污染地塊原位加熱處理技術研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

康紹果，李書鵬，范云

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污染地塊原位加熱處理技術研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

康紹果，李書鵬，范云

（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，北京 100015）

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

污染地塊；熱分離技術；環(huán)境修復；脫附

美國、荷蘭、日本及澳大利亞等國家污染地塊修復技術研究開發(fā)開始于20世紀70年代，通過制定完善的污染地塊修復計劃，在修復技術及設備研發(fā)上投入大量資金，使其污染地塊修復技術得到快速發(fā)展，形成了成熟的修復技術體系并積累了豐富的工程實施經(jīng)驗。國內(nèi)在21世紀初才開始重視污染地塊修復技術研究，把相關研究列入國家層面的科技研究開發(fā)計劃[1]。2016年5月國務院發(fā)布了《土壤污染防治行動計劃》[2]，明確提出對污染地塊進行風險管控及治理修復，污染地塊修復行業(yè)將迎來快速發(fā)展，對污染地塊修復技術提出更高的要求。

原位加熱技術自20世紀70年代開始應用于污染地塊的修復，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污染物的去除率[3-5]。原位加熱技術具有耗時短、可同時處理多種污染物、對低滲透污染區(qū)及不均質(zhì)污染區(qū)域具有較強的適用性等優(yōu)點。因此，原位加熱技術近年來在國外得到了快速的發(fā)展及廣泛的應用，已經(jīng)被成功地應用于修復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]、無機汞[10]以及持久性有機污染物（POPs）[11]等污染地塊。隨著污染地塊修復相關法律法規(guī)的落地以及技術標準、規(guī)范的頒布，國內(nèi)修復行業(yè)將迎來高速發(fā)展[12]，原位加熱處理技術需求將會快速增加。然而，國內(nèi)有關原位加熱技術自主研究處于起步階段，系統(tǒng)總結(jié)原位加熱技術研究及應用現(xiàn)狀的文獻較少[13]。

本文系統(tǒng)地介紹原位加熱處理技術及其在國內(nèi)外研究和應用現(xiàn)狀，重點介紹幾種原位加熱方式，結(jié)合國內(nèi)污染地塊特點提出污染地塊原位修復技術未來的發(fā)展趨勢及對國內(nèi)研發(fā)原位加熱處理技術的建議，以期為國內(nèi)原位加熱處理技術發(fā)展提供支持。

1 原位加熱處理技術概況

1.1 原位加熱處理技術基本原理

原位加熱處理技術通過對污染區(qū)域（飽和帶和非飽和帶）加熱，促使有機污染物加速移動進入氣相或液相，通過氣相或液相收集井收集輸送至地表進行處理，實現(xiàn)對地下污染區(qū)域的快速修復[14]。原位加熱處理技術主要適用于土壤和地下水中揮發(fā)性、半揮發(fā)性有機污染物及揮發(fā)性的無機物如Hg、As以及Se的去除。污染物的主要去除機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（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

一般來說，有機污染物的蒸氣壓隨溫度升高快速增長，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，通過對氣相的抽出，實現(xiàn)污染物區(qū)域的快速修復。同時，隨著氣相抽出的進行，氣相中污染物的分壓降低進一步加快污染物由液相或固相進入氣相的速率。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。該機制主要針對存在連續(xù)態(tài)NAPLs及殘渣態(tài)NAPLs污染區(qū)域。

1.1.3 提高地下污染物反應（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污染物原位降解反應速率，地下區(qū)域有機污染可發(fā)生的反應主要包括水解、熱解、氧化以及微生物降解等，溫度升高均能提高上述反應的速率（微生物降解反應速率隨著溫度升高先升高后降低）。氧化和熱解主要是針對某些熱不穩(wěn)定的污染物，在溫度較高的情況下發(fā)生氧化反應及熱解，將污染物降解為分子量更小的有機污染及碳或直接氧化為無毒的無機物。

1.2 原位加熱技術分類

根據(jù)熱量傳遞方式及能量轉(zhuǎn)化的不同，原位加熱技術可分為4種，即蒸汽/熱空氣注入技術（steam/hot air injection，SAI）、熱傳導加熱（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

蒸汽/熱空氣注入技術（SAI）通過將水蒸氣或者熱空氣注入污染區(qū)域，熱量通過對流的方式傳遞，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入氣流，氣流經(jīng)過污染區(qū)域時，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)性有機物加速進入氣相，隨注入的熱空氣或蒸汽進入真空抽提井得以去除，最終實現(xiàn)污染物的清除。SAI技術運行條件溫和，適用于均質(zhì)性好、水力傳導系數(shù)較大的污染區(qū)域的修復。

1.2.2 熱傳導加熱技術

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

熱傳導技術可以將污染區(qū)域加熱至幾百攝氏度，由于熱傳導技術中熱量的傳遞不通過載熱介質(zhì)，因此該技術適合于在滲透性差的污染地塊中應用。另外，該技術對均質(zhì)化不好的污染地塊修復也可以取得較好的效果。原位熱傳導技術應用必須與土壤氣相抽提技術聯(lián)用，根據(jù)污染物在場地中的具體位置和場地的水文地質(zhì)特征，一般來說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效果。

1.2.3 電阻加熱技術

電阻加熱技術主要是基于焦耳定律，即電流流過電阻時，電能會轉(zhuǎn)化為熱量，引起通電導體溫度的升高。在污染地塊修復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。在這個過程中污染區(qū)域空隙中的水分起到傳導電流的作用，一般可將污染區(qū)域溫度提高至水的沸點。電阻加熱系統(tǒng)整體主要包括電力控制設施、電極、蒸氣（廢氣）回收設施和回收處理系統(tǒng)等。此技術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廢氣進行真空抽提、收集和處理。電阻加熱技術示意圖如圖3所示。

圖3 原位電阻加熱技術示意圖[3]

1.2.4 射頻加熱技術

射頻加熱技術的加熱機制為電介質(zhì)類材料在高頻電場作用下，其分子和原子中正負電荷產(chǎn)生高頻率的交替位移，分子和原子的熱運動加劇，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)域的交變電磁場誘導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，實現(xiàn)對污染區(qū)域的加熱。

射頻技術利用高頻電壓產(chǎn)生的電磁波對污染區(qū)域進行加熱，類似微波爐對食品的加熱，原位修復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，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實現(xiàn)加熱。射頻加熱技術熱量轉(zhuǎn)移的效率超過90%，能源利用效率高。

射頻加熱技術應用于原位污染地塊修復的示意如圖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，柱狀電極可以同時作為土壤氣相抽提井使用。

1.3 原位加熱技術適用性及主要優(yōu)勢

原位加熱技術在國外有機污染地塊修復中得到了較多的應用，KINGSTON等[17]統(tǒng)計了182個1988—2007年之間應用原位加熱處理技術案例，根據(jù)使用加熱技術分類的結(jié)果如表1。

從表1可知，在幾種加熱方式中，應用原位電阻加熱的案例是最多的。主要是因為：①原位電阻加熱技術具有能量利用效率高、適應于滲透性差及均質(zhì)化差的污染區(qū)域的修復等優(yōu)點；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大多低于水的沸點，使用電阻加熱技術完全可以將污染區(qū)域的溫度加熱至其沸點以上。

以上介紹的4種原位加熱修復技術的特點及適用范圍總結(jié)如表2。

與原位化學氧化、異位熱脫附等技術相比，原位加熱處理技術主要優(yōu)點包括：耗時短，可同時處理多種污染物，對低滲透污染區(qū)及不均質(zhì)污染區(qū)域具有較強的適用性以及較高的修復效率。表3所示為原位加熱處理技術與原位化學氧化及異位熱脫附技術主要技術及經(jīng)濟指標對比。

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

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

表2 不同原位熱技術適用范圍及特點[5，13-14]

注：CHC，氯代碳氫化合物（chlorinated hydrocarbons）；BTEX，苯系物；PRO，石油類有機物（petroleum range organics）；PAHs，多環(huán)芳烴。

2 污染地塊原位加熱處理技術研究及應用現(xiàn)狀

國外自20世紀80年代即開始將原位加熱處理技術應用于污染地塊的修復中，已在上百項污染地塊修復中使用了原位加熱處理技術[4]。國內(nèi)原位加熱處理技術的研究及應用起步比較晚。

2.1 蒸汽強化抽提技術研究及應用現(xiàn)狀

蒸汽強化抽提技術在20世紀30年代即在采油行業(yè)得到利用，在采油應用中，利用熱蒸汽的注入降低油的黏度以使得原油更容易進入回收井，蒸汽的注入促進了孔隙中原油的回收[23]。受原油開采中應用蒸汽注入的啟發(fā)，在修復領域，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。

國外對蒸汽強化抽提技術的研究較早，目前已在污染地塊修復中得到較為廣泛的應用。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周期過長，通過注入空氣以及蒸汽混合氣不但能加速修復，而且還能避免污染物的垂直遷移。2003年，由美國能源部實施的使用蒸汽加熱強化抽提和電阻加熱去除污染地塊中的DNAPL，經(jīng)歷4.5個月的修復后，對關注的污染物的去除效率在99.85%～99.99%，達到了修復目標，滿足場地關閉的標準[25]。針對蒸汽強化抽提實施過程中高溫蒸汽由地表溢出導致溫度散失的問題，HODGES等[26]通過模型模擬認為空氣注入對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，并以模型預測的最優(yōu)空氣蒸汽比進行實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)注入比下實施是控制污染物豎向遷移的有效方式，在最優(yōu)注入比下操作相對單獨注入蒸汽時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。

國內(nèi)對原位蒸汽強化抽提技術的自主研究處于實驗室研究階段，但通過與國外企業(yè)合作，已有企業(yè)進行了原位蒸汽強化抽提中試研究。彭勝等[29]于2013年發(fā)表蒸汽強化抽提的研究論文，使用二維沙箱研究了砂土中TCE蒸汽強化抽提技術，結(jié)果表明粗砂層及細砂層TCE的去除率沒有顯著性差異，粗砂實驗中觀察到輕微的TCE垂直遷移現(xiàn)象，細砂實驗中沒觀察到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)人工設置不同的污染方式和污染區(qū)域，開展蒸汽注射修復實驗。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 熱傳導加熱技術研究及應用現(xiàn)狀

國外利用熱傳導技術進行污染地塊的修復已經(jīng)有超過二十年的歷史，殼牌勘探和生產(chǎn)公司為了強化原油的回收開發(fā)了原位熱傳導加熱技術并申請了專利[15]，目前該專利技術由TerraTherm公司所擁有，主要應用于污染地塊修復[31-32]。

表3 3種常用有機污染地塊修復技術經(jīng)濟技術指標對比[18-22]

注：污染地塊修復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、修復目標以及統(tǒng)計方式等不同而有較大差異，本表數(shù)據(jù)為統(tǒng)計分析文獻[18-22]所得，具體項目工期及成本要綜合考慮各種因素確定。

近年來，熱傳導加熱技術在國外有較多修復案例，1998年9月～1999年4月間，對位于Ferndale市的某受PCBs及PCDD/Fs污染的場地使用熱傳導技術進行了修復[場地面積為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%，整個工程花費45.60萬美元[33]。殼牌石油公司位于Eugene市的場地受苯（地下水中濃度1200μg/L）、石油類有機物（土壤中濃度3500mg/kg）、柴油類有機物（土壤中濃度9300mg/kg）污染，場地的面積大約為0.75英畝（3035m2）。使用原位熱傳導加熱技術對該場地進行了修復，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月份取得了不需進一步采取行動的批文，整個修復過程花費297.10萬美元[34]。原位熱傳導加熱技術應用于PAHs、PCP、二英類以及石油類碳氫化合物等污染地塊也取得了成功[4]。

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

國內(nèi)對污染地塊原位熱傳導加熱技術的研究較少，有少量的專利申請及學術文獻的發(fā)表。2011年，天津某環(huán)保公司申請了題為“一種原位熱強化組合土壤氣相抽提技術治理污染土壤的裝置”的實用新型專利，其中使用的熱強化技術即為熱傳導加熱[36-37]。近幾年，華北電力大學[38]、上海環(huán)境科學研究院[39-41]、中國科學院地理研究所[42]等相繼已申請了原位熱傳導加熱相關的專利，主要涉及原位熱傳導修復裝置。廖志強[43]通過采集污染土壤在實驗室進行砂箱實驗模擬原位熱傳導加熱強化土壤氣相抽提對BTEX的去除率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：加熱能夠使土壤中的有機質(zhì)含量減少，有利于污染物的去除，而且加熱功率越高，有機質(zhì)去除的速率越快，朱杰等[44]實驗也得到相同的結(jié)論。周昱等[45]在實驗室使用石英砂進行了熱傳導加熱強化SVE的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)石英砂中的水分對熱傳遞以及熱擴散速度的影響顯著，接近熱源的砂層溫度遠遠超過水沸點，隨著與熱源距離的增加，砂層所能達到的最大溫度在下降。

2.3 電阻加熱技術研究及應用現(xiàn)狀

電阻加熱技術最初是作為強化采油技術應用的，早在1969年，利用電阻加熱強化采油即進行了場地測試研究，19世紀70年代有許多相關的專利發(fā)表[46-47]。19世紀90年代早期，美國能源部科技辦公室即資助太平洋西北國家實驗室（PNNL）進行了電阻加熱在土壤修復領域應用的研發(fā)項 目[48]。最初，電阻加熱被作為原位玻璃化過程的脫水工具，隨著研究的進行，很快研究者發(fā)現(xiàn)該技術可以應用于地下污染修復。1997年，電阻加熱技術成為了一種商業(yè)化的修復技術[15]。

國外電阻加熱技術得到了較多研究及應用，已有較多成功的工程應用案例。在國外公布的研究文獻及應用案例中，利用電阻加熱技術修復的污染物包括航空油及柴油、氯代有機溶劑、苯系物等。VAN ZUTPHEN等[49]利用二維沙箱實驗研究了電阻加熱強化土壤氣相抽提對粉砂及低滲透土壤中TCE的修復，結(jié)果表明與單純使用土壤氣相抽提技術相比，電阻加熱強化土壤氣相抽提技術對TCE的去除效率提升了19倍，運行45天后，99.8%的TCE被去除。Brown & Caldwell公司[4]使用電阻加熱技術修復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周的運行后，達到了修復目標。

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

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

2.4 射頻加熱技術研究及應用現(xiàn)狀

射頻加熱技術開始于20世紀30年代，在食品、醫(yī)療等行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的應用，通?？梢苑譃檎T導加熱及電介質(zhì)加熱兩類。在20世紀70年代中期，射頻加熱技術被應用于回收碳氫化合物，適合在原位土壤修復中應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90年代初，有一些使用射頻加熱技術進行污染地塊原位修復的學術文獻發(fā)表。BOWDERS等[53]使用原位射頻加熱技術修復受柴油污染的土壤，柴油去除率達到99%。PRICE等[54]的研究表明，RFH強化SVE技術不但能促進石油烴類的熱回收，還能促進污染物的微生物降解。ROLAND等[8]于2010年發(fā)表的文章在實驗室及場地層面對原位射頻加熱技術進行了研究，結(jié)果表明原位加熱不會完全清除場地原有微生物。HUON 等[9]對某汽油站場地使用射頻加熱強化-SVE修復表明，相對單純的SVE，射頻加熱強化使得修復時間降低了80%以上，耗能與氣相抽提類似。

原位射頻加熱修復技術在過去十年里并沒有得到廣泛的應用，僅在實驗室研究較多，有完整信息的場地示范項目比較少。國內(nèi)對原位射頻加熱修復技術的研究較少，2013年上海環(huán)境科學研究院申請了射頻加熱修復相關的專利[55]，涉及射頻加熱的裝置及方法。楊偉等[56]在實際污染地塊中開展的射頻加熱強化-土壤氣相抽提研究表明：射頻陽極采用并聯(lián)方式連接對場地的加熱效果較好，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的發(fā)展趨勢

3.1 發(fā)展趨勢

美國環(huán)保署超級基金修復報告統(tǒng)計結(jié)果表明，原位加熱技術已經(jīng)成為主要原位修復技術之一，1982—2004年原位加熱處理技術應用只占1%， 2005—2008年已上升到9%[57]。未來原位加熱處理技術的發(fā)展趨勢總結(jié)為以下幾個方面。

3.1.1 依托技術集成促進原位加熱處理技術發(fā)展

首先，不同的原位加熱技術各有其優(yōu)點，針對具體的污染地塊，單一地使用某種原位加熱技術通常很難達到預定的修復效果或者成本太高，通常需要聯(lián)合不同的加熱技術使用。針對某受三氯乙烯及三氯乙烷污染的場地（存在蒸汽不可達區(qū)域），SMITH等[58]首先使用蒸汽強化抽提技術修復了可注射蒸汽的區(qū)域，對表層有建筑物、蒸汽不可達的區(qū)域，使用電阻加熱技術進行了修復，加熱修復后剩余的污染物殘渣，使用生物降解技術進行修復，最終使得污染地塊達到了關閉的標準。HERON等[25]使用原位蒸汽強化抽提及原位電阻加熱技術聯(lián)用對存在低滲透區(qū)及高滲透區(qū)的土壤進行修復，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污染的場地修復達到關閉的標準。

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

3.1.2 依托設備創(chuàng)新促進原位加熱處理技術發(fā)展

污染地塊修復具有場地環(huán)境復雜、不同地塊之間差異大（水文地質(zhì)、污染物濃度及性質(zhì)）、設備拆裝頻率高以及修復工期緊張等特點。原位加熱處理技術的發(fā)展必然需要依托修復設備的創(chuàng)新，開發(fā)與修復技術配套的集成化程度高、構造緊湊、智能化控制以及適應性強的設備將是今后原位加熱處理技術發(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)測控制單元等，涉及的設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、高濃度氣相有機污染物降解設備以及污水處理設備等?，F(xiàn)階段上述設備存在集成程度低、安裝工期長、智能化控制較差以及運維復雜等問題。本文作者曾在重慶及寧波進行過兩個原位加熱處理技術應用工程項目，所使用的加熱井及高性能氣提泵由國外供應商提供，抽出氣液處理處置系統(tǒng)各單元設備在國內(nèi)加工，實施過程由于設備集成程度低，導致安裝工期超過預定工期，運行過程由于設備之間兼容性較差，不能實現(xiàn)完全自動化、智能化控制，導致操作控制復雜，維修時間增加，最終致使修復成本增加。另外，根據(jù)國內(nèi)外已實施修復項目統(tǒng)計結(jié)果，原位加熱處理實施中能源成本約占運行成本的60%～80%，因此研究開發(fā)適合在污染地塊修復現(xiàn)場應用的高效供能設備是設備創(chuàng)新的重點。

3.1.3 依托綠色修復理念促進原位加熱處理技術 發(fā)展

國外很早就提出了綠色修復的理念，綠色修復即在修復工程中考慮修復實施過程的環(huán)境效益，重視選擇最小環(huán)境足跡的修復方案。美國EPA與ASTM合作于2013年發(fā)布了《綠色清除標準指南》（ASTM E2893-13）[60]，旨在促進綠色修復的發(fā)展，為綠色修復方案制定、綠色修復實施過程提供 指導。

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

3.2 我國污染地塊原位加熱處理技術發(fā)展的思考

原位加熱處理技術具有修復周期短、修復效率高、對污染物及場地水文地質(zhì)條件適用范圍廣、治理過程中對現(xiàn)場人員及周圍環(huán)境危害小等特點，是極具潛力的污染地塊修復技術。我國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)相關的實驗研究論文，僅有少量的專利申請及科研文獻發(fā)表，目前主要依靠與國外公司的合作進行少量的中試研究及工程應用，基礎研究環(huán)節(jié)比較薄弱。今后對污染地塊原位加熱處理技術理論及工程應用研發(fā)重點應當集中在以下3點。

（1）重視產(chǎn)學研的結(jié)合，引進吸收國外先進技術及經(jīng)驗時重視自主研發(fā)，盡快形成適合國內(nèi)污染地塊修復的具有自主知識產(chǎn)權的原位加熱處理技術及配套的設備，實現(xiàn)原位加熱技術及裝備的國產(chǎn)化。

（2）高?？蒲袡C構等重點關注原位加熱處理過程中污染物的去除機理以及遷移轉(zhuǎn)化機制方面的研究，通過模型模擬的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(shù)學關系，為該技術發(fā)展提供理論支持。

（3）企業(yè)應該重點進行原位加熱處理技術工程應用研究，優(yōu)化工程參數(shù)，提高原位修復技術實施過程的管理水平。

國內(nèi)在推進原位加熱技術國產(chǎn)化的過程中應同步進行原位加熱技術研究與抽出蒸汽及液體處理技術研究，形成適合國內(nèi)污染地塊原位加熱修復集成系統(tǒng)，包括原位加熱單元、抽出蒸汽及液體處理單元、自動控制單元以及在線監(jiān)測單元等。

4 結(jié)語

目前我國污染地塊修復行業(yè)處于快速發(fā)展階段，修復技術不足以支撐修復行業(yè)的發(fā)展，急需研發(fā)系統(tǒng)的、具有工程化應用價值、適合我國污染地塊以及擁有自主知識產(chǎn)權的修復技術來支撐我國修復行業(yè)的快速發(fā)展。

原位加熱處理技術通過提高污染區(qū)域溫度，促進污染物的揮發(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現(xiàn)對污染地塊的凈化和修復，具有修復周期短、適用范圍廣（不同污染物及不同特點的場地）以及修復效率高等特點。目前，原位加熱處理技術在國外已經(jīng)得到大量的工程應用，而國內(nèi)處于起步階段，現(xiàn)階段應用原位加熱技術的修復項目核心材料或工藝都是從國外引進。需要發(fā)揮“引進-吸收-消化-創(chuàng)新”模式的優(yōu)勢，借鑒國外研究開發(fā)及工程實施經(jīng)驗，進行理論研究與應用研究，結(jié)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加熱處理技術及配套修復設備。

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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。

國家高技術研究發(fā)展計劃項目（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)查評估及修復治理技術研究開發(fā)及項目管理。E-mail：kangshaoguo@163.com。

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