基于TMVOC的有機(jī)污染場(chǎng)地?zé)釓?qiáng)化氣相抽提修復(fù)效果模擬

孫 超，徐 超，孫宗全，沈佳倫，龍 杰，李曉東*，馬?？?，谷慶寶

1. 浙江工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，浙江 杭州 310014

2. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，城市化進(jìn)程不斷加快，城區(qū)建設(shè)與污染嚴(yán)重的老舊企業(yè)之間的矛盾愈發(fā)不可調(diào)和，伴隨這些工業(yè)企業(yè)拆除搬遷而來(lái)的是大量的遺留污染場(chǎng)地. 在石油化工、金屬冶煉、機(jī)械制造、燃?xì)馍a(chǎn)等多種行業(yè)企業(yè)中，有機(jī)化合物作為原料、中間產(chǎn)物或產(chǎn)品在其生產(chǎn)、運(yùn)輸和儲(chǔ)藏過(guò)程中通過(guò)“跑冒滴漏”等方式進(jìn)入土壤造成土壤污染[1-2]. 有機(jī)污染土壤具有種類繁多、危害性大等特點(diǎn)，嚴(yán)重威脅人類身體健康和生態(tài)環(huán)境[3-4]. 因此，如何精準(zhǔn)有效地對(duì)遺留有機(jī)污染場(chǎng)地進(jìn)行修復(fù)迫在眉睫[5-6].

土壤氣相抽提技術(shù)(Soil Vapor Extraction，SVE)作為一種常見(jiàn)的土壤原位修復(fù)技術(shù)，具有成本低廉、操作簡(jiǎn)單、效率高、對(duì)周邊環(huán)境影響小等優(yōu)勢(shì)，能夠高效去除土壤中的揮發(fā)性有機(jī)物[7-9]. 然而在常溫情況下，SVE技術(shù)易受到土壤理化性質(zhì)、污染物特性等因素的局限，通過(guò)與原位熱修復(fù)技術(shù)進(jìn)行耦合，可以擴(kuò)大其適用范圍并提高修復(fù)效率[10-15]. 其中，原位熱傳導(dǎo)(Thermal Conduction Heating, TCH)技術(shù)可通過(guò)土壤顆粒及孔隙流體的導(dǎo)熱作用使土壤升溫以實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物的高效去除[16]，因其修復(fù)周期短、二次污染可控、對(duì)土壤質(zhì)地以及污染物性質(zhì)的適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被普遍認(rèn)為是一種極具前景的污染場(chǎng)地修復(fù)技術(shù)[17-19].

目前，污染場(chǎng)地修復(fù)工藝的設(shè)計(jì)與運(yùn)行大多參照經(jīng)驗(yàn)公式與有限的場(chǎng)地實(shí)踐經(jīng)驗(yàn). 然而，工藝修復(fù)效果受土壤質(zhì)地[20]、水文地質(zhì)特性[21]、井位布設(shè)[22]、通氣速率[23]等多種因素共同影響，且熱處理過(guò)程的熱能損失難以避免，對(duì)TCH技術(shù)而言，在擬修復(fù)區(qū)域頂部和底部的熱量逸散尤其明顯[11,24]. 因此，在國(guó)家“雙碳”目標(biāo)和“可持續(xù)發(fā)展”的政策背景下，減少能源浪費(fèi)，對(duì)污染場(chǎng)地進(jìn)行系統(tǒng)化、精準(zhǔn)化修復(fù)，必將是未來(lái)污染場(chǎng)地修復(fù)行業(yè)的趨勢(shì)所在. 數(shù)值模擬技術(shù)作為一種科學(xué)研究與工程規(guī)劃的重要手段，能夠有效揭示研究區(qū)溫度場(chǎng)的時(shí)空分布規(guī)律[25-27]，深入闡明揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和SVE治理機(jī)制[28-30]. 例如，Wang等[31]通過(guò)COMSOL軟件對(duì)土壤加熱過(guò)程中的傳熱性能進(jìn)行了研究，評(píng)估了不同工況下的溫度分布和加熱周期，模擬結(jié)果可為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供參考；Huang等[32]建立了一種土壤氣相抽提井運(yùn)行過(guò)程中污染物濃度空間分布及時(shí)間演變的模型，可用于設(shè)計(jì)SVE的修復(fù)策略. TOUGH 2是一款能夠精準(zhǔn)有效地模擬多相流和熱量運(yùn)移過(guò)程的數(shù)值模擬軟件[33-34]，TMVOC作為其子模塊，側(cè)重應(yīng)用于烴類或揮發(fā)性有機(jī)物在土壤及地下水中的環(huán)境污染問(wèn)題，不僅可以模擬“自然”條件下多維非均相系統(tǒng)中三相(氣、水、NAPL)的非等溫流動(dòng)，還可以模擬多孔介質(zhì)的熱量傳遞及污染物的運(yùn)移、去除過(guò)程[34-37].

目前相關(guān)領(lǐng)域的模擬研究多集中于小試規(guī)模，未充分考慮實(shí)際污染場(chǎng)地的復(fù)雜性. 筆者以天津某試劑廠中試場(chǎng)地為研究對(duì)象，采用TMVOC模型模擬TCH強(qiáng)化氣相抽提過(guò)程中場(chǎng)地的溫度變化及目標(biāo)污染物氯苯的去除效果，結(jié)合中試數(shù)據(jù)進(jìn)一步闡明場(chǎng)地升溫過(guò)程及氯苯的去除規(guī)律，并驗(yàn)證TMVOC模型的可信度，為工程化應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為天津某化學(xué)試劑廠的中試場(chǎng)地，原廠主要生產(chǎn)有機(jī)通用試劑、指示劑和基準(zhǔn)試劑等，現(xiàn)已關(guān)停搬遷. 調(diào)查資料顯示，研究區(qū)存在較嚴(yán)重的有機(jī)污染，污染面積278.9 m2，地下水埋深15.0 m，土壤污染深度為10.0 m，主要污染物氯苯的最高濃度達(dá)30.00 mg/kg[20]. 土壤采樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1，不同深度處氯苯初始濃度見(jiàn)表1. 地質(zhì)勘查結(jié)果表明，土壤污染區(qū)域自上而下分為人工填土、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土薄層團(tuán)塊5個(gè)工程地質(zhì)層，各類土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表2.

表1 地下不同深度各采樣點(diǎn)氯苯的濃度Table 1 Concentrations of chlorobenzene at different depths and sampling points in soil

表2 研究區(qū)土壤理化性質(zhì)Table 2 Physical and chemical properties of soil in study area

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling points in study area

研究區(qū)采用“TCH+SVE”組合修復(fù)技術(shù)，設(shè)置3 m(TCH-A區(qū))和4 m (TCH-B區(qū))兩個(gè)不同間距的加熱井群進(jìn)行分區(qū)修復(fù). 系統(tǒng)主要由電力控制單元、加熱單元、溫度監(jiān)測(cè)單元、抽提單元和廢水廢氣處理單元5個(gè)部分組成. 加熱井采用正三角形布點(diǎn)法，抽提井分布于三角形質(zhì)心位置. 工藝設(shè)備及井位布設(shè)如圖2所示.

圖2 TCH原位熱修復(fù)系統(tǒng)和井位布設(shè)示意Fig.2 In situ thermal remediation system of TCH and layout of wells location

研究區(qū)布設(shè)加熱井45個(gè)，測(cè)溫井19個(gè)，抽提井19個(gè). 在TCH-A、TCH-B兩個(gè)分區(qū)內(nèi)分別針對(duì)一加熱井，在其水平方向不同距離處設(shè)置一系列測(cè)溫井以分析單井有效加熱范圍內(nèi)的溫度分布規(guī)律(見(jiàn)圖3). TCH-A區(qū)設(shè)T1～T4四個(gè)測(cè)溫井，分別距熱源中心0.5、1.0、1.5、1.73 m (冷 點(diǎn)). TCH-B區(qū) 設(shè)T8～T12五個(gè)測(cè)溫井，分別距熱源中心0.5、1.0、1.5、2.0、2.3 m (冷點(diǎn)). 為監(jiān)測(cè)兩個(gè)分區(qū)區(qū)域內(nèi)平均溫度，在TCH-A區(qū)另設(shè)3個(gè)冷點(diǎn)測(cè)溫井，編號(hào)為T(mén)5～T7，TCH-B區(qū)另設(shè)兩個(gè)測(cè)溫井，編號(hào)為T(mén)13～T14. 系統(tǒng)運(yùn)行7周后，TCH-A區(qū)平均溫度為100～110 ℃，TCH-B區(qū)平均溫度為80～90 ℃. 維持該溫度一周后停止加熱并采樣檢測(cè)，土壤中氯苯僅有少量殘余，且濃度低于修復(fù)目標(biāo)值.

圖3 研究區(qū)測(cè)溫井布設(shè)示意Fig.3 Layout of temperature measuring wells in study area

2 數(shù)值模型概化

2.1 計(jì)算方程

2.1.1多相流控制方程

TMVOC模型假設(shè)由水、揮發(fā)性有機(jī)物和不可壓縮氣體組成多相流系統(tǒng)，基于組成部分相對(duì)豐度的不均衡及不同的熱力學(xué)條件，系統(tǒng)在進(jìn)行相間傳質(zhì)時(shí)流體組分可能會(huì)出現(xiàn)7種不同的相態(tài)組合，如圖4所示.

圖4 TMVOC模型中流體的相態(tài)變化Fig.4 The phase change of fluid in TMVOC model

各組分之間的箭頭代表因熱力學(xué)條件改變而導(dǎo)致Newton-Raphson迭代過(guò)程中的相間傳質(zhì)路線[38-39].假設(shè)同種組分不同相態(tài)下的化學(xué)勢(shì)相同，則有：

模擬過(guò)程中設(shè)定理想混合組分中的活度系數(shù)和逸度系數(shù)為1，根據(jù)摩爾分?jǐn)?shù)的比例采用平衡常數(shù)表示各相態(tài)間的分配系數(shù)：

TMVOC模型中質(zhì)量和能量平衡的總控制方程：

式中：Vn為流動(dòng)單元體體積，m3；Mk為組分k在單位土壤介質(zhì)中的質(zhì)量，kg；Γn為表面積，m2；Fk為進(jìn)入到流動(dòng)單元體組分k的總通量；n為流動(dòng)區(qū)單元體表面的外法向單位矢量；qk為組分k在單元體的源匯項(xiàng).

2.1.2熱傳導(dǎo)控制方程

土壤一般被認(rèn)為是一種含濕多孔介質(zhì)，在TCH過(guò)程中的傳熱可以通過(guò)熱量的傳導(dǎo)、對(duì)流、相變、輻射以及水分的擴(kuò)散，壓力驅(qū)動(dòng)等方式進(jìn)行. TMVOC模型假設(shè)條件：土壤外部絕熱；土壤內(nèi)部質(zhì)地均勻；土壤熱性能穩(wěn)定；忽略污染物的傳熱；土壤中水的密度、導(dǎo)熱性及比熱容恒定不變.

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，熱傳導(dǎo)控制方程利用局部容積平均法可表示為

式中：ρeff為有效密度，kg/m3；ceff為有效比熱容，J/(kg·K)；T為溫度，℃；t為時(shí)間，s；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；?為蒸發(fā)速率，kg/(m3·s)；ΔHvap為水蒸氣的熱量變化，J；θS、θL、θG分別為土壤孔隙率、液態(tài)水體積分?jǐn)?shù)和水蒸氣體積分?jǐn)?shù)；ρS、ρL、ρG分別為土壤、液態(tài)水和水蒸氣的密度，kg/m3；CS、CL、CG分別為土壤、液態(tài)水和水蒸氣的比熱容，J/(kg·K).

濕度控制方程為

式中，DL為表觀液體擴(kuò)散系數(shù).

依據(jù)ANTOINE方程以解釋土壤中氣體的飽和蒸汽壓、平衡蒸汽壓與蒸發(fā)速率的關(guān)系：

式中：α為比例常數(shù)；θL*表示殘余飽和度；kvap為蒸發(fā)速率常數(shù)，s-1；P*為飽和蒸汽壓，Pa；PG為平衡蒸汽壓，Pa；A、B、C均取常數(shù)[40].

2.2 模型構(gòu)建與網(wǎng)格剖分

將研究區(qū)概化為面積278.9 m2、高度11.2 m的三維模型，不考慮0～2 m的人工清挖土壤及地下水.加熱棒為半徑0.2 m的圓柱，加熱深度為地下2～10 m，抽提井采用TMVOC模型內(nèi)置模塊，抽提深度為地下2.0～10.5 m. 參數(shù)設(shè)置、工藝布設(shè)方式與場(chǎng)地設(shè)置一致，研究區(qū)概念模型如圖5所示.

圖5 幾何概念模型示意Fig.5 Schematic diagram of geometric conceptual model

模型依據(jù)笛卡爾X、Y、Z正交坐標(biāo)系，X、Y方向上網(wǎng)格剖分采用不規(guī)則多邊形填充，網(wǎng)格大小決定模型的細(xì)化程度，網(wǎng)格越小，模型的細(xì)化程度越高，可分析的網(wǎng)格數(shù)據(jù)越多，模擬結(jié)果越精準(zhǔn). 當(dāng)網(wǎng)格最大面積設(shè)置低于0.5 m2時(shí)，網(wǎng)格數(shù)量超出模型求解最大范圍導(dǎo)致模型不收斂，故設(shè)置網(wǎng)格最大面積為0.5 m2.最小改良角度越大，加熱井周邊網(wǎng)格的細(xì)化程度越高，根據(jù)模型的實(shí)際需求確定最小改良角度為15°.Z方向上共剖分為10層，從上至下依次為1層0.001 m的大氣邊界，1層0.2 m的保溫層，5層1.5 m的污染層，1層0.5 m和1層4.0 m的無(wú)污染層，以及1層1.0 m的底部固定邊界. 根據(jù)場(chǎng)地土壤初始溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，模型初始溫度設(shè)置為15 ℃. 研究區(qū)四周設(shè)有止水帷幕，故將模型四周設(shè)置為無(wú)通量邊界.

2.3 條件初始化與初始濃度賦值

模型構(gòu)建完成后，設(shè)置土壤參數(shù)(見(jiàn)表2)、污染物參數(shù)、模型參數(shù)和網(wǎng)格中的初始條件，運(yùn)行程序1年使模型自動(dòng)計(jì)算至重力和毛細(xì)壓力平衡以模擬場(chǎng)地自然初始狀態(tài).

研究選取氯苯為污染物進(jìn)行模擬，初始污染濃度采用“點(diǎn)泄漏”的方式進(jìn)行賦值，即在包氣帶采樣點(diǎn)處及其附近的網(wǎng)格設(shè)置源匯項(xiàng)，以一定的速率注入NAPL相氯苯，模擬氯苯的實(shí)際泄漏過(guò)程，一定時(shí)間后去除泄漏點(diǎn)并使之自由遷移擴(kuò)散1年，最終得到研究區(qū)氯苯的模擬初始濃度狀態(tài). 采樣點(diǎn)位置見(jiàn)圖1，由于各采樣點(diǎn)在不同深度的污染濃度不一致且無(wú)分布規(guī)律(見(jiàn)表1)，故對(duì)污染區(qū)域各層網(wǎng)格進(jìn)行單獨(dú)賦值. 為防止賦值過(guò)程中的垂向遷移擴(kuò)散，在進(jìn)行單層網(wǎng)格濃度賦值時(shí)禁用其他層. 為降低賦值方式帶來(lái)的污染物初始遷移擴(kuò)散速率過(guò)高的影響，賦值時(shí)先將氯苯在空氣中的擴(kuò)散速率增大為3×10-5m2/s，按一定的速率泄漏1年后去除泄漏點(diǎn)，再將擴(kuò)散速率改為正常值(7.6×10-6m2/s)，自由遷移擴(kuò)散1年使之達(dá)到目標(biāo)污染濃度.

2.4 模擬過(guò)程

以2.3節(jié)污染物賦值完成的模擬結(jié)果作為模型的初始運(yùn)行條件，加熱功率設(shè)為520 W/m，抽提速率5×10-4m3/s，抽提壓強(qiáng)70 kPa，加熱井與抽提井同時(shí)運(yùn)行8周. 模擬相關(guān)參數(shù)設(shè)置均與場(chǎng)地中試參數(shù)一致，不考慮生物降解作用.

3 模擬結(jié)果分析與驗(yàn)證

3.1 溫升模擬效果

模型在TCH-A區(qū)和TCH-B區(qū)冷點(diǎn)處分別設(shè)置了4個(gè)和3個(gè)測(cè)溫井(冷點(diǎn)為加熱井圍成的正三角形的質(zhì)心)，根據(jù)模型輸出的測(cè)溫井?dāng)?shù)據(jù)可得到冷點(diǎn)在不同深度處的溫度，冷點(diǎn)垂向上的溫度取平均值作為其垂向平均溫度，區(qū)域內(nèi)各冷點(diǎn)垂向平均溫度取平均值作為區(qū)域整體平均溫度. 根據(jù)冷點(diǎn)測(cè)溫井模擬數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過(guò)7周熱強(qiáng)化氣相抽提系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行，加熱井間距為3 m的TCH-A區(qū)土壤整體平均溫度達(dá)到99.4 ℃，加熱井間距為4 m的TCH-B區(qū)為84.8 ℃.結(jié)果表明，加熱井間距直接影響場(chǎng)地的升溫效果，間距越小，升溫效果越好. 垂直方向上，地表以下2.75、4.25、5.75、7.25、8.75 m各深度的升溫效果不一致.2.75 m處TCH-A和TCH-B兩個(gè)分區(qū)的平均溫度分別為94.3和74.0 ℃；4.25 m處分別為97.9和89.1 ℃；5.75 m處分別為106.2和89.2 ℃；7.25 m處分別為99.9和91.8 ℃；8.75 m處分別為98.8和79.8 ℃.

模型區(qū)域溫度分布以及垂向溫升差異如圖6所示. 由圖6(a)可知，頂、底兩層土壤溫度較中間三層土壤更低，該現(xiàn)象歸因于該兩層土壤在加熱過(guò)程中能量向外界發(fā)生了擴(kuò)散. 頂層土壤接近地表，即使設(shè)置保溫層仍有較大熱量散失，底層土壤以下區(qū)域也有一定的升溫，說(shuō)明加熱過(guò)程中底層土壤熱量向深部地層發(fā)生了擴(kuò)散. 模擬加熱7周后，研究區(qū)溫度達(dá)到目標(biāo)溫度. 隨后維持該溫度1周，TCH-A區(qū)的平均溫度降至95.0 ℃，TCH-B區(qū)升至88℃ ，其主要原因?yàn)橥寥澜橘|(zhì)之間產(chǎn)生了熱量傳遞，溫度高的TCH-A區(qū)將一部分熱量傳遞給了溫度更低的TCH-B區(qū)〔見(jiàn)圖6(b)〕.

圖6 TCH系統(tǒng)運(yùn)行8周后溫度場(chǎng)分布Fig.6 Temperature field distribution of TCH system after 8 weeks of operation

為進(jìn)一步研究加熱間距對(duì)溫度場(chǎng)升溫過(guò)程的影響，獲取溫度監(jiān)測(cè)井的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，兩個(gè)分區(qū)距單井熱源中心不同位置處的土壤溫升曲線見(jiàn)圖7.土壤溫升過(guò)程包括加熱、潛熱和過(guò)熱3個(gè)階段[26].TCH-A區(qū)T1、T2點(diǎn)位加熱7周后的溫度均超過(guò)100.0 ℃，因其受到的熱量供給相對(duì)較高，在加熱階段達(dá)到100.0 ℃以后進(jìn)入潛熱階段，持續(xù)加熱使土壤孔隙水蒸發(fā)，待蒸發(fā)完全后進(jìn)入過(guò)熱階段，溫度繼續(xù)上升. 由于T2所受熱量供給低于T1，故其潛熱階段相對(duì)較長(zhǎng). T3和T4點(diǎn)位溫度分別為100.7 和100.5 ℃，均處于潛熱階段. TCH-B區(qū)5個(gè)點(diǎn)位的模擬溫度均未超過(guò)100.0 ℃，其中T8、T9點(diǎn)位溫度接近100.0 ℃，即將進(jìn)入潛熱階段，T10～T12點(diǎn)位均處于加熱階段. 綜上可知，加熱井間距對(duì)場(chǎng)地溫升效果影響顯著，加熱井間距越小，升溫速率越快. 因此，合理布設(shè)加熱井間距可在達(dá)到修復(fù)效果的前提下降低能量損耗，節(jié)約成本.

圖7 距單井熱源不同位置處溫升曲線Fig.7 Temperature rise curve at different positions from single well heat source

3.2 VOCs 修復(fù)模擬效果

模型初始污染狀態(tài)、運(yùn)行7周及維持目標(biāo)溫度1周后的污染狀態(tài)見(jiàn)圖8. 結(jié)果顯示，S01～S04采樣點(diǎn)在土壤不同深度處氯苯的檢出濃度最高為0.1 mg/kg，表明土壤中大部分氯苯被去除. 地下2.0～3.5、3.5～5.0、5.0～6.5、6.5～8.0、8.0～9.5 m處氯苯的平均去除率分別為97.9%、97.0%、96.3%、95.4%、95.1%. 由圖8可知，模型頂、底兩層土壤中的氯苯全部去除，中間三層土壤中的氯苯大部分被去除，TCH-B區(qū)的S04采樣點(diǎn)附近還有少量氯苯殘留. 出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是：①頂、底兩層土壤氯苯的初始濃度較低，去除速率快；②TCH-B區(qū)的平均溫度低于TCH-A區(qū)，污染物的揮發(fā)速率相對(duì)較慢. 繼續(xù)加熱停留1周后，污染物基本去除完全，達(dá)到修復(fù)目標(biāo). 由此表明，適當(dāng)延長(zhǎng)目標(biāo)溫度維持時(shí)間可提高污染物的修復(fù)效率.

圖8 氯苯濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.8 Variation of chlorobenzene concentration with time

通過(guò)收集模型輸出數(shù)據(jù)可知，模型初始濃度賦值后氯苯的總質(zhì)量為13.27 kg，經(jīng)過(guò)8周的熱強(qiáng)化氣相抽提修復(fù)后僅剩0.36 kg，去除率達(dá)97.3%(見(jiàn)圖9). 通過(guò)氯苯總質(zhì)量變化計(jì)算氯苯的去除速率，發(fā)現(xiàn)其去除速率呈先增后降趨勢(shì)，第1周的去除速率最慢，為0.07 kg/d，第4周的去除速率最快，為0.46 kg/d. 出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因主要是：①初始階段溫度場(chǎng)升溫較慢，低溫環(huán)境下氯苯分子的熱運(yùn)動(dòng)受到限制，導(dǎo)致修復(fù)效率較低；②隨著加熱時(shí)間延長(zhǎng)，土壤溫度逐漸升高進(jìn)而提升修復(fù)效率；③在修復(fù)后期由于氯苯濃度的降低，土壤顆?？紫吨休^易揮發(fā)位置處的氯苯已基本去除，殘留于土壤顆粒結(jié)構(gòu)內(nèi)部及液相中的氯苯只能通過(guò)緩慢擴(kuò)散進(jìn)入氣孔通道被揮發(fā)去除[41-42].

圖9 熱強(qiáng)化SVE修復(fù)期間氯苯總質(zhì)量的變化趨勢(shì)Fig.9 Trend of total chlorobenzene mass during thermal enhanced SVE remediation

3.3 擬合優(yōu)度評(píng)估

選取TCH-A區(qū)和TCH-B區(qū)加熱過(guò)程中各時(shí)間點(diǎn)溫度場(chǎng)平均溫度的試驗(yàn)值與模擬值、修復(fù)后氯苯濃度的試驗(yàn)值與模擬值分別進(jìn)行擬合優(yōu)度評(píng)估，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3、4所示. 選取R作為擬合優(yōu)度的評(píng)估指標(biāo)[35,43]，該值越接近1代表模型的擬合程度越高.

表3 TMVOC模型溫度擬合數(shù)據(jù)Table 3 Temperature fitting data of TMVOC model

表4 TMVOC模型污染濃度擬合數(shù)據(jù)Table 4 Concentration fitting data of TMVOC model

R的計(jì)算公式：

式中：cali為兩個(gè)分區(qū)溫度的試驗(yàn)值為試驗(yàn)值的平均值，g/m3；obsi為兩個(gè)分區(qū)溫度的模擬值，為模擬值的平均值，g/m3；N表示一組擬合數(shù)據(jù)的第N個(gè)值.

根據(jù)計(jì)算可得，TCH-A區(qū)和TCH-B區(qū)溫升數(shù)據(jù)的擬合優(yōu)度分別為0.995和0.989，修復(fù)后氯苯濃度數(shù)據(jù)的擬合優(yōu)度為0.914，表明模型計(jì)算的模擬值與試驗(yàn)值相關(guān)性良好，模型可信度較高. 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生偏差的原因主要有以下幾點(diǎn)：①中試試驗(yàn)過(guò)程中受水文和地質(zhì)等復(fù)雜環(huán)境條件影響，而模擬程序運(yùn)行時(shí)僅受計(jì)算機(jī)中央處理單元計(jì)算精度的影響；②土壤的相對(duì)滲透系數(shù)和與孔隙壓力等相關(guān)參數(shù)難以獲取，模型采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)代替；③TMVOC模型不能直接進(jìn)行污染物濃度賦值，通過(guò)“點(diǎn)泄漏”方式進(jìn)行初始濃度賦值會(huì)帶來(lái)一定的誤差. 值得注意的是，TMVOC模型并無(wú)內(nèi)置加熱模塊，該模型所設(shè)計(jì)的加熱元件實(shí)際上為實(shí)心管，通過(guò)管體加熱向周邊土壤傳熱，與實(shí)際工藝元件由“芯-管壁-土壤”的熱量傳導(dǎo)過(guò)程不一致，故在加熱前期溫度模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)存在較大偏差，當(dāng)模擬加熱元件與試驗(yàn)加熱元件的管壁受熱傳熱穩(wěn)定后，二者的差距逐漸變小. 整體而言，該模型能夠較好地模擬有機(jī)污染場(chǎng)地溫度場(chǎng)的時(shí)空分布特征和污染物的動(dòng)態(tài)去除規(guī)律.

4 結(jié)論

a) 經(jīng)過(guò)7周熱強(qiáng)化氣相抽提系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行，加熱井間距為3 m的TCH-A區(qū)土壤平均溫度達(dá)到99.4℃，加熱井間距為4 m的TCH-B區(qū)為84.8 ℃. TMVOC模型可很好地模擬中試規(guī)模的溫度場(chǎng)分布特征及溫升規(guī)律，擬合優(yōu)度值高于0.989. 通過(guò)TMVOC模型計(jì)算，可以有效確定加熱井的合理布設(shè)間距以及目標(biāo)溫度的最佳維持時(shí)間.

b) 氯苯的去除速率呈先增后降趨勢(shì)，第1周的去除速率最慢，為0.07 kg/d，第4周的去除速率最快，為0.46 kg/d. 熱強(qiáng)化氣相抽提8周后氯苯總剩余量為0.36 kg，去除率達(dá)97.3%. TMVOC模型可較好地模擬污染場(chǎng)地中氯苯的動(dòng)態(tài)去除過(guò)程，擬合優(yōu)度值達(dá)0.914.