長三角某石油烴污染場地地下水原位電阻加熱修復技術工程應用

余錦濤， 張長波， 徐劍鋒， 宋盤龍， 盛 健，陸 錕， 廖志強， 商照聰

（1. 上海化工院環境工程有限公司, 上海 200062；2. 上海化工研究院有限公司, 上海 200062；3. 北京高能時代環境技術股份有限公司, 北京 100095；4. 工信部工業(土壤污染修復)產品質量控制和技術評價實驗室, 上海 200062）

地下水是人類重要的自然資源，但由于水文地質條件的復雜性、質量數據敏感且難獲取等特點，使得人們對地下水缺乏足夠的認識，而地下水污染情況也常被忽視。地下水污染是一個長期的、蓄積的過程，具有復雜性、隱蔽性、不可逆轉性，如不加以防治，會對飲用水、食品和居住安全造成難以估量的危害[1-2]。 “水十條” “土十條”以及《地下水污染防治實施方案》等文件的頒發以及相關防治技術指南的發布，為地下水的環境保護和具體實施操作指明了方向。

長三角地區是我國工業發展歷史長、重污染行業企業數量眾多、工業場地污染問題突出、區域性環境積重難返的重點區域，聚集了重要的石化、機械等產業，且該地區含水層滲透性差異大、地表水和地下水交互頻繁，有機污染源多樣，地下水一旦受到污染，修復治理難度較大[3-4]。

大量的地下水污染狀況調查實踐發現，工業搬遷遺留污染場地地下水中石油類污染情況普遍存在[5]，且通常呈現出土壤和地下水同時污染的特征，因此，開展地下水石油類污染物的管控和修復治理研究成為行業熱點。原位修復技術由于對地下水擾動小、地表處理設施相對簡單、成本可控而具有廣闊的應用前景。常用的原位化學氧化/還原修復、原位生物修復技術[6-8]等對難降解污染物處理效果不穩定， 而原位熱修復( in-situ thermal remediation，ISTR)技術是高溫加熱土壤后，使污染物通過蒸發、氧化或熱解等物理化學方式與土壤分離的一項先進技術，具有去除效率高、修復周期短、能夠修復大部分有機污染物等優點，具備更寬廣的污染物適用范圍和更優良的修復效果[9-11]。原位熱修復技術有多種不同的加熱方式，最為常見的有原位蒸汽加熱(steam enhanced extraction，SEE)、原位電阻加熱(electrical resistance heating，ERH)和原位熱傳導加熱(thermal conductive heating，TCH)。

本文以某地下水原位電阻加熱修復工程為例，闡述原位電阻加熱技術主要設計內容及方法，考察原位電阻加熱技術對地下水污染物的修復效果，評估其可靠性，以期為原位電阻加熱技術的大規模工程應用和實施提供依據和參考。

1 地下水污染情況

本項目位于長江三角洲地區，原為大型機械加工廠，于2019 年搬遷，未來依然作為工業用地加以使用。工廠搬遷后，土地所有權人對廠區開展了土壤污染狀況初步調查、詳細調查和土壤污染風險評估工作。結果顯示，柴油罐區域(I 區)、注塑車間區域(II 區)地下水石油烴的風險超過可接受水平，需要開展污染地下水的修復工作，如圖1 所示。

圖1 地下水超風險區域Fig. 1 Area of groundwater with unacceptable risk

對本場地地下水總石油烴開展分段檢測，分段數據結果如表1 所示。

表1 地下水石油烴分段濃度值Tab. 1 Concentrations of different petroleum hydrocarbon fractions mg·L–1

根據健康風險可接受水平以及地表水環境保護目標，制定了項目地塊地下水風險控制值。由于2 個區域地下水石油烴分段組成具有明顯的差異，導致其風險控制值相差較大。根據分段測試及健康風險評估結果，計算得到Ⅰ區的地下水石油烴風險控制值為 8.11 mg/L，Ⅱ區的地下水石油烴風險控制值為65.43 mg/L。但Ⅱ區地下水石油烴超風險區域距離地表水體較近，最近處僅為40 m 左右，存在污染物遷移到地表水的風險。針對Ⅱ區的這一情況，通過模擬計算地下水污染物經過遷移衰減后達到地表水體的濃度，以《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中的標準值反推出基于保護地表水水質的地下水石油烴風險控制值，該風險控制值為50.5 mg/L，并將之作為最終的II 區地下水石油烴風險控制值。采用原位修復技術時，污染物的修復目標值等同于其風險控制值。地下水污染情況簡介如表2 所示。

表2 地下水污染石油烴（C10～C40）情況Tab. 2 Brief information of petroleum hydrocarbon (C10-C40)polluted groundwater

2 修復工程設計

2.1 基本原理

本地下水修復工程采用原位電阻加熱技術，是在土壤中插入電極形成電場，利用土壤地下水的電阻產生熱量而將其加熱，基于歐姆定律將電能轉化成熱能，促進目標污染物的揮發，通過設置在土壤內的氣相抽提井將污染物氣體抽至尾氣處理系統進行氣液分離和后續處理，達到相應排放標準后安全排放。該方法可使土壤加熱到100 ℃左右，對大部分易揮發性有機物去除效果良好[12]。

選取石油烴濃度較高的地下水樣品進行分段檢測，結果表明，該場地地下水石油烴主要集中在C12～C16和C16～C212 段，此2 段餾分碳原子數量居中，具有一定的揮發性。可采用原位電阻加熱方式加以修復。

2.2 修復工藝流程

原位電阻加熱的主體工藝及系統組成主要包括能源系統建設、電極井建設及地下水加熱、污染物氣體抽提、氣體后處理和水處理等部分，如圖2所示。各部分主要功能如下。

圖2 工藝流程圖Fig. 2 Process flow diagram

(1) 加熱與抽提系統：電極井的主要作用是形成電場并產生熱量，將污染場地加熱到既定溫度，使部分地下水和其中的污染物蒸發出來；抽提井的主要作用是將解吸出來的水蒸汽和污染物氣體抽提出來；

(2) 蒸汽處理系統：從氣相抽提井中抽出的水蒸汽和污染物氣體在進入真空冷凝單元之前首先通過汽水分離，分離去除抽提氣內的冷凝水和攜帶的土壤顆粒；進入真空冷凝單元后進行2 次汽水分離和一次冷凝，將水蒸汽冷凝分離；氣體后續經活性炭吸附，將其中的石油烴富集在活性炭上，尾氣經催化氧化處理后達標排放；富集石油烴的活性炭，經熱脫附再生可再次使用或作為危險廢物加以處置；

(3) 水處理系統：場地抽出蒸汽處理系統冷凝出的冷凝水和污染物進入水處理系統進行處理，達到市政污水納管要求后納管排放。

2.3 電極井及監測井設置方案

根據不同區域地下水污染深度設計2 種長度規格的電極井。I 區地下水污染深度為7 m，設置長度為7.5 m 的電極井221 口；II 區地下水污染深度為5 m，設置長度為5.5 m 的電極井49 口。共計270 口電極井。

電極井建設過程中需填充專利回填料，該填料由5 種成分組成。使用鉆機鉆取指定深度，填充專利回填料中的E 料，放入電極、抽提管、補水管，按照順序分別填充A 料、B 料和C 料至特定深度，再填充D 料。連接特種電纜、電極板和控制面板，控制面板露出地面約150 cm，便于人工操作。電極使用三相交流電。每個電極與周圍的電極處于不同的相位，以確保相鄰電極間能夠正常的進行導電、加熱。

根據不同區域地下水污染深度和加熱深度設計2 種長度規格的多相抽提井。Ⅰ區地下水需修復范圍面積3 325.3 m2，深度為7 m，電極井長度為7.5 m，設置長度為7 m 的多相抽提井41 口；Ⅱ區地下水需修復范圍551.8 m2，污染深度為5 m，電極井長度為5.5 m，設置長度為5 m 的多相抽提井9 口。共計50 口多相抽提井。修復范圍內(不含邊界處)，電極井和多相抽提井的數量比約為4∶1，即多組電極井共用1 口多相抽提井，多相抽提井位于其間。

馮一余一氣之下，又重新開車了。至于停車的問題，他已經有了辦法，向領導提出申請，換了一個工作崗位，不需要每天晚上應酬，一下班就可以準時回家，可以保證停車萬無一失了。

修復區域內約220～300 m2設置1 口溫度監測井，對修復區域的溫度進行監測。溫度監測井均設置在加熱冷點位置。Ⅰ區安裝17 個深度為7 m的溫度監測井，在每口溫度監測井內，每2 m 深度設置1 個溫度監測點，即在地下2 m、4 m 和6 m分別設置1 個溫度探頭；Ⅱ區安裝2 個深度為5 m的溫度監測井，溫度探頭分別設置在地下2 m、4 m。修復區域內約450～600 m2設置1 口壓力監測井，對修復區域的壓力進行監測，壓力監測井設置在加熱冷點位置附近。Ⅰ區安裝8 個深度為7 m 的壓力監測井，設置1 個壓力探頭；Ⅱ區安裝1 個深度為5 m 的壓力監測井，設置1 個壓力探頭。

據不同區域地下水污染深度和加熱深度設計2 種長度規格的地下水修復效果監測井，對地下水修復效果進行監測跟蹤。Ⅰ區地下水污染深度為7 m，電極井長度為7.5 m，設置長度為7 m 的地下水監測井48 口；Ⅱ區地下水污染深度為5 m，電極井長度為5.5 m，設置長度為5 m 的地下水監測井20 口。共計68 口地下水修復效果監測井。加熱井、多相抽提井、溫度監測井、壓力監測井分布情況如圖3 所示。

圖3 各類工程井分布Fig. 3 Layout of virous types of wells

3 地下水原位電阻加熱修復效果

3.1 升溫過程跟蹤監測

2020 年9 月11 日電極通電開始加熱。地下初始平均溫度為21.7 ℃，加熱至2020 年12 月31日，歷時112 d，停止加熱時地下平均溫度為108.6 ℃，最高溫度120 ℃左右。地下不同深度的溫度監測數據及平均溫度升溫曲線見圖4 和圖5 。

圖4 Ⅰ區各深度平均溫度示意圖Fig. 4 Average temperature of different depths in area Ⅰ

圖5 Ⅱ區各深度平均溫度示意圖Fig. 5 Average temperature of different depths in area Ⅱ

總體而言，隨著加熱時間的延長，修復區域地下溫度呈現整體上升的趨勢。但I 區和II 區初始溫度、升溫趨勢都具有一定的差異，且II 區溫度在加熱后10 ～50 d 內有明顯的異常波動，與I 區相比此階段具有快的升溫效率。

葛松等[13]發現，電阻加熱技術主要通過兩種機制提升土壤溫度：①電能轉化成熱能，通電對土壤直接加熱使土壤溫度升高，該升溫機制主要存在于兩電極之間的土壤；②熱傳導，電極之間土壤溫度最高，熱量逐漸由高溫土壤傳導至低溫土壤，使電極連線周邊土壤溫度逐漸升高。該項目中，Ⅰ區上方廠房依然保留，而II 區為室外空地，開始加熱時時值金秋，Ⅰ區地下土壤無法直接接收太陽照射，導致Ⅰ區地下初始溫度相對較低；另外，由于曾建設廠房，Ⅰ區填土層和地下構筑物相對較多，這在一定程度上會增加電阻降低電流，根據歐姆定律，總體上產熱較少，這也許是加熱開始階段Ⅰ區升溫相對較為緩慢的原因。

不可否認的是，由于修復工程現場在地下構筑物、填土層厚度等多種因素方面具有異質性，室外空地Ⅱ區降雨具有隨機性和不確定性，加熱過程土壤失水產生裂縫和提高電阻的隨機性，會對地下升溫過程和污染物修復效果產生較大的影響，但尚無法準確描述。這也是導致該項目升溫曲線與實驗室小試結果產生差異的重要原因。

3.2 污染物濃度變化

表3 地下水石油烴（C10～C40）濃度Tab. 3 Concentration of petroleum hydrocarbon (C10-C40) in groundwatermg/L

Ⅰ區污染物最高濃度達到3 000 mg/L，這顯著高于表2 中的前期地下水污染狀況調查濃度范圍，這可能是由于土壤、地下水異質性以及污染物分布不均勻性導致的。前期地下水污染狀況初步調查時布設了29 口地下水監測井，但僅有4 口監測井的地下水樣品石油濃度超過了評價標準，絕大部分地下水監測井分布在未超標區域；詳細調查時布設了35 口地下水監測井，同樣，絕大部分地下水監測井分布在未超標區域，由此可以得出，前期調查時，在地下水污染區域布設的監測井密度相對稀疏，而在修復工程實施過程中，在地下水污染區域內共布設了68 口地下水監測井，密度遠遠大于前期調查，因此發現地下水高濃度石油烴的可能性較大。

經過土水一體化加熱及抽提操作，地下水石油烴濃度迅速降低。大多數點位在加熱中期即可達標，達標率超過了68%，加熱后期地下水監測井石油烴達標率達到100%。

對Ⅰ區開展污染物濃度刻畫，如圖6 所示 。由圖6 可見，隨著修復時間的延長，地下水石油烴濃度呈現明顯的降低。

圖6 I 區各加熱階段石油烴濃度分布及演變Fig. 6 Concentration of petroleum hydrocarbon in groundwater of area I in different period

Ⅱ區污染物最高濃度達到1 100 mg/L，這也顯著高于表2 中的前期地下水污染狀況調查濃度范圍，與Ⅰ區基本一致。

經過土水一體化加熱及抽提操作，地下水石油烴濃度迅速降低。在加熱中期65%的監測井地下水石油烴濃度低于修復目標值，加熱后期該數值達到了100%。

對Ⅱ區開展污染物濃度刻畫，如圖7 所示。由圖7 可見，與Ⅰ區相同，隨著修復時間的延長，地下水石油烴濃度也呈現明顯的降低。

圖7 II 區各加熱階段石油烴濃度分布及演變Fig. 7 Concentration of petroleum hydrocarbon in groundwater of area II in different period

根據《上海市建設用地土壤污染狀況調查、風險評估、風險管控與修復方案編制、風險管控與修復效果評估工作的補充規定》(滬環土〔2020〕62 號)，不同分段石油烴有不同的理化性質，C10～C12脂肪烴和C10～C12芳香烴的蒸汽壓為0.638 6 kPa(0.479 mmHg)，而C22～C40芳香烴的蒸汽壓為4.397 5×10—8kPa (3.30×10—7mmHg)。隨著碳鏈的加長，蒸汽壓下降，沸點增加。

圖4、圖5 結果表明，隨著加熱時間的延長，修復區域地下水溫度出現總體上升趨勢。雖然較難評估溫度上升與各分段石油烴脫附效果的對應關系，但總體上地下水溫度升高增加了污染物飽和蒸汽壓，有利于污染物的脫附，且部分污染物可與地下水發生共沸作用從而加速污染物的去除過程。

4 結 語

本文基于長三角某機械廠地下水石油烴的修復工程證實了原位電阻加熱技術對于有機污染場地的適用性。闡述了該技術的基本原理以及修復系統組成，詳細說明了電極井建設、溫度監測井、壓力監測井、修復效果監測井的設置及建設過程，以及地下溫度升高、石油烴濃度降低與修復時間的相互關系。本案例相關結果可為地下水電阻加熱修復技術的大規模工程實施提供參考。

加熱后期，地下水樣品石油烴達標率為100%。依據《污染地塊地下水修復和風險管控技術導則》(HJ 25.6—2019)，修復達標初判階段達標后，進入修復效果評估階段，應至少采集8 個批次的樣品，采樣持續時間至少為1 年。這也為該項目后續監測提出了具體要求。