孫雅瓊

（濰坊優(yōu)特檢測(cè)服務(wù)有限公司，山東 濰坊 261041）

引言

將原位熱脫附技術(shù)應(yīng)用于土壤污染治理中，具體來說是通過搭建加熱井，加熱待修復(fù)場(chǎng)地，當(dāng)冷點(diǎn)監(jiān)測(cè)井的溫度趨于目標(biāo)溫度值后，維持恒溫狀態(tài)一定時(shí)間，并同時(shí)動(dòng)態(tài)記錄污染物在冷凝液體中的具體含量，以此確定是否完成治理修復(fù)。結(jié)合大量資料來看，目標(biāo)溫度與污染物去除間存在正相關(guān)規(guī)律，但溫度升高，耗能也隨之增加，不符合資源優(yōu)化利用目標(biāo)。因此，相關(guān)人員需設(shè)計(jì)試驗(yàn)確定最佳目標(biāo)溫度，以此兼顧成本和治理效果的控制要求。在獲取最佳目標(biāo)溫度后，將其作為最冷點(diǎn)處土壤的升溫目標(biāo)溫度，引入單位面積能耗，以升至目標(biāo)溫度所用時(shí)間為指標(biāo)，分析能夠滿足最大化治理土壤三氯乙烯的熱源排布方案。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)臺(tái)搭建

本文所搭建的試驗(yàn)臺(tái)由試樣、加熱和尾氣處理系統(tǒng)構(gòu)成（見圖1），其中，主要儀器及其規(guī)格型號(hào)為：真空泵：SY-1 300，0～120 L/min；流量計(jì)：LZB-4WB，0.3～3 L/min；活性炭罐：2 000 mL高硼硅玻璃罐；氣液分離罐：500 mL的GL45高硼硅玻璃罐；恒溫水浴箱：±5～100 ℃，400×300×200 mm，HH-601；試樣室：7×16 cm玻璃罐。

圖1 原味熱脫附土壤目標(biāo)加熱溫度試驗(yàn)臺(tái)原理圖

1.2 原料準(zhǔn)備

配置污染土壤，三氯乙烯的濃度為10 000 mg/kg，在干凈無污染的棕色廣口瓶中分別注入一級(jí)蒸餾水、無水乙醇和三氯乙烯，具體量分別為22.25 mL、5 mL、2.75 mL；再將60 mL廣口瓶瓶塞塞緊后，搖勻；并在試驗(yàn)前加入過飽和的TCE溶液[1]。

1.3 基本步驟

基本流程為：裝填土樣→加熱土樣→采集樣本→檢測(cè)樣本→固廢處理。

按照一層200目鋼絲網(wǎng)、一層粒徑8 mm的厚1.5 cm級(jí)配砂石、一層200目鋼絲網(wǎng)、一層土樣的形式，將所有原料填入試樣室中。并將裝填完成的試樣室在陰涼處放置約24 h，待其老化完成后，放置在恒溫水浴箱中的支架上。將進(jìn)出氣口閥門和真空泵打開，轉(zhuǎn)動(dòng)流量計(jì)控制旋鈕，以恒定流速完成試驗(yàn)。試驗(yàn)期間，溫度設(shè)定為50 ℃、70 ℃和80 ℃。每組試驗(yàn)中，每間隔1 h進(jìn)行一次采樣，共采集4次數(shù)據(jù)。采樣過程中，要在真空泵關(guān)閉后，將密封閥關(guān)閉，等到內(nèi)部氣流穩(wěn)定后，用不銹鋼勺取5 g樣本。借助質(zhì)譜法和氣相色譜法檢測(cè)樣本中的三氯乙烯含量，并使用酒精清洗燒杯、量筒、不銹鋼采樣勺、試樣室等二次利用儀器，以達(dá)到固廢處理標(biāo)準(zhǔn)。

2 治理修復(fù)效果分析

圖2、圖3分別為16%、24%含水率下，不同溫度條件土壤中三氯乙烯濃度隨時(shí)間變化曲線。

圖2 16%含水率下，不同溫度條件土壤中三氯乙烯濃度隨時(shí)間變化曲線

圖3 24%含水率下，不同溫度條件土壤中三氯乙烯濃度隨時(shí)間變化曲線

2.1 含水率的影響

結(jié)合圖2、圖3可以看出，三氯乙烯濃度隨著加熱時(shí)間的增加而下降，且整體在某一時(shí)間后趨于穩(wěn)定變化狀態(tài)。在含水量對(duì)濃度的影響方面可發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：在同一加熱時(shí)間和溫度下，隨著含水率的增加，土壤中三氯乙烯的濃度逐漸下降，說明高含水率對(duì)于去除三氯乙烯起到促進(jìn)作用。出現(xiàn)以上結(jié)果的原因是：當(dāng)含水量增加時(shí)，三氯乙烯與水更易形成共沸化合物，此時(shí)化合物沸點(diǎn)低于三氯乙烯純物質(zhì)狀態(tài)，更加有助于去除污染物。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在50 ℃狀態(tài)下，不同含水率的污染物去除量均較小，而當(dāng)溫度升至70 ℃時(shí)，單位時(shí)間去除量明顯增加。溫度繼續(xù)上升至80 ℃時(shí)，相較于加熱溫度為70 ℃的去除效果差別不大。

2.2 溫度的影響

結(jié)合圖2、圖3可以看出，三氯乙烯濃度隨著加熱溫度不斷升高而下降，且出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象。在50 ℃加熱溫度下，對(duì)比加熱1 h和2 h的濃度，可以看到出現(xiàn)了短暫的上升情況。出現(xiàn)以上情況的原因是：開始對(duì)試樣室進(jìn)行加熱時(shí)，三氯乙烯在負(fù)壓抽提作用下轉(zhuǎn)移至試樣室上部，同時(shí)因有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)會(huì)吸附污染物，造成液相污染物大量集中于試樣室上部土體中，使得濃度升高。隨著試樣室內(nèi)的溫度逐漸升高，三氯乙烯以氣相狀態(tài)存在，在負(fù)壓抽提作用下，其濃度逐漸下降，達(dá)到去除污染物的效果。

對(duì)比70 ℃、80 ℃與50 ℃加熱環(huán)境下的試驗(yàn)結(jié)果，可以看出溫度較高時(shí)氣液分離罐中存在大量冷凝液。該液體的主要物質(zhì)為共沸化合物，產(chǎn)生此種化合物后，液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀辔镔|(zhì)的效率加快，促使土壤中的三氯乙烯被快速去除。

對(duì)比70 ℃、80 ℃與50℃加熱環(huán)境下三氯乙烯的最終剩余量，可以看出在70 ℃、80 ℃的溫度條件下，污染物剩余量低于50 ℃下的剩余量，說明在溫度較高的狀態(tài)下，三氯乙烯去除能力提升。但與含水量影響土壤中三氯乙烯含量變化的規(guī)律類似，在加熱時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)，總體濃度變化幅度微小[2]。

2.3 確定目標(biāo)加熱溫度

本文以含水率為16%時(shí)，試樣室加熱溫度為50 ℃、70 ℃和80 ℃下的三氯乙烯濃度變化為研究對(duì)象，列出逐時(shí)變化數(shù)據(jù)，具體見表1。

表1 不同土壤溫度下三氯乙烯的濃度 單位：μg/kg

通過讀表，可以發(fā)現(xiàn)加熱溫度由50 ℃升至70 ℃，污染物濃度分別減少1 533 μg/kg、2 135.3 μg/kg、208.2 μg/kg、136.23 μg/kg，分別下降了84.2%、98.8%、94.6%、97.3%。說明溫度由50 ℃升至70 ℃的過程中，去除三氯乙烯的效果十分顯著。加熱溫度由70 ℃升至80 ℃時(shí)，除1 h及3 h外，2 h及4 h的三氯乙烯濃度相對(duì)增加，但是增加幅度并不大。例如：在第2次檢測(cè)中，濃度增加7.1 μg/kg，增長(zhǎng)率接近于30.0%，說明在土壤溫度由70 ℃升至80 ℃時(shí)，去除效果將不隨溫度變化出現(xiàn)大幅變化，作用變化效果不顯著。在含水率變化的試驗(yàn)中，污染物去除規(guī)律與加熱環(huán)境變化的規(guī)律基本相同，因此，基于對(duì)能耗的考量，原位熱脫附技術(shù)應(yīng)用于土壤三氯乙烯污染物去除的最佳目標(biāo)溫度為70 ℃。

3 土壤加熱數(shù)值模擬

本節(jié)仿真模擬以固體傳熱模塊下的多孔介質(zhì)傳熱模型為基礎(chǔ)，遵從相應(yīng)傳熱規(guī)律。

3.1 模型建立

傳熱控制方程為：

其中，qv為內(nèi)熱源強(qiáng)度；T為土壤溫度；λ為導(dǎo)流系數(shù)；c為比熱容；ρ為密度。

材料物料參數(shù)：土壤比熱容：2 000 J/kg·k；導(dǎo)熱系數(shù)：1.39 w/m·k；密度：183 kg/m3；砂石比熱容：1 100 J/kg·k；導(dǎo)熱系數(shù)：1.00 w/m·k；密度：1 650 kg/m3。

初始條件設(shè)定為熱脫附修復(fù)系統(tǒng)熱源運(yùn)行的第0時(shí)刻，取初始時(shí)刻溫度T1～T9的平均值，確定為120 ℃。實(shí)驗(yàn)中將圓柱形熱源以相互對(duì)稱形式設(shè)置在圓筒外圍，間隔120°。加熱終止時(shí)間為700 h。

3.2 參數(shù)與加熱效果的關(guān)系

本文經(jīng)有效性分析后，探究不同熱源排布方式、間距和溫度對(duì)加熱效果的影響。

首先，在熱源排布方式方面，實(shí)驗(yàn)中的熱源間距設(shè)定為2.5 m，加熱井直徑為100 mm，熱源溫度為700 ℃，分別在正六邊形和正三角形熱源分布中心區(qū)域，包覆6個(gè)和9個(gè)熱源。經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)，正六邊形熱源排布方式的溫度分布均勻程度弱于正三角形的熱源排布方式，升溫效果相對(duì)不明顯，700 h后，正六邊形熱源所在土壤最冷點(diǎn)的溫度升至100 ℃，正三角形區(qū)域的溫度升至300 ℃。說明利用正三角形的熱源排布方式將促使溫度快速上升，提高土壤修復(fù)質(zhì)量。

其次，在熱源排布間距方面，實(shí)驗(yàn)中熱源以正三角形排布方式布置，間距設(shè)定為3 m和4 m，待加熱土壤尺寸為17×17 m和22×22 m，分別加熱700 h進(jìn)行模擬。經(jīng)模擬，在加熱700 h后，間距為3 m的熱源，其受熱中心處溫度變化幅度較大，最終為180 ℃；間隔4 m的熱源，其受熱中心處溫度變化幅度緩于3 m，最終為100 ℃。說明按照3 m間隔布置熱源可達(dá)到溫度分布均勻、加熱效果佳的目的[3-4]。

最后，在熱源溫度方面，實(shí)驗(yàn)中熱源以正三角形排布方式布置，間距設(shè)定為3 m，熱源溫度分別設(shè)置為400 ℃和600 ℃，待加熱土壤的尺寸為20×20 m，分別加熱700 h。經(jīng)模擬，在加熱700 h后，熱源溫度為400 ℃的土壤最終上升至80 ℃，熱源溫度為600 ℃的土壤最終上升至120 ℃。說明熱源溫度與土壤溫度上升間存在正相關(guān)關(guān)系，即熱源溫度越高，土壤溫度上升幅度越大[5]。

3.3 熱源布置優(yōu)化

相關(guān)人員結(jié)合3.2中的仿真模擬結(jié)論優(yōu)化實(shí)踐工程中的熱源布置方式，并考慮工程修復(fù)成本的影響。為確定在不同工程條件下的最優(yōu)布置方式，本文設(shè)置正三角形排布方式、初始熱源為700 ℃、分別間隔2 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m、4.5 m的土壤加熱條件。經(jīng)模擬，間隔為2 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m、4.5 m的土壤加熱至70 ℃，所需時(shí)間分別為104 h、183 h、280 h、398 h、542 h、715 h。說明增大熱源間距將延長(zhǎng)土壤達(dá)到設(shè)定溫度的時(shí)間。而在治理修復(fù)土壤的過程中，工程成本消耗的主要階段為升溫和保溫環(huán)節(jié)，且保溫環(huán)節(jié)的能耗為定值，因此，控制成本的關(guān)鍵在于控制加熱能耗。為優(yōu)化熱源間距參數(shù)，加入單位面積能耗指標(biāo)，本文設(shè)計(jì)6組以12根加熱棒組成的正三角形加熱區(qū)域，分別形成22.5 m2、35.5 m2、50.5 m2、69.0 m2、90.0 m2、115.0 m2的有效加熱面積；求出在升溫階段的單位面積能耗，分別為226.3 kW/m2、213.1 kW/m2、205.2 kW/m2、201.8 kW/m2、203.7 kW/m2、204.3 kW/m2。由此可見，以間隔為3.5 m布置熱源，可實(shí)現(xiàn)最低治理修復(fù)能耗。如若實(shí)際工程耗時(shí)較長(zhǎng)，則可以以間隔為3.0 m布置熱源，縮減加熱升溫周期。

4 結(jié)論

綜上所述，本文通過設(shè)計(jì)原位熱脫附技術(shù)應(yīng)用于土壤三氯乙烯污染物去除的試驗(yàn)，通過探究含水率和溫度影響，最終確定了最佳目標(biāo)溫度為70 ℃；且在治理過程中，將700 ℃熱源以正三角形布置方式間隔3.5 m排列，能夠?qū)崿F(xiàn)最低能耗。