基于快速檢測技術(shù)的VOCs污染場地修復(fù)工藝優(yōu)化*

陳展

（1.上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200031；2.上海環(huán)境巖土工程技術(shù)研究中心，上海200032）

·工程應(yīng)用·

基于快速檢測技術(shù)的VOCs污染場地修復(fù)工藝優(yōu)化*

陳展1，2

（1.上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200031；2.上海環(huán)境巖土工程技術(shù)研究中心，上海200032）

以上海某揮發(fā)性有機(jī)污染場地為例，通過選定測試期內(nèi)基于單個抽提井點(diǎn)的群井快速監(jiān)測和基于單排抽提井點(diǎn)出水快速監(jiān)測這2種模式對修復(fù)過程施工工藝進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化調(diào)整，并將工藝優(yōu)化調(diào)整前后光離子化檢測器測值與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室檢測值進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明：光離子化檢測器測值與污染物濃度測值正相關(guān)性較高，測試期內(nèi)一般污染區(qū)域地下水中污染物去除率為40%～70%，重點(diǎn)污染區(qū)域達(dá)到90%以上；因此快速檢測技術(shù)可以作為修復(fù)過程中的實(shí)時(shí)檢測工具，能夠優(yōu)化修復(fù)工藝流程，有效指導(dǎo)類似修復(fù)工程的施工。

快速檢測技術(shù)；揮發(fā)性有機(jī)物；污染場地；修復(fù)；工藝優(yōu)化

目前土壤污染已成為我國關(guān)注的焦點(diǎn)，在各類污染場地中以苯系物和鹵代烴為代表的揮發(fā)性有機(jī)污染場地因具有易揮發(fā)、累積性、多樣性和生物毒害等作用而備受關(guān)注［1］。傳統(tǒng)污染場地調(diào)查主要借助土壤采樣鉆探點(diǎn)和地下水監(jiān)測井進(jìn)行，工期長、成本高；而對于揮發(fā)性有機(jī)污染場地，一些快速的、低成本的和非侵入式采樣檢測技術(shù)越來越顯現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢［2］。

快速檢測技術(shù)（簡稱快檢技術(shù)）是通過收集土壤或地下水中有機(jī)污染物揮發(fā)性氣體，利用相應(yīng)電化學(xué)和光學(xué)檢測器將氣體中VOCs濃度信息轉(zhuǎn)化為電信號或光信號等，常用的檢測器包括光離子化檢測器（PID）、火焰離子化檢測器（FID）、氦離子化檢測器（HID）、電子俘獲檢測器（ECD）、色譜-光離子化儀（GC-PID）、便攜式氣相色譜-質(zhì)譜儀（GC/GC-MS），以及與直推技術(shù)相結(jié)合的MIP-PID等［3-8］。該類快速檢測技術(shù)及設(shè)備應(yīng)用在國外發(fā)展較快，其中光離子化學(xué)被美國國家環(huán)保局（EPA）、美國職業(yè)安全與健康局（OSHA）和美國職業(yè)安全與健康研究所（NIOSHA）定為環(huán)境大氣中有毒物質(zhì)分析檢測方法［9］，GC-PID也成為美國具有法律仲裁權(quán)威性的分析方法［10］；國內(nèi)的中科院生態(tài)環(huán)境研究中心、復(fù)旦大學(xué)光源研究所和北京東西儀器有限公司等在該類技術(shù)設(shè)備研發(fā)上的進(jìn)展也多有報(bào)道［5，10］，該類技術(shù)主要應(yīng)用于室內(nèi)外空氣質(zhì)量監(jiān)測、突發(fā)污染事件現(xiàn)場應(yīng)急檢測和在污染場地初步環(huán)境調(diào)查中輔助取樣等［11-15］，而在指導(dǎo)污染場地修復(fù)過程中的應(yīng)用較少。探索快檢技術(shù)在污染場地修復(fù)過程中的應(yīng)用對于節(jié)約資源成本，提高修復(fù)效率，保證效果具有重要意義。筆者以某揮發(fā)性有機(jī)污染場地為研究對象，探索了快檢技術(shù)在該污染場地修復(fù)中的工藝優(yōu)化流程。

1 場地及修復(fù)工藝概況

1.1 場地污染情況

本研究場地位于上海市長寧區(qū)某地塊，場地內(nèi)主要污染物為氯苯和石油烴（TPH，主要碳鏈成分為C6～C9），前期場地調(diào)查和修復(fù)方案設(shè)計(jì)共劃定4個修復(fù)區(qū)域范圍，僅以其中的區(qū)域二為例進(jìn)行實(shí)例研究，說明快檢技術(shù)在優(yōu)化VOCs污染場地修復(fù)過程中的應(yīng)用。

研究區(qū)域?yàn)樵瓫_剪機(jī)床廠的大金工車間和小金工車間所在區(qū)域，根據(jù)前期調(diào)查，該區(qū)域土壤和地下水均受到不同程度的污染，土壤污染主要為地面以下4.0 m內(nèi)的填土層，地下水和土壤修復(fù)范圍基本一致，前期調(diào)查共設(shè)置的3口地下水監(jiān)測井（圖1），工藝優(yōu)化實(shí)施前TPH和氯苯的檢測濃度見表1。

表1 初始地下水中污染濃度及PID測值

圖1 研究區(qū)域位置及地下水監(jiān)測井分布

1.2 地質(zhì)與水文條件

場地內(nèi)淺部地層主要為第四紀(jì)全新世Q4沉積物，表層為填土，厚度為0.86～4.64 m，研究區(qū)域填土厚度在2.0 m左右；填土下為粉質(zhì)黏土層，較為致密，厚度2.1～3.0 m，滲透性較差，是污染物良好的豎向隔離層，研究區(qū)域典型地質(zhì)剖面如圖2所示。場地內(nèi)淺部土層中的潛水平均埋深1.0～1.6 m，地下水流向?yàn)橛赡舷虮保魉佥^為緩慢。

圖2 研究區(qū)域典型地層剖面

1.3 修復(fù)工藝簡介

揮發(fā)性污染物的主要修復(fù)技術(shù)有土壤空氣相抽提技術(shù)（SVE）、淋洗技術(shù)、沖洗技術(shù)、化學(xué)氧化法、光解法等［16-17］，各技術(shù)有其相應(yīng)的適用性和實(shí)施條件，綜合本場地土層滲透性條件、污染物分布特征以及平原河網(wǎng)地區(qū)較高的地下水位等因素，考慮采用表面活性劑進(jìn)行增效洗脫，外加過硫酸鈉進(jìn)行化學(xué)氧化的復(fù)合修復(fù)技術(shù)。采用的修復(fù)工藝為：①在污染區(qū)域周圍設(shè)置隔離屏障。②屏障內(nèi)部區(qū)域設(shè)置井點(diǎn)管（抽提井和注入井），初期進(jìn)行地下水抽提、表面活性劑（SDS）與氧化藥劑注入的土壤和地下水修復(fù)聯(lián)合作業(yè)，中后期進(jìn)行地下水的抽提和低濃度藥劑（1%的過硫酸鹽）注入的地下水修復(fù)作業(yè)；抽提井和注入井具體結(jié)構(gòu)見圖1，出水排入污水處理設(shè)施，回灌水可用清潔自來水，也可使用處理達(dá)標(biāo)后的污水。③如此循環(huán)往復(fù)，形成連續(xù)的水力循環(huán)，直至將地下水中污染濃度降到修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)以下。研究測試區(qū)以3 m×3 m的間距均勻進(jìn)行井點(diǎn)布置，共設(shè)置抽提井8排，注入井9排，單排井點(diǎn)數(shù)約18個。

2 材料與優(yōu)化測試方法

傳統(tǒng)測試方法精度較高，但周期較長、成本較高，便攜式PID測試由于其快速性、低成本的特點(diǎn)可以通過快速、大量的測試彌補(bǔ)其本身數(shù)值質(zhì)量的問題［18-19］，可作為地下水揮發(fā)性污染物濃度的間接反映指標(biāo)；測試過程是通過基于一定數(shù)量單個抽提井點(diǎn)的群井快速監(jiān)測和基于單排抽提井點(diǎn)出水的快速監(jiān)測這2種方式反映的濃度變化來進(jìn)行修復(fù)工藝優(yōu)化調(diào)整。

1）基于一定數(shù)量單個抽提井點(diǎn)的群井監(jiān)測：可反映一定修復(fù)周期內(nèi)的修復(fù)效果和污染物濃度分布，但取樣工作量大，考慮現(xiàn)場的可實(shí)施性，共選取60個固定井點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記取樣監(jiān)測，監(jiān)測頻率以“周”或“月”為單位，具體根據(jù)修復(fù)實(shí)施進(jìn)度情況確定。

2）基于單排抽提井點(diǎn)的出水水質(zhì)監(jiān)測：該方式取樣工作量較小，監(jiān)測結(jié)果可實(shí)時(shí)反映現(xiàn)場修復(fù)工藝的測試效果與后續(xù)調(diào)整方向，選取研究區(qū)9排抽提井點(diǎn)出水進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測周期提高至以“天”為單位。

3）具體操作方法：現(xiàn)場對單排連接管出水或單個抽提井內(nèi)的混合水樣進(jìn)行取樣，并使用手持式光離子化檢測器（PID）進(jìn)行檢測的方法來了解過程中污染物濃度的變化情況，以指導(dǎo)后序修復(fù)施工工藝。所用儀器為美國瑞華公司的PGM-7340VOC氣體檢測儀，配備的檢測器為目前市場上較為靈敏的廣譜揮發(fā)性有機(jī)物光離子化檢測儀（PID），其主要參數(shù)如表2所示。

表2 PGM-7340VOC氣體檢測儀的主要參數(shù)

4）取樣檢測步驟：①參照《場地環(huán)境監(jiān)測技術(shù)導(dǎo)則》關(guān)于地下水揮發(fā)性有機(jī)物的取樣要求［20］，過程取樣前抽注系統(tǒng)停止運(yùn)行2 h，防止運(yùn)行過程對樣品的擾動而影響檢測結(jié)果。②現(xiàn)場通過自制簡易取樣器進(jìn)行取樣，每取1個樣品清洗1次，水樣裝入一次性水樣瓶（500 mL），取樣量約為瓶體體積的1/2，保證氣體有一定的揮發(fā)空間。③取樣后避光靜置0.5 h后將氣體檢測儀進(jìn)氣口放入瓶內(nèi)進(jìn)行測試，記錄最大測值。

5）測試周期：測試期位于修復(fù)施工中后期，包含4個優(yōu)化調(diào)整周期：周期一位于修復(fù)工程中期，土壤經(jīng)過氧化和淋洗工藝后達(dá)到修復(fù)目標(biāo)要求，后3個周期主要是針對地下水修復(fù)的工藝調(diào)整測試階段。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 工藝優(yōu)化結(jié)果分析

1）測試初期：通過現(xiàn)場大量取樣檢測試驗(yàn)，并結(jié)合本場地井點(diǎn)的抽水、注入效率和出水濃度削減速率對比等因素可將6 000×10-4%以上區(qū)域定義為重污染區(qū)，1 000×10-4%～6 000×10-4%區(qū)域?yàn)橹形廴緟^(qū)，1 000×10-4%以下為輕污染區(qū)。

根據(jù)PID數(shù)據(jù)，測試初期（2015年7月25日）污染物主要集中于場地的西側(cè)（A3～E9）和東側(cè)B12、C15和F14附近局部區(qū)域，污染物分布與前期地下水中的污染檢測濃度部分基本一致，見圖3。

圖3 測試初期PID測值等值線（單位：×10-4%）

2）周期一：根據(jù)測試初期污染分布情況，整體措施調(diào)整為增加污染嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行抽水和注藥頻率，其他區(qū)域進(jìn)行回灌表面活性劑，每天具體施工管理措施根據(jù)單排出水水質(zhì)等具體情況調(diào)整，13 d后進(jìn)行單井取樣監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)東部中等污染以上區(qū)域（C2-C6-D8以上部分）逐漸縮小，但重污染區(qū)域（B6-B9）仍未消失，東部重區(qū)域有所擴(kuò)大，可能是該區(qū)土壤污染物在表面活性劑洗脫作用下進(jìn)入水中所致，如圖4所示。

圖4 工藝調(diào)整13 d后PID測值等值線（單位：×10-4%）

3）周期二：為土壤修復(fù)達(dá)標(biāo)后的地下水修復(fù)，根據(jù)濃度分布調(diào)整修復(fù)工藝為沿新的重污染區(qū)中心線（A5～E12）區(qū)域進(jìn)行抽水，中等污染區(qū)域通過高壓泵進(jìn)行藥劑回灌，外圍進(jìn)行清水回灌，后每天根據(jù)單排井點(diǎn)出水?dāng)?shù)據(jù)逐步縮小外圍回灌范圍，由于土體的滲透性的不均性，抽提和氧化修復(fù)效果也有較大差異，3 d后重污染區(qū)由集中連片變?yōu)榫植恐行狞c(diǎn)分布，如圖5所示。

圖5 工藝調(diào)整3 d后PID測值等值線（單位：×10-4%）

4）周期三：繼續(xù)按照上述工藝流程動態(tài)調(diào)整抽灌范圍、抽水量和藥劑回灌量，1個月后重污染區(qū)域已減小至局部位置（B6～B7和E10～H10附近），多數(shù)重污染區(qū)域轉(zhuǎn)為中污染，如圖6所示。

圖6 1個月后PID測值等值線（單位：×10-4%）

5）周期四：此后的修復(fù)施工重點(diǎn)轉(zhuǎn)為在重污染區(qū)周圍進(jìn)行清水注入形成水力屏障，在其內(nèi)部進(jìn)行中心抽提，外圍表活注入；同時(shí)在中污染區(qū)域進(jìn)行慢速抽提回灌作業(yè)，增加藥劑停留時(shí)間；7 d后逐步降低注入的表活濃度，直至測試期結(jié)束，多數(shù)區(qū)域污染物程度有了明顯下降，見圖7。

圖7 測試期末PID測值等值線（單位：×10-4%）

3.2 污染物濃度與PID測值變化

現(xiàn)場PID測試為半定量測試，不具有選擇性，所測數(shù)據(jù)為地下水中揮發(fā)性有機(jī)物的總量［21］，包括地下水中的氯苯和TPH中的揮發(fā)性成分，工藝優(yōu)化調(diào)整前區(qū)域污染物未發(fā)生大的遷移變化，PID測試數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室檢測數(shù)據(jù)之間相關(guān)性較高，TPH和氯苯與PID測值之間的線性相關(guān)系數(shù)平方值均達(dá)到0.9以上，這與Devine C E等［22-23］利用其它快檢測試技術(shù)研究成果一致，而Griffin T W等［24-25］指出PID測值與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室檢測方法存在一定的相關(guān)性，但相關(guān)程度并沒有這么高，Hayes TD等［26］通過對比萘和苯等不同揮發(fā)性物質(zhì)的PID測值與檢測值之間的線性相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)后者具有更高的相關(guān)性（R2＞0.9），本研究相關(guān)性較高的原因可能與污染物為揮發(fā)性較高的氯苯和TPH（C6～C9）有關(guān)，也可能與取樣過程或測試方法等因素有關(guān)，有待后續(xù)做進(jìn)一步探究。

測試期優(yōu)化調(diào)整后地下水中污染物去除明顯，初始重點(diǎn)區(qū)域監(jiān)測井污染物去除率達(dá)到90%以上，其它點(diǎn)位去除率達(dá)到40%～70%，場地污染物濃度趨近一致；PID測試與氯苯濃度分布仍呈正相關(guān)關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)平方值約為0.83，與TPH濃度分布有所差異，可能受到數(shù)據(jù)量限制、TPH中揮發(fā)性成分含量不同，以及測試過程擾動等的影響，如表3。

表3 測試期優(yōu)化調(diào)整后地下水監(jiān)測井中污染物濃度及PID測值

3.3 工藝流程優(yōu)化

盡管本研究選取了揮發(fā)性有機(jī)物污染修復(fù)過程中一段時(shí)期進(jìn)行測試，但所用方法可以指導(dǎo)類似不同土壤和地下水污染類型場地全過程的修復(fù)施工；對于不同污染類型的場地均可以借助電化學(xué)和地球物理探測等更有針對性的快速檢測技術(shù)，按照如下工藝優(yōu)化流程（圖8）全過程地指導(dǎo)修復(fù)工程的實(shí)施，達(dá)到最優(yōu)的修復(fù)效果。

圖8 修復(fù)施工工藝優(yōu)化流程

此外，今后的工程實(shí)踐中可在場地調(diào)查和修復(fù)施工前期，借助多種快速檢測技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室檢測聯(lián)用的手段盡可能全面反映污染物濃度三維分布，進(jìn)一步探究場地條件（土層滲透性、含水率、溫度等）、快檢技術(shù)與污染物濃度之間的關(guān)系［27-28］，據(jù)此進(jìn)行更有針對性的污染單元劃分（如圖9）、施工參數(shù)的確定和資源配置等；修復(fù)施工過程借助管路、快檢傳感設(shè)備和閥門等自動化反饋控制技術(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)整修復(fù)工藝，提高修復(fù)工程的經(jīng)濟(jì)效益。

圖9 基于污染單元劃分的井點(diǎn)優(yōu)化示意

4 結(jié)論

1）地下水中的PID測試值與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室檢測方法有較高的相關(guān)性，PID測試技術(shù)可反映地下水中污染物的濃度分布情況。

2）通過基于快檢技術(shù)的修復(fù)工藝優(yōu)化調(diào)整方法，可以直觀地反映修復(fù)施工工藝效果，從而更有針對性地指導(dǎo)修復(fù)施工，優(yōu)化后續(xù)施工工藝和管理措施，優(yōu)化測試期內(nèi)一般污染區(qū)域污染物去除率可達(dá)到40%～70%，重點(diǎn)污染區(qū)域達(dá)到90%以上，修復(fù)區(qū)域內(nèi)污染物去除明顯。

3）在今后的工程實(shí)踐研究中，探究場地環(huán)境條件、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室檢測技術(shù)與現(xiàn)場快速檢測技術(shù)之間的關(guān)系，加強(qiáng)修復(fù)工程與物聯(lián)網(wǎng)等自動化、信息化技術(shù)之間的結(jié)合，提高污染場地修復(fù)的自動化、智能化和精細(xì)化管理水平。

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Optimization of VOCs Contaminated Site Remediation Process Based on Rapid Detection Technology

Chen Zhan1，2
（1.Shanghai Geotechnical Investigations&Design Institute Co.Ltd.，Shanghai200031；2.Shanghai Engineering Research Center of Geo-Environment，Shanghai200032）

Taking a VOCs contaminated site in Shanghai as a case，the remediation process will be adjusted dynamically based on the rapid water quality monitoring resultsofa group ofsingle pumping wellsand a number ofsingle rows，and the photoionization detector（PID）valueswere used to compare and verify the conventional laboratory valuesafter the remediation optimization.The resultsshowsthat the PID values and contaminants concentrations values have a high positive correlation，the removal rate of pollutants in the general groundwater contaminated areas was 40%～70%and this value reached over 90%in heavy contaminated areas during the test period.So，rapid detection technology can be used as the real-time detection tools in the repair process，which can optimize the remediation processand effectively guide similar remediation projects.

rapiddetectiontechnology；volatileorganiccompounds；contaminatedsites；remediation；processoptimization

X53

A

1005-8206（2017）04-0086-06

陳展（1989—），碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)槲廴緢龅卣{(diào)查評估與修復(fù)治理。

E-mail：13949076745@163.com。

上海市科學(xué)技術(shù)委員會資助項(xiàng)目（15DZ2251300；15DZ1205800）

2016-11-23