污染场地修复中复杂有机物的原位热处理技术筛选

陈俊宇

（上海田苑环境科技有限公司，上海 200233）

关键字：热传导加热；电阻加热；蒸汽加热；场地特征；技术筛选

目前国内有许多退役场地曾经受到过高浓度的有机污染物的污染，包括有机氯溶剂、石油类、多氯联苯、多环芳烃等等。且难溶于地下水环境中的有机污染物在浓度超过溶解度时会形成非水相液体（NAPL）。其中有一些化合物具有低挥发性和低溶解度，这些污染物，特别是地下水位以下的NAPL，已经很难用传统的技术如地下水抽提、生物修复和土壤气相抽提来处理。

原位热处理技术具有安全、节约成本、适用性强、修复效率高等优点[1]，且因其应用范围广、可同时去除多种污染物、耗时短等特点而备受关注[2]。因此越来越多的研究者开始研究各种新的技术来处理这些复杂有机物。而原位热处理是一种有效处理复杂有机物场地的技术手段。

1 原位热处理原理及技术介绍

地下的有机污染物可能以4种形式存在：土壤固相，气相，水相和NAPL相。通过对地下土壤环境的加热，通过加热提高污染区域的温度，改变污染物的物化性质，增加了气相或者液相中污染物的浓度，提高液相抽出或土壤气相抽提对污染的回收率[3]。

按照加热原理的不同，常见的原位加热技术又可细分为热传导加热技术（TCH）、电阻加热技术（ERH）、蒸汽加热技术（SEE）3种。这3种技术通常和气相抽提 一起使用。按照加热温度可分为高温（＞100 ℃）原位加热修复技术和低温（＜100 ℃）原位加热修复技术。

一般来说，土壤的温度变化会经历3个阶段[2]，（1）集中加热段：温度从环境温度上升到水的沸点；（2）蒸发部分：水蒸发，温度保持沸点温度；（3）过热段：土壤温度持续升高。

2 场地特征和原位热处理技术筛选

2.1 前期场地数据资料

在应用原位热处理技术时，需要获得场地的物理性质等资料，包括如下内容：

（1）场地情况描述，包括可按比例伸缩的场地平面图。场地平面图包括场地的位置，地表特征，地上及地下设施，地下储罐、管道等情况，这些场地的具体情况可以用来修正后期的设计，此外还需要在原位热处理实施之前进行补充调查，来保证设计的准确性；

（2）地层特性。钻孔勘探或地层剖面中通常会描述地层特性，包含土壤的类型、岩层类型、地下水埋深、污染物分布和地层边界；

（3）水文特性和水力参数。在加热地下土壤环境的时候，水的比热容（4.21 kJ•kg-1•℃-1）是岩层或土壤基质（1.0 kJ•kg-1•℃-1）的4倍以上。因此，为了控制修复成本，应尽量控制进入处理区的地下水的流量，从而避免对地下水的加热，增加热效率。

地下水流速、流量以及抽注试验中获得的井数量和井距关系是设计原位热处理的关键参数。

渗透系数是评价注汽和液体回收的重要参数。土壤的渗透性在热传导和ERH应用中用处不大，但是在蒸汽回收系统的设计中非常重要。在土壤热传导过程中如果土壤环境足够干燥，即使是非常紧密的土壤也有足够的渗透性去去除污染物质。

（4）待处理区域的可达性。场地的可达性决定了原位热处理修复技术的难易程度，从而影响成本和可行性。比如钻井的困难程度、冬季施工等；

（5）NAPL位置及量的估计。原位热处理是一种模块化的处理方式，因此要知道要处理区域的范围，举个例子，如果使用ERH技术，两个电极之间的距离一般是2.6～6.1 m，所以只要NAPL污染区域的横向范围在2.6～6.1 m之间就可以，但通常情况下NAPL的污染范围是无法被精确确定的，从成本上简单的扩大井的排列比进一步描述NAPL污染精确范围更便宜。

（6）污染物迁移率评估。原位热处理技术可以使NAPL流动起来，如果热技术可以改变NAPL的物理特性，那修复工程师应保证能够捕获这些移动的NAPL。因此需要测量NAPL的比重、粘度随温度变化等特性，才能合理设计回收系统。

2.2 污染物的特征参数

原位热处理技术所需的化学分析包括对土壤及地下水中VOCs和SVOCs的常规分析，来确定关注污染物的污染程度，并估计蒸汽处理设备的有机负荷。

（1）有机参数。需要分析关注污染物和非关注污染物的浓度，来适当设计处理系统，非关注污染物的存在也会影响修复有效性，举个例子，根据拉乌尔定律，如果目标污染物溶解成油或油脂，挥发性有机化合物的挥发速度会减慢。

一个通常被忽略的参数是总有机碳（TOC）。土壤中的TOC含量影响到温度较低的原位修复方法（ERH和浅层SEE），因为TOC可能优先吸附存在于地表以下的挥发性有机化合物。

（2）无机参数。地下水中的阴离子和阳离子的浓度对原位修复技术也有一定的影响，在加热过程中，钙和铁化合物可能会在井筛和处理设备上沉淀，影响维护，并可能影响可行性。

（3）NAPL特性，包括比重、界面张力，粘度、蒸汽压和溶解度等，这些特性对原位处理技术的设计有一定的影响。

（4）如果要修复的场地有与之相关的历史地下水监测数据，修复工程师应评估浓度趋势。这些浓度趋势可用于评估自然衰减是否正在发生，调查是否已经激发NAPL。此外，历史数据趋势可以帮助了解NAPL的存在，从而适当地放置ISTR系统。

在初始加热后，地下水中大部分挥发性有机化合物的浓度会在受热区增加，直到水的温度达到共沸混合物的共融点。土壤从环境温度加热到水沸腾温度（100 ℃），然后，土壤在水沸腾温度下停留一段时间，直到达到目标温度[5]。随着温度的升高，浓度将会下降。因此，地下水浓度预计会在ISTR应用期间发生变化，因此有必要确定是否会有潜在的不利影响，并相应地设计修复系统。

2.3 热传导加热技术（TCH）筛选

TCH是原位修复技术中对土壤类型和地下水中总溶解固体的变化最不敏感的技术。TCH处理区域的几何形状没有实际限制，也就是说，它可以是薄的、不规则的，或者深度超过30米。地下 残留物的存在，如混凝土墙、储罐或垃圾填埋场碎屑（包括金属物体），也不会妨碍热传导加热。然而，场地的特性确实影响TCH的设计。例如，处理浅层污染需要安装一个绝缘表面盖来控制热量损失。与使用大量的短垂直加热器井相比，使用较少的横向水平加热器在沟槽中放置，可以更经济有效地解决浅层污染问题。岩性确实会影响钻井方法的选择，直推钻井通常用于加热井，螺旋钻井通常用于加热-真空井。地下残留物还可能影响加热井的钻探方法。高渗透区会影响达到过热温度的能力，可能需要采取措施控制对热处理层的地下水补给。一般来说，透水率的上限约为10-3cm/s。

和其它原位热处理技术一样，TCH需要的场地特征信息有：

（1）有机氯代烃的浓度和特性；

（2）横向和纵向的污染程度；

（3）污染物的大致位置、性质、范围；

（4）可能导致废气处理设备负荷的非关注污染物浓度，如颗粒活性炭。

由于使用TCH技术的温度较高，地下水环境中无机物受到较大的影响。阴离子的浓度，如碳酸盐，可以提供原位缓冲能力，氯代烃的原位破坏有可能产生盐酸（HCl）。如果酸碱缓冲能力不够，在选择管材、设备材料的时候就要考虑到低pH环境的影响。

TCH可以处理多种有机污染物，主要包括：

（1）包气带中的VOCs；

（2）包气带中的SVOCs；

（3）饱和带中的VOCs；

（4）饱和带中的SVOCs

虽然TCH都可以处理地下水位以上和以下的污染物，但还是要控制地下水的补给速度，特别是地下水位以下的饱和带，不能让地下水的补给速度过快。可以采取一些屏障来阻止地下水的补给，比如钢板、阻隔墙等等，但也因此造成较大的成本代价。

虽然TCH技术通常可以处理约95%至99%的污染物[4]，但污染物的类别和浓度以及排放标准还是至关重要，因为它们决定了地面空气质量控制设备的选择和设计。

2.4 电阻加热技术（ERM）筛选

电阻加热对场地岩性变化不敏感，随着处理温度的升高，总溶解固体浓度高于本底值的土壤或地下水区域会被优先于其它区域得到加热。随着土壤向水沸点的极限阈值升温，那些升温速率较慢的区域最终都能升温到水的沸点。场地岩性在ERH技术使用中主要是对于NAPL相如何迁移和积累产生主要的影响，场地特征和技术筛选所需要的重要信息有：

（1）修复区域的面积和深度；

（2）污染物特征，如沸点、水溶性和水解率；

（3）需要减少多少污染物百分比；

（4）土壤中总有机碳含量；

（5）不易挥发的污染物质的存在，如油和油脂；

（6）地下设施的位置。

其它一些场地信息，可以优化技术选择和设计，但通常不会显著影响成本或效率：

（1）土壤岩性分布

（2）土壤饱和或水分含量

（3）NAPL相是否存在

（4）土壤和地下水的电导性和热特性

由于热处理间隔通常是均匀加热的，所以不需要关于污染或NAPL的精确分布情况。修复的边界可以是不规则的，深度间隔可以不同。如果需要对上层50 cm左右的土壤进行粗放地加热，会增加热量散失到大气中的损耗。如果需要大量（大于90%）减少这种浅层VOCs，通常可以使用表面隔热层来达到更高的温度。

目标关注污染物的物理和化学特性会影响修复的能耗、时间和成本。污染物的减少幅度也是一个重要的修复参数，需要减少的百分比可以通过健康风险评估得出，对于绝大多数VOCs来说在期望污染物浓度的基础上再减少百分之九可能会增加10%～20%的处理成本。

如果污染物扩散到土壤表面1.2米以内，应重点考虑地下设施。如果大多数公用设施是由金属、陶土或其他不敏感温度的材料建造的，则不会受到ERH的影响。ERH已应用于金属天然气管道、电话、光纤电缆、水和污水管道穿越的地区。

ERH会受到影响的主要是那些对温度敏感的基础设施主要包括塑料水管和天然气管道，以及输送大量电力的电缆。

与工业活动相比，ERH的电力负荷较低，但是要比其它修复手段要高得多。在做技术筛选的时候，需要重点考虑场地是否可以提供支撑ERH修复技术的电力能力。

2.5 蒸汽加热技术（SEE）筛选

蒸汽注入的主要设计数据包括：

（1）处理区域的横向和纵向范围。这些数据用来估计需要加热的体积，蒸汽的使用量以及总体成本；

（2）NAPL是否存在，以及关注污染物的密度、蒸汽压和溶解度。

（3）土壤和地下水的修复目标值；

（4）地质分层；

（5）目标处理层的水平和垂直渗透率；

（6）水文数据；

（7）安装井的障碍物情况。

对于浅层的小型场地，利用注蒸汽进行处理的性价比并不是很高，除非涉及到场地内部的建筑物或地下管线不能拆除而排除了挖掘等较便宜的选择。

蒸汽注入的压力受到表土层压的限制，这直接关系到注汽区域的土壤层厚度。一般的经验法则是，注入压力不应超过0.0113 Mpa/m的覆盖层。

在铺好的地面和混凝土下面注入蒸汽可以在较浅的深度处理。通常蒸汽注入技术对深度超过1～2米的地层是有效的。

高渗透性土壤比低渗透性土壤更有利于蒸汽注入。土壤环境的渗透率越低，蒸汽注入压力要求越高，导致需要更高的蒸汽温度。更高的压力也会导致土壤不稳定。一般来说，对于超过9.1米的区域，渗透系数不能低于10-5cm/s，而对于较浅的地点，需要更高的渗透性。对于深度小于6.1米的场地，蒸汽注入的实际极限可能是10-3cm/s左右。然而，如果渗透系数在该值附近变化，则可以将注蒸汽与电加热相结合，以克服致密地层的传热限制。不过也有研究表明，当蒸汽注入邻近的高渗透性透镜体和地层时，仍能有效地处理低渗透性土壤[5]。

3 国内原位热处理技术未来展望

（1）提高温度或时间可以提高污染物的减少效率，但也会对土壤特性造成更严重的影响[6]。

（2）原位热处理实施效果及成本受拟修复场地的污染情况、水文地质、地下建（构）筑物的影响很大，在实施前必须完成高精度的场地调查。

（3）在原位热处理技术中安全因素将会得到越来越多的重视，比如加热源、电和燃气的安全使用。

（4）浅层地表的修复，从经济性上考虑，异位修复可能更优于原位加热修复技术。

（5）表面隔热层的有效使用对原位热处理技术的能耗降低有至关重要的作用。

（6）成本的大幅降低对原位加热修复技术的进一步推广至关重要，须尽快实现加热元器件的国产化，以及能耗的进一步降低。

（7）精细化应用的重要性更为凸显，分区分布加热，根据修复过程中的修复效果评估情况灵活调整加热模式。

（8）对于原位加热修复实施可能不达标的区域，考虑与其他修复技术的联用，如热强化的原位化学氧化技术、ERH+生物修复技术等。

（9）总结国际经验，关注产业技术前沿。如原位燃烧、射频加热等新型热处理技术，和低能耗热技术。