準熱力學建模和加熱器的精準控制要求較高[21]。

4.1.2 技術耦合

由于土壤加熱過程中伴隨著復雜的物理化學反應,而技術耦合可差異性的處理不同于地質中的不同污染物,進而強化水熱裂解、氧化以及汽化等反應[34]。對于水文地質條件差異性較大的污染場地,可將ISTD技術與低溫蒸汽注射技術聯用。其中,ISTD技術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域以及飽和區中的有機污染物,從而避免了單一高溫熱脫附能耗高的瓶頸問題。在ERH與蒸氣注射技術聯用的案例中,土壤處理6周后,污染物去除率增加了1 000倍[35]。對于污染物含有較多高分子烴類的污染場地,可采用化學氧化與ISTD技術聯用,其中氧化劑的高活性會破壞高沸點多環芳烴,降低目標加熱溫度,加熱也會也會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,發現當溫度從23 ℃上升至45 ℃,反應24 h后,PCBs的去除率從22.5%上升至92.6%。此外,還可采用生物修復與ISTD技術聯用,ISTD技術可以增強有機物在土壤中的解吸能力,提高污染物的微生物可降解性,同時環境溫度的提高也會強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四氯乙烯的脫氯行為,結果表明,當溫度從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通過設置伴熱抽提管道或尾氣回燒管道,以回用尾氣中有機物的熱值;②通過將煙氣通入未開始運行的加熱井、或通過換熱器預熱通入燃燒器的空氣,或直接把煙氣當作空氣通入燃燒器,以回用煙氣中的能量;③通過優化加熱井以強化傳熱與物質遷移[3-7]。

4.2.1 回用尾氣

在GTR中,設置伴熱抽提管道是指在加熱井附近安裝一個小型抽提管,將抽提出的尾氣回注到燃燒器中完成尾氣的回用[3]。設置尾氣回燒管道是指利用加熱井中燃燒器所產生的高溫,將尾氣引流至燃燒器中進行高溫燃燒。兩者均可有效利用尾氣中有機污染物的熱值,節省能源消耗的同時降低了廢氣的處理量和處理成本[3]。尾氣中有機污染物濃度受土壤污染程度及運行階段的影響,在高濃度污染場地熱脫附運行初期,伴熱抽提管中有機污染物濃度和溫度較高,在運行中后期即土壤溫度接近污染物沸點時,尾氣回燒管中有機污染物濃度和溫度較高,而伴熱抽提管中有機污染物此時大多已被抽提出來,濃度較低。運行末期,由于拖尾效應,尾氣回燒管道中有機污染物濃度較低[39]。此外,在尾氣回用過程中,應配置全自動VOCs檢測儀實時監測尾氣有機物濃度,以動態調整尾氣回流比例、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溫度[40]。趙濤等[41]中試試驗發現,伴熱抽提后,燃氣熱利用率達到75%以上,節能的同時提高了污染物處置效率。目前,熱抽提管和尾氣回燒管的已被成功應用于實際修復工程中(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,進而減少天然氣的消耗量[42]。煙氣回用可通過將先運行的加熱井排出的煙氣通入尚未運行的加熱井中,以提前預熱土壤。如表1中案例11,該場地分成2批次完成了石油烴污染土壤修復,在保證污染物濃度低于修復目標值(100 mg/kg)的同時,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以預熱通入燃燒器的助燃空氣,提高空氣初始溫度[42-44],或將煙氣按一定比例當作助燃空氣直接返回燃燒器。Li等[43]通過建模分析對這2種方法進行了比較,發現利用高溫煙氣對30%的助燃空氣進行預熱后,能量利用率提升1.2%;煙氣直接回流時,能量利用率隨著回流量的增加而增加,回流比為0.3時,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逐漸降低,需要監測燃燒器點火處的氧濃度以保證燃氣完全燃燒。

4.2.3 優化加熱井

在GTR中,傳統熱傳導裝置—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勢,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的加熱井構造來提高加熱井的傳熱效率。廖弋雷等[44]提出了一種節能高效的層疊式原位燃氣熱脫附加熱系統,即將熱傳導裝置改為散熱板式,散熱板內部為曲折反復的彎道,高溫氣體在內部“之”字形往復前進。該系統有效增大了熱傳導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氣原位燃氣熱脫附修復系統,將傳統煙氣的內進外出改為左進右出,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和傳熱面積的增大雖然可以有效強化傳熱,但高溫氣體的溫度也會隨途經距離的增加而迅速降低,從而導致土壤溫度場分布不均勻,引發后續污染物在抽提井中冷卻堵塞抽提井、重質非水相液體重新冷凝造成二次污染等嚴峻問題。因此,在后續研發中應關注不同形式加熱井增強傳熱與溫度場均勻的相互關系,以增強能源利用效率的同時降低不同位置土壤之間的溫度差異,保證污染物脫附效果。

對于ERH,可采用陽極逼近,優化電極形狀的方式節約能耗,提升修復性能。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。電極形狀決定電場強度和分布,相同電壓梯度下,柱狀電極相比板狀電極中心區域電場強度較高,所以優化電極形狀可提高有機物向陰極富集的效率,縮短修復時間,從而達到節能降耗的效果[46-47]。

5 結論與展望

隨著近年來修復技術可持續性評價的落實與推進,ISTD技術的能耗問題得到了廣泛關注。本文充分比較了國內外原位熱脫附修復技術工程實施,論述了原位熱脫附技術的能耗影響因素,并在此基礎上總結了原位熱脫附技術的節能降耗措施。研究發現通過積極采取節能降耗措施,可有效降低有機污染土壤處置成本及溫室氣體排放,提升我國有機污染土壤原位修復技術水平。但目前國內在ISTD技術、設備和工程實施等方面仍缺乏相關理論研究和工程經驗,為更好的應用和推廣ISTD技術,可重點從以下幾方面開展深入研究:

(1)運用物探、膜界面探針、同位素示蹤等多種技術手段進行污染物分布與水文地質高精度刻畫、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、導熱系數等物性參數的變化,土壤裂隙、異質性對熱量傳導和污染物遷移的影響以及污染物在高溫影響下的遷移轉化作用,構建全過程熱傳導數值模擬模型;結合小試、中試和實際修復現場相關參數驗證和修正模型,從而運用模型得出隨時間變化的燃氣溫度,土壤升溫速率、熱脫附時間等工藝參數。

(3)研發能夠依據回用氣體類型、溫度、流量、有機物濃度進行燃氣流量和助燃空氣流量實時調控的燃燒器以及其他余熱回用熱脫附相關設備,并進行商業化應用。

(4)創新加熱井材質、形式、構造以強化加熱井傳熱,提高能量利用率的同時保證土壤均勻加熱。