在靠近开阔水域边界的热处理过程中，多相去除挥发性有机化合物（VOCs）和含油天然气水（NAPL）的现场演示

《Journal of Hazardous Materials》：Field Demonstration of Multiphase Removal of VOCs and NAPL during Thermal Treatment Adjacent to Open-Water Boundaries

　　

摘要

热处理在受挥发性有机化合物（VOC）和非水相液体（NAPL）污染的源区域得到了广泛应用，但在水动力动态的开放水域边界条件下的实际效果仍不清楚，而且将边界效应与污染物去除联系起来的现场证据也有限。本研究报道了一个现场示范热处理系统，该系统位于一个受NAPL污染的源区域，距离开放水域边界仅数米，结合了热传导加热、连续多相提取和低温冷凝技术来实现相分辨的质量量化。在该处理过程中，约2.77 × 103公斤的污染物被量化；其中大部分通过C3系统以冷凝形式的NAPL被回收，超过99%的提取/处理后的质量在允许排放之前得以保留。质量去除过程在加热初期达到高峰，此时处理区域的平均温度约为70-80°C，低于整个处理过程中测量到的混合物沸腾范围。随着加热的进行，尽管温度持续升高，蒸汽浓度却下降了，这表明可移动的质量已经减少，释放过程转变为扩散/解吸限制。光谱分析未在监测到的温度响应中发现明显的半日潮汐特征，表明在主动提取过程中，加热主要不是由潮汐力量控制的。相对于碳足迹的累计质量回收显示，在后期阶段收益递减，这支持了在动态边界条件下根据碳信息进行阶段依赖性操作的合理性。

引言

含有挥发性有机化合物（VOCs）和非水相液体（NAPL）的地下污染源在靠近开放水域边界（如海岸边缘、潮汐河流和港口环境）时，会带来复杂的修复挑战[2]、[6]。原位热修复（ISTR）[25]、[29]常被用来有效清除这些源区域，因为它可以直接加热受污染的地下介质，增强污染物迁移，并在相对较短的操作时间内加速污染物的去除[12]、[13]。然而，在受潮汐影响的环境中应用ISTR通常被认为非常不利[24]、[26]。这些环境的动态边界条件和周期性变化的梯度通常会导致强烈的热吸收，使地下温度场不稳定，并增加处理过程中污染物不受控制迁移的风险[17]、[38]。因此，开放水域边界常被视为热修复的基本限制[36]，但直接评估这些水动力因素实际限制的现场证据仍然很少。

尽管传统的ISTR解释通常将热输入和温度达到视为处理效果的主要驱动因素和指标[14]、[16]，但实际上，现场规模的热修复系统本质上是一个耦合的热力学和多相流动系统。连续土壤蒸汽提取（SVE）[28]和多相提取（MPE）[27]的作用远不止于简单地捕获迁移的质量。通过施加持续的气动和流体压力梯度，这些提取系统主动重塑了地下流动场，调节了相分配，并影响了污染物通量[23]、[37]、[5]。从这个角度来看，地下热行为并不完全受外部边界驱动的热传导控制。相反，提取驱动的流动过程与热输入动态相互作用，并可能对热量重新分布产生影响。在持续运行下，工程化的提取过程可能会以减少外部水动力变化表现的方式来影响处理区域的条件。

尽管流动控制系统的理论吸引力很大，但直接的现场验证仍然受到严重限制[38]。以往对水动力动态环境中热增强修复的研究主要依赖于数值模拟[35]、[39]、[42]、[47]、[9]、实验室研究[34]或缩小规模的物理模型[40]，这些方法不可避免地简化了边界条件，无法完全再现现场操作中的空间范围、异质性和持续的提取力。特别是，由连续高容量提取系统产生的压力和流场——这些系统可能保护处理区域免受外部水力扰动——在野外条件下难以捕捉。此外，大多数现场应用缺乏在操作过程中直接量化气相污染物回收的能力。这一限制源于高水分含量、变化的气体组成以及废气处理和采样系统的限制[18]。因此，很难实现对相分辨的污染物回收的严格现场量化，从而限制了地下温度、相变行为和污染物去除之间的定量关联[45]。这种测量差距阻碍了对污染物迁移机制的解释，并强化了对达到整体沸腾条件作为处理效果指标的隐含依赖，使得在亚沸腾条件下控制质量去除的过程缺乏足够的现场观测依据。这也限制了在野外条件下根据能源使用和相关环境成本评估处理效果的能力[43]。

本研究展示了一个应用于紧邻开放水域边界的NAPL污染源区域的现场示范热处理系统的结果。该系统结合了热传导加热与连续SVE和MPE，并连接到一个高容量低温冷凝系统，使得在整个操作过程中能够对污染物质量回收进行相分辨量化。收集了高分辨率的数据集，包括地下温度演变、环境驱动因素和污染物通量，为直接关联热条件、提取动态和质量去除提供了基础。本研究的目标是：（i）评估在动态边界条件下的污染物去除行为和质量回收；（ii）考察提取驱动过程对地下热和传输行为的影响程度；（iii）描述在达到整体沸腾条件之前的污染物迁移和回收情况；（iv）评估去除效率与系统能源使用和相关碳足迹的关系。通过在现场操作条件下回答这些问题，本研究旨在提供一个案例研究，并从机制上说明耦合加热、提取和气相捕获如何在通常被认为不利的情况下影响污染物去除，同时认识到这种适用性取决于场地水文地质、污染物组成、提取控制和蒸汽处理配置。

节选

场地作为自然水动力边界

现场评估在一个受混合NAPL源区域影响的沿海工业设施进行，该区域主要由氯化挥发性有机化合物（CVOCs，包括四氯乙烯[PCE]和三氯乙烯[TCE]）和石油烃（TPH）组成。热处理区（TTZ）覆盖了大约115平方米的面积，从地面延伸到地下11.6米深处，包围了目标垂直范围内的污染源质量。TTZ指的是

耦合加热和提取下的空间热行为

为了理解耦合加热和提取如何在现场尺度上影响地下热行为，我们对四个空间域的温度响应进行了评估：内部处理区、加热器附近的位置、处理区边界以及工程足迹外的一个点。这种空间框架使我们能够将观察到的温度演变与仅基于加热器几何形状的预期进行比较，同时也解释了相变和提取相关因素的影响

结论和影响

本研究重新审视了普遍认为开放水域、受潮汐影响的边界会限制原位热修复效果的观点。对直接部署在沿海港口附近的系统的现场规模评估表明，在耦合加热-提取系统活跃运行期间，系统的地下热行为并非主要由自然水动力因素决定。

将空间分辨监测与频域分析相结合

环境影响

由于担心热量损失和地下条件不稳定，通常避免在开放水域附近的地点进行热修复。这次现场示范表明，在加热与持续提取和处理过程质量捕获相结合的情况下，可以实现有效的污染物去除。在处理过程中达到测量混合物沸腾范围之前，已经发生了大量的质量去除，这表明基于温度的设计目标可能是

CRediT作者贡献声明

Cowie iain：项目管理。Winell Carol：监督、资源管理、调查研究、资金获取。Chen Xiaosong：撰写初稿、可视化处理、正式分析、数据管理、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文报告的工作。

Xiaosong Chen|Iain Cowie|Carol Winell

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