绿色可持续修复

逐渐成为国际场地修复领域

重要发展方向

在我国“双碳”战略目标背景下

场地修复技术开发与行业发展

面临巨大挑战和创新机遇

日前，污染场地安全修复技术国家工程实验室清华大学分室李广贺研究团队与建工修复（300958）研究团队，在学术期刊《地学前缘》上发表了“污染场地原位热修复技术与能效分析”的研究成果。

该研究得到国家重点专项项目“场地地下水卤代溶剂污染高效修复技术” （2018YFC1802500）和国际合作项目“原位热修复技术在污染场地土壤修复中的应用” （2016YFE0102000）的支持。

研究团队围绕原位热修复所存在的技术有效性和能耗评估问题，分析原位热修复技术机制，识别原位热修复效能影响因素。基于污染场地中试，研究传热性能和温度场时空分布，分析能耗和能量利用效率，提出原位热修复技术能效评估发展态势。

研究表明，原位热修复技术中，土壤有机污染物的蒸气压、粘度、溶解度、亨利定律常数和辛醇-水分配系数等性质随温度升高而变化，促进污染物蒸发、氧化、热解和生物降解等。原位热修复热效应与能耗不仅受到加热方式、热驱动和污染物组分与性质的影响，还受到土层渗透性、质地、含水率、导热率、电导率等多因素的影响。基于ERH中试系统温度场时空分布与能耗的分析，加热效率受电极井距离和地层环境影响，在未来研究和实践中应关注热量向加热区域外扩散造成的能量损失。

该研究有助于进一步提出原位热修复技术节能降碳的新思路新方案，在工程应用中提升能耗和能量利用效率，更好契合绿色可持续修复趋势。

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污染场地原位热修复技术与能效分析

作者：张小刚1，张 芳1，李书鹏1,2，韦云霄2，侯德义1，李广贺1，*

*通信作者：李广贺，男，博士，长聘教授，博士生导师，主要从事污染场地修复研究

引言

原位热修复（In situ thermal remediation/treatment，ISTR或ISTT）作为有机污染场地常用原位修复技术，具有快速、高效和适用性强等特征；对于挥发性有机物（VOCs）和半挥发性有机物（SVOCs），尤其是其对重非水相液体（dense non-aqueous phase liquids，DNAPLs）污染场地修复表现出了独特优势。基于美国超级基金修复报告，含有挥发性有机物（VOCs）的污染场地占场地总数的78%，含有半挥发性有机物（SVOCs）的污染场地占场地总数的71%；尤其是，50%以上的污染场地同时存在VOCs、SVOCs、重金属三类污染。2019年，我国112个工业污染场地修复工程中，约有71.4%为有机污染场地，其中48.2%为含有机污染的复合污染场地。基于朱辉等的统计分析，地下水中出现VOCs和SVOCs的场地比例分别高达92%和61%，土壤中出现VOCs和SVOCs的场地分别占比65%和46%。对于非均质尤其是含有低渗透地层的有机污染场地，为保障修复效率，原位热修复往往成为首选技术。

随着全球气候变化的日益严峻，以及对温室气体排放的广泛关注，“绿色可持续修复”逐渐成为国际场地修复领域重要发展方向。在我国“双碳”战略目标背景下，场地修复技术开发与行业发展面临巨大挑战和创新机遇。值得关注的是，由于原位热修复加热过程能耗较大，影响其在“双碳”战略背景下的应用。同时，原位热修复技术效果与能耗影响因素复杂，难以有效分析和评估效能关系。为此，本文围绕原位热修复所存在的技术有效性和能耗评估问题，分析原位热修复技术机制，识别原位热修复效能影响因素；基于工程应用案例，研究传热性能和温度场时空分布，分析能耗和能量利用效率，提出原位热修复技术能效评估发展态势。

1. 原位热修复技术应用现状

原位热修复技术起源于石油工业的热采工艺，最先是通过注入蒸汽降低重油粘度，增加轻质馏分的挥发性，提高原油采收率。上世纪80年代，荷兰和美国基于技术发展，成功用于土壤和地下水污染修复。原位热修复系统主要由供能单元、加热单元、抽提单元、废水废气处理单元、监测和控制系统等部分组成。根据加热或能量输送的方法不同，热修复技术可分为传统的热传导加热（thermal conductive heating，TCH）、电阻加热（electrical resistance heating，ERH）、蒸汽强化抽提（steam enhanced extraction，SEE）和应用较少的阴燃、射频加热，以及微波加热等。

在1988~2021年，美国超级基金场地采用原位热修复技术，案例应用如图1所示。由图1中结果可见，近10年ERH和TCH技术的应用比重有显著增加；其中ERH占比为57.2%，TCH占比29.5%，二者总占比为86.7%。

图1 原位热修复技术应用态势图

Fig. 1 Application situation and trend of in-situ thermal remediation technology

我国原位热修复技术及其工程应用起步相对较晚，但其技术研发与工程应用趋势明显，已成为国内有机污染场地修复的主流技术之一。其中TCH应用规模较大， ERH技术因其较高的技术门槛，目前应用相对较少，SEE还未见工程规模的应用案例。

2. 原位热修复传热与驱动机制

2.1 原位热量传递机制

基于不同加热方式的原位热修复技术，其热量传递机制有所不同。TCH技术基于加热元件，利用土层介质导热；传热方式主要包括：土层及其孔隙流体的热传导，流动地下水引起的热对流。ERH技术是通过向地下插入电极，利用地层作为天然电阻产生热效应。相比TCH技术，ERH对地层的加热相对均匀，最高温度100 ℃。SEE 技术则是通过向地下注入高温蒸汽，经土壤孔隙扩散至污染区域，利用其液化放热实现加热和强化抽提。

2.2 污染物净化驱动机制

有机污染物大多难溶于水，在地层中主要以吸附相或独立自由相存在。随着场地地层加热过程，决定污染物在地层中归宿和运移的关键理化性质，包括蒸气压、粘度、溶解度、亨利定律常数和辛醇-水分配系数等，均发生变化。

已有研究表明，通常蒸气压随温度升高而增加。大多数液态有机污染物的粘度随温度升高而降低。温度对于不同污染物溶解度的影响具有差异性。在100 ℃范围内，三氯乙烯（TCE）、四氯乙烯（PCE）溶解度随温度变化很小；而多环芳烃溶解度对温度依赖性较强，将萘从25 ℃加热到100 ℃，溶解度增加约45倍。尤其是亨利定律常数随温度升高而增大，这意味着污染物更倾向于从液相中挥发。Heron等发现当温度从10 ℃升高到95 ℃时，三氯乙烯的亨利常数值增加了20倍；辛醇-水分配系数随温度升高而减小，这意味着污染物在土壤中的吸附（或分配）减少。Bahadur等研究发现当温度从5 ℃升高到45 ℃时，氯苯的辛醇-水分配系数减小10%~14%。

污染物的净化驱动机制包括：蒸发、沸腾、蒸汽蒸馏。对于VOCs和DNAPLs，蒸发（或挥发）是最主要的净化驱动机制，是提升修复效果的关键机制。因为蒸汽压和亨利定律常数随温度的升高显著。另外，原位热修复的高温过程，一方面增强污染物的非生物降解作用，如水解、氧化、热解或水合热氧化（hydrous pyrolysis oxidation，HPO），另一方面增强生物降解作用。通常在一定温度范围内，嗜热微生物的活性随之增加。

总体上，原位热修复污染净化过程，表现为复合驱动下污染物所呈现的固-液-气相态之间的迁移与转化。以氯代溶剂为例（图2），释放到环境中的氯代溶剂以DNAPL形式发生垂向迁移，或吸附到土壤颗粒表面，或溶解在地下水中，或挥发到土壤气体中，各自的分配程度由氯代溶剂的相关理化性质和地下环境共同决定。蒸发、溶解和吸附作为控制性作用，决定热修复驱动污染物相间转化的全过程；同时，原位热修复过程中，地层温度随时间不断变化，导致有机污染物性质发生变化，直接影响热修复技术效果。

图2 氯代溶剂在地层环境中的四相分布

Fig. 2 Phase distribution of chlorinated solvents in formation media

3. 原位热修复能效影响因素分析

温度和加热时间是影响原位热修复效果的重要因素。通常温度越高，加热时间越长，热修复效果越好；但同时也面临更高的能耗。原位热修复技术应用除了系统装备和材料的投入以外，其加热升温过程通常需要消耗大量能源，导致了高昂的修复成本。基于TCH技术的原位热修复过程能量平衡的研究，45％的能量用于将地层加热到目标温度，至少53％的能量用于蒸发区域内地下水。目前全球最大的原位热脱附修复工程用时238d，总能耗约为2300万kW·h，平均每立方米的能耗约为249kW·h。因此探究原位热修复过程地层升温特性和能量转换利用效率，是评估原位热修复技术能效的关键。

污染物类型与初始浓度对原位热修复效果也具有影响。污染物及其初始浓度可能影响热修复时间。另外，基于硝基苯和萘不同初始浓度的热修复效果研究，发现随着初始浓度的增加，硝基苯和萘的修复效果会略微降低。分析原因认为，随着污染物浓度增加，更多的污染物分配到有机质上，此时污染物倾向于向有机质孔隙较小的微孔扩散并逐渐填充，造成解吸迟滞现象。同时发现，与硝基苯相比，萘的初始浓度变化对其修复效率的影响更加不明显，说明污染物类型对原位热修复效果存在影响。

另外值得注意的是，当加热温度超过污染物沸点或多污染物的共沸点时，提升温度对于热修复效果影响不显著。理论上，热修复过程会存在一个最佳温度。当温度低于最佳修复温度时，随着温度升高，驱动作用逐渐增强，修复效果明显提升；当温度高于最佳温度时，修复效果并未表现出升高态势，而能耗的增加却是明确的。因此热修复过程中应充分考虑场地主要污染物沸点特征，设定合理的目标温度。

基于不同加热原理的原位热修复技术，TCH、ERH、SEE适用的条件不同。土壤渗透性、均质性、含水率、污染物特性等往往决定选择哪种加热方式。比如，TCH和ERH技术能用于大多数类型的地层，但一般若土壤含水率较高（＞15%），往往选择ERH技术；而污染物沸点较高（＞200 ℃），往往选择TCH技术；SEE技术适用于地层渗透性（＞104cm/s）和均质性都较好的污染场地。选定好加热方式，原位热修复系统设计包括加热井布局、抽提井数量与位置、井间距和井深等，对于原位热修复能效具有显著影响。加热井的布设一般采取正六边形或正三角形，抽提井与加热井布置在同点位，或相邻位置，或加热井构型的中心。已有研究表明，加热井空间布置不仅影响热修复效率，而且影响热修复工程成本。基于原位燃气热修复（gas thermal remediation, GTR）技术的性能研究，修复区中部及靠近加热井区域的土壤温度高于场地边缘的土壤温度；垂向上土壤温度存在差异，表层土壤温度低。

不同加热方式对于地层的升温效果和能耗可能不同，因此在技术能效评估中应关注的参数也不同。对于TCH技术，土壤的热物性参数，包括导热系数（或热导率）、热扩散系数、密度、比热容等是决定土壤升温和热修复效率的重要参数。土壤导热系数和热扩散系数越高，对传热过程越有利，土壤升温越快。导热系数受土壤类型、密度、含水率等的影响而可能不同。砂土的导热系数一般要比粘土高，因此粘土通常比砂土需要更高温度或更长加热时间才能实现相同修复效果；致密砂土（或粘土）的导热系数要比轻质砂土（或粘土）高；在一定范围内（低于20%~25%），土壤含水率高一般导热系数也高。但应注意含水量过高或过低对土壤升温也不利，过高会延长水分蒸发的持续时间，导致高能耗；过低会导致热损失较快，不利于传热。因此，对于土壤含水率较高的情况可以在加热前先适当抽水，并做好止水帷幕。对于ERH技术，土壤电导率是决定土壤升温和热修复效率的重要参数。土壤电导率很大程度上取决于其含水量、水中溶解盐的浓度或离子含量，以及土壤本身的离子交换能力等。一般土壤含水率或盐分越高，土壤电导率越大；且土壤盐分对土壤电导率的影响更显著。

综上，原位热修复过程的热效能直接或间接受到介质性质、孔隙流体、热转化和利用效率等复合因素的影响。此外，污染物构成、性质与沸点特征进一步影响加热条件、目标温度和热场分布，进而影响热效率或能耗。由此，基于原位热量传递机制的热效率提升的关键，可能在于量化多因素之间的关联关系，辨识影响程度。

4. 原位热修复技术中试应用分析

ERH技术目前在国内研究基础薄弱，此前尚未有独立自主开展的工程化中试规模以上的应用。基于此现状，选择某化工厂退役遗留场地针对原位ERH技术进行了工程化中试。通过ERH修复技术工程设计、系统运行以及对加热过程的研究，掌握升温模式、能耗效率等关键技术问题，为未来相关技术全面工程化应用打下基础。

该中试场地面积约54m2，加热深度为地面以下8 m。地层分别为：地面以下0~＜1.5 m为填土层，1.5~＜3.5 m为粉土层，3.5 m及以下为潜水含水层，其中3.5~＜7.5 m以粘土为主，7.5~10 m以粉质粘土为主。主要污染物为苯、氯苯和硝基氯苯。热修复系统主要由电气控制单元、加热单元、抽提单元、废水废气处理单元和温度监测单元等部分组成，如图3所示。电极井呈正三角形布设，间距4 m。测温井按照围绕中心放射和从边界向外延伸的形式进行布设，监测各点位温度变化及垂向温度差异（T1~T10）。每个电极井中放有两段电极棒，每段长3 m，两段电极棒之间采用绝缘材料连接，分别控制，实现地面以下1~4 m和5~8 m分层加热，如图4所示。同一层每3根电极棒为一组，各接三相交流电中的一相，2层共6组。

图3 ERH原位热修复系统和井位布设图

Fig. 3 In-situ electrical resistance heating remediation system and well pattern designs

图4 电极井设计剖面图

Fig. 4 Design profile of well with electrode

经过持续100 d热修复系统的连续运行和地层温度监测，电极井构成的梯形区域内升温效果明显（图5），最高温度达到88 ℃左右，地面以下3.5、5.5、7.5 、9.5 m四个深度的平均温度分别升至53.7、68.5、64.6、34.8℃。结果表明，在水平方向上，电极井构成的梯形区域升温效果好；外围升温效果差，这部分升温主要来自边缘电极和梯形区域向外热传导。这说明ERH技术的主要加热机理仍是土壤电阻发热，同时加热区域内产生的热量存在向四周的扩散。图6分析了距离加热区中心电极井水平距离0.5 m（T1）、1 m（T2）、1.5 m（T3）和2 m（T4）的4个测温点的温度变化情况，可以看出升温速率：T1＞T2＞T3＞T4，说明加热区地层的升温速率随与最近电极井的水平距离增大而减小。

图5 热修复系统温度场分布图（100 d）

Fig. 5 Temperature field distribution of experimental area in 100 days after heating

图6 T1~T4测温点各深度升温速率

Fig. 6 Heating rate of T1-T4 temperature monitoring points at different depths

在垂向上，地面以下5.5~7.5m深度地层的升温速率明显快于3.5 m深度，这可能与电极棒分段控制有关，另外3.5 m深度土壤距潜水面最近，随着加热过程土壤中水分蒸发，土壤饱和度降低，热量容易与外界环境交换而损耗。同时可能受到地层岩性和含水特征等因素的影响（表1）。此外，位于电极以下的9.5 m深度地层也有一定的升温，分析可能存在加热区域产生的热量向深部地层扩散，对于目标加热区域来说造成了热量损失。

表1 不同深度地层岩性和土壤饱和度

Table 1 Stratigraphic lithology and soil saturation at different depths

热驱动是原位热修复技术主要的污染物净化机制。原位热修复系统运行过程中的能耗和温度变化成为评估热修复技术的重要参数。自该ERH中试系统运行以来，场地累计耗电量为93440 kW·h，按场地平均温度变化估算，单位体积土壤升温1 ℃能耗约为45.3 kW·h/(℃·m3)。

研究结果表明，除加热方式、系统布设、地层结构与性质等因素影响能效外，地下能量损耗成为原位热修复技术能效评估关注的重要因素。加热区域内通过土壤电阻发热产生的热量会通过热传导向四周或向地表和深部地层扩散，从而造成能量损失，影响技术能效。由此分析认为，精准加热和提高热效率是实现原位热修复技术能效提升的关键。优化修复系统、提升隔热保温效果、降低加热过程能量损耗成为研究重点。

5. 结论与展望

原位热修复技术中，土壤有机污染物的蒸气压、粘度、溶解度、亨利定律常数和辛醇-水分配系数等性质随温度升高而变化，促进污染物蒸发、氧化、热解和生物降解等。原位热修复热效应与能耗不仅受到加热方式、热驱动和污染物组分与性质的影响，还受到土层渗透性、质地、含水率、导热率、电导率等多因素的影响。基于ERH中试系统温度场时空分布与能耗的分析，加热效率受电极井距离和地层环境影响，在未来研究和实践中应关注热量向加热区域外扩散造成的能量损失。

原位热修复在非均质、低渗透有机污染场地修复中具有独特优势，但在绿色可持续修复理念和“双碳”战略目标的背景下，如何准确评估和提高修复效能是技术进一步发展的重要挑战。