本篇文章5729字，读完约14分钟
> 北极星环境修复网络新闻:原位气体热解吸是最有潜力的有机污染土壤修复技术之一。在文献综述的基础上，结合国内外实际案例，系统梳理了有机污染土壤原位气体热解吸修复技术的原理、应用范围、优缺点及工艺建设过程。对国内外气体热解吸技术的研究现状和工程应用进行了对比分析，并对该技术的发展趋势和应用前景进行了展望，以期为原位气体热修复技术在我国有机污染土壤中的推广应用提供参考。
关键词:有机污染场地；土壤修复；原地；气体热解吸
近年来，随着我国“回城入园”政策的进一步实施，大量化工企业被迫搬迁、改造或停产，导致大量有机污染场地留在城市及其周边地区。这些污染场地将对人类健康和生态环境造成严重危害，从而制约城市的建设和发展。
自20世纪70年代以来，原位热解吸技术已被应用于有机污染场地的修复。其基本原理是通过加热提高污染区域的温度，改变污染物的物理化学性质，提高气相或液相中污染物的浓度，从而提高液相萃取或土壤气相萃取对污染物的去除率。根据加热方式的不同，原位热解吸技术可分为蒸汽强化萃取技术、电阻加热技术和热传导技术。其中，由于热源不同，热传导技术可分为电加热和气体热解吸。原位热解吸技术无需开挖和运输污染土壤，二次污染相对可控，适用性强，对低渗透污染区和异质污染区修复效果好。然而，原位热解吸技术的修复周期和修复效果不确定，主要取决于以下因素:1)场地内污染物的类型和浓度、污染区域或深度等。2)土壤中有机质的含量(土壤有机质会使污染物吸附在土壤上，从而限制其蒸发)；3)场地的水文地质条件(如土壤含水量、渗透性、导热系数等。)；4)修复标准的选择(一些地方标准将比国家标准的要求更严格，如北京市规定住宅用地中氯苯的筛选值为41mg·kg & # 8722；1.国家规定的第一类建设用地筛选值为68毫克公斤& # 8722；1).
气体热解吸，GTD)利用气体燃烧作为热源，通过热传导提高土壤温度，然后解吸有机污染物，进一步处理废水和废气。它的技术优势是便于运输和输送气体。与电加热法相比，对现场基础条件要求较低，启动快，操作灵活。欧美等发达国家已经对GTD技术进行了初步的研究和应用，而中国还处于起步阶段。因此，有必要对国内外GTD技术的研究现状和工程案例进行总结和分析，为我国污染土壤原位修复领域的科学研究和工程应用提供参考，推动GTD技术在我国的工程应用进程。
气体热解吸技术的原理和过程
1.1基本原则
GTD技术的原理如图1所示。在燃烧器中，引入天然气或液化石油气，通过排气扇产生的负压吸入clean 空气体，在燃烧器中混合，点燃燃烧产生高温气体。向加热井注入高温气体，通过热传导加热目标修复区，使土壤温度上升至修复目标温度。在加热过程中，污染物从土壤中解吸或发生裂解反应。此时，含污染物的蒸汽通过气体蒸汽抽取(SVE)的方式抽取到地表，然后进入后续的尾气处理系统，从而达到去除污染物的目的，最终达到达标排放。
1.2系统组成
根据上述工艺原理，整个GTD工艺主要包括四个部分:燃料供应系统、加热和抽取系统、辅助支撑系统(包括地面保温系统、监控系统、数据传输系统、控制系统等)。)，尾水尾气处理系统。
1)燃料系统。GTD技术公司利用管道输送天然气。气体管道上安装压力调节阀，以确保进入燃烧器的气体压力符合设备要求。
2)加热系统。供热系统设计的关键是供热井点的布置，必须考虑污染物浓度、工期、场地布置等因素。
3)提取系统。在整个原位修复区外设置防渗隔离墙，以确保区域外的地下水不会流入。提取系统通常设计为垂直SVE井和水平SVE管。加热产生的污染气体是通过在土壤中形成负压来提取的。抽取管的长度与加热管的长度相同，同时确保抽取范围能够覆盖整个维修区域。
4)接地绝缘系统。井管系统安装完成后，表面一般覆盖一层25 mm厚的保温材料和25 mm厚的混凝土作为保温层，然后安装燃烧器和地面管道。一方面，设置混凝土保温层可以减少热量损失，保证现场作业的安全；另一方面，它还能防止污染物扩散，避免运行过程中的二次污染。
5)温度监控和传输系统。在整个加热过程中，系统实时监测和传输单个燃烧器的燃烧状况和压力以及土壤中关键位置的温度和压力等参数，实现对整个过程的实时监测。维修区内的单个燃烧器可单独控制或组合控制，以优化温度梯度和能耗。
6)尾气处理系统。在加热过程中，土壤中的污染物从土壤中解吸出来，形成含有污染物的蒸汽。污染蒸汽由抽油井抽到地面，然后进入后续的尾水和尾气系统进行处理。尾水收集后输送至现场污水处理站进行处理。尾气统一收集运输至现场尾气处理站。经过一次气水分离、冷凝和二次气水分离后，少量不凝性气体进入蓄热式氧化炉或燃烧室，完成彻底处理，最终达到排放标准。
1.3施工过程
GTD工艺施工过程主要包括:测量放线、施工场地准备和场地平整、场地封闭封堵和降水、供热和抽油井施工、设备连接和自组装调试、供热修复和尾气处理；修复处理验收完成后，拆除管道和燃烧器，最终完成修复施工。在施工过程中要特别注意以下4点。
1)加热井之间的距离将直接影响污染物的去除效果。因此，供暖井之间的距离应合理且经济。根据现有工程经验，一般设置为1.5 ~ 4 m，在确定加热井之间的距离后，可根据污染区域的面积和范围布置加热井。为了抵消目标治疗区域周围的边缘效应，加热井通常沿着限定的目标治疗区域的边界横向延伸一定距离。
2)为保证气体热解吸效果，减少热量损失，在GTD原位修复区周围设置封闭的防渗墙，防止外部地下水进入GTD修复区。同时，为了减少处理区域顶部的热量损失，需要以表面覆盖的形式进行保温，如轻质混凝土等。
3)连接设备和管道时(主要包括加热井上部的燃烧器连接、天然气管道连接、抽油井管道与设备的连接等。)地面硬化和封堵完成后，宜尽可能使设备和管道的连接布置合理整齐，避免交叉连接。
4)尾气处理系统应定期检查尾气处理设备的运行情况，防止管道泄漏，确保处理设备末端排气口的气体质量达到标准。同时，尾水应及时收集、妥善运输和及时处理，以确保出水符合标准。
1.4技术优势
原位GTD技术的主要优势包括三个方面。
1)GTD最高加热温度可达500℃，可就地去除几乎所有有机污染物和部分挥发性有机污染物。由于整个污染区域处于高温和负压环境中，有机物的流动性将增加，蒸发所需的蒸发温度将降低，从而使有机物能够迅速从土壤中解吸并进入蒸汽。基于以上两点，该技术具有较高的综合性价比。
2) GTD技术不受复杂地质和水文地质条件的限制，非常适合低渗透污染场地的修复。同时，GTD供热深度大，目前最大供热深度可达18 m，深度可根据实际工程需要进一步增加。
3) GTD技术使用一次能源，如天然气和液化石油气。单位加热长度的输入功率高于电加热过程的输入功率，可加速土壤增温效应，缩短修复周期。同时，该技术系统安装方便，设备复用率高。另外，当维修现场供电紧张时，燃气运输的便利性可以保证维修工程的顺利实施。
1.5技术缺陷
与其他原位热修复技术相比，GTD技术的主要缺陷包括三个方面。
1)供热系统出口废气温度一般为200~400℃，燃气热能利用率仅为30%~60%，热损失为40%~70%，造成大量能源浪费。此外，在用气体加热土壤的过程中，能量损失较高。
2)电加热可以轻松控制不同深度的电能输出，实现定深加热，可以补偿能量损失，加热更加均匀；当用气体加热时，底部的加热温度最高。由于浅层的能量输入很低，很难达到目标温度，因此会出现不均匀加热。
3)安全保护措施(如漏电保护等。)和电加热技术的安全操作程序非常完整，气体加热需要通过管道供气。现场管线的设计尤为关键，受施工现场封闭条件的限制，存在很大的安全隐患。
2研究进展
在原位热解吸技术中，热量可以通过热辐射、热传导和热对流在土壤和地下水中传递，从而使水和有机污染物被加热和蒸发，并被提取过程捕获。实质上，土壤可以被视为多孔介质，而原位热解吸过程可以被视为多孔介质中的多组分多相传热传质过程[25]。然而，由于土壤特性和污染物类型的复杂性和多样性，对其内部传热传质过程的认识仍然不足。
影响原位热解吸中学传热传质过程的因素很多。从传热过程来看，其传热效率主要取决于污染区域的温度梯度、土壤和地下水介质的导热系数以及保温性能。其中，热传导主要发生在固体之间，适用于低渗透率的场所。热对流取决于流体之间的相对运动，适用于高渗透率场所。然而，热辐射主要存在于热源与周围土壤的热交换中，由于温差小，与热源的距离可以忽略不计。因此，土壤中的传热过程也受到许多因素的影响。然而，传质过程比传热更复杂，相之间的传质是相互关联的。图2是有机污染土壤中典型传质过程的示意图。在典型的有机污染场地中，大多数有机污染物在水相中的溶解性较差，主要吸附在土壤颗粒表面或以独立的自由相存在。然而，一些不溶性有机污染物往往具有很强的流动性(如三氯乙烯、二氯甲烷和石油烃)，可以通过低渗透土层进入深层地下环境。此外，在热解吸过程中，土壤温度随时间不断变化。因此，有机污染物在地下水中的溶解度、它们在土壤表面的吸附以及地下水和污染物的物理性质都是动态变化的。POLING等人发现，当温度从25℃升至140℃时，萘在水中的溶解度增加了45倍。HERON等人[29]发现，当温度从23℃升至99℃时，三氯乙烯的亨利常数增加了8倍。同时，他们还发现当有机物和地下水混合时，混合物的沸点往往低于100℃。
为了研究土壤污染物迁移的机理，一些研究者从污染物迁移的角度建立了非水相液体在地下迁移的多相流模型。这些模型分为三类。第一类是分析和半分析模型。这种模型将污染物的不混溶流视为活塞流，将多相流概化为单相流，不考虑相间的相互作用，也不引入毛管压力与饱和度之间的函数关系。第二个模型假设多相流体同时流动，有机物不互溶流动，并考虑了相间毛细管压力随饱和度的变化。第三个模型考虑了每个相位和分量的传输和分布。此外，QUINTARD等人在多孔介质宏观尺度上提出了基于体积平均法的两相非平衡理论模型。在此基础上，BAHAR等人发展了一种基于多孔介质微观尺度的污染物迁移模型，可以获得更真实的结果。这些模型在理论上支持污染物迁移的预测，但由于假设不同，它们的使用受到限制。特别是考虑到温度的影响，污染物受热蒸发后的迁移方式会发生很大变化。由于原位热解吸过程中的传热传质是一个多物理场的动态耦合问题，没有合适的模型来涵盖所有问题，因此有必要对其理论模型进行更深入的研究。
此外，现有原位热解吸技术的应用存在一个大问题——成本高。因此，如何提高维修效率、降低能耗成为推动该项技术发展的关键因素。为了提高修复效率，一些研究者采用热激活结合化学氧化的技术进行关节修复。KORDKANDI等人使用热活化过硫酸盐氧化亚甲基蓝，降解率达到99.5%。NIE等人使用热活化过硫酸盐氧化氯霉素，降解率达到96.3%。所有上述研究都在水溶液中进行。然而，徐开泰等人发现热活化Na 2SO 8降解土壤中菲(PHE)的过程符合准一级动力学，并受到水浴、反应温度、Na 2SO 8浓度、初始菲浓度、水土比和共存离子的影响。一般来说，温度越高，PHE的降解率越高；PHE在313 K时基本上没有退化；PHE在333 K时开始慢慢退化；在363 K时，PHE降解率在10分钟内可达65%。
杜宇吉和其他人发明了一种利用分布式能源对污染土壤进行原位热修复的系统和方法。被污染的土壤通过使用高温烟气和燃气内燃机产生的电能的原位加热来修复。其中，高温烟气和电阻加热的结合可以同时进行烟气热修复和电阻热修复，形成一个多能互补的双重保障机制。然而，该系统必须配备辅助设备，例如发电系统，这使得该系统非常复杂。此外，程红碧等人发明了一种异位气体加热抽采一体化热解吸装置，包括气体加热装置、多个加热抽采一体化井、尾气处理装置和电控装置，多个加热抽采一体化井水平平行布置。在多个采热集水井的土壤修复区外围设置有多个隔热板，隔热板上设置有用于感应土壤温度的温度传感器。该工艺热解吸效率高，应用灵活，便于工程操作和土壤污染治理的使用。
除上述理论研究外，许多学者对原位热修复技术进行了不同规模的中试，为该技术的实际应用奠定了基础。HERON等人先后利用热传导原位热解吸技术对有机污染场地进行了中型试验研究，并对修复周期和1 m3综合修复费用进行了详细分析。梅志华等人在GTD某废弃溶剂厂污染区进行了中试研究，该污染区面积为100 m2，深度为18 m。结果表明，土壤中苯、氯苯和石油类污染物的最高去除率分别为99.8%、99.7%和98.2%。地下水中苯、氯苯和石油类污染物的最高去除率分别为98.8%、97.7%和100%。GTD修复技术主要受管壁温度和停留时间的影响。温度越高，停留时间越长，污染物去除效果越好。此外，在相同的加热温度和停留时间下，含水量较小、孔隙率较大的土壤具有较好的污染物去除效果。然而，上述研究并没有详细讨论加热井和抽取井之间的间距、布置方式和热解吸循环等影响因素，并且通常只有实际操作是基于工程师的经验。此外，我国污染场地污染原因复杂，污染类型多样，污染程度严重，修复规模大，这也对原位热解吸技术的实施提出了更高的要求。因此，我国对GTD修复技术的研究仍处于初级阶段。有必要系统分析原位热脱附过程中影响热质传递的各种因素，深入研究其热质传递规律，通过数值方法对热脱附过程进行有效预测，优化布置，降低修复成本，从而促进该项技术的发展和应用，为实际工程设计提供理论依据和技术参考。
3工程应用案例分析
GTD是一种相对有效和成熟的污染土壤修复技术。世界上有许多成功的应用案例，但大多数都依赖于经验操作。自20世纪80年代以来，许多国家将原位热处理技术应用于污染地块的修复。原位热处理技术已经在数百个污染地块的修复项目中得到应用。从1982年到2007年，KINGSTON等人统计了182个原位修复项目，其中热传导形成的项目占14.3%。在我国，原位热处理修复技术的应用起步较晚，但也积累了几个工程案例。以下是国内外气体热解吸修复污染土壤的典型案例的总结和分析。
