薄膜界面探測器在污染場地調(diào)查中的應(yīng)用實例探討

朱 煜

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

土地是不可再生資源，也是社會經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)。21世紀以來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，土地承受的環(huán)境壓力越來越大，防治土壤和地下水污染已成為我國環(huán)境保護工作的重要任務(wù)之一，其中污染場地調(diào)查與評價則是防治工作的前提和基礎(chǔ)。常規(guī)的場地調(diào)查工作包括鉆探、土壤樣品取樣、篩選、地下水監(jiān)測井安裝和采樣、實驗室分析等。但是，由于場地地下環(huán)境有隱蔽、不均質(zhì)等特點，如果按照常規(guī)的調(diào)查程序，則需要進行較繁瑣的污染調(diào)查工作，花較多的時間和經(jīng)費[1]。

本文以位于上海的一總石油烴(TPH)污染場地為例，使用薄膜界面探測器 (Membrane Interface Probe,MIP)配合火焰離子探測器（Flame Ionization Detector，F(xiàn)ID）對場地內(nèi)土壤和地下水中存在的TPH污染進行現(xiàn)場篩選檢測工作。MIP是由美國Kejr.Inc公司所研發(fā)的配套Geoprobe系統(tǒng)使用的現(xiàn)場檢測儀器，可快速建立全面性場地污染空間分布概況[2]，并作為規(guī)劃后續(xù)污染調(diào)查采樣作業(yè)的參考依據(jù)，有效降低污染調(diào)查階段所需經(jīng)費和時間，同時獲得具代表性的調(diào)查成果。

1 薄膜界面探測器介紹

薄膜界面探測器主要由檢測儀探棒、有機物氣體探測器、半透膜、加熱器、導電度感應(yīng)器、氮氣循環(huán)系統(tǒng)等設(shè)備構(gòu)成，其主要是聯(lián)同Geprobe系統(tǒng)的直接貫入法配合使用。

MIP工作原理是利用Geoprobe將檢測儀探棒直接貫入地底，由探棒加熱裝置將周圍土壤中所積存的有機物質(zhì)氣化，氣化后的有機物質(zhì)穿過薄膜進入探棒內(nèi)，再由氮氣將其攜帶至地表，可直接在現(xiàn)場配合FID、ECD（電子俘獲檢測器）等分析設(shè)備顯示有機污染物質(zhì)的電壓反應(yīng)強度，作為分析污染濃度高低的參考。其中，F(xiàn)ID主要用于現(xiàn)場檢測低碳鏈的石油類污染物質(zhì)[3]，ECD主要用于檢測含氯揮發(fā)性有機污染物質(zhì)[4，5]。探棒前端所附的土壤導電度電極可分析紀錄探棒所觸及土壤的導電度值，分析土壤質(zhì)地與特性。現(xiàn)場調(diào)查時每隔1.5 cm深度即記錄一筆有機污染物質(zhì)的電壓反應(yīng)強度與土壤導電度數(shù)值數(shù)據(jù)，可直接呈現(xiàn)污染物質(zhì)在地表下的連續(xù)縱向分布與相對應(yīng)的土壤質(zhì)地變化，并且不受地下水位影響。匯總數(shù)個連續(xù)測點的土壤有機物檢測值與導電度數(shù)值，可得到污染物質(zhì)在不同水平距離與深度的反應(yīng)值空間變化趨勢。其主要的工作原理見圖1。

圖1 薄膜界面探測器(MIP)檢測法工作原理

2 污染場地背景介紹

本文研究的場地位于上海北部區(qū)域，占地面積54 000 m2。該工廠建于1987年，主要生產(chǎn)大型高壓變壓器。為了解該場地土壤和地下水質(zhì)量現(xiàn)狀，確定該場地在歷史日常運行中是否造成土壤和地下水污染，場地業(yè)主在2009年委托一家咨詢公司在場地進行了一次場地環(huán)境調(diào)查。這次調(diào)查在場地內(nèi)安裝了3口地下水監(jiān)測井，并采集了3個土壤樣品和3個地下水樣品。場地的平面布置和采樣位置見圖2。

圖2 場地平面圖和采樣位置

根據(jù)初步的實驗室分析結(jié)果，從鉆孔MW-2和MW-X里采集的土壤和地下水樣品中的總石油烴濃度(主要的碳鏈成分是C10-C28)超過了荷蘭干預值，這兩個鉆孔位置的表層土壤和淺層地下水可能受到了總石油烴的污染。為了了解污染物質(zhì)擴散的方向和污染范圍，并掌握場地的污染來源，筆者受業(yè)主委托利用MIP現(xiàn)場調(diào)查技術(shù)對污染場地進行了加密調(diào)查，同時為了驗證MIP技術(shù)的可靠性以及獲得場地內(nèi)污染物質(zhì)的具體濃度，筆者也在場地內(nèi)采集了30個土壤樣品以及11個地下水樣品，并送往有資質(zhì)的實驗室進行化學分析。

3 調(diào)查方法

3.1 MIP現(xiàn)場調(diào)查

在場地內(nèi)發(fā)現(xiàn)污染的先前檢測點位（MW-2和MW-X）周邊，利用網(wǎng)格布點法，在盡量避開地下設(shè)施的情況下布置了25個MIP調(diào)查點，其調(diào)查點位見圖3?，F(xiàn)場工作時以MIP連接火焰離子探測器進行調(diào)查?，F(xiàn)場工作共獲得將近14 000組FID響應(yīng)數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)被用來判斷場地內(nèi)的污染范圍和濃度變化。

圖3 MIP調(diào)查點位圖

3.2 土壤和地下水確認樣品采集和分析

在通過MIP模擬的高污染區(qū)域和污染范圍的邊界處采集土壤和地下水確認樣品，并送到有資質(zhì)的實驗室進行化學分析。其分析結(jié)果可以用來掌握土壤和地下水中總石油烴的具體濃度，判斷MIP響應(yīng)值在此次調(diào)查中的準確性。

本次調(diào)查共采集了36個土壤樣品和11個地下水樣品，土壤鉆孔和地下水監(jiān)測井位置見圖4和圖5。

圖4 土壤確認樣品采樣點位圖

圖5 地下水樣品采樣點位圖

3.3 場地水文地質(zhì)調(diào)查

在進行有機物濃度調(diào)查時，本案例利用MIP的導電度感應(yīng)器（EC）對探測點位的地質(zhì)情況進行了模擬，同時在鉆探時通過詳細觀察并使用統(tǒng)一的土壤分類方法對場地地質(zhì)情況進行了記錄?，F(xiàn)場調(diào)查時也對各地下水監(jiān)測井水位高程進行了測量，確定了地下水流向，弄清了該場地的水文地質(zhì)特點。

4 調(diào)查結(jié)果和討論

4.1 水文地質(zhì)特征

根據(jù)MIP探測到的土壤導電度的數(shù)據(jù)（見圖6），該場地各鉆孔處的表層主要由一層填土構(gòu)成，每個孔位填土厚度不一，大致在0.8～3.5 m，在填土層下面的原土主要是由黏質(zhì)粉土或粉質(zhì)黏土構(gòu)成，場地地下水初見埋深水位在1.5～2.1 m之間。根據(jù)現(xiàn)場鉆探時的土壤觀察記錄，場地的水文地質(zhì)情況和通過MIP模擬的情況基本一致。

4.2 污染來源和范圍推估

根據(jù)FID響應(yīng)值的橫斷面圖（見圖7）顯示，場地內(nèi)存在兩個不同的污染區(qū)域（區(qū)域1和區(qū)域2）。區(qū)域1主要位于MW-X附近，其覆蓋的檢測點位包括P5、P19、P2及P6。該區(qū)域的MIP最高響應(yīng)值也出現(xiàn)在靠近MW-X的MIP調(diào)查點位P-5。根據(jù)場地歷史情況，場地的6號車間的噴涂區(qū)域在2006年發(fā)生過一場火災(zāi)事故，在救火時夾帶變壓器油的消防廢水被直接排到靠近MW-X的雨水管網(wǎng)類，該區(qū)域的總石油烴的污染可能是由于消防廢水從雨水管網(wǎng)泄露到土壤和地下水中造成的。

圖7 FID響應(yīng)值的橫斷面圖

區(qū)域2主要位于MW-2附近，其主要范圍是由檢測點位 P1、P7、P8、P9、P15和 P21所包圍的區(qū)域。該區(qū)域從1996年到2001年曾經(jīng)是柴油和變壓器油的儲罐區(qū)，該區(qū)域的總石油烴的污染可能是由于儲罐區(qū)的油品泄露造成的。

4.3 MIP與實驗室分析結(jié)果對比

根據(jù)土壤和地下水樣品實驗室分析數(shù)據(jù)，高濃度污染物質(zhì)的采樣點位也對應(yīng)著高FID響應(yīng)值。圖8是利用插值算法推估的總石油烴在地下水中的污染范圍圖。根據(jù)該圖所示，場地內(nèi)存在兩個不同的污染源，這兩個污染源的污染范圍與利用MIP現(xiàn)場探測技術(shù)所推估的總石油烴的污染范圍基本一致。

同時筆者也針對相同點位和深度的FID響應(yīng)值與土壤中總石油烴的濃度進行了統(tǒng)計分析。根據(jù)分析，F(xiàn)ID的響應(yīng)值與不同位置和深度的土壤樣品中的總石油烴濃度成正相關(guān)，當總石油烴類濃度高時，響應(yīng)值也越高，兩者之間的線性回歸的相關(guān)系數(shù)平方值為0.876 2（見圖9）。

圖8 總石油烴在地下水中的等濃度圖

圖9 FID響應(yīng)值與土壤中總石油烴的濃度的相關(guān)性分析圖

5 結(jié)論

該工程實例研究表明，對于碳鏈范圍在C10-C28總石油烴污染的場地，MIP現(xiàn)場探測技術(shù)與傳統(tǒng)的采樣分析方法具有相當高的相關(guān)性，利用MIP-FID現(xiàn)場探測技術(shù)可準確可靠地獲得場地上揮發(fā)性有機污染物質(zhì)的擴散和空間分布概況，通過MIP技術(shù)獲得的污染范圍圖和經(jīng)由實驗室分析結(jié)果推導出來的基本一致。另外，MIP現(xiàn)場探測技術(shù)具有高效快速的特點，能有效降低污染調(diào)查階段所需經(jīng)費與時間，為規(guī)劃后續(xù)污染調(diào)查采樣作業(yè)提供參考依據(jù)，同時獲得具代表性的調(diào)查成果。

[1]黃文彥，吳建輝，黃于峰，等.污染場地地下環(huán)境調(diào)查方法的新思維[A].第一屆海峽兩岸土壤和地下水污染整治研討會論文集[C]，臺北：臺灣大學，2002.

[2]ANDREWS BM,HEINZEK,GUISEPPI W D.Defining TCE plume source areas using the membrane interface probe(MIP)［J］．Soil and Sediment Contamination(formerly Journal of Soil Contamination),2003(12):799-813.

[3]Collins R.,A study of managing uncertainties using the Triad approach.SD Petroleum Release Compensation Fund(PRCF)，July 2005．

[4]U．S DOE，Induced Fluorescence Sensor for Direct Push Systems，Innovative Technology Summary Reports，Sep 2002．

[5]ASTM,Standard Practice for Use of Electron—Capture Detectors in Gas Chromatography．ACTIVE STANDARD：E697-96，2006.