摘要: 原位熱處理技術可以在低地下擾動的前提下實現污染場地快速高效的修復，已成為高濃度揮發/半揮發性有機物污染場地修復的熱門技術之一。然而，傳統原位熱處理技術存在能耗和碳排放較高的弊端，限制了其大范圍推廣應用。在“碳達峰、碳中和”的戰略目標下，亟需開展原位熱處理技術的優化研究以降低其能效比。通過國內外實驗研究與工程案例的整理分析，識別原位熱處理活動中的碳排放和能耗的關鍵工藝環節，進而提出該技術低碳化發展的主要方向；同時梳理原位熱處理工藝中應用再生能源和技術優化的研究進展，展望“雙碳”目標下該技術的重點研究方向。目前已獲得的研究結果表明，通過應用可再生能源和技術優化有望實現原位熱修復工藝的大幅減排。
作者：楊潔1,2, 葉春梅1,2, 司馬菁珂1,2, 黃沈發1,2, 周棟1,2
1. 上海市環境科學研究院；
2. 國家環境保護城市土壤污染控制與修復工程技術中心
隨著我國城市化進程和產業結構調整步伐的加快，大批工業企業相繼搬遷或關停，產生大量工業遺留污染場地，對生態環境和周邊居民的健康造成嚴重威脅[1]。在我國污染場地修復產業快速發展的20年間，初期多采用異位修復技術，如固化/穩定化、水泥窯協同處置等，但異位修復時挖掘和運輸等過程將導致二次污染風險增大，并且綜合考慮生態和社會效益，用于異位修復的資源消耗和能效比并不低[2]。隨著污染場地治理修復行業的發展，國家《土壤污染防治行動計劃》[3]和《中華人民共和國土壤污染防治法》[4]相繼提出污染土壤原則上進行原位修復的要求，污染場地修復技術逐漸由異位修復技術向原位修復技術發展，如原位熱處理、原位化學氧化還原、原位生物修復技術等[5]。其中，原位熱處理 (In-situ thermal treatment, ISTT) 技術作為一種高效修復技術，具有地下擾動小、適用污染物類型多、作業深度深、修復周期短、污染去除率高等優勢，在污染程度重、時間要求緊的場地修復工程中得到了廣泛的應用，已成為修復揮發/半揮發性有機污染場地最有效的方法之一[6-9]。
面對全球氣候變化形勢日趨嚴峻的現狀，多個國家及地區相繼提出碳中和目標[10]，綠色可持續修復已逐漸成為國際污染場地修復的發展方向[11]。我國于2020年提出“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現中和”的目標[12]。在“雙碳”戰略背景下，亟需加強國內污染場地的綠色可持續修復研究，提升修復技術的發展水平。值得關注的是，ISTT技術由于需要持續的能源輸入以達到較高處理溫度，被認為是能源密集型技術[13]，影響其在“雙碳”戰略背景下的推廣應用。盡管傳統ISTT存在能耗和碳排放較高的弊端，但該技術具有修復周期短、效率高、二次污染影響小的特征，合理優化后有望轉變為可持續修復技術[14]。為此，本文調研國內外ISTT技術的研究和工程實例，分析ISTT技術應用過程的碳排放和能耗情況及其關鍵貢獻環節，擬提出在現有技術基礎上推動ISTT技術低碳發展的主要優化方向，并梳理了借力可再生能源和技術優化等措施的研究進展，以期為業界對“雙碳”目標下該技術的研發和應用提供參考。
ISTT技術通過就地加熱污染介質 (包氣帶/含水層) ，破壞污染物或增加其揮發和遷移性，促使其以多相態加速遷移至氣相或液相中，并通過尾水/尾氣將其收集到地表進行處理，實現污染物的去除[15]。根據加熱方式可分為電阻加熱 (Electrical resistance heating, ERH) 、熱傳導加熱 (Thermal conduction heating, TCH) 、蒸汽強化抽提 (Steam enhanced extraction, SEE) 、射頻加熱 (Radio frequency heating，RFH) 和陰燃 (Self-sustaining treatment for active remediation, STAR) 技術等。上述技術的特點見表1。目前較常用的技術為ERH、TCH和SEE，在1988~2021年美國的643項原位熱修復項目中，ERH技術處于主導地位，超過一半的項目 (57.2%) 涉及ERH，其次是TCH技術，占比為29.5%，SEE、STAR和RFH等技術的占比分別為8.3%、1.9%和1.1%[16]。
修復過程的碳足跡是評價一項修復技術是否綠色可持續的重要指標，主要采用全生命周期評價 (Life cycle assessment, LCA) 和環境足跡分析 (Environmental footprint analysis, EFA) 等方法進行量化評估。表2列舉了7個典型ISTT案例的碳排放情況，受場地特征和處理技術等因素的影響，不同修復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330.0 kgCO2-eq·m−3。對于特定的污染場地，選擇合適的技術是降低修復活動碳排放的重要途徑，在2種ISTT技術修復煤焦油污染場地的碳足跡對比研究中，GRANT等[19]發現TCH技術所產生的碳排放總量為4.12×104 tCO2-eq，而STAR技術僅為4.39×103 tCO2-eq，相差近10倍。因為STAR技術是依靠有機污染物自持燃燒進行修復，無需持續的熱量輸入，能源消耗較常規熱處理低[14]。
識別ISTT過程關鍵碳排放環節是技術優化和減排的基礎。由圖1可以看出，ISTT處理過程的碳排放絕大部分來源于修復系統運行時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源于修復系統安裝和拆解 (1.3%~17.7%) 、材料消耗 (0.4%~7.0%) 及運輸和監測 (0.1%~4.0%) 等環節。
能耗量是反應ISTT過程碳排放的關鍵指標，表3列舉了13個典型ISTT案例的能耗情況，為便于統計分析，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算了單位能耗。與碳排放相似，由于場地特征和處理技術等原因，不同案例的單位能耗差異較大，最低為2.9 kWh·m−3，最高達820.0 kWh·m−3。對于特定污染場地，選擇合適的技術有望大幅減少修復能耗，LEMMING等[26]評估了RFH、SEE、ERH和TCH技術分別處理低滲透性三氯乙烯污染場地的能耗情況，發現采用RFH技術時能耗最低，較SEE、ERH和TCH技術分別降低了83.8%、74.4%和70.3%，推測原因是RHF技術通過高頻電場加熱，不受地下介質熱導率和滲透率的影響，升溫較快，耗能較少。對于場地特征相似的場地，相同處理技術下，處理規模越大單位能耗越小。有研究對SEE、ERH和TCH技術分別修復場地特征類似的小場地 (1 260 m3) 和大場地 (11 700 m3) 時的能耗進行了估算，發現修復大場地的單位能耗較小場地下降了43.4%~67.5%[26]。
識別ISTT過程的關鍵能耗環節是技術節能降耗的前提。為此，基于實驗研究及工程案例[7,22-23,26,28-29]，梳理了ISTT技術 (包括ERH、TCH和SEE) 應用過程中各環節的能耗占比，并繪制了簡化能流圖 (圖2) 。由圖可知，ISTT過程的能耗以熱量輸入為主，占總能耗的75%~95%，其次是修復裝置運行的耗能 (5%~20%) ，剩余小部分耗能 (1%~4%) 由設備安裝、運輸和監測等環節組成。輸入地下的熱量中，大部分被用于加熱污染介質，約占總能耗的40%~70% (土壤16%~28%，地下水24%~42%) ，其余則通過抽提熱損 (2%~17%) 、周邊對流和傳導散熱 (2%~35%) 及其他熱損 (1%~3%) 等途徑損失了。值得注意的是，對于以燃氣為能源的熱傳導技術 (Gas thermal remediation, GTR) ，熱損失途徑還包括燃燒尾氣的排放，該環節所產生的熱損失可占總熱量輸入的25%~50%[29]。綜上，在“雙碳”目標下，今后ISTT技術的優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。
由前文分析可知，不可再生能源消耗是導致ISTT過程高碳排放的主要原因，占比達74%以上。因此，調整能源結構、借力可再生能源是實現ISTT技術減排的首要途徑。可再生能源是指水力能、風能、太陽能、生物質能和地熱能等非化石能源，目前在地場修復活動中應用較多的為太陽能和風能。
太陽能主要指太陽輻射能，在我國陸地上的年接受量約為1.47×1016 kWh，可折合4.9×1012 t標準煤[30]，應用潛力巨大。場地修復活動中，太陽能的應用通常通過光伏發電系統實現，利用太陽能發電驅動抽提、采樣和監測裝置等小型電力設備[31-33]。也有學者嘗試將太陽能直接轉化為熱能應用，如利用聚光器、太陽能加熱爐和太陽能回轉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光線傳輸到實驗裝置中加熱三氯乙烯污染土壤，加熱至100~200 ℃，成功實現了污染物的完全去除。高冰等[37]的設計則在太陽光線加熱的基礎上增加了一套注氣系統，利用聚集的太陽光線先加熱集熱管內的氣體，再通過流動的氣體將熱量帶入地下環境。太陽光線聚焦所產生的溫度很高，還有研究將其用于污染土壤的玻璃化處理[38]。近年來，結合地下儲熱系統的太陽能熱強化微生物修復技術引發了大量關注，該技術通過地下儲熱系統將太陽能集熱模塊聚集的熱量帶入地下環境，用于強化微生物修復 (圖3 (a) ) 。地下儲熱系統主要包括含水層儲熱和鉆孔儲熱，含水層儲熱指通過地下水的“抽出-加熱-回灌”儲存熱量，適用于低地下水流、高滲透性、且具有合適厚度的含水層[39]；鉆孔儲熱則通過持續加熱封閉管道中的循環流體實現熱量儲存，適用于非飽和帶或沒有合適含水層的區域[40]。與自然衰減相比，基于地下儲熱系統的太陽能熱強化微生物修復可以顯著提高目標區域的微生物活性和污染物去除率[41-42]。太陽能應用途徑廣，減排潛力也很大，有研究對比了不同能源為電化學修復電解廢水過程供電對環境的影響，發現利用太陽能替代傳統電網供電可以減少85%以上的CO2排放[43]。
風能主要指空氣流動所產生的動能，通常通過風力發電系統轉換為電能使用。據估計，我國陸地50 m高度內3級以上 (風功率密度≥300 W·m−2) 風能資源的潛在開發量約為2.38×109 kW[28]，具有廣闊的應用前景。風力發電系統的應用常見于室內電化學修復實驗和海水淡化等研究中[44-45]，具有較大的減排潛力，有研究對比了不同能源為電化學修復電解廢水過程供電對環境的影響，發現風能供電時所產生碳排放量僅為傳統電網供電的14.3%[43]。場地修復活動中的風力發電系統常與太陽能發電系統聯用 (圖3 (b) ) ，以保證足夠的能源供應。ROSSMAN等[46]在美國北部開展了一項原位土壤低溫加熱的中試研究，利用風力和太陽能發電系統同時為電阻加熱元件供電，8個月內向土壤中共輸入441 kWh的能量，使土壤溫度最高上升20 ℃。HELLRIEGEL等[47]利用混合光伏/風力系統為地下水脫鹽、脫砷模塊供電，供電量為15.2 kWh·d−1，遠超處理模塊的日平均運行能耗，可以替代126%的不可再生能源消耗。現場應用中，風能和太陽能發電系統易受氣候條件限制，往往難以實現連續恒定的供電。對于電化學修復、ERH技術的電動-熱耦合模式等需要依靠電場作用的修復技術[48]，由于傳質過程的可逆性，間歇性供電可能會導致修復效率低下[49]。因此，需要考慮將現場產生的電能進行儲存，常見儲能裝置包括鉛酸電池、超級電容器和氧化還原流體電池等[50]。
太陽能和風能等可再生能源儲量豐富，已被廣泛應用于場地修復活動中，并且具有巨大的減排潛力。對于高能耗的ISTT工藝，適當利用可再生能源替代部分傳統電力或燃料供能將成為推進該工藝低碳化發展的重要途徑。
從技術層面對ISTT工藝進行優化可以從源頭上降低熱量輸入需求，進而減少修復能耗。ISTT工藝技術層面的優化可以分為單項技術的優化、不同技術的耦合和修復過程的熱損失控制等。
單項技術的優化主要指根據各技術的特點，對加熱方式、技術參數等進行優化升級。SEE技術主要通過優化蒸汽注入方式來縮短修復時間、提高修復效益，優化方法包括壓力循環注入蒸汽、水力壓裂與蒸汽注入相結合、蒸汽和空氣共注入、過熱蒸汽替代飽和蒸汽等[6,8,51-52]。ERH技術主要通過改變補水方式和供電模式等實現優化[53]。耿竹凝等[54]利用脈動直流電替代交流電為ERH修復三氯乙烯污染土壤供電，發現經過48 h處理，同等電壓下脈動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%，推測其原因是直流電場的電滲析作用增強了污染物的遷移去除。電熱-動態剝離也是一種基于ERH的優化技術，該技術在ERH基礎上嵌入了注水循環系統，一方面可防止電極過熱，另一方面還能保證土壤水分、維持高電流、增加對流傳熱，進而提高修復效益[18]。TCH技術主要通過動態調控溫度和天然氣輸入流量 (GTR技術) 實現優化。LI等[29]提出了一種基于溫度監測的控溫策略，分別在加熱、沸騰和過熱階段設定加熱溫度為750、800、1 050 ℃，較恒溫 (950 ℃) 處理可減少29%的天然氣用量。XU等[55]提出了一種多參數的天然氣調控方案，分別在加熱、沸騰和過熱階段選擇溫升率、含水率變化率和溫升率作為變量調控天然氣輸入流量，相比于恒定流量輸入，加熱時間可縮短50.3%，天然氣消耗可減少24%。ZHAI等[56]則在監測數據的基礎上考慮了現場布局，設定加熱井的目標溫度與其到邊界的距離成正相關，且隨土壤溫度的升高和含水率的下降而升高，與常規處理方式相比，預計將降低30%的能耗。此外，不同場地的水文地質條件和污染類型差異較大，修復前均需要對場地特征進行精準刻畫，因地制宜的優化布局和相關技術參數，以控制修復能耗和成本[57-58]。
國內污染場地復合污染普遍、水文地質條件復雜，單項ISTT技術往往難以實現高能源效益的修復。耦合技術可以利用不同技術的優勢、發揮技術間的協同效應，是目前ISTT技術低碳化發展的重要方向。
1) 原位熱處理技術與化學處理技術的耦合。熱處理去除高沸點污染物 (如多氯聯苯、多環芳烴等) 時，需達到300~600 ℃，甚至更高，才能實現污染物的完全去除[59-60]，高處理溫度意味著高能源消耗[61]。通過添加化學藥劑可以改變熱處理區域的化學環境，加速污染物溶解、揮發或轉化，進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程中添加檸檬酸，增強了汞的解吸和溶解，使處理溫度降低200 ℃左右，能耗降低了35%。LIU等[65]在重烴物質熱解過程中引入K2CO3，降低了熱解過程的平均活化能，大幅降低了處理溫度，使修復能耗減少了34.7%。化學藥劑的添加還可以提高升溫均勻性、加速污染物去除，進而縮短加熱時間。LI等[67]發現，在ERH基礎上耦合過硫酸鹽再循環系統可以大幅提高ERH的升溫速率，并使其升溫更加均勻，推測原因是循環過硫酸鹽增強了熱量的傳遞和分散。HAN等[66]在ERH處理多環芳污染土壤的過程中添加了過硫酸鹽，使污染物去除機理從揮發變為揮發與氧化的耦合效應，將菲和芘的去除率分別提高了43.52%和61.07%，去除過程加速了45.50%。在熱處理后期 (修復未達標) 耦合化學處理還有望解決熱處理后期能源效率低的問題，大幅縮短加熱時間、減少熱量輸入[68]。此外，化學處理也得益于熱處理的耦合，升溫可以增強介質中污染物的解吸和溶解，促進其與化學藥劑的充分接觸[69-70]，還可以活化過硫酸鹽等氧化藥劑，加速化學修復過程[71]。基于ERH技術的電動-熱耦合技術還有望通過電滲析和電遷移作用增強氧化劑的擴散，突破化學氧化技術在低滲透性土壤中的應用限制[72]。
2) 原位熱處理技術與微生物修復技術的耦合。ISTT技術與微生物修復技術耦合的研究重點在于熱強化微生物修復，通過低溫加熱提高目標區域有機污染物的微生物可利用度、增強微生物活性，進而提高修復效率[73-74]。KOSEGI等[75]開展了熱強化微生物修復處理重非水相液體 (DNAPL) 污染地下水的模擬研究，發現將溫度從15 ℃提高到35 ℃時，Dhc菌株還原性脫鹵基因的豐度增加了1~2個數量級，修復達標時間縮短了70%。PERFUMO等[76]對比了不同溫度下微生物修復石油烴污染土壤的效果，發現將溫度從18 ℃提高到60 ℃時，污染物去除率增加了26%。推測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。近年來，結合可再生能源和地下儲熱系統的熱強化微生物修復技術得到了廣泛的研究，歐洲某氯化溶劑污染場地將含水層儲熱系統與微生物降解相結合，修復污染深度達60~70 m的地下水，據估算修復成本較常規修復方案降低了30%~40%，CO2排放量降低了30%~50%[77]。
3) 原位熱處理技術之間的耦合。ISTT技術之間的耦合一般應用于修復復雜污染場地，常用耦合方式為SEE與TCH或ERH技術的組合，SEE技術用于處理高滲透區 (場地深度大于9.1 m時，滲透率下限約為10–5 cm·s−1；深度小于6.1 m時，滲透率下限約為10–3 cm·s−1) ，ERH或TCH技術用于處理低滲透區[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應用過程中優勢流或DNAPL向下遷移的現象[80]。TIMMONS等[81]采用TCH耦合SEE的方法修復DNAPL污染場地，用TCH加熱淤泥和粘土層，SEE加熱礫石層，在16個月內去除了74.8 t的污染物，去除率高達99%。在應用ERH技術時，當地下介質的非均質性較強時，會出現升溫不均勻的現象，存在修復不完全的風險[79]。ROLAND等[82]提出一種耦合ERH與RFH技術的修復方式，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飽和區和非飽和區溫差大的問題。
ISTT過程的熱損失最高可占總輸入熱量的50%左右[29]，熱損失問題亟待解決。根據熱損失途徑，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、低熱導性的材料 (如混凝土、泡沫混凝土等) 覆蓋于目標區域上方[7,27]。也有學者嘗試采用多層材料進行阻隔保溫，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、輕質膨脹粘土、貝殼等為填料的夾層結構。李丁等[83]提出了一種專門針對GTR技術的多層地表覆蓋結構，在待修復區的地表周圍設置圍擋，圍擋內從下到上依次為礫石層、加氣磚層、交聯聚乙烯發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，該結構不僅能實現熱量阻隔，還能收集逸散至覆蓋層的氣體。此外，對于SEE技術，HOGGES和FALTA[84]發現，在安裝地表覆蓋層的基礎上結合蒸汽和空氣共注入可以大幅提高對表面熱量散失的控制效果，通過空氣注入減少高溫蒸汽的垂直上升，通過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換熱的首要途徑，阻隔措施包括設置物理屏障、設置水力屏障井和增設蒸汽注射井等。最常用的阻隔方法是設置物理屏障，通常設置在修復區域四周，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域的隔水和降水，在修復區域周邊設置抽水井，通過改變該區域的水力梯度來減少地下水流入[86]。增設蒸汽注射井主要適用于TCH和ERH技術，在修復區域邊緣或加熱井附近設置蒸汽注射井，通過形成高壓蒸汽填充區來減小地下水流入侵，是一種極具潛力的阻隔措施[69]。HEGELE和MCGEE[87]研究了應用ERH技術時分別設置單側物理屏障、水力屏障井和蒸汽注射井對土壤升溫效果的影響，結果表明設置蒸汽注射井時升溫效果最好，其次為水力屏障井。增設蒸汽注射井為地下水阻隔提供了新選擇，但也將產生額外的能源需求，仍需開展系統的研究驗證其降耗的可行性。
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方向，目前的研究多集中于GTR技術中[29,88-89]，回收利用方式包括：1) 回收熱量預熱空氣，在燃燒尾氣排放管路上安裝預熱裝置，加熱即將進入燃燒器的冷空氣，減少因其進入所導致的熱量消耗，如圖4 (a) 所示；2) 回收熱量預熱土壤，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，預熱待修復土壤，降低后續的熱量需求，如圖4 (b) 所示；3) 回收熱量加熱冷點區域，在冷點 (多個加熱井的中心位置) 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的土壤，使目標區域受熱更均勻，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荷，如圖4 (d) 所示。余熱回用具有較大的降耗潛力，許優等[90]在研究異位熱脫附的節能降耗方案時，發現回用回轉窯二燃室的高溫煙氣預干燥污染土壤可以使總能耗降低約20%。在ISTT研究中，LI等[29]發現將GTR加熱井的燃燒廢氣按比例 (10%、20%和30%) 返回燃燒器內燃燒，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。
原位熱處理技術的優化研究已取得一定進展，但缺乏完善的優化方案及工程應用經驗。在綠色可持續修復理念和“雙碳”戰略背景下，建議未來重點在以下4個方面開展研究工作。
1) 進一步開展原位熱處理技術的綠色可持續評估，為技術優化和比選提供參考。針對不同原位熱處理技術，開展綠色可持續評估，量化修復過程的環境影響，明確其關鍵貢獻環節。
2) 深入分析原位熱處理工藝中可再生能源的應用前景。分析可再生能源在原位熱處理過程的適用性，探明其應用途徑及關鍵限制因素，開展現場工程應用研究，提出適用于不同場地條件、不同修復技術的應用實施方案。
3) 進一步開展原位熱處理耦合聯用工藝的研究。研究耦合聯用工藝的修復機理，獲取關鍵技術參數，深入分析不同地質條件下耦合聯用工藝的適用性，同時加強耦合技術的節能效益分析，為修復方案的設計與實際工程應用提供指導。
4) 增強原位熱處理技術熱損失控制工藝及設備研發。開展高保溫性能材料的研究，優化地表阻隔與地下阻隔工藝，減少修復區域熱量向外擴散；探索燃燒尾氣和抽提尾水尾氣余熱回用的方法，構建完備的余熱回用體系，研發與修復技術配套的經濟高效、適應性強的余熱回用設備，提升能源利用效率。
