2020, Vol. 41
2. 苏州市环境科学研究所, 苏州 215007
2. Suzhou Environmental Science Research Institute, Suzhou 215007, China
近年来, 随着产业结构不断优化升级, 导致大量化工企业搬迁或者关停, 遗留下大量污染场地, 场地开发流转受到限制, 影响了城市发展, 同时污染地块对周边居民及生态环境存在较大的安全隐患[1, 2].自2016年土壤污染防治行动计划开展以来, 社会各界对污染场地的修复日益重视.有机污染场地存在污染物埋藏较深、开挖易形成二次污染等特点[3~5], 宜采用土壤原位修复技术, 其中原位热脱附修复技术以其灵活性强、操作简单和对土壤扰动小等优势受到广泛关注.
土壤热脱附修复技术是指通过给土壤直接或间接加热, 促使有机污染物挥发并收集去除的技术[6, 7].热脱附技术分为原位热脱附和异位热脱附, 常见的原位热脱附技术有热传导热脱附技术、蒸汽热脱附技术和电阻热脱附技术[8~12].其中, 原位电阻热脱附技术是通过向土壤中插入电极, 将土壤和地下水作为电阻, 连通高压电, 形成电流回路, 将电能转化成热能, 使土壤温度升高, 将污染物转化成气体[13, 14], 进而通过抽提将土壤污染物去除[15, 16].电阻原位热脱附技术, 相比于其他加热方法, 具有升温速度快, 施工方便、适用于各种复杂地质条件和对土壤扰动小等特点[17].该方法可使土壤加热到100~120℃, 对大部分易挥发性有机物(VOCs)去除效果良好[18, 19].
Heron等[20]通过实验室的ERH小试, 讨论了孔隙水沸腾是克服污染物传质过程的主要机制, 其实验中采用两相230 V电极最高8A的可变电极对120 cm×60 cm×12 cm的长方体土壤进行加热, 0~8 d单独采用蒸汽抽提技术需要几年甚至几十年的TCE去除时间; 第8~21 d升温至85℃, 80~90℃持续加热28 d的去除效率达到了55%并逐渐减缓; 第39~45 d升温至100℃并维持5 d的去除速率达到最高.Han等[21]研究了ERH技术影响因素, 结果表明水分、盐度是土壤导电性能的主要影响因素, 高电流具有较高的加热效率, 能够使土壤达到更高的温度.Beyke等[22]阐述了用于美国肯塔基州的美国能源部帕度卡气体扩散工厂的中试ERH, 装置包含7个ERH电极, 其最大深度在30.48 m(100英尺), 加热过程持续了130 d, 去除效率在98%以上.Fu等[23]也在实验中阐明土壤温度与电流直接相关, 不同位置土壤温升取决于土壤特性.
目前, 国内外关于原位电阻热脱附修复技术研究类报道较少, 大多以应用实例介绍为主, 缺乏详细的过程及机制等基础性研究.因此本实验拟开展原位电阻热脱附技术关键影响因素研究, 包括电流、加热方式和补水及负压等因素对土壤升温和能耗的影响, 探讨原位电阻加热过程中土壤升温机制, 以期为原位电阻热脱附修复技术的实际应用提供技术支持.
1 材料与方法 1.1 实验设备本研究主要实验设备为原位电阻热脱附小试设备, 包括在线监测系统、电极、温度传感器、抽提管、加热罐、补水箱、冷凝管和活性炭吸附等装置.设备如图 1所示.原位电阻热脱附小试设备采用三相交流电, 电压为380 V可变电压, 一次性可处理100 kg土壤.
|
图 1 原位电阻热脱附小试设备 Fig. 1 In-situ electrical resistance heating equipment |
本实验供试土壤采自苏州某场地黏土, 土壤性质见表 1.土壤采集后, 自然风干, 去除土壤中碎石及植物残体后粉碎过8目筛(孔径2 mm)备用.
|
表 1 供试土壤性质 Table 1 Properties of the test soil |
在原位电阻热脱附小试设备中加入100 kg备用土壤, 加入约30 kg自来水, 控制土壤含水率30%左右.采取分批加入土壤和水的方法, 尽可能使固液混合均匀.加盖密封老化7 d后, 等待土壤水分分散均匀后取样测定土壤含水率并启动原位电阻热脱附小试设备, 开始原位电阻热脱附土壤升温影响因素研究.
1.3 电极及温度传感器布设原位电阻热脱附小试设备电极的设置如图 2(a)所示, 3根电极U、V和W分别距罐体边缘约5 cm处, 呈等边三角形分布.温度传感器Tem1、Tem2和Tem3设置在电极V和电极W连线中间及其两侧, 等间距布设, 间距为5 cm, 具体如图 2(a)俯视图所示.温度传感器Tem1、Tem2和Tem3插入土壤深度分别为30、30和40 cm, 具体如图 2(b)正视图所示.以Tem3作为控制温度, 当Tem3到达设定温度后, 电阻热脱附控制系统自动停止加热, 并将温度稳定在设定温度.实验过程中, 定期记录Tem1、Tem2和Tem3温度, 并绘制土壤温度变化曲线.
|
图 2 温度传感器布设示意 Fig. 2 Site of the temperature sensor |
(1) 电流对土壤升温和能耗的影响 对两组相同的土壤均通过连续加热、持续补水的方式加热, 两组实验加热过程中电流分别为6 A和10 A左右, 加热终温均设置为75℃, 负压均为-1 kPa.通过监测土壤温度变化, 考察电流大小对土壤升温和能耗的影响.
(2) 加热方式对土壤升温和能耗的影响 对两组相同土壤分别进行连续加热和间歇加热, 连续加热实验加热过程电流为10 A; 间歇加热方式为加热5 min停止4 min补水1 min.土壤加热终温均设置为85℃, 负压均为-1 kPa.通过监测土壤温度变化, 考察加热方式对土壤升温和能耗的影响.
(3) 补水对土壤升温和能耗的影响 设置土壤初始含水率分别为30%和40%.前者采用加热时间5 min停止4 min补水1 min的间歇加热方式, 其中补水量控制在10 kg左右, 以控制两组实验总水量相当.后者采用加热时间5 min停止5 min的间歇加热方式, 土壤加热终温均设置为85℃, 负压均为-1 kPa.通过监测土壤温度变化, 考察补水对土壤升温和能耗的影响.
(4) 负压对土壤升温和能耗的影响 对两组相同土壤, 采取加热时间5 min停止4 min补水1 min间歇方式加热, 土壤加热终温均设置为85℃, 负压分别设置为-1 kPa和-3 kPa.监测土壤温度变化, 考察负压对土壤升温和能耗的影响.
2 结果与讨论 2.1 电流对土壤升温和能耗的影响图 3为不同电流条件下, 土壤温度Tem1、Tem2和Tem3处的土壤温度变化曲线, 图 4为对应曲线的一阶导数曲线, 从一阶导数曲线可以直观看出土壤升温速度的变化.对比图 3可以看出：①高电流和低电流条件下, 土壤升温曲线经拟合后均较好地符合某一模型, 拟合标准方差均在0.99以上, 具有很好的拟合度.②高电流和低电流条件下, 土壤温度均呈现Tem2＞Tem1和Tem3.这是因为Tem2位于两个电极连线中间, 两电极之间电流最大, 产生的热量最多, 而Tem1和Tem3位于两个电极连线两侧, 电流减弱, 获得的热量则减少.③高电流条件下, Tem3到达设定温度所需时间大约为150 min, 而低电流条件下, Tem3到达设定温度所需时间约为230 min, 说明高电流条件下土壤温度到达设定温度所需时间较低电流条件下短, 这与Heron等[20]和Han等[21]的研究结果一致, 即电流越高, 土壤升温速率越快.
|
图 3 不同电流时Tem1、Tem2和Tem3处土壤温度变化 Fig. 3 temperature at Tem1, Tem2, and Tem3 variation with different electric currents |
|
图 4 不同电流时Tem1、Tem2和Tem3处曲线一阶导数变化 Fig. 4 First derivative of the curve at Tem1, Tem2, and Tem3 variation with different currents |
对比图 4可以看出：①总体来讲, 高电流和低电流条件下, 土壤升温曲线一阶导数值均为Tem2＞Tem1和Tem3, 说明Tem2土壤升温速度最快. ②原位电阻热脱附设备运行约40 min稳定后, 高电流土壤升温曲线一阶导数数值均大于低电流土壤升温曲线一阶导数数值, 说明40min后, 高电流加热土壤升温速度明显高于低电流加热.③除高电流时Tem1升温曲线一阶导数逐渐升高外, Tem2和Tem3处土壤升温曲线一阶导数在高电流和低电流条件下均呈下降趋势, 直至趋近于零.说明在高电流条件下的实验时间内(约170 min), Tem1升温速度逐渐加快, Tem2和Tem3的升温速度逐渐减慢, 直至几乎不再升高.这是因为, 一方面随着土壤温度升高, 土壤中水分不断蒸发, 产生的蒸汽被抽提出去而带走大量的热量, 导致Tem2和Tem3处土壤升温速度逐渐降低; 另一方面, 高电流时Tem2处土壤温度远远高于Tem1处土壤温度, 随着大量蒸汽的产生, 加速了热量在土壤中的传导, 使得Tem2处温度快速传递至Tem1处, 因此Tem1处温度持续快速升高, 而Tem2处温度升高速度有所降低.
高电流和低电流加热条件下, 所消耗的能量见表 2.高电流条件下, 土壤温度升高42.1℃用时160 min, 消耗电能18.8 kW·h, 单位能耗为0.45 kW·h·℃-1; 低电流条件下, 土壤升高41℃用时220 min, 消耗电能20 kW·h, 单位能耗为0.49 kW·h.综上分析可知, 高电流加热时, 土壤升温速度快, 到达设定温度所需时间短, 单位能耗低.因此, 在电阻原位热脱附修复土壤过程中, 宜选用较高电流, 以缩短加热时间, 降低能耗.
|
|
表 2 不同电流下升温及能耗情况 Table 2 Heating and energy consumption of different currents |
2.2 加热方式对土壤升温和能耗的影响
图 5表示的是不同加热方式下温度与电流的变化情况.从中可知, 连续加热实验土壤初始温度低于间歇加热实验, 但加热185 min后, 连续加热实验中Tem1和Tem2终温明显高于间歇加热实验.相较于连续加热, 间歇加热方式条件下Tem1和Tem2升温速度均较低, 这是因为间歇加热时, 通电瞬间会产生高电流并持续衰减, 同时产生大量热量, 当停止通电时, 土壤中不再有热量产生, 土壤温度变化主要是通电瞬间产生的高热量在土壤中的热传导, 而连续加热时, 持续通电持续产生热量, 因此温度升高较快.连续加热Tem3和间歇加热条件下Tem3升温曲线几乎平行, 说明两者升温速度基本相同, 这是因为Tem3位于抽提管附近, 部分热量随着蒸汽的抽提而散失, 连续加热时Tem3通过热传导获得的热量多, 因抽提随蒸汽损失的热量也多, 导致连续加热和间歇加热条件下, Tem3升温速度几乎一致.
|
图 5 不同加热方式时土壤温度变化 Fig. 5 Soil temperature change of different heating methods |
表 3为两种加热方式下能耗情况, 从中可以看出, 连续加热条件下土壤温度升高42.1℃用时160 min, 而间歇加热条件下, 土壤升高38.5℃用时185 min, 说明连续加热方式温度升高快, 用时短; 连续加热方式单位能耗为0.45 kW·h·℃-1, 间歇加热方式单位能耗仅为0.22 kW·h·℃-1, 是连续加热方式能耗的45.2%.因此, 根据对比计算得出了间歇加热方式更节能, 但是达到设定温度时间较长.如果工期时间放缓, 可采用间歇加热方式, 以降低能耗, 节省成本; 如果首先考虑缩短工期, 需要短时间内完成修复, 则宜采用高电流连续加热的方式.但是, 实际工程项目, 需考虑工期, 成本, 可操作性等各方面因素, 根据实际情况及需求确定加热方案.本文的研究结果可以为实际工程加热方案的确定提供参考, 但还不足以提出确切的最适宜的加热方案.
|
|
表 3 不同加热方式下升温及能耗情况 Table 3 Heating and energy consumption of different heating methods |
2.3 补水对土壤升温和能耗的影响
图 6表示为加热过程中补水和不补水条件下, 土壤温度随时间的变化.加热过程中不补水实验的初始含水率为40%, Tem1、Tem2和Tem3土壤温度升高均呈现先快后慢的趋势, 主要是因为在加热过程中, 水分不断蒸发并被抽提出去, 土壤含水率逐渐降低, 导致土壤电阻增大, 电流减小, 产生的热量减少, 这与张辉[24]对土壤电阻率的研究结果相一致.
|
图 6 补水和不补水条件下土壤温度变化 Fig. 6 Soil temperature changes of different initial moisture contents |
与不补水实验相比, 补水实验的初始含水率为30%, 加热过程中采用连续补水, 实验中土壤温度升高更快, 达到相同的温度所需时间更短.这是因为加热过程中连续补水, 可使土壤含水率基本不变, 维持较高加热电流, 持续产生热量, 因此温度升高较快.但随着土壤温度的升高, 产生的蒸汽量会增加并因此而导致更多的热量散失, 因此温度升高减缓.当加热时间较长时, 如果仍想维持较高的升温速度则需适时调整补水量, 以维持更高电流, 产生更多热量, 弥补热量损失.正如焦文涛等论述的需要对电极附近补充电解液进行辅助[21, 23, 25].
表 4显示了低含水率连续补水和高含水率不补水土壤升温及能耗情况, 前者升温快, 用时短, 单位能耗没有明显差异.需要说明的是, 本实验加热时间短, 随着加热时间延长, 土壤含水率会逐渐降低, 加热电流随之而降低.因此, 长时间加热, 需要给土壤补充水分以维持加热.
|
|
表 4 不同初始含水率的升温及能耗情况 Table 4 Heat and energy consumption of different initial moisture contents |
2.4 负压对土壤温度和能耗的影响
图 7是不同负压条件下土壤温度变化情况.从中可以看出, 高负压时Tem2温度略高于低负压时Tem2温度, 而两种条件下Tem1几乎相同, 高负压时的Tem3低于低负压时的Tem3, 这主要是因为Tem1远离抽提管, 温度升高主要靠Tem2处土壤热传导, 温度变化受负压影响小, 而Tem3位于抽提管附近, 高负压导致蒸汽抽提量大, 热量散失多, 因此温度较低.
|
图 7 不同负压条件下土壤温度变化 Fig. 7 Soil temperature changes of different negative pressure conditions |
表 5为不同负压条件下升温及能耗情况, 对比发现, 高负压条件下单位能耗高于低负压条件.本实验限于实验设备抽提能力, 负压调节范围有限, 在实际工程中, 负压越高, 抽提能力越强, 热量损失越多, 单位能耗越高, 升温速度越慢, 因此, 在满足抽提需要的前提下, 尽可能选择较低的抽提负压, 以降低热量损失, 降低能耗.
|
|
表 5 不同负压条件下升温及能耗情况 Table 5 Heat and energy consumption of different negative pressure conditions |
3 结论
(1) 原位电阻加热过程中, 土壤升温主要通过两种机制：一是电能转化成热能, 通电对土壤直接加热使土壤温度升高, 该升温机制主要存在于两电极之间的土壤; 二是热传导, 电极之间土壤温度升高最快, 热量逐渐由高温土壤传导至低温土壤, 使电极连线周边土壤温度逐渐升高.
(2) 与低电流加热方式相比, 采用高电流加热, 土壤温度升高更快, 到达设定温度时间越短, 且单位能耗更低.
(3) 间歇加热方式通电后短时间内会产生高电流, 因而产生大量的热量.与连续加热相比, 间歇加热时土壤升温速度慢, 但能耗低, 只有连续加热时能耗的45.2%, 实际工程宜根据工期、成本等因素选择合适的加热方式.
(4) 随着加热时间增加, 土壤含水率降低、电流减小、升温速度变缓, 长时间加热过程中, 需要给土壤补充水分以维持加热.
(5) 负压越高热量损失越多, 土壤升温越慢, 单位能耗越高.负压对抽提管附近土壤温度影响最大.因此, 在实际工程中, 在不影响污染物脱附效果的前提下, 应尽量选择较小的抽提负压.
| [1] |
马妍, 王盾, 徐竹, 等. 北京市工业污染场地修复现状、问题及对策[J]. 环境工程, 2017, 35(10): 120-124. Ma Y, Wang D, Xu Z, et al. Current situation, problems and countermeasures of industrial contaminated sites remediation in Beijing[J]. Environmental Engineering, 2017, 35(10): 120-124. |
| [2] |
程曦, 胡雪芹, 涂震江, 等. 老工业基地搬迁改造污染场地再开发利用修复规划案例研究[J]. 中国人口·资源与环境, 2017, 27(S2): 54-57. Cheng X, Hu X Q, Tu Z J, et al. Case study on remediation planning of contaminated sites for redevelopment of an old industrial area[J]. China Population Resources and Environment, 2017, 27(S2): 54-57. |
| [3] |
赵玲, 滕应, 骆永明. 我国有机氯农药场地污染现状与修复技术研究进展[J]. 土壤, 2018, 50(3): 435-445. Zhao L, Teng Y, Luo Y M. Status of organochlorine pesticide contaminated sites in china and advances in site remediation[J]. Soils, 2018, 50(3): 435-445. |
| [4] |
徐鹏, 封跃鹏, 范洁, 等. 有机氯农药在我国典型地区土壤中的污染现状及其研究进展[J]. 农药, 2014, 53(3): 164-166, 173. Xu P, Feng Y P, Fan J, et al. Organochlorine pesticides pollution in soils of typical areas in China:recent advances and future prospects[J]. Agrochemicals, 2014, 53(3): 164-166, 173. |
| [5] |
刘惠, 陈奕. 有机污染土壤修复技术及案例研究[J]. 环境工程, 2015, 33(S1): 920-923. Liu H, Chen Y. Organic contaminated soil treatment technologies and remediation practices[J]. Environmental Engineering, 2015, 33(S1): 920-923. |
| [6] | Zhao C, Dong Y, Feng Y P, et al. Thermal desorption for remediation of contaminated soil:A review[J]. Chemosphere, 2019, 221: 841-855. DOI:10.1016/j.chemosphere.2019.01.079 |
| [7] |
张学良, 廖朋辉, 李群, 等. 复杂有机物污染地块原位热脱附修复技术的研究[J]. 土壤通报, 2018, 49(4): 993-1000. Zhang X L, Liao P Y, Li Q, et al. Remediation of complex organic compounds in contaminated plot with in-situ thermal desorption[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2018, 49(4): 993-1000. |
| [8] |
蒋村, 孟宪荣, 施维林, 等. 氯苯污染土壤低温原位热脱附修复[J]. 环境工程学报, 2019, 13(7): 1720-1726. Jiang C, Meng X R, Shi W L, et al. In-situ low temperature thermal desorption for remediation of the chlorobenzene contaminated soil[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(7): 1720-1726. |
| [9] |
王瑛, 李扬, 黄启飞, 等. 温度和停留时间对DDT污染土壤热脱附效果的影响[J]. 环境工程, 2012, 30(1): 116-120. Wang Y, Li Y, Huang Q F, et al. Effect of temperature and residue time on treatment of DDTs contaminated soil by thermal desorption technology[J]. Environmental Engineering, 2012, 30(1): 116-120. |
| [10] |
张学良, 李群, 周艳, 等. 某退役溶剂厂有机物污染场地燃气热脱附原位修复效果试验[J]. 环境科学学报, 2018, 38(7): 2868-2875. Zhang X L, Li Q, Zhou Y, et al. In-Situ remediation of organics-contaminanted site by gas thermal desorption at a retired solvent plant[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2018, 38(7): 2868-2875. |
| [11] |
王锦淮. 原位热脱附技术在某有机污染场地修复中试应用[J]. 化学世界, 2018, 59(3): 182-186. Wang J H. Application of in-situ thermal desorption technology for remediation of an organic contaminated site[J]. Chemical World, 2018, 59(3): 182-186. |
| [12] |
迟克宇, 李传维, 籍龙杰, 等. 原位电热脱附技术在某有机污染场地修复中的应用效果[J]. 环境工程学报, 2019, 13(9): 2049-2059. Chi K Y, Li C W, Ji L J, et al. Application effect of in-situ electric thermal desorption technology used in remediation at an organics-contaminated site[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(9): 2049-2059. |
| [13] | Martin E J, Mumford K G, Kueper B H, et al. Gas formation in sand and clay during electrical resistance heating[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2017, 110: 855-862. DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.03.056 |
| [14] | Munholland J L, Mumford K G, Kueper B H. Factors affecting gas migration and contaminant redistribution in heterogeneous porous media subject to electrical resistance heating[J]. Journal of Contaminant Hydrology, 2016, 184: 14-24. DOI:10.1016/j.jconhyd.2015.10.011 |
| [15] | 刘伟, 汪华安, 尚浩冉, 等.有机污染场地原位电法热脱附修复技术综述[A].见: 《环境工程》2018年全国学术年会论文集(下册)[C].北京: 《工业建筑》杂志社, 2018. 746-750. |
| [16] | Oberle D, Crownover E, Kluger M, et al. In situ remediation of 1, 4-dioxane using electrical resistance heating[J]. Remediation Journal, 2015, 25(2): 35-42. |
| [17] | Friis A K, Heron G, Albrechtsen H J, et al. Anaerobic dechlorination and redox activities after full-scale electrical resistance heating (ERH) of a TCE-contaminated aquifer[J]. Journal of Contaminant Hydrology, 2006, 88(3-4): 219-234. DOI:10.1016/j.jconhyd.2006.07.001 |
| [18] |
缪周伟, 吕树光, 邱兆富, 等. 原位热处理技术修复重质非水相液体污染场地研究进展[J]. 环境污染与防治, 2012, 34(8): 63-68. Miao Z W, Lv S G, Qiu Z F, et al. Progress of in situ thermal treatment technologies for DNAPLs contaminated site remediation[J]. Environmental Pollution And Control, 2012, 34(8): 63-68. DOI:10.3969/j.issn.1001-3865.2012.08.014 |
| [19] |
刘惠. 污染土壤热脱附技术的应用与发展趋势[J]. 环境与可持续发展, 2019, 44(4): 144-148. Liu H. Application and development trend of thermal desorption technology for contaminated soil[J]. Environment and Sustainable Development, 2019, 44(4): 144-148. |
| [20] | Heron G, Van Zutphen M, Christensen T H, et al. Soil Heating for enhanced remediation of chlorinated solvents:a laboratory study on resistive heating and vapor extraction in a silty, low-permeable soil contaminated with trichloroethylene[J]. Environmental Science & Technology, 1998, 32(10): 1474-1481. |
| [21] | Han Z Y, Jiao W T, Tian Y, et al. Lab-scale removal of PAHs in contaminated soil using electrical resistance heating:Removal efficiency and alteration of soil properties[J]. Chemosphere, 2020, 239: 124496. DOI:10.1016/j.chemosphere.2019.124496 |
| [22] | Beyke G, Fleming D. In situ thermal remediation of DNAPL and LNAPL using electrical resistance heating[J]. Remediation Journal, 2005, 15(3): 5-22. DOI:10.1002/rem.20047 |
| [23] | Fu R B, Wen D D, Xia X Q, et al. Electrokinetic remediation of chromium (Cr)-contaminated soil with citric acid (CA) and polyaspartic acid (PASP) as electrolytes[J]. Chemical Engineering Journal, 2017, 316: 601-608. DOI:10.1016/j.cej.2017.01.092 |
| [24] |
张辉, 陈太聪. NAPLs污染土壤电阻率影响因素研究[J]. 工业安全与环保, 2017, 43(2): 5-10. Zhang H, Chen T C. Reserach of the effects of soil contaminated by napls on resistivity[J]. Industrial Safety and Environmental Protection, 2017, 43(2): 5-10. DOI:10.3969/j.issn.1001-425X.2017.02.002 |
| [25] |
焦文涛, 韩自玉, 吕正勇, 等. 土壤电阻加热技术原位修复有机污染土壤的关键问题与展望[J]. 环境工程学报, 2019, 13(9): 2027-2036. Jiao W T, Han Z Y, Lv Z Y, et al. Key issue and expectation of soil electrical resistance heating remediation technology[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(9): 2027-2036. |