原地异位建堆热脱附技术的工艺原理如图1所示。该技术是通过将挖掘堆放的污染土壤加热至污染组分的沸点以上，使污染物从土壤中挥发、分离，这一过程包括了污染组分的挥发、裂解等物理化学变化^[6,25]。当污染组分变为气态后，其流动性将大大增加，可通过风机抽提的方式进行收集。根据热源的不同，热脱附技术可分为燃气式和电加热式2种方式。新疆地区自然能源丰富，结合这一特点，本研究采用天然气作为热源。污染土壤将以四棱台式堆体的形式进行搭建，建堆过程中分层安装加热管和抽提管。污染土壤建堆示意图如图2所示。天然气在燃烧器内燃烧产生高温烟气，经加热管内管传输至加热管外管中，外管在辐射传热和烟气对流传热的双重作用下实现升温，并以热传导的方式加热污染土壤；当污染土壤被加热至一定温度后，附着在土壤颗粒上的污染物将由液相变为气相，并得以挥发，从而实现从污染土壤表面的剥离，然后经抽提管和风机抽出，并送入尾气处理系统从而实现石油组分的冷凝回收。

本研究挖掘的污染土壤总量约506 t，堆体搭建过程中配备加热管外管11根、内管11根、抽提管16根、余热利用管5根、热电偶8个、压力变送器3个、高压风机1台、燃烧器11台、耐火管11根、烟囱1个，如表1所示。天然气燃烧后产生的高温烟气(700~800 ℃)通入加热管中，通过间接换热的方式对土壤进行加热；加热管排出的烟气温度仍高达400 ℃，为实现该部分热量的利用，将在土壤中插入余热利用管，并将排出的高温烟气注入到余热利用管中，对污染土壤进行加热，从而实现余热利用。

气处理系统主要由气液分离器、列管换热器、罗茨风机、活性炭罐、板翅式换热器、齿轮泵等组成，见表2。

污染土壤自身的属性对于热脱附处理过程具有一定的影响。对污染物料区域(待修复的污染土壤)开挖后发现，污染状况较为复杂。对代表性污染物料进行分析后，将待处理物料分为3类，对应物料的表观性状如图3所示，对应物料的检测分析结果如表3所示。

根据待处理物料的属性，共分4层进行修复堆体的搭建，物料a、b、c在堆体内的分布位置如表4所示。本研究石油污染土壤总量约506 t，总方量297.6 m³，堆体搭建尺寸如表4所示。待处理物料经筛分等预处理后作为堆体物料进行堆体的搭建。物料a按照设定尺寸平铺于底层，并分别按照1.5 m的间距铺设加热管(包括内管、外管)和抽提管(图4(a))，完成第1层堆体的搭建。在第2层堆体搭建的过程中，物料b铺设完成后，安装余热利用管(图4(a))和抽提管，并在本层安装热电偶(图4(a))和压力变送器，以实现堆体温度和负压的监测。物料c分布于第3层堆体中，并再次铺设加热管和抽提管。再将物料a铺于第4层，封顶。堆体搭建完成后，开始表面隔离层的施工，堆体四周只采用混凝土抹面固封(厚度6 cm)，堆体顶部加盖岩棉板(厚度8 cm)进行隔热。同时，为了防止雨水的干扰，在岩棉板铺设完毕后，再覆盖混凝土层(厚度6 cm)，如图5所示。

最终成形的四棱台形式的堆体如图4(b)所示，堆体搭建的详细工艺路线如图6所示。堆体外将安装燃烧器、烟囱、离心机和气处理系统，实现堆体系统管路的连接，形成待修复的石油污染土壤堆体，如图4(c)所示。

天然气在燃烧器内燃烧时产生的高温烟气进入加热管内管，经加热管外管排出后，再进入余热利用管进行热量的二次利用，最终由烟囱排出。在整个过程中，加热管外管以热传导的形式加热污染土壤，实现污染物的挥发和分离。在加热过程中，为保证燃烧器的正常运行，对加热管外管温度进行实时监测，既防止由于长时间持续加热而导致加热管因温度过高受损，又保证加热管外管温度不低于550 ℃，以满足污染土壤修复效果。在热脱附过程中，堆体内冷点^[26]位置的污染土壤加热温度至少应达到300 ℃。在建堆过程中，在含油率最多的物料b所在的第2层设置土壤取样口，修复完成后，从取样口取样并送到具有相关资质的第三方检测机构进行检测，评估土壤修复效果。

热脱附处理后，石油烃类物质转移到气相中。为满足《大气污染物综合排放标准》(GB 16297-1996)的相关要求，须进行后续气处理。本研究气处理系统主要包含气液分离器、列管换热器、罗茨风机、活性炭罐、板翅式换热器、齿轮泵等。气处理工艺流程如下。

1)经抽提收集的污染气体首先进入一级气液分离器，实现气体与其携带的土壤颗粒和大液滴的分离。

2)分离后的气相进入列管式换热器，实现石油烃组分的冷凝回收。

3)冷凝处理后的气相进入二级气液分离器，实现冷凝后气体与其夹带的雾状液滴的分离，防止雾状液滴进入风机。

4)处理后的气相以风机为动力源，依次通过两级活性炭体系，利用活性炭的吸附作用对气体进行净化处理^[27-28]。

5)气体处理达标后通过烟囱排放。

6)经两级气液分离和列管换热器冷凝后的油水混合物收集至吨桶中，定期交由当地污水处理厂进行处理。

根据污染土壤中含有的石油烃的性质，为达到修复效果，堆体内土壤的平均温度须达到300 ℃以上。修复前，为保证各管件、设备布局的合理性，保证污染土壤修复效果，特针对污染土壤的处理过程进行温度场模拟。

在数学模拟过程中，参考TSOKUR等^[29]的研究，建立数学模型。为实现温度场模拟，假设每个燃烧器所形成的温度场为一圆柱体模型，如图7所示。

土壤热处理过程能量平衡方程如式(1)所示。

土壤热处理过程物料平衡方程如式(2)和式(3)所示。

式中：λ为土壤导热系数，W·(m·℃)⁻¹；r为加热半径，m；T为加热温度，℃；t为加热时间，s；${C_{{\rm{p,m}}}}$为土壤比热容，J·(kg·K)⁻¹；${C_{{\rm{p,g}}}}$为气体比热容，J·(kg·K)⁻¹；ε为土壤孔隙度；S_g为土壤中气体饱和度，即气体填充在土壤内部孔隙之间的体积分数；U_g为污染气体流速，m·s⁻¹；K为渗透面积，m²；k为渗透系数，m·s⁻¹；ρ_g为气体密度，kg·m⁻³；μ_g为气体黏度，kg·(m·s)⁻¹；h为蒸发焓变，J·kg⁻¹；m为单位体积内液相蒸发速度，kg·(m³·s)⁻¹。

关联式如式(4)~式(11)所示。

式中：A为单位体积土壤的传质面积，m²·m⁻³；C_g为传质过程中污染物气相浓度，kg·m⁻³；${C_{{\rm{eq,g}}}}$为传质平衡状态下污染物气相浓度，kg·m⁻³；S_l为土壤中液体饱和度，即液体填充在土壤内部孔隙之间的体积分数；Re为雷诺数；Sc为施密特准数；a，b，c为安托尼常数；d_e为当量直径，m。

边界条件如式(12)~式(16)所示。

采用ANSYS 15.0软件对上述圆柱模型进行结构化网格划分，然后采用FLUENT软件中的有限控制体积法计算网格节点上的温度等数值解。在模拟过程中，以间距1.5 m对加热管进行布置，当加热管外管管壁温升至550 ℃时，考察任意3根加热管组成的三角区域内温度场的分布，以此分析修复过程中堆体内全部污染土壤的温度状况。

采用FLUENT软件进行温度场模拟的结果如图8所示。图8(a)为3根间距1.5 m的加热管温度场模拟效果。由图8可见，温度在加热管处高达550 ℃，并沿着加热管向四周递减。每根加热管长14 m，分别模拟此3根加热管在5 m和10 m位置组成的三角区域内的温度场分布。如图8(b)和图8(c)所示，土壤各点温度均超过300 ℃，冷点位置的温度高达314 ℃。由此可见，当设计加热管间距为1.5 m时，3根加热管所覆盖的区域内无温度场盲点，各点温度均能够满足最低要求，具备除去污染土壤中所含的石油烃类物质的条件。

在污染土壤处理过程中，以K型热电偶的形式实现对污染土壤的温度监测。结合本研究中污染土壤的处理量，在堆体搭建过程中设置了8个热电偶，分别安装于第2层污染土壤(6个)和顶层污染土壤(2个)中，每根热电偶设2个测温点位，共16个测温点位，点位编号为T101~T116。由图9可见，温升曲线T101~T112为第2层污染土壤在热脱附处理过程中的温度变化情况；T113~T116为顶层污染土壤在热脱附处理过程中的温度变化情况。当温度低于100 ℃时，各测温点位的升温速率较慢，这是因为污染土壤中含有水，水的比热容高于干土壤的比热容，因此该阶段加热过程中土壤升温较慢。由图9可见，当测温点位的温度达到100 ℃后，温度会在一段时间内保持恒定。在此期间内，污染土壤中所含的水分将逐渐蒸发并经抽提管抽出。由于本阶段的热量主要转化为水的气化潜热，因此，此阶段内土壤温度趋于稳定。温升曲线T113~T116在该阶段的持续时间明显低于其他点位，这是因为顶层污染土壤的含水率低于1%，水体气化用时较短。由此可见，温度恒定阶段的时间随着待处理土壤含水率的升高而变长。水分被蒸发抽提后，堆体内土壤的升温速率大幅加快，石油烃各组分随之挥发，通过罗茨风机将污染物蒸汽抽提、收集，统一进行气处理。

含油率较高的污染土壤b位于第2层堆体内，其原始含油率为23.1%；经原地异位建堆热脱附处理后的样品送至SGS-CSTC检测中心进行检测，2个平行样品中总石油烃含量分别为496 mg·kg⁻¹和602 mg·kg⁻¹，处理后土壤中石油烃平均含量约549 mg·kg⁻¹，能够满足《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 36600-2018)中的相关要求。

在处理过程中，堆体自2017年10月19日开始修复，至11月24日实验结束，共施工运行37 d，天然气总用量14 977 m³。利用原地异位热脱附技术处理该项目506 t石油污染土壤，天然气用量统计分析结果如下：天然气用量14 977 m³，污染土方量297.6 m³，污染土总重量506 t，1 t用气量29.6 m³，1 m³用气量50.3 m³。每处理1 m³石油污染土壤约消耗天然气50.3 m³。

1)通过数学模型进行温度场模拟，在加热管外壁温度达到550 ℃、加热管和抽提管间距分别为1.5 m的条件下，堆体内所有污染土壤均能达到目标温度(300 ℃)，满足去除污染土壤中所含石油烃类物质的条件。

2)采用原地异位建堆热脱附技术进行土壤修复处理时，待处理物料(污染土壤)的含水率对污染土壤升温速率有较大影响。含水率越低的物料，升温速率越快。

3)采用原地异位建堆热脱附技术能够实现石油污染土壤的修复，修复后土壤样品中总石油烃的含量能够达到《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 36600-2018)的修复要求。在应用过程中，原地异位建堆热脱附技术具有设备投入少、人员投入少、场地限制低的优势，处理后土壤能够满足国家和地区对相关指标的管控要求，具备开展大规模现场应用的条件。