原位熱脫附能效評(píng)價(jià)方法構(gòu)建及應(yīng)用研究

范婷婷,靳德成,劉 鵬,王 祥,趙遠(yuǎn)超,鄧紹坡,張勝田,劉澤權(quán),萬金忠①

(1.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所,江蘇 南京 210042;2.國家環(huán)境保護(hù)土壤環(huán)境管理與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210042;3.北京建工環(huán)境修復(fù)股份有限公司,北京 100015;4.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210009)

城市化進(jìn)程的飛速發(fā)展引起污染場(chǎng)地的大量涌現(xiàn),從而產(chǎn)生巨大的治理修復(fù)壓力。其中,部分有機(jī)污染場(chǎng)地具有污染歷史長(zhǎng)、污染情況復(fù)雜,尤其是呈現(xiàn)污染組分多、污染濃度高甚至非水相物質(zhì)(non-aqueous phase liquid, NAPL)存在、土壤地下水復(fù)合污染及污染深度大等特點(diǎn)。與此同時(shí),我國場(chǎng)地修復(fù)主要以土地周轉(zhuǎn)、房地產(chǎn)開發(fā)為需求導(dǎo)向,因此,場(chǎng)地修復(fù)偏向于采用熱修復(fù)、化學(xué)修復(fù)等周期短的方式進(jìn)行治理。

原位熱脫附技術(shù)因其具有修復(fù)效率高、修復(fù)周期短、適用范圍廣且可以達(dá)到極低的修復(fù)目標(biāo)、二次污染小以及可同步處理土壤和地下水等優(yōu)點(diǎn)而在國內(nèi)得到推廣[1-3]。然而,能耗高、成本大等缺點(diǎn)則限制了原位熱脫附技術(shù)的廣泛應(yīng)用?！锻寥牢廴撅L(fēng)險(xiǎn)管控與修復(fù)技術(shù)手冊(cè)》顯示,國外原位熱脫附處理成本約為60～150美元·m-3;而國內(nèi)現(xiàn)有工程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示其修復(fù)成本高達(dá) 1 000～2 500元·m-3[4]。其中,能源消耗是其主要成本來源[5]。韓偉等[6]認(rèn)為原位熱脫附工程成本較高的原因主要是單一熱脫附技術(shù)能耗很高。與此同時(shí),高耗能、高成本的原位熱脫附技術(shù)并不能滿足我國復(fù)雜有機(jī)污染場(chǎng)地開展“減污降碳協(xié)同增效”工作的實(shí)際需求。

降低能耗與成本不但能解決原位熱處理技術(shù)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵 “瓶頸”問題,而且對(duì)我國資源高效利用和綠色低碳發(fā)展具有重要意義。國外由于能源較為便宜,在原位熱脫附節(jié)能降耗方面的研究很少[7-8]。國內(nèi)學(xué)者在異位熱脫附能量分布、降低能耗等方面研究開展較多。如張磊等[9]通過發(fā)揮熱脫附與機(jī)械研磨的聯(lián)合作用,改進(jìn)異位熱脫附系統(tǒng)以降低能耗,結(jié)果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)改進(jìn)后天然氣消耗量可減少30%,綜合運(yùn)行成本減少15%以上。許優(yōu)等[10]通過建立輸入、輸出能量平衡關(guān)系式,對(duì)異位熱脫附系統(tǒng)各部分能耗進(jìn)行熱平衡計(jì)算,發(fā)現(xiàn)利用土壤預(yù)干燥裝置將土壤含水量從20%降低到15%,可使直接熱脫附裝置能耗降低20%以上。然而,對(duì)于原位熱脫附能耗分析,主要是通過主觀定性判斷,缺乏定量表征。謝炳坤等[5]僅通過不同土層的溫升曲線開展能耗分析,認(rèn)為表層土壤的熱量損失是導(dǎo)致能耗較高的主要原因。孟憲榮等[11]認(rèn)為能耗主要用于水分的蒸發(fā)和抽提,因此通過間歇加熱和抽提可以提高能量利用效率,而未對(duì)實(shí)際的能量消耗情況進(jìn)行對(duì)比分析。

目前,對(duì)于原位熱處理能效的定義尚無統(tǒng)一定論。其中,英國環(huán)境署將能效定義為燃料產(chǎn)生的熱能被有效地轉(zhuǎn)移給需要處理的廢棄物[12],未建立能效評(píng)價(jià)定量方法。美國環(huán)境署將回收單位污染物所需費(fèi)用定義為成本效益,并發(fā)現(xiàn)污染物濃度越高,原位熱脫附技術(shù)的成本效益就越高[13]。德國土壤、地下水和場(chǎng)地恢復(fù)創(chuàng)新中心以回收單位污染物所消耗的能量作為能耗的計(jì)算指標(biāo)[14]。因此,筆者在國外評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上構(gòu)建了原位熱脫附技術(shù)的能效評(píng)價(jià)方法,并以華北地區(qū)某實(shí)際工程案例為基礎(chǔ)開展評(píng)價(jià),以探討能效評(píng)價(jià)方法的適用性,為原位熱處理及其耦合修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用決策提供依據(jù)。

1 能效評(píng)價(jià)方法構(gòu)建

原位熱脫附是通過向地下輸入熱能,加熱土壤及地下水,提高目標(biāo)污染物的蒸氣壓及溶解度,促進(jìn)污染物揮發(fā)或溶解,并通過土壤氣相抽提或多相抽提實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)污染物去除的技術(shù)[4]。原位熱處理通過耦合其他修復(fù)技術(shù)可使原位熱處理的污染物濃度降低或加熱目標(biāo)溫度降低,進(jìn)而大幅降低原位熱處理能耗,提高修復(fù)技術(shù)能效。理論上,采用原位熱脫附技術(shù)時(shí),能量作用受體包括污染物和熱傳導(dǎo)介質(zhì)(土壤或地下水)兩個(gè)方面。因此,筆者在國外能耗分析的基礎(chǔ)上,針對(duì)兩種能量作用受體分別提出能效評(píng)價(jià)方法?？紤]到我國污染場(chǎng)地中污染組分復(fù)雜、土壤地下水復(fù)合污染的狀況,采取標(biāo)準(zhǔn)化的污染物量統(tǒng)計(jì)方法和分區(qū)塊分層次精細(xì)化污染土水體積統(tǒng)計(jì)方法分別建立污染物能效評(píng)價(jià)方法和污染土水體積能效評(píng)價(jià)方法。

1.1 污染物能效評(píng)價(jià)方法

污染物能效評(píng)價(jià)即消耗單位能量可以去除的污染物量,計(jì)算公式為

(1)

式(1)中,X1為場(chǎng)地消耗單位能量所去除的污染物量,kg·kJ-1;Z為不同污染物歸一化系數(shù),即以某溫度(目標(biāo)溫度與初始溫度的平均值)條件下水的蒸發(fā)焓作為標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行歸一化;Mi為第i種污染物(包含土壤和地下水中污染物)質(zhì)量,kg;QT為場(chǎng)地消耗的總能量,kJ。

QT=η×QE。

(2)

式(2)中,η為能量轉(zhuǎn)化效率,%;QE為燃?xì)馊紵螂娫诶碚撋限D(zhuǎn)化的熱能,kJ。

(3)

式(3)中,Mi為第i種污染物(包含土壤和地下水中污染物)質(zhì)量,kg;C1,si為場(chǎng)地土壤中第i種污染物濃度,mg·kg-1;C0,si為場(chǎng)地土壤中第i種污染物修復(fù)目標(biāo),mg·kg-1;C1,wi為場(chǎng)地地下水中第i種污染物濃度,mg·L-1;C0,wi為場(chǎng)地地下水中第i種污染物修復(fù)目標(biāo),mg·L-1;ρ為土壤容重,kg·m-3;V為單位修復(fù)土壤或地下水體積,m3;?為土壤孔隙率;SW為土壤水飽和度。

1.2 污染土水體積能效評(píng)價(jià)方法

體積能效評(píng)價(jià)指消耗單位能量可以修復(fù)的污染土壤和地下水體積,計(jì)算公式為

(4)

式(4)中,X2為場(chǎng)地消耗單位能量修復(fù)的污染土壤或地下水體積,m3·kJ-1;QT為場(chǎng)地消耗總能量,kJ;VT為場(chǎng)地中污染土壤和地下水體積,m3。

QT=η×QE。

(5)

式(5)中,η為能量利用效率,%;QE為燃?xì)馊紵螂娫诶碚撋限D(zhuǎn)化的熱能,kJ。

VT=∑Ss,i×ds,i×(1-?)+∑Sg,j×dg,j×?×Sw。

(6)

式(6)中,VT為場(chǎng)地需要修復(fù)的土壤和地下水總體積,m3;Ss,i為第i層土壤待修復(fù)面積,m2;ds,i為第i層土壤待修復(fù)厚度,m;Sg,j為第j層地下水待修復(fù)面積,m2;dg,j為第j層地下水待修復(fù)厚度,m;?為土壤孔隙率;Sw為土壤水飽和度。

1.3 熱脫附能量受體的能量消耗

根據(jù)原位熱脫附技術(shù)的作用原理,定量計(jì)算兩種能量受體所消耗的能量。污染物去除消耗的能量計(jì)算公式為

(7)

式(7)中,Qp為污染物去除所消耗的能量,kJ;C1,si為場(chǎng)地土壤中第i種污染物濃度,mg·kg-1;C0,si為場(chǎng)地土壤中第i種污染物修復(fù)目標(biāo),mg·kg-1;C1,wi為場(chǎng)地地下水中第i種污染物濃度,mg·L-1;C0,wi為場(chǎng)地地下水中第i種污染物修復(fù)目標(biāo),mg·L-1;ρ為土壤容重,kg·m-3;dV為單位修復(fù)土壤或地下水體積,m3;?為土壤孔隙率;SW為土壤水飽和度;HV為第i種污染物在某溫度條件下的蒸發(fā)焓,kJ·kg-1。

目標(biāo)溫度低于水的沸點(diǎn)和目標(biāo)溫度高于水的沸點(diǎn)條件下污染土水加熱消耗的能量(QSG1和QSG2)計(jì)算公式分別為

QSG1=V×[ρR×CR×(1-?)+ρW×CW×?×SW]×(Te-Ti),

(8)

QSG2=V×[ρR×CR×(1-?)×(Te-Ti)+ρW×CW×?×SW×(Tb-Ti)+ρW×hW×?×SW]。

(9)

式(8)～(9)中,ρR為土壤密度(不含孔隙率),kg·m-3;CR為土壤比熱容,kJ·kg-1·℃-1;?為土壤孔隙率;ρw為水的密度,kg·m-3;Cw為水的比熱容,kJ·kg-1·℃-1;Sw為水的飽和度;Te為目標(biāo)溫度,℃;Ti為初始溫度,℃;Tb為常溫常壓下水的沸點(diǎn),℃;hW為常溫常壓下水的蒸發(fā)焓,kJ·kg-1;V為加熱體積,m3。

2 工程概況

2.1 場(chǎng)地土壤污染情況

該場(chǎng)地土壤主要污染物為氯乙烯、順-1,2-二氯乙烯、1,2-二氯乙烷、三氯乙烯、1,1,2-三氯乙烷、四氯乙烯、1,1,2,2-四氯乙烷、六氯丁二烯和氯仿;地下水主要污染物為1,1,1,2-四氯乙烷、1,1,2,2-四氯乙烷、1,1-二氯乙烷、1,3-二氯丙烷、二溴甲烷、氯乙烯、三氯乙烯、順 1,2-二氯乙烯、溴苯和溴甲烷等。

2.2 場(chǎng)地地層條件

按照地層沉積年代、成因類型,將該場(chǎng)地埋深14 m范圍劃分為人工堆積層(Qml)和第四紀(jì)海陸交互相沉積層(Qmc),其中人工堆積層為雜填土和素填土,而第四紀(jì)海陸交互相沉積層則包括黏土、粉土及粉質(zhì)黏土等層次。場(chǎng)地具體水文地質(zhì)情況見圖1。

“2-21”“2-34”“2-14”“3-7”和“2-30”為地勘鉆孔編號(hào)。

2.3 工程規(guī)模及運(yùn)行參數(shù)

該場(chǎng)地原位熱脫附采用的加熱方式為熱傳導(dǎo)加熱。場(chǎng)地內(nèi)主要設(shè)置原位熱脫附修復(fù)區(qū)(以下簡(jiǎn)稱熱脫附區(qū)),區(qū)塊5為對(duì)照區(qū);其中,中試試驗(yàn)區(qū)為原位熱脫附耦合化學(xué)氧化修復(fù)區(qū)(以下簡(jiǎn)稱耦合區(qū)或試驗(yàn)區(qū)),平面布局見圖2。其中,熱脫附區(qū)區(qū)塊5土壤和地下水修復(fù)面積均為3 200 m2,修復(fù)深度為14 m。耦合區(qū)土壤和地下水修復(fù)面積均為177 m2,修復(fù)深度為14.5 m。場(chǎng)地土壤容重為1.7 g·cm-3,孔隙率為0.33。耦合區(qū)采用原位熱脫附耦合化學(xué)氧化技術(shù),目標(biāo)溫度為60 ℃,修復(fù)時(shí)間為122 d。熱脫附區(qū)僅采用原位熱脫附技術(shù),目標(biāo)溫度為100 ℃,修復(fù)時(shí)間為150 d。

TCH-1至TCH-5表示1～5號(hào)熱脫附加熱區(qū)。

2.4 相關(guān)參數(shù)的計(jì)算

通過美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology, NIST)數(shù)據(jù)庫[15]查詢各污染物的熱物理性質(zhì)常數(shù)(表1)。耦合區(qū)和熱脫附區(qū)土壤和地下水污染情況見表2～6。耦合區(qū)和熱脫附區(qū)能量消耗見表7。

表1 污染物的熱物理性質(zhì)

表2 耦合區(qū)土壤污染情況

表3 耦合區(qū)地下水污染情況

表4 熱脫附區(qū)中區(qū)塊2土壤污染情況

表5 熱脫附區(qū)中區(qū)塊5土壤污染情況

表6 熱脫附區(qū)區(qū)塊5地下水污染情況

表7 熱脫附對(duì)照區(qū)和耦合區(qū)能量消耗

3 結(jié)果與討論

3.1 污染物能效評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)式(3),結(jié)合場(chǎng)地中污染物空間分布情況,對(duì)該場(chǎng)地?zé)崦摳綄?duì)照區(qū)和耦合區(qū)中土壤和地下水污染物總量進(jìn)行測(cè)算,結(jié)果見表8。熱脫附對(duì)照區(qū)土壤和地下水污染物總量分別為228 755和633 kg,污染物總量為229 388 kg;經(jīng)蒸發(fā)焓歸一化后土壤和地下水污染物總量分別為24 121和75.5 kg,污染物總量為24 196.5 kg。耦合區(qū)土壤和地下水污染物總量分別為515.37和93.82 kg,污染物總量為609.19 kg;經(jīng)過蒸發(fā)焓歸一化后土壤和地下水污染物總量分別為55.87和10.05 kg,污染物總量為65.92 kg。經(jīng)過歸一化后,污染物總量降低,主要是因?yàn)樗恼舭l(fā)焓高于其他污染物。但由于熱脫附對(duì)照區(qū)和耦合區(qū)規(guī)模不同,為方便對(duì)比兩個(gè)區(qū)域土壤和地下水的污染程度,以單位土體(含地下水)中污染物量表示污染程度。因此,熱脫附對(duì)照區(qū)污染程度為5.21 kg·m-3,而耦合區(qū)為0.24 kg·m-3。由此說明,熱脫附對(duì)照區(qū)土壤和地下水污染程度高于耦合區(qū)土壤和地下水污染程度,熱脫附對(duì)照區(qū)污染程度約為耦合區(qū)的21倍。該結(jié)果也驗(yàn)證了原位熱脫附在污染程度高的場(chǎng)地具有較高的能量使用效率[16]。

表8 熱脫附對(duì)照區(qū)和耦合區(qū)污染物能效評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)式(1),分別計(jì)算熱脫附對(duì)照區(qū)和耦合區(qū)污染物能效,結(jié)果見表8。其中,熱脫附對(duì)照區(qū)污染物能效為8.81×10-7kg·kJ-1,而耦合區(qū)污染物能效為2.08×10-7kg·kJ-1,熱脫附對(duì)照區(qū)能效高于耦合區(qū)。

3.2 污染土水體積能效評(píng)價(jià)結(jié)果

考慮到熱脫附技術(shù)的作用原理是通過對(duì)土壤和地下水加熱從而促進(jìn)污染物的解吸脫附等,筆者提出另一種能效評(píng)價(jià)指標(biāo)——體積能效評(píng)價(jià),即消耗單位能量可以修復(fù)污染土壤或地下水的體積。根據(jù)式(6),結(jié)合場(chǎng)地中污染物空間分布情況,對(duì)該場(chǎng)地?zé)崦摳綄?duì)照區(qū)和耦合區(qū)土壤和地下水體積進(jìn)行測(cè)算,結(jié)果見表9。熱脫附對(duì)照區(qū)土壤和地下水污染體積分別為22 756和6 336 m3;耦合區(qū)土壤和地下水污染體積分別為1 720和789 m3。

表9 熱脫附對(duì)照區(qū)和耦合區(qū)體積能效評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)式(4)計(jì)算熱脫附對(duì)照區(qū)和耦合區(qū)體積能效,結(jié)果見表9。其中,熱脫附對(duì)照區(qū)體積能效為1.06×10-6m3·kJ-1,而耦合區(qū)體積能效為7.91×10-6m3·kJ-1,耦合區(qū)能效高于熱脫附對(duì)照區(qū)。

3.3 適用性分析

根據(jù)原位熱脫附技術(shù)的能量作用原理,分別計(jì)算熱脫附對(duì)照區(qū)和耦合區(qū)污染物和熱傳導(dǎo)介質(zhì)在原位熱脫附作用下的能量消耗,結(jié)果見表10。對(duì)于熱脫附對(duì)照區(qū),原位熱脫附作用于污染物的能量占總能量消耗的17.57%,而土水加熱所消耗的能量占比則為61.80%。對(duì)于耦合區(qū),原位熱脫附作用于污染物的能量?jī)H占總能量消耗的2.11%,而土水加熱所消耗的能量占比則為74.43%。前文分析表明,熱脫附對(duì)照區(qū)污染程度約為耦合區(qū)的21倍。由此說明原位熱脫附技術(shù)的能量消耗受污染物含量的影響并不顯著,而受污染土水體積的影響更顯著。

表10 熱脫附對(duì)照區(qū)和耦合區(qū)能量受體的能耗

此外,例如耦合區(qū)地下水中三氯甲烷和三氯乙烯平均質(zhì)量濃度分別為151.45和32.29 mg·L-1,而熱脫附對(duì)照區(qū)地下水中三氯甲烷和三氯乙烯平均質(zhì)量濃度分別為29.31和52.02 mg·L-1,均遠(yuǎn)高于其在水中的溶解度,說明該地塊中可能存在重非水相物質(zhì)(DNAPL),因此,基于污染物的能效評(píng)價(jià)方法會(huì)低估污染物總量,從而低估熱脫附技術(shù)的能效結(jié)果。

因此,綜合考慮原位熱脫附技術(shù)的能耗分析和污染物含量計(jì)算的不確定性,該研究認(rèn)為對(duì)于原位熱脫附技術(shù)采用基于體積能效的評(píng)價(jià)方法更有意義。

4 結(jié)論

針對(duì)原位熱脫附技術(shù)(或以原位熱脫附技術(shù)為主的耦合技術(shù)),建立了基于污染物和污染土水體積的能效評(píng)價(jià)方法;考慮到原位熱脫附技術(shù)能量受體的能耗分析結(jié)果和污染物量計(jì)算的不確定性,原位熱脫附技術(shù)采用體積能效評(píng)價(jià)方法更有意義;熱脫附對(duì)照區(qū)體積能效為1.06×10-6m3·kJ-1,耦合區(qū)體積能效為7.91×10-6m3·kJ-1,耦合化學(xué)氧化技術(shù)后能效提升約6.5倍。