摘要: 原位熱處理技術(shù)可以在低地下擾動(dòng)的前提下實(shí)現(xiàn)污染場(chǎng)地快速高效的修復(fù)，已成為高濃度揮發(fā)/半揮發(fā)性有機(jī)物污染場(chǎng)地修復(fù)的熱門(mén)技術(shù)之一。然而，傳統(tǒng)原位熱處理技術(shù)存在能耗和碳排放較高的弊端，限制了其大范圍推廣應(yīng)用。在“碳達(dá)峰、碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)下，亟需開(kāi)展原位熱處理技術(shù)的優(yōu)化研究以降低其能效比。通過(guò)國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究與工程案例的整理分析，識(shí)別原位熱處理活動(dòng)中的碳排放和能耗的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)，進(jìn)而提出該技術(shù)低碳化發(fā)展的主要方向；同時(shí)梳理原位熱處理工藝中應(yīng)用再生能源和技術(shù)優(yōu)化的研究進(jìn)展，展望“雙碳”目標(biāo)下該技術(shù)的重點(diǎn)研究方向。目前已獲得的研究結(jié)果表明，通過(guò)應(yīng)用可再生能源和技術(shù)優(yōu)化有望實(shí)現(xiàn)原位熱修復(fù)工藝的大幅減排。
作者：楊潔1,2, 葉春梅1,2, 司馬菁珂1,2, 黃沈發(fā)1,2, 周棟1,2
1. 上海市環(huán)境科學(xué)研究院；
2. 國(guó)家環(huán)境保護(hù)城市土壤污染控制與修復(fù)工程技術(shù)中心
隨著我國(guó)城市化進(jìn)程和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐的加快，大批工業(yè)企業(yè)相繼搬遷或關(guān)停，產(chǎn)生大量工業(yè)遺留污染場(chǎng)地，對(duì)生態(tài)環(huán)境和周邊居民的健康造成嚴(yán)重威脅[1]。在我國(guó)污染場(chǎng)地修復(fù)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的20年間，初期多采用異位修復(fù)技術(shù)，如固化/穩(wěn)定化、水泥窯協(xié)同處置等，但異位修復(fù)時(shí)挖掘和運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程將導(dǎo)致二次污染風(fēng)險(xiǎn)增大，并且綜合考慮生態(tài)和社會(huì)效益，用于異位修復(fù)的資源消耗和能效比并不低[2]。隨著污染場(chǎng)地治理修復(fù)行業(yè)的發(fā)展，國(guó)家《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》[3]和《中華人民共和國(guó)土壤污染防治法》[4]相繼提出污染土壤原則上進(jìn)行原位修復(fù)的要求，污染場(chǎng)地修復(fù)技術(shù)逐漸由異位修復(fù)技術(shù)向原位修復(fù)技術(shù)發(fā)展，如原位熱處理、原位化學(xué)氧化還原、原位生物修復(fù)技術(shù)等[5]。其中，原位熱處理 (In-situ thermal treatment, ISTT) 技術(shù)作為一種高效修復(fù)技術(shù)，具有地下擾動(dòng)小、適用污染物類(lèi)型多、作業(yè)深度深、修復(fù)周期短、污染去除率高等優(yōu)勢(shì)，在污染程度重、時(shí)間要求緊的場(chǎng)地修復(fù)工程中得到了廣泛的應(yīng)用，已成為修復(fù)揮發(fā)/半揮發(fā)性有機(jī)污染場(chǎng)地最有效的方法之一[6-9]。
面對(duì)全球氣候變化形勢(shì)日趨嚴(yán)峻的現(xiàn)狀，多個(gè)國(guó)家及地區(qū)相繼提出碳中和目標(biāo)[10]，綠色可持續(xù)修復(fù)已逐漸成為國(guó)際污染場(chǎng)地修復(fù)的發(fā)展方向[11]。我國(guó)于2020年提出“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)中和”的目標(biāo)[12]。在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，亟需加強(qiáng)國(guó)內(nèi)污染場(chǎng)地的綠色可持續(xù)修復(fù)研究，提升修復(fù)技術(shù)的發(fā)展水平。值得關(guān)注的是，ISTT技術(shù)由于需要持續(xù)的能源輸入以達(dá)到較高處理溫度，被認(rèn)為是能源密集型技術(shù)[13]，影響其在“雙碳”戰(zhàn)略背景下的推廣應(yīng)用。盡管傳統(tǒng)ISTT存在能耗和碳排放較高的弊端，但該技術(shù)具有修復(fù)周期短、效率高、二次污染影響小的特征，合理優(yōu)化后有望轉(zhuǎn)變?yōu)榭沙掷m(xù)修復(fù)技術(shù)[14]。為此，本文調(diào)研國(guó)內(nèi)外ISTT技術(shù)的研究和工程實(shí)例，分析ISTT技術(shù)應(yīng)用過(guò)程的碳排放和能耗情況及其關(guān)鍵貢獻(xiàn)環(huán)節(jié)，擬提出在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上推動(dòng)ISTT技術(shù)低碳發(fā)展的主要優(yōu)化方向，并梳理了借力可再生能源和技術(shù)優(yōu)化等措施的研究進(jìn)展，以期為業(yè)界對(duì)“雙碳”目標(biāo)下該技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用提供參考。
ISTT技術(shù)通過(guò)就地加熱污染介質(zhì) (包氣帶/含水層) ，破壞污染物或增加其揮發(fā)和遷移性，促使其以多相態(tài)加速遷移至氣相或液相中，并通過(guò)尾水/尾氣將其收集到地表進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)污染物的去除[15]。根據(jù)加熱方式可分為電阻加熱 (Electrical resistance heating, ERH) 、熱傳導(dǎo)加熱 (Thermal conduction heating, TCH) 、蒸汽強(qiáng)化抽提 (Steam enhanced extraction, SEE) 、射頻加熱 (Radio frequency heating，RFH) 和陰燃 (Self-sustaining treatment for active remediation, STAR) 技術(shù)等。上述技術(shù)的特點(diǎn)見(jiàn)表1。目前較常用的技術(shù)為ERH、TCH和SEE，在1988~2021年美國(guó)的643項(xiàng)原位熱修復(fù)項(xiàng)目中，ERH技術(shù)處于主導(dǎo)地位，超過(guò)一半的項(xiàng)目 (57.2%) 涉及ERH，其次是TCH技術(shù)，占比為29.5%，SEE、STAR和RFH等技術(shù)的占比分別為8.3%、1.9%和1.1%[16]。
修復(fù)過(guò)程的碳足跡是評(píng)價(jià)一項(xiàng)修復(fù)技術(shù)是否綠色可持續(xù)的重要指標(biāo)，主要采用全生命周期評(píng)價(jià) (Life cycle assessment, LCA) 和環(huán)境足跡分析 (Environmental footprint analysis, EFA) 等方法進(jìn)行量化評(píng)估。表2列舉了7個(gè)典型ISTT案例的碳排放情況，受場(chǎng)地特征和處理技術(shù)等因素的影響，不同修復(fù)案例的單位碳排放量存在較大差異，最低為0.5 kgCO2-eq·m−3，最高達(dá)330.0 kgCO2-eq·m−3。對(duì)于特定的污染場(chǎng)地，選擇合適的技術(shù)是降低修復(fù)活動(dòng)碳排放的重要途徑，在2種ISTT技術(shù)修復(fù)煤焦油污染場(chǎng)地的碳足跡對(duì)比研究中，GRANT等[19]發(fā)現(xiàn)TCH技術(shù)所產(chǎn)生的碳排放總量為4.12×104 tCO2-eq，而STAR技術(shù)僅為4.39×103 tCO2-eq，相差近10倍。因?yàn)镾TAR技術(shù)是依靠有機(jī)污染物自持燃燒進(jìn)行修復(fù)，無(wú)需持續(xù)的熱量輸入，能源消耗較常規(guī)熱處理低[14]。
識(shí)別ISTT過(guò)程關(guān)鍵碳排放環(huán)節(jié)是技術(shù)優(yōu)化和減排的基礎(chǔ)。由圖1可以看出，ISTT處理過(guò)程的碳排放絕大部分來(lái)源于修復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的不可再生能源消耗，占總排放量的74.8%~97.7%。剩余小部分碳排放主要來(lái)源于修復(fù)系統(tǒng)安裝和拆解 (1.3%~17.7%) 、材料消耗 (0.4%~7.0%) 及運(yùn)輸和監(jiān)測(cè) (0.1%~4.0%) 等環(huán)節(jié)。
能耗量是反應(yīng)ISTT過(guò)程碳排放的關(guān)鍵指標(biāo)，表3列舉了13個(gè)典型ISTT案例的能耗情況，為便于統(tǒng)計(jì)分析，利用等效電法[25]將各案例中不同形式的能源消耗量折算為耗電量并計(jì)算了單位能耗。與碳排放相似，由于場(chǎng)地特征和處理技術(shù)等原因，不同案例的單位能耗差異較大，最低為2.9 kWh·m−3，最高達(dá)820.0 kWh·m−3。對(duì)于特定污染場(chǎng)地，選擇合適的技術(shù)有望大幅減少修復(fù)能耗，LEMMING等[26]評(píng)估了RFH、SEE、ERH和TCH技術(shù)分別處理低滲透性三氯乙烯污染場(chǎng)地的能耗情況，發(fā)現(xiàn)采用RFH技術(shù)時(shí)能耗最低，較SEE、ERH和TCH技術(shù)分別降低了83.8%、74.4%和70.3%，推測(cè)原因是RHF技術(shù)通過(guò)高頻電場(chǎng)加熱，不受地下介質(zhì)熱導(dǎo)率和滲透率的影響，升溫較快，耗能較少。對(duì)于場(chǎng)地特征相似的場(chǎng)地，相同處理技術(shù)下，處理規(guī)模越大單位能耗越小。有研究對(duì)SEE、ERH和TCH技術(shù)分別修復(fù)場(chǎng)地特征類(lèi)似的小場(chǎng)地 (1 260 m3) 和大場(chǎng)地 (11 700 m3) 時(shí)的能耗進(jìn)行了估算，發(fā)現(xiàn)修復(fù)大場(chǎng)地的單位能耗較小場(chǎng)地下降了43.4%~67.5%[26]。
識(shí)別ISTT過(guò)程的關(guān)鍵能耗環(huán)節(jié)是技術(shù)節(jié)能降耗的前提。為此，基于實(shí)驗(yàn)研究及工程案例[7,22-23,26,28-29]，梳理了ISTT技術(shù) (包括ERH、TCH和SEE) 應(yīng)用過(guò)程中各環(huán)節(jié)的能耗占比，并繪制了簡(jiǎn)化能流圖 (圖2) 。由圖可知，ISTT過(guò)程的能耗以熱量輸入為主，占總能耗的75%~95%，其次是修復(fù)裝置運(yùn)行的耗能 (5%~20%) ，剩余小部分耗能 (1%~4%) 由設(shè)備安裝、運(yùn)輸和監(jiān)測(cè)等環(huán)節(jié)組成。輸入地下的熱量中，大部分被用于加熱污染介質(zhì)，約占總能耗的40%~70% (土壤16%~28%，地下水24%~42%) ，其余則通過(guò)抽提熱損 (2%~17%) 、周邊對(duì)流和傳導(dǎo)散熱 (2%~35%) 及其他熱損 (1%~3%) 等途徑損失了。值得注意的是，對(duì)于以燃?xì)鉃槟茉吹臒醾鲗?dǎo)技術(shù) (Gas thermal remediation, GTR) ，熱損失途徑還包括燃燒尾氣的排放，該環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的熱損失可占總熱量輸入的25%~50%[29]。綜上，在“雙碳”目標(biāo)下，今后ISTT技術(shù)的優(yōu)化研究需要圍繞減少不可再生能源消耗和降低熱量輸入需求等方向展開(kāi)。
由前文分析可知，不可再生能源消耗是導(dǎo)致ISTT過(guò)程高碳排放的主要原因，占比達(dá)74%以上。因此，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、借力可再生能源是實(shí)現(xiàn)ISTT技術(shù)減排的首要途徑。可再生能源是指水力能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能和地?zé)崮艿确腔茉矗壳霸诘貓?chǎng)修復(fù)活動(dòng)中應(yīng)用較多的為太陽(yáng)能和風(fēng)能。
太陽(yáng)能主要指太陽(yáng)輻射能，在我國(guó)陸地上的年接受量約為1.47×1016 kWh，可折合4.9×1012 t標(biāo)準(zhǔn)煤[30]，應(yīng)用潛力巨大。場(chǎng)地修復(fù)活動(dòng)中，太陽(yáng)能的應(yīng)用通常通過(guò)光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，利用太陽(yáng)能發(fā)電驅(qū)動(dòng)抽提、采樣和監(jiān)測(cè)裝置等小型電力設(shè)備[31-33]。也有學(xué)者嘗試將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為熱能應(yīng)用，如利用聚光器、太陽(yáng)能加熱爐和太陽(yáng)能回轉(zhuǎn)窯等裝置直接加熱污染土壤[34-35]。NAKAMURA等[36]利用光纖將聚光器聚集的太陽(yáng)光線(xiàn)傳輸?shù)綄?shí)驗(yàn)裝置中加熱三氯乙烯污染土壤，加熱至100~200 ℃，成功實(shí)現(xiàn)了污染物的完全去除。高冰等[37]的設(shè)計(jì)則在太陽(yáng)光線(xiàn)加熱的基礎(chǔ)上增加了一套注氣系統(tǒng)，利用聚集的太陽(yáng)光線(xiàn)先加熱集熱管內(nèi)的氣體，再通過(guò)流動(dòng)的氣體將熱量帶入地下環(huán)境。太陽(yáng)光線(xiàn)聚焦所產(chǎn)生的溫度很高，還有研究將其用于污染土壤的玻璃化處理[38]。近年來(lái)，結(jié)合地下儲(chǔ)熱系統(tǒng)的太陽(yáng)能熱強(qiáng)化微生物修復(fù)技術(shù)引發(fā)了大量關(guān)注，該技術(shù)通過(guò)地下儲(chǔ)熱系統(tǒng)將太陽(yáng)能集熱模塊聚集的熱量帶入地下環(huán)境，用于強(qiáng)化微生物修復(fù) (圖3 (a) ) 。地下儲(chǔ)熱系統(tǒng)主要包括含水層儲(chǔ)熱和鉆孔儲(chǔ)熱，含水層儲(chǔ)熱指通過(guò)地下水的“抽出-加熱-回灌”儲(chǔ)存熱量，適用于低地下水流、高滲透性、且具有合適厚度的含水層[39]；鉆孔儲(chǔ)熱則通過(guò)持續(xù)加熱封閉管道中的循環(huán)流體實(shí)現(xiàn)熱量?jī)?chǔ)存，適用于非飽和帶或沒(méi)有合適含水層的區(qū)域[40]。與自然衰減相比，基于地下儲(chǔ)熱系統(tǒng)的太陽(yáng)能熱強(qiáng)化微生物修復(fù)可以顯著提高目標(biāo)區(qū)域的微生物活性和污染物去除率[41-42]。太陽(yáng)能應(yīng)用途徑廣，減排潛力也很大，有研究對(duì)比了不同能源為電化學(xué)修復(fù)電解廢水過(guò)程供電對(duì)環(huán)境的影響，發(fā)現(xiàn)利用太陽(yáng)能替代傳統(tǒng)電網(wǎng)供電可以減少85%以上的CO2排放[43]。
風(fēng)能主要指空氣流動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能，通常通過(guò)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電能使用。據(jù)估計(jì)，我國(guó)陸地50 m高度內(nèi)3級(jí)以上 (風(fēng)功率密度≥300 W·m−2) 風(fēng)能資源的潛在開(kāi)發(fā)量約為2.38×109 kW[28]，具有廣闊的應(yīng)用前景。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用常見(jiàn)于室內(nèi)電化學(xué)修復(fù)實(shí)驗(yàn)和海水淡化等研究中[44-45]，具有較大的減排潛力，有研究對(duì)比了不同能源為電化學(xué)修復(fù)電解廢水過(guò)程供電對(duì)環(huán)境的影響，發(fā)現(xiàn)風(fēng)能供電時(shí)所產(chǎn)生碳排放量?jī)H為傳統(tǒng)電網(wǎng)供電的14.3%[43]。場(chǎng)地修復(fù)活動(dòng)中的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)常與太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)用 (圖3 (b) ) ，以保證足夠的能源供應(yīng)。ROSSMAN等[46]在美國(guó)北部開(kāi)展了一項(xiàng)原位土壤低溫加熱的中試研究，利用風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)同時(shí)為電阻加熱元件供電，8個(gè)月內(nèi)向土壤中共輸入441 kWh的能量，使土壤溫度最高上升20 ℃。HELLRIEGEL等[47]利用混合光伏/風(fēng)力系統(tǒng)為地下水脫鹽、脫砷模塊供電，供電量為15.2 kWh·d−1，遠(yuǎn)超處理模塊的日平均運(yùn)行能耗，可以替代126%的不可再生能源消耗。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)易受氣候條件限制，往往難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)恒定的供電。對(duì)于電化學(xué)修復(fù)、ERH技術(shù)的電動(dòng)-熱耦合模式等需要依靠電場(chǎng)作用的修復(fù)技術(shù)[48]，由于傳質(zhì)過(guò)程的可逆性，間歇性供電可能會(huì)導(dǎo)致修復(fù)效率低下[49]。因此，需要考慮將現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的電能進(jìn)行儲(chǔ)存，常見(jiàn)儲(chǔ)能裝置包括鉛酸電池、超級(jí)電容器和氧化還原流體電池等[50]。
太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源儲(chǔ)量豐富，已被廣泛應(yīng)用于場(chǎng)地修復(fù)活動(dòng)中，并且具有巨大的減排潛力。對(duì)于高能耗的ISTT工藝，適當(dāng)利用可再生能源替代部分傳統(tǒng)電力或燃料供能將成為推進(jìn)該工藝低碳化發(fā)展的重要途徑。
從技術(shù)層面對(duì)ISTT工藝進(jìn)行優(yōu)化可以從源頭上降低熱量輸入需求，進(jìn)而減少修復(fù)能耗。ISTT工藝技術(shù)層面的優(yōu)化可以分為單項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)化、不同技術(shù)的耦合和修復(fù)過(guò)程的熱損失控制等。
單項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)化主要指根據(jù)各技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)加熱方式、技術(shù)參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。SEE技術(shù)主要通過(guò)優(yōu)化蒸汽注入方式來(lái)縮短修復(fù)時(shí)間、提高修復(fù)效益，優(yōu)化方法包括壓力循環(huán)注入蒸汽、水力壓裂與蒸汽注入相結(jié)合、蒸汽和空氣共注入、過(guò)熱蒸汽替代飽和蒸汽等[6,8,51-52]。ERH技術(shù)主要通過(guò)改變補(bǔ)水方式和供電模式等實(shí)現(xiàn)優(yōu)化[53]。耿竹凝等[54]利用脈動(dòng)直流電替代交流電為ERH修復(fù)三氯乙烯污染土壤供電，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)48 h處理，同等電壓下脈動(dòng)直流電體系的污染去除率較交流電體系提升了2.2倍，而能耗僅為該體系的32%，推測(cè)其原因是直流電場(chǎng)的電滲析作用增強(qiáng)了污染物的遷移去除。電熱-動(dòng)態(tài)剝離也是一種基于ERH的優(yōu)化技術(shù)，該技術(shù)在ERH基礎(chǔ)上嵌入了注水循環(huán)系統(tǒng)，一方面可防止電極過(guò)熱，另一方面還能保證土壤水分、維持高電流、增加對(duì)流傳熱，進(jìn)而提高修復(fù)效益[18]。TCH技術(shù)主要通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)控溫度和天然氣輸入流量 (GTR技術(shù)) 實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。LI等[29]提出了一種基于溫度監(jiān)測(cè)的控溫策略，分別在加熱、沸騰和過(guò)熱階段設(shè)定加熱溫度為750、800、1 050 ℃，較恒溫 (950 ℃) 處理可減少29%的天然氣用量。XU等[55]提出了一種多參數(shù)的天然氣調(diào)控方案，分別在加熱、沸騰和過(guò)熱階段選擇溫升率、含水率變化率和溫升率作為變量調(diào)控天然氣輸入流量，相比于恒定流量輸入，加熱時(shí)間可縮短50.3%，天然氣消耗可減少24%。ZHAI等[56]則在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上考慮了現(xiàn)場(chǎng)布局，設(shè)定加熱井的目標(biāo)溫度與其到邊界的距離成正相關(guān)，且隨土壤溫度的升高和含水率的下降而升高，與常規(guī)處理方式相比，預(yù)計(jì)將降低30%的能耗。此外，不同場(chǎng)地的水文地質(zhì)條件和污染類(lèi)型差異較大，修復(fù)前均需要對(duì)場(chǎng)地特征進(jìn)行精準(zhǔn)刻畫(huà)，因地制宜的優(yōu)化布局和相關(guān)技術(shù)參數(shù)，以控制修復(fù)能耗和成本[57-58]。
國(guó)內(nèi)污染場(chǎng)地復(fù)合污染普遍、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，單項(xiàng)ISTT技術(shù)往往難以實(shí)現(xiàn)高能源效益的修復(fù)。耦合技術(shù)可以利用不同技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、發(fā)揮技術(shù)間的協(xié)同效應(yīng)，是目前ISTT技術(shù)低碳化發(fā)展的重要方向。
1) 原位熱處理技術(shù)與化學(xué)處理技術(shù)的耦合。熱處理去除高沸點(diǎn)污染物 (如多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴等) 時(shí)，需達(dá)到300~600 ℃，甚至更高，才能實(shí)現(xiàn)污染物的完全去除[59-60]，高處理溫度意味著高能源消耗[61]。通過(guò)添加化學(xué)藥劑可以改變熱處理區(qū)域的化學(xué)環(huán)境，加速污染物溶解、揮發(fā)或轉(zhuǎn)化，進(jìn)而降低加熱溫度和熱量需求[62-63]。MA等[64]在熱處理汞污染土壤的過(guò)程中添加檸檬酸，增強(qiáng)了汞的解吸和溶解，使處理溫度降低200 ℃左右，能耗降低了35%。LIU等[65]在重?zé)N物質(zhì)熱解過(guò)程中引入K2CO3，降低了熱解過(guò)程的平均活化能，大幅降低了處理溫度，使修復(fù)能耗減少了34.7%。化學(xué)藥劑的添加還可以提高升溫均勻性、加速污染物去除，進(jìn)而縮短加熱時(shí)間。LI等[67]發(fā)現(xiàn)，在ERH基礎(chǔ)上耦合過(guò)硫酸鹽再循環(huán)系統(tǒng)可以大幅提高ERH的升溫速率，并使其升溫更加均勻，推測(cè)原因是循環(huán)過(guò)硫酸鹽增強(qiáng)了熱量的傳遞和分散。HAN等[66]在ERH處理多環(huán)芳污染土壤的過(guò)程中添加了過(guò)硫酸鹽，使污染物去除機(jī)理從揮發(fā)變?yōu)閾]發(fā)與氧化的耦合效應(yīng)，將菲和芘的去除率分別提高了43.52%和61.07%，去除過(guò)程加速了45.50%。在熱處理后期 (修復(fù)未達(dá)標(biāo)) 耦合化學(xué)處理還有望解決熱處理后期能源效率低的問(wèn)題，大幅縮短加熱時(shí)間、減少熱量輸入[68]。此外，化學(xué)處理也得益于熱處理的耦合，升溫可以增強(qiáng)介質(zhì)中污染物的解吸和溶解，促進(jìn)其與化學(xué)藥劑的充分接觸[69-70]，還可以活化過(guò)硫酸鹽等氧化藥劑，加速化學(xué)修復(fù)過(guò)程[71]。基于ERH技術(shù)的電動(dòng)-熱耦合技術(shù)還有望通過(guò)電滲析和電遷移作用增強(qiáng)氧化劑的擴(kuò)散，突破化學(xué)氧化技術(shù)在低滲透性土壤中的應(yīng)用限制[72]。
2) 原位熱處理技術(shù)與微生物修復(fù)技術(shù)的耦合。ISTT技術(shù)與微生物修復(fù)技術(shù)耦合的研究重點(diǎn)在于熱強(qiáng)化微生物修復(fù)，通過(guò)低溫加熱提高目標(biāo)區(qū)域有機(jī)污染物的微生物可利用度、增強(qiáng)微生物活性，進(jìn)而提高修復(fù)效率[73-74]。KOSEGI等[75]開(kāi)展了熱強(qiáng)化微生物修復(fù)處理重非水相液體 (DNAPL) 污染地下水的模擬研究，發(fā)現(xiàn)將溫度從15 ℃提高到35 ℃時(shí)，Dhc菌株還原性脫鹵基因的豐度增加了1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，修復(fù)達(dá)標(biāo)時(shí)間縮短了70%。PERFUMO等[76]對(duì)比了不同溫度下微生物修復(fù)石油烴污染土壤的效果，發(fā)現(xiàn)將溫度從18 ℃提高到60 ℃時(shí)，污染物去除率增加了26%。推測(cè)其原因是溫度上升增加了污染物的溶解，并刺激了嗜熱降解菌群的生長(zhǎng)。近年來(lái)，結(jié)合可再生能源和地下儲(chǔ)熱系統(tǒng)的熱強(qiáng)化微生物修復(fù)技術(shù)得到了廣泛的研究，歐洲某氯化溶劑污染場(chǎng)地將含水層儲(chǔ)熱系統(tǒng)與微生物降解相結(jié)合，修復(fù)污染深度達(dá)60~70 m的地下水，據(jù)估算修復(fù)成本較常規(guī)修復(fù)方案降低了30%~40%，CO2排放量降低了30%~50%[77]。
3) 原位熱處理技術(shù)之間的耦合。ISTT技術(shù)之間的耦合一般應(yīng)用于修復(fù)復(fù)雜污染場(chǎng)地，常用耦合方式為SEE與TCH或ERH技術(shù)的組合，SEE技術(shù)用于處理高滲透區(qū) (場(chǎng)地深度大于9.1 m時(shí)，滲透率下限約為10–5 cm·s−1；深度小于6.1 m時(shí)，滲透率下限約為10–3 cm·s−1) ，ERH或TCH技術(shù)用于處理低滲透區(qū)[78-79]。SEE可以減小地下水流入侵帶給TCH或ERH的影響，TCH或ERH則可以防止SEE應(yīng)用過(guò)程中優(yōu)勢(shì)流或DNAPL向下遷移的現(xiàn)象[80]。TIMMONS等[81]采用TCH耦合SEE的方法修復(fù)DNAPL污染場(chǎng)地，用TCH加熱淤泥和粘土層，SEE加熱礫石層，在16個(gè)月內(nèi)去除了74.8 t的污染物，去除率高達(dá)99%。在應(yīng)用ERH技術(shù)時(shí)，當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)的非均質(zhì)性較強(qiáng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)升溫不均勻的現(xiàn)象，存在修復(fù)不完全的風(fēng)險(xiǎn)[79]。ROLAND等[82]提出一種耦合ERH與RFH技術(shù)的修復(fù)方式，先采用低頻的ERH加熱，再采用高頻的RFH加熱，有望解決單一頻率電加熱處理時(shí)飽和區(qū)和非飽和區(qū)溫差大的問(wèn)題。
ISTT過(guò)程的熱損失最高可占總輸入熱量的50%左右[29]，熱損失問(wèn)題亟待解決。根據(jù)熱損失途徑，熱損失控制措施可分為地表熱量阻隔、地下水阻隔和高溫氣體的余熱回用3種。
1) 地表熱量阻隔。安裝地表覆蓋層是減少加熱區(qū)域與地面熱量交換的主要途徑，通常采用單層低滲透性、低熱導(dǎo)性的材料 (如混凝土、泡沫混凝土等) 覆蓋于目標(biāo)區(qū)域上方[7,27]。也有學(xué)者嘗試采用多層材料進(jìn)行阻隔保溫，如LEMMING等[26]在熱處理工程中采用的覆蓋層是以膨脹聚苯乙烯、輕質(zhì)膨脹粘土、貝殼等為填料的夾層結(jié)構(gòu)。李丁等[83]提出了一種專(zhuān)門(mén)針對(duì)GTR技術(shù)的多層地表覆蓋結(jié)構(gòu)，在待修復(fù)區(qū)的地表周?chē)O(shè)置圍擋，圍擋內(nèi)從下到上依次為礫石層、加氣磚層、交聯(lián)聚乙烯發(fā)泡材料絕熱層和混凝土層，并在阻隔層中嵌入了延伸至地表的抽提井，該結(jié)構(gòu)不僅能實(shí)現(xiàn)熱量阻隔，還能收集逸散至覆蓋層的氣體。此外，對(duì)于SEE技術(shù)，HOGGES和FALTA[84]發(fā)現(xiàn)，在安裝地表覆蓋層的基礎(chǔ)上結(jié)合蒸汽和空氣共注入可以大幅提高對(duì)表面熱量散失的控制效果，通過(guò)空氣注入減少高溫蒸汽的垂直上升，通過(guò)地表覆蓋層防止高溫氣流從注射井附近的地表溢出。
2) 地下水阻隔。地下阻隔降水是減少地下水吸熱及流動(dòng)換熱的首要途徑，阻隔措施包括設(shè)置物理屏障、設(shè)置水力屏障井和增設(shè)蒸汽注射井等。最常用的阻隔方法是設(shè)置物理屏障，通常設(shè)置在修復(fù)區(qū)域四周，一般采用板樁墻或泥漿墻[27,85]。水力屏障井多用于高滲透區(qū)域的隔水和降水，在修復(fù)區(qū)域周邊設(shè)置抽水井，通過(guò)改變?cè)搮^(qū)域的水力梯度來(lái)減少地下水流入[86]。增設(shè)蒸汽注射井主要適用于TCH和ERH技術(shù)，在修復(fù)區(qū)域邊緣或加熱井附近設(shè)置蒸汽注射井，通過(guò)形成高壓蒸汽填充區(qū)來(lái)減小地下水流入侵，是一種極具潛力的阻隔措施[69]。HEGELE和MCGEE[87]研究了應(yīng)用ERH技術(shù)時(shí)分別設(shè)置單側(cè)物理屏障、水力屏障井和蒸汽注射井對(duì)土壤升溫效果的影響，結(jié)果表明設(shè)置蒸汽注射井時(shí)升溫效果最好，其次為水力屏障井。增設(shè)蒸汽注射井為地下水阻隔提供了新選擇，但也將產(chǎn)生額外的能源需求，仍需開(kāi)展系統(tǒng)的研究驗(yàn)證其降耗的可行性。
3) 余熱回用。余熱回用是降低燃燒尾氣排放和氣相抽提散熱的重點(diǎn)方向，目前的研究多集中于GTR技術(shù)中[29,88-89]，回收利用方式包括：1) 回收熱量預(yù)熱空氣，在燃燒尾氣排放管路上安裝預(yù)熱裝置，加熱即將進(jìn)入燃燒器的冷空氣，減少因其進(jìn)入所導(dǎo)致的熱量消耗，如圖4 (a) 所示；2) 回收熱量預(yù)熱土壤，將前一批次加熱井排出的燃燒尾氣注入下一批次的加熱井中，預(yù)熱待修復(fù)土壤，降低后續(xù)的熱量需求，如圖4 (b) 所示；3) 回收熱量加熱冷點(diǎn)區(qū)域，在冷點(diǎn) (多個(gè)加熱井的中心位置) 安裝回注井，并將周邊加熱井的燃燒尾氣注入回注井中加熱冷點(diǎn)的土壤，使目標(biāo)區(qū)域受熱更均勻，如圖4 (c) 所示；4) 回收利用燃料和高熱值污染物，將燃燒尾氣或抽提尾氣按一定比例返回燃燒器中燃燒，提高燃料利用率，充分利用污染物燃燒釋放的熱量并降低尾氣處理負(fù)荷，如圖4 (d) 所示。余熱回用具有較大的降耗潛力，許優(yōu)等[90]在研究異位熱脫附的節(jié)能降耗方案時(shí)，發(fā)現(xiàn)回用回轉(zhuǎn)窯二燃室的高溫?zé)煔忸A(yù)干燥污染土壤可以使總能耗降低約20%。在ISTT研究中，LI等[29]發(fā)現(xiàn)將GTR加熱井的燃燒廢氣按比例 (10%、20%和30%) 返回燃燒器內(nèi)燃燒，可以提高3%以上的能源利用率，降耗效果隨回用比例的增加而提升。
原位熱處理技術(shù)的優(yōu)化研究已取得一定進(jìn)展，但缺乏完善的優(yōu)化方案及工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。在綠色可持續(xù)修復(fù)理念和“雙碳”戰(zhàn)略背景下，建議未來(lái)重點(diǎn)在以下4個(gè)方面開(kāi)展研究工作。
1) 進(jìn)一步開(kāi)展原位熱處理技術(shù)的綠色可持續(xù)評(píng)估，為技術(shù)優(yōu)化和比選提供參考。針對(duì)不同原位熱處理技術(shù)，開(kāi)展綠色可持續(xù)評(píng)估，量化修復(fù)過(guò)程的環(huán)境影響，明確其關(guān)鍵貢獻(xiàn)環(huán)節(jié)。
2) 深入分析原位熱處理工藝中可再生能源的應(yīng)用前景。分析可再生能源在原位熱處理過(guò)程的適用性，探明其應(yīng)用途徑及關(guān)鍵限制因素，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用研究，提出適用于不同場(chǎng)地條件、不同修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)施方案。
3) 進(jìn)一步開(kāi)展原位熱處理耦合聯(lián)用工藝的研究。研究耦合聯(lián)用工藝的修復(fù)機(jī)理，獲取關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，深入分析不同地質(zhì)條件下耦合聯(lián)用工藝的適用性，同時(shí)加強(qiáng)耦合技術(shù)的節(jié)能效益分析，為修復(fù)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)際工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。
4) 增強(qiáng)原位熱處理技術(shù)熱損失控制工藝及設(shè)備研發(fā)。開(kāi)展高保溫性能材料的研究，優(yōu)化地表阻隔與地下阻隔工藝，減少修復(fù)區(qū)域熱量向外擴(kuò)散；探索燃燒尾氣和抽提尾水尾氣余熱回用的方法，構(gòu)建完備的余熱回用體系，研發(fā)與修復(fù)技術(shù)配套的經(jīng)濟(jì)高效、適應(yīng)性強(qiáng)的余熱回用設(shè)備，提升能源利用效率。
