针对受污染土壤的双重热脱附处理策略：基于过程的生命周期分析在温室气体减排中的应用

《Journal of Cleaner Production》：Twin thermal desorption strategies for contaminated soil: A process-based life cycle analysis for greenhouse gas mitigation

本研究采用生命周期评估框架，首次对比分析了在位与场外离位气热解吸策略的环境性能。结果表明，在位策略的能耗（1.9倍）、标准化生命周期环境影响（近4倍）及温室气体排放（超2倍）均显著高于场外离位策略，处理1立方米污染土壤。两者97%以上的能源依赖化石燃料，天然气、电力和混凝土是主要温室气体排放来源。工艺分析显示，在位策略的加热过程是环境影响的主要驱动因素，而场外策略的废气处理是温室气体排放的主要来源。优化加热可降低68.24%排放，优化废气处理可减少51.81%排放。

　　

史鹏飞|杨斌|张大定|于佩瑶|李亚峰|于静静|王盼盼|艾胜杰|梁天|罗慧龙|袁蓓|李莉|谢云峰|马福军|顾青宝|李发胜

北京师范大学水科学学院，北京，100875，中国

摘要

气体热脱附策略的高能耗特性及其相关的环境影响，特别是温室气体排放，引起了广泛关注。本研究采用生命周期评估框架，首次从单元过程的角度，对原位和异地两种双策略进行了比较分析，这两种策略使用了相同的能源和修复原理。结果表明，对于1立方米的受污染土壤，原位气体热脱附的能耗（高1.9倍）、标准化生命周期环境影响（接近4倍）和温室气体排放（超过2倍）均显著高于异地策略。这两种技术的能源结构中，超过97%依赖于化石燃料，其中天然气、电力和混凝土是温室气体排放的主要来源。单元过程分析进一步表明，原位策略中的加热过程是其环境影响的主要驱动因素，因为高温要求显著增加了能耗。相比之下，异地策略中的尾气处理是生命周期温室气体排放的主要来源。减排潜力分析显示，优化原位气体热脱附的加热过程可将温室气体排放减少68.24%，而优化异地策略中的尾气处理可将排放减少51.81%。本研究突出了这两种技术之间的显著环境性能差异，并为在单元过程层面制定有针对性的减排策略提供了科学依据。

引言

热脱附（TD）已成为修复受挥发性及半挥发性有机化合物（VOCs/SVOCs）污染土壤的最广泛应用技术之一，这些化合物包括氯化溶剂、石油烃、多环芳烃（PAHs）、多氯联苯（PCBs）和其他持久性有机污染物（Choi等人，2020；Shentu等人，2023；Wang等人，2022；Zhang和Zhao等人，2024）。由于TD技术具有快速的去除效率和广泛的污染物适用性，它们在全球范围内得到了越来越多的采用（Horst等人，2021；Zhao等人，2019）。根据对中国643个案例的研究（Yu等人，2024），TD技术占所有实施修复项目的约13.5%。然而，TD过程通常伴随着高能耗需求，导致较高的能源消耗和显著的环境负担（He等人，2022；Hou等人，2023；Ren等人，2020；Wang等人，2024）。例如，最近的全尺度案例分析显示，异地TD修复1立方米受污染土壤的温室气体（GHG）排放强度在182.78至351.93千克二氧化碳当量之间（Liu等人，2025），这凸显了在实现全球碳中和目标背景下提高TD技术可持续性的必要性。

TD技术通常分为原位热脱附（ISTD）和异地热脱附（ESTD）。ISTD在原位条件下加热受污染的土壤和地下水，使污染物蒸发，然后有效收集和处理，实现高效去污（美国环保署，2023；Zhang和Li等人，2023）。该过程无需将受污染土壤从现场移走，从而降低了二次污染的风险。相比之下，ESTD需要将受污染土壤转移到处理现场进行集中控制，特别适用于污染物浓度较高的场地（Chen等人，2024a）。ESTD通常可以分为现场型和异地型。在现场ESTD中，挖掘出的土壤在同一现场使用临时或固定设施进行处理，避免了长距离运输，同时保持严格的过程控制。异地ESTD将受污染土壤运输到专业设施进行处理，当现场空间或安全限制局部修复活动时更为合适。通过ESTD过程，可以实现更高的污染物去除效率，并将污染物扩散到周围环境的风险降到最低（Ding等人，2019；Liang等人，2023）。

气体热脱附（GTD）是一种常见的TD类型，它利用气体（如天然气）作为热源，广泛应用于原位和异地策略（Xu等人，2019）。这两种策略被称为双策略，不仅因为它们使用相同的能源和去除机制，还因为它们在同一工程项目中同时实施，且处于相似的现场条件下。这种双策略的应用为直接和一致地比较它们的环境性能提供了独特的机会，同时也强调了优化能耗和温室气体（GHG）排放以增强可持续性的重要性。然而，实际应用表明，气体加热的能源效率通常较低（30–60%），并且热量损失显著，导致大量能源浪费（Zhang和Wang等人，2024）。原位GTD通过直接对受污染土壤加热使其挥发并去除地下污染物，实现有效的原位修复。相比之下，异地策略涉及挖掘受污染土壤，在地面进行处理，然后将处理后的土壤返回原位。不同的加热配置、热传递路径和操作控制可能导致原位和异地GTD在能源需求、资源消耗和温室气体排放方面存在显著差异。因此，需要对这两种策略进行系统的比较评估，以明确它们的环境性能和对修复实践的指导意义。

生命周期评估（LCA）是一种强大且标准化的工具，用于评估修复技术在整个生命周期内的环境性能——从资源提取到污染物释放，并为TD技术的比较提供了框架（Hellweg等人，2023；Morais和Delerue-Matos，2010；Visentin等人，2019）。LCA已被应用于评估各种修复策略，包括TD。然而，大多数研究仅关注单一TD策略的环境影响或理论修复策略的比较。例如，已有研究对ISTD策略进行了LCA分析，比较了其生命周期环境影响和资源消耗，并探讨了减轻这些负面影响的潜在方案（Fisher，2012a）。其他工作系统地将ISTD或ESTD与生物修复、挖掘和填埋以及水泥窑共处理等替代方案进行了对比，以受污染场地为案例对象（Chen等人，2020；Lemming等人，2013；Ni等人，2020）。在评估TCE污染场地时，ISTD的全球变暖潜力（GWP）比（i）原位生物修复（通过强化还原脱氯ERD）、（ii）挖掘和异地处理以及（iii）不采取任何措施高出2.5–5倍（Lemming和Hauschild及Bjerg，2010b）。虽然之前的研究比较了原位和异地修复方法，但大多数关于ISTD的比较工作几乎仅关注电加热配置，导致天然气加热系统的环境评估不足。此外，直接比较在同一工程项目中同时运行的原位和异地GTD技术的全面LCA很少见。缺乏此类分析限制了我们对操作模式差异如何转化为能源消耗、环境负担和温室气体排放变化的理解。此外，许多与TD相关的LCA是在汇总层面评估技术的，而细粒度的单元过程（UP）层面分析——对于识别环境影响的主要因素和提供有针对性的优化建议至关重要——仍然十分稀缺。

本研究系统地评估了这两种GTD策略的能耗、生命周期环境影响和温室气体排放特性。这两种技术在同一工程项目中同时实施，且现场条件、土壤物理化学性质和污染物类型相同，从而能够公平和一致地比较它们的环境性能。具体目标是：（1）量化并比较两种GTD技术的生命周期能耗、环境影响和温室气体排放；（2）识别对总体环境负担有贡献的主要单元过程；（3）评估GTD的减排潜力，并提供优化热脱附修复可持续性的策略。总体而言，本研究为双GTD的能源-环境性能提供了新的见解，并为优化工艺设计和推进更清洁、更节能的TD应用在受污染场地修复中提供了实际指导。

部分摘录

受污染场地的描述

中国北京的受污染场地曾是一家焦化厂（建于1937年），生产煤炭和化学产品超过60年。我们收集了土壤的物理和化学性质以及场地污染状况的数据（表S1）。土壤样本由经过认证的第三方检测公司按照美国环保署的标准方法进行分析，以确保准确性和可重复性。具体来说，苯浓度是使用EPA方法8260C（GC-MS）测定的

双GTD策略的累积能耗比较

能源效率是评估策略可持续性的重要指标（Clarens等人，2008；Forum，2009）。图2显示了两种GTD策略在累积能耗（CED）方面的显著差异。原位GTD系统处理1立方米受污染土壤需要8224.69 MJ的能量，几乎是异地系统的两倍（4266.72 MJ）。这种差异不仅仅是数值上的；它反映了热传递效率、处理边界等方面的根本差异

结论

本研究使用LCA框架系统地评估了两种GTD策略的能耗、生命周期环境影响和温室气体排放特性。尽管这两种策略使用相同的能源和修复原理，但结果表明原位GTD的能耗和温室气体排放显著高于异地策略。通过分析这两种策略的关键操作单元，研究

CRediT作者贡献声明

史鹏飞：撰写——初稿、可视化、软件、数据管理。杨斌：方法论、调查。张大定：调查、数据管理。于佩瑶：数据管理。李亚峰：数据管理。于静静：可视化。王盼盼：调查。艾胜杰：方法论。梁天：软件。罗慧龙：可视化。袁蓓：可视化。李莉：调查。谢云峰：验证、监督。马福军：验证。顾青宝：验证。李发胜：撰写——

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（编号：2022YFC3703300、2022YFC3703302）的财政支持。