陳俊宇
(上海田苑環(huán)境科技有限公司,上海 200233)
關(guān)鍵字:熱傳導(dǎo)加熱;電阻加熱;蒸汽加熱;場地特征;技術(shù)篩選
目前國內(nèi)有許多退役場地曾經(jīng)受到過高濃度的有機污染物的污染,包括有機氯溶劑、石油類、多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴等等。且難溶于地下水環(huán)境中的有機污染物在濃度超過溶解度時會形成非水相液體(NAPL)。其中有一些化合物具有低揮發(fā)性和低溶解度,這些污染物,特別是地下水位以下的NAPL,已經(jīng)很難用傳統(tǒng)的技術(shù)如地下水抽提、生物修復(fù)和土壤氣相抽提來處理。
原位熱處理技術(shù)具有安全、節(jié)約成本、適用性強、修復(fù)效率高等優(yōu)點[1],且因其應(yīng)用范圍廣、可同時去除多種污染物、耗時短等特點而備受關(guān)注[2]。因此越來越多的研究者開始研究各種新的技術(shù)來處理這些復(fù)雜有機物。而原位熱處理是一種有效處理復(fù)雜有機物場地的技術(shù)手段。
地下的有機污染物可能以4種形式存在:土壤固相,氣相,水相和NAPL相。通過對地下土壤環(huán)境的加熱,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),增加了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的回收率[3]。
按照加熱原理的不同,常見的原位加熱技術(shù)又可細(xì)分為熱傳導(dǎo)加熱技術(shù)(TCH)、電阻加熱技術(shù)(ERH)、蒸汽加熱技術(shù)(SEE)3種。這3種技術(shù)通常和氣相抽提 一起使用。按照加熱溫度可分為高溫(>100 ℃)原位加熱修復(fù)技術(shù)和低溫(<100 ℃)原位加熱修復(fù)技術(shù)。
一般來說,土壤的溫度變化會經(jīng)歷3個階段[2],(1)集中加熱段:溫度從環(huán)境溫度上升到水的沸點;(2)蒸發(fā)部分:水蒸發(fā),溫度保持沸點溫度;(3)過熱段:土壤溫度持續(xù)升高。
在應(yīng)用原位熱處理技術(shù)時,需要獲得場地的物理性質(zhì)等資料,包括如下內(nèi)容:
(1)場地情況描述,包括可按比例伸縮的場地平面圖。場地平面圖包括場地的位置,地表特征,地上及地下設(shè)施,地下儲罐、管道等情況,這些場地的具體情況可以用來修正后期的設(shè)計,此外還需要在原位熱處理實施之前進(jìn)行補充調(diào)查,來保證設(shè)計的準(zhǔn)確性;
(2)地層特性。鉆孔勘探或地層剖面中通常會描述地層特性,包含土壤的類型、巖層類型、地下水埋深、污染物分布和地層邊界;
(3)水文特性和水力參數(shù)。在加熱地下土壤環(huán)境的時候,水的比熱容(4.21 kJ?kg-1?℃-1)是巖層或土壤基質(zhì)(1.0 kJ?kg-1?℃-1)的4倍以上。因此,為了控制修復(fù)成本,應(yīng)盡量控制進(jìn)入處理區(qū)的地下水的流量,從而避免對地下水的加熱,增加熱效率。
地下水流速、流量以及抽注試驗中獲得的井?dāng)?shù)量和井距關(guān)系是設(shè)計原位熱處理的關(guān)鍵參數(shù)。
滲透系數(shù)是評價注汽和液體回收的重要參數(shù)。土壤的滲透性在熱傳導(dǎo)和ERH應(yīng)用中用處不大,但是在蒸汽回收系統(tǒng)的設(shè)計中非常重要。在土壤熱傳導(dǎo)過程中如果土壤環(huán)境足夠干燥,即使是非常緊密的土壤也有足夠的滲透性去去除污染物質(zhì)。
(4)待處理區(qū)域的可達(dá)性。場地的可達(dá)性決定了原位熱處理修復(fù)技術(shù)的難易程度,從而影響成本和可行性。比如鉆井的困難程度、冬季施工等;
(5)NAPL位置及量的估計。原位熱處理是一種模塊化的處理方式,因此要知道要處理區(qū)域的范圍,舉個例子,如果使用ERH技術(shù),兩個電極之間的距離一般是2.6~6.1 m,所以只要NAPL污染區(qū)域的橫向范圍在2.6~6.1 m之間就可以,但通常情況下NAPL的污染范圍是無法被精確確定的,從成本上簡單的擴大井的排列比進(jìn)一步描述NAPL污染精確范圍更便宜。
(6)污染物遷移率評估。原位熱處理技術(shù)可以使NAPL流動起來,如果熱技術(shù)可以改變NAPL的物理特性,那修復(fù)工程師應(yīng)保證能夠捕獲這些移動的NAPL。因此需要測量NAPL的比重、粘度隨溫度變化等特性,才能合理設(shè)計回收系統(tǒng)。
原位熱處理技術(shù)所需的化學(xué)分析包括對土壤及地下水中VOCs和SVOCs的常規(guī)分析,來確定關(guān)注污染物的污染程度,并估計蒸汽處理設(shè)備的有機負(fù)荷。
(1)有機參數(shù)。需要分析關(guān)注污染物和非關(guān)注污染物的濃度,來適當(dāng)設(shè)計處理系統(tǒng),非關(guān)注污染物的存在也會影響修復(fù)有效性,舉個例子,根據(jù)拉烏爾定律,如果目標(biāo)污染物溶解成油或油脂,揮發(fā)性有機化合物的揮發(fā)速度會減慢。
一個通常被忽略的參數(shù)是總有機碳(TOC)。土壤中的TOC含量影響到溫度較低的原位修復(fù)方法(ERH和淺層SEE),因為TOC可能優(yōu)先吸附存在于地表以下的揮發(fā)性有機化合物。
(2)無機參數(shù)。地下水中的陰離子和陽離子的濃度對原位修復(fù)技術(shù)也有一定的影響,在加熱過程中,鈣和鐵化合物可能會在井篩和處理設(shè)備上沉淀,影響維護(hù),并可能影響可行性。
(3)NAPL特性,包括比重、界面張力,粘度、蒸汽壓和溶解度等,這些特性對原位處理技術(shù)的設(shè)計有一定的影響。
(4)如果要修復(fù)的場地有與之相關(guān)的歷史地下水監(jiān)測數(shù)據(jù),修復(fù)工程師應(yīng)評估濃度趨勢。這些濃度趨勢可用于評估自然衰減是否正在發(fā)生,調(diào)查是否已經(jīng)激發(fā)NAPL。此外,歷史數(shù)據(jù)趨勢可以幫助了解NAPL的存在,從而適當(dāng)?shù)胤胖肐STR系統(tǒng)。
在初始加熱后,地下水中大部分揮發(fā)性有機化合物的濃度會在受熱區(qū)增加,直到水的溫度達(dá)到共沸混合物的共融點。土壤從環(huán)境溫度加熱到水沸騰溫度(100 ℃),然后,土壤在水沸騰溫度下停留一段時間,直到達(dá)到目標(biāo)溫度[5]。隨著溫度的升高,濃度將會下降。因此,地下水濃度預(yù)計會在ISTR應(yīng)用期間發(fā)生變化,因此有必要確定是否會有潛在的不利影響,并相應(yīng)地設(shè)計修復(fù)系統(tǒng)。
TCH是原位修復(fù)技術(shù)中對土壤類型和地下水中總?cè)芙夤腆w的變化最不敏感的技術(shù)。TCH處理區(qū)域的幾何形狀沒有實際限制,也就是說,它可以是薄的、不規(guī)則的,或者深度超過30米。地下 殘留物的存在,如混凝土墻、儲罐或垃圾填埋場碎屑(包括金屬物體),也不會妨礙熱傳導(dǎo)加熱。然而,場地的特性確實影響TCH的設(shè)計。例如,處理淺層污染需要安裝一個絕緣表面蓋來控制熱量損失。與使用大量的短垂直加熱器井相比,使用較少的橫向水平加熱器在溝槽中放置,可以更經(jīng)濟有效地解決淺層污染問題。巖性確實會影響鉆井方法的選擇,直推鉆井通常用于加熱井,螺旋鉆井通常用于加熱-真空井。地下殘留物還可能影響加熱井的鉆探方法。高滲透區(qū)會影響達(dá)到過熱溫度的能力,可能需要采取措施控制對熱處理層的地下水補給。一般來說,透水率的上限約為10-3cm/s。
和其它原位熱處理技術(shù)一樣,TCH需要的場地特征信息有:
(1)有機氯代烴的濃度和特性;
(2)橫向和縱向的污染程度;
(3)污染物的大致位置、性質(zhì)、范圍;
(4)可能導(dǎo)致廢氣處理設(shè)備負(fù)荷的非關(guān)注污染物濃度,如顆粒活性炭。
由于使用TCH技術(shù)的溫度較高,地下水環(huán)境中無機物受到較大的影響。陰離子的濃度,如碳酸鹽,可以提供原位緩沖能力,氯代烴的原位破壞有可能產(chǎn)生鹽酸(HCl)。如果酸堿緩沖能力不夠,在選擇管材、設(shè)備材料的時候就要考慮到低pH環(huán)境的影響。
TCH可以處理多種有機污染物,主要包括:
(1)包氣帶中的VOCs;
(2)包氣帶中的SVOCs;
(3)飽和帶中的VOCs;
(4)飽和帶中的SVOCs
雖然TCH都可以處理地下水位以上和以下的污染物,但還是要控制地下水的補給速度,特別是地下水位以下的飽和帶,不能讓地下水的補給速度過快??梢圆扇∫恍┢琳蟻碜柚沟叵滤难a給,比如鋼板、阻隔墻等等,但也因此造成較大的成本代價。
雖然TCH技術(shù)通常可以處理約95%至99%的污染物[4],但污染物的類別和濃度以及排放標(biāo)準(zhǔn)還是至關(guān)重要,因為它們決定了地面空氣質(zhì)量控制設(shè)備的選擇和設(shè)計。
電阻加熱對場地巖性變化不敏感,隨著處理溫度的升高,總?cè)芙夤腆w濃度高于本底值的土壤或地下水區(qū)域會被優(yōu)先于其它區(qū)域得到加熱。隨著土壤向水沸點的極限閾值升溫,那些升溫速率較慢的區(qū)域最終都能升溫到水的沸點。場地巖性在ERH技術(shù)使用中主要是對于NAPL相如何遷移和積累產(chǎn)生主要的影響,場地特征和技術(shù)篩選所需要的重要信息有:
(1)修復(fù)區(qū)域的面積和深度;
(2)污染物特征,如沸點、水溶性和水解率;
(3)需要減少多少污染物百分比;
(4)土壤中總有機碳含量;
(5)不易揮發(fā)的污染物質(zhì)的存在,如油和油脂;
(6)地下設(shè)施的位置。
其它一些場地信息,可以優(yōu)化技術(shù)選擇和設(shè)計,但通常不會顯著影響成本或效率:
(1)土壤巖性分布
(2)土壤飽和或水分含量
(3)NAPL相是否存在
(4)土壤和地下水的電導(dǎo)性和熱特性
由于熱處理間隔通常是均勻加熱的,所以不需要關(guān)于污染或NAPL的精確分布情況。修復(fù)的邊界可以是不規(guī)則的,深度間隔可以不同。如果需要對上層50 cm左右的土壤進(jìn)行粗放地加熱,會增加熱量散失到大氣中的損耗。如果需要大量(大于90%)減少這種淺層VOCs,通??梢允褂帽砻娓魺釋觼磉_(dá)到更高的溫度。
目標(biāo)關(guān)注污染物的物理和化學(xué)特性會影響修復(fù)的能耗、時間和成本。污染物的減少幅度也是一個重要的修復(fù)參數(shù),需要減少的百分比可以通過健康風(fēng)險評估得出,對于絕大多數(shù)VOCs來說在期望污染物濃度的基礎(chǔ)上再減少百分之九可能會增加10%~20%的處理成本。
如果污染物擴散到土壤表面1.2米以內(nèi),應(yīng)重點考慮地下設(shè)施。如果大多數(shù)公用設(shè)施是由金屬、陶土或其他不敏感溫度的材料建造的,則不會受到ERH的影響。ERH已應(yīng)用于金屬天然氣管道、電話、光纖電纜、水和污水管道穿越的地區(qū)。
ERH會受到影響的主要是那些對溫度敏感的基礎(chǔ)設(shè)施主要包括塑料水管和天然氣管道,以及輸送大量電力的電纜。
與工業(yè)活動相比,ERH的電力負(fù)荷較低,但是要比其它修復(fù)手段要高得多。在做技術(shù)篩選的時候,需要重點考慮場地是否可以提供支撐ERH修復(fù)技術(shù)的電力能力。
蒸汽注入的主要設(shè)計數(shù)據(jù)包括:
(1)處理區(qū)域的橫向和縱向范圍。這些數(shù)據(jù)用來估計需要加熱的體積,蒸汽的使用量以及總體成本;
(2)NAPL是否存在,以及關(guān)注污染物的密度、蒸汽壓和溶解度。
(3)土壤和地下水的修復(fù)目標(biāo)值;
(4)地質(zhì)分層;
(5)目標(biāo)處理層的水平和垂直滲透率;
(6)水文數(shù)據(jù);
(7)安裝井的障礙物情況。
對于淺層的小型場地,利用注蒸汽進(jìn)行處理的性價比并不是很高,除非涉及到場地內(nèi)部的建筑物或地下管線不能拆除而排除了挖掘等較便宜的選擇。
蒸汽注入的壓力受到表土層壓的限制,這直接關(guān)系到注汽區(qū)域的土壤層厚度。一般的經(jīng)驗法則是,注入壓力不應(yīng)超過0.0113 Mpa/m的覆蓋層。
在鋪好的地面和混凝土下面注入蒸汽可以在較淺的深度處理。通常蒸汽注入技術(shù)對深度超過1~2米的地層是有效的。
高滲透性土壤比低滲透性土壤更有利于蒸汽注入。土壤環(huán)境的滲透率越低,蒸汽注入壓力要求越高,導(dǎo)致需要更高的蒸汽溫度。更高的壓力也會導(dǎo)致土壤不穩(wěn)定。一般來說,對于超過9.1米的區(qū)域,滲透系數(shù)不能低于10-5cm/s,而對于較淺的地點,需要更高的滲透性。對于深度小于6.1米的場地,蒸汽注入的實際極限可能是10-3cm/s左右。然而,如果滲透系數(shù)在該值附近變化,則可以將注蒸汽與電加熱相結(jié)合,以克服致密地層的傳熱限制。不過也有研究表明,當(dāng)蒸汽注入鄰近的高滲透性透鏡體和地層時,仍能有效地處理低滲透性土壤[5]。
(1)提高溫度或時間可以提高污染物的減少效率,但也會對土壤特性造成更嚴(yán)重的影響[6]。
(2)原位熱處理實施效果及成本受擬修復(fù)場地的污染情況、水文地質(zhì)、地下建(構(gòu))筑物的影響很大,在實施前必須完成高精度的場地調(diào)查。
(3)在原位熱處理技術(shù)中安全因素將會得到越來越多的重視,比如加熱源、電和燃?xì)獾陌踩褂谩?/p>
(4)淺層地表的修復(fù),從經(jīng)濟性上考慮,異位修復(fù)可能更優(yōu)于原位加熱修復(fù)技術(shù)。
(5)表面隔熱層的有效使用對原位熱處理技術(shù)的能耗降低有至關(guān)重要的作用。
(6)成本的大幅降低對原位加熱修復(fù)技術(shù)的進(jìn)一步推廣至關(guān)重要,須盡快實現(xiàn)加熱元器件的國產(chǎn)化,以及能耗的進(jìn)一步降低。
(7)精細(xì)化應(yīng)用的重要性更為凸顯,分區(qū)分布加熱,根據(jù)修復(fù)過程中的修復(fù)效果評估情況靈活調(diào)整加熱模式。
(8)對于原位加熱修復(fù)實施可能不達(dá)標(biāo)的區(qū)域,考慮與其他修復(fù)技術(shù)的聯(lián)用,如熱強化的原位化學(xué)氧化技術(shù)、ERH+生物修復(fù)技術(shù)等。
(9)總結(jié)國際經(jīng)驗,關(guān)注產(chǎn)業(yè)技術(shù)前沿。如原位燃燒、射頻加熱等新型熱處理技術(shù),和低能耗熱技術(shù)。