原位化學(xué)氧化技術(shù)在地下水修復(fù)工程中的應(yīng)用

鄭 偉 梅 浩 陳敬仁

（南通國盛環(huán)境修復(fù)有限責(zé)任公司 江蘇南通 226000）

引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國超過50%的城市地下水污染較嚴(yán)重，大多數(shù)的城市地下水水質(zhì)不斷惡化[1]。地下水污染問題帶來的環(huán)境影響日益顯著，加強(qiáng)對地下水修復(fù)技術(shù)與工程的研究及應(yīng)用尤為重要[2]。

目前，針對有機(jī)污染的地下水修復(fù)，主要有原位化學(xué)氧化技術(shù)、抽出處理、生物修復(fù)技術(shù)和可滲透性反應(yīng)墻技術(shù)等[3]。對于地下水有機(jī)污染物的治理，原位化學(xué)氧化技術(shù)因其環(huán)境影響小、反應(yīng)高效、性價比高而得到廣泛應(yīng)用[4,5]。本文從地下水原位修復(fù)氧化劑的輸送方法，相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)以及其他修復(fù)技術(shù)聯(lián)用三個方面詳細(xì)的探究地下水原位化學(xué)氧化修復(fù)技術(shù)的可行性，為我國污染場地中地下水修復(fù)提供應(yīng)用于工程依據(jù)。

1 氧化劑輸送方法的選用

氧化劑能被以液態(tài)、固態(tài)或氣態(tài)的形式輸送至地下，其中以液態(tài)形式（氧化劑的水溶液）輸送最為普遍，只有臭氧是以氣態(tài)的形式輸送。本文將主要研究輸送液態(tài)氧化劑的方法。常見的氧化劑輸送方法有：固定井、直接推送、點(diǎn)噴射、下滲、循環(huán)井、機(jī)械攪拌等。

Krembs在對美國181個原位化學(xué)氧化案例的氧化劑輸送方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，使用頻率最高的是固定注射井和直接推送兩種方法[6]。

1.1 固定井

運(yùn)用ISCO技術(shù)進(jìn)行地下水修復(fù)時，不管選用哪種氧化劑，通常需要多次進(jìn)行氧化劑的輸送。對氧化劑的多次輸送，一方面是因?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)的需要；另一方面是為了避免完成注射后，污染物濃度出現(xiàn)反彈。此外，當(dāng)以下情況出現(xiàn)時，采用固定井也具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢：①需要在每個注射點(diǎn)注射大量氧化劑液體的時候；②需要向大于30m的深度輸送氧化劑的時候；③需要向堅(jiān)硬地層注射氧化劑的時候。如果目標(biāo)污染區(qū)域位于已有建筑或設(shè)施底下，還可以將固定注射井設(shè)計(jì)成水平式[7]。固定井的一個明顯缺點(diǎn)，即井管一旦安裝就位，就很難根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況對注射點(diǎn)位再進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。就設(shè)計(jì)參數(shù)而言，首先要考慮影響半徑（radius of influence,ROI），它表示在注射點(diǎn)周圍氧化劑可以輸送到達(dá)的半徑，它的影響因素及計(jì)算方法將在3.1節(jié)中進(jìn)行介紹。

在實(shí)際應(yīng)用中，固定井的點(diǎn)位往往設(shè)置成網(wǎng)格狀，網(wǎng)格點(diǎn)的大小是由相鄰兩注射點(diǎn)的設(shè)計(jì)ROI決定，為了避免出現(xiàn)注射盲區(qū)，還需同時考慮一個重疊率（圖1）。井網(wǎng)一般垂直于地下水流方向布設(shè)。如果地下水的自然流速足夠大，而且選用的氧化劑具有較好的穩(wěn)定性，氧化劑會在設(shè)計(jì)ROI之外沿水流方向出現(xiàn)一段距離的“漂移”。充分利用這個“漂移”距離，就可以將相鄰兩網(wǎng)格點(diǎn)沿地下水流方向的距離設(shè)置得略大于垂直于地下水流方向的距離，以達(dá)到減少注射井的目的（圖2）。

圖1 固定井井網(wǎng)布設(shè)示意圖

圖2 受“漂移”影響的固定井井網(wǎng)布設(shè)示意圖

設(shè)計(jì)好的固定注射井需要充分考慮井對大體積液體輸送的適應(yīng)性以及是否可以為井和目標(biāo)污染區(qū)域提供一個良好的水力通道。為了達(dá)到以上兩個目的，固定注射井經(jīng)常采用連續(xù)槽篩管并且采用相對較粗的砂子來封井。連續(xù)槽篩管具有較大的開口面積，因此可以帶來較大的注射速率和較少的管堵。篩管的長度和直徑也是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。在注射過程中，為了可以有效控制氧化劑離開注射井的位置，篩管的長度不宜設(shè)置過長，一般在3.0～4.5m之間，但如果含水介質(zhì)的均勻性較好，該長度可適當(dāng)增加。過長的篩管帶來的后果就是氧化劑可能會沿著阻力最小，也就是滲透性最好的區(qū)段射出，而這個區(qū)段并不一定是污染物最多的區(qū)域。篩管的直徑將會對注射速率帶來影響，一般來說，直徑在100～150mm之間最為合理。

從輸送的動力源來看，固定注射井主要有重力注入和加壓注射兩種。如果注射段（篩管）的深度較大而且可以持續(xù)提供一個穩(wěn)定的壓力水頭，重力注入是比較合適的；如果想要獲得較大的水平輸送范圍，就需采用加壓注射。但是施加的壓力也不宜過大，過大的壓力會造成井壁及外部介質(zhì)的破裂（除非破裂是注射的目的）。加壓注射井需要采用耐高壓的特殊材料制作的管材（耐高壓PVC、不銹鋼等）。

1.2 直接推送

直接推送就是先將帶小孔或小槽的空心桿鉆入至目標(biāo)修復(fù)區(qū)域，然后通過提供一個合適的壓力將氧化劑溶液通過桿前端的孔或槽注入地下?？招臈U前端具有孔或槽的長度一般在0.3～1.5m。在一次注射完成后，可以根據(jù)需要調(diào)整空心桿的深度，再用同樣的方法進(jìn)行第二次注射。這一過程可以反復(fù)進(jìn)行，直到將氧化劑溶液輸送至覆蓋整個目標(biāo)污染區(qū)域所處的深度范圍。

相比安裝固定注射井而言，直推注射在注射點(diǎn)位的選擇上具有更大的靈活性。在現(xiàn)場注射氧化劑的時候，一旦發(fā)現(xiàn)污染熱點(diǎn)的位置隨著注射的進(jìn)行有了偏移后，可以根據(jù)實(shí)際情況立即對注射點(diǎn)位進(jìn)行調(diào)整。而且當(dāng)污染物分布在不同的深度段，或者其所在的位置不適合安裝注射井，或者一次注射即可滿足污染物去除要求，亦或者節(jié)約工程投資是首要考慮因素的時候，直接推送都是優(yōu)先考慮應(yīng)用的氧化劑輸送方法。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上的差異，直接推送的注射速率和注射體積都較固定注射井偏低，因此ROI也偏小。

和固定井一樣，直接推送的注射點(diǎn)一般也設(shè)置成網(wǎng)格狀，而且在注射過程中，為了防止污染范圍的擴(kuò)大，應(yīng)該選擇從下游往上游，從四周往中間的順序進(jìn)行注射。如果同時對一個以上的點(diǎn)位進(jìn)行注射，為了避免相鄰點(diǎn)位引起的水力擾動相互沖抵而影響了影響半徑的大小，注射時應(yīng)考慮隔點(diǎn)注射。

在需要向目標(biāo)污染區(qū)域多次注射氧化劑的時候，直接推送的成本優(yōu)勢就可能沒有了。而且當(dāng)注射深度超過30m，并且當(dāng)有巖石等堅(jiān)硬層出現(xiàn)的時候，直接推送氧化劑就可能變得不可行了。這時需要考慮采用其他輸送方法。

在實(shí)際應(yīng)用中，固定注射井也常常布置成網(wǎng)格狀，其布置原則與直接推送類似。

1.3 循環(huán)井系統(tǒng)

循環(huán)井系統(tǒng)是一套通過抽提井將地下水抽出并利用氧化劑修復(fù)后，再通過注射井重新注入地下的連續(xù)處理系統(tǒng)。如果是沿著地下水流方向設(shè)置，抽提井一般設(shè)在下游，注射井設(shè)在上游，這樣可以充分利用自然流場對氧化劑分布的促進(jìn)作用；循環(huán)井系統(tǒng)也可以垂直于地下水流方向設(shè)置。根據(jù)地下水污染程度及氧化劑注射要求，可以設(shè)置一套地面處理系統(tǒng)，但是在加強(qiáng)修復(fù)效果的同時，該系統(tǒng)也會相應(yīng)增加工程實(shí)施的復(fù)雜性（管道、設(shè)備等的增加、需要維護(hù)）及成本。

在一些特殊的情況下，利用循環(huán)井注射氧化劑具有明顯的優(yōu)勢：①需要將氧化劑輸送至低滲透性含水層；②需要通過連續(xù)補(bǔ)充氧化劑的量來增加其與目標(biāo)修復(fù)區(qū)域的接觸范圍（向低滲透性區(qū)域擴(kuò)散）與停留時間；③目標(biāo)污染區(qū)域較大，但是將注射井點(diǎn)布置成網(wǎng)格狀又不可行（現(xiàn)場條件不允許或者受投資所限）；④需要通過水力控制的措施防止氧化劑或者污染物擴(kuò)散至目標(biāo)修復(fù)區(qū)域以外的區(qū)域。

因?yàn)槭艿綇?fù)雜程度和成本的限制，循環(huán)井到目前為止并不是一項(xiàng)應(yīng)用很廣泛的氧化劑輸送方法，但是隨著研究的深入和可以解決上述問題的方法的出現(xiàn)，循環(huán)井系統(tǒng)還是一項(xiàng)很有前景的氧化劑輸送方法。

2 氧化劑輸送相關(guān)參數(shù)

根據(jù)氧化劑特性和現(xiàn)場條件選定了輸送方法后，接下來還需要對相關(guān)的輸送參數(shù)進(jìn)行精心設(shè)置才能達(dá)到預(yù)定的修復(fù)目標(biāo)。

2.1 影響半徑

影響ROI大小的因素除了環(huán)境介質(zhì)本身的巖性外，還有氧化劑的特性、輸送方法及注射壓力。ROI隨巖性的不同變化很大，可以從致密黏土層的0.75m變化到透水性砂土層的7.5m。氧化劑在地下水中的反應(yīng)速率也會對其傳輸距離產(chǎn)生很大影響。反應(yīng)快速的氧化劑（如CHP）將會很快在傳輸過程中消耗殆盡，因此此類氧化劑的ROI往往設(shè)計(jì)的比較保守。

設(shè)計(jì)ROI（r）的大小可以通過單井注射影響范圍A（圖1）確定，而A又可以通過注射氧化劑體積V（3.3節(jié)）、孔隙率θ和目標(biāo)修復(fù)區(qū)域的厚度t進(jìn)行計(jì)算：

由式（1）可推導(dǎo)出設(shè)計(jì)ROI的計(jì)算公式為：

2.2 注射壓力

加壓注射方式中的注射壓力是設(shè)計(jì)氧化劑輸送方法的重要參數(shù)之一，該數(shù)值不宜設(shè)計(jì)過大，過大的壓力會帶來井管的破裂（氧化劑在非目標(biāo)修復(fù)區(qū)域泄漏）和環(huán)境介質(zhì)的水力破裂，這種現(xiàn)象是應(yīng)該避免的；該數(shù)值也不宜過小，因?yàn)樵谶^小的壓力下，氧化劑的輸送距離有限，造成注射點(diǎn)位的增多，成本也會相應(yīng)增加。合適的注射壓力應(yīng)該是在充分利用筑井材料和周圍環(huán)境介質(zhì)的抗壓特性的基礎(chǔ)上，采用盡可能大的壓力（獲得較大的影響半徑）。該壓力通常通過中試試驗(yàn)確定。如果選用重力注入方式，則輸送壓力一般較小，但如果地質(zhì)和水文地質(zhì)條件有利的話，仍可以獲得較大的ROI，只是這種條件下注射速率一般較低，注射周期也會相應(yīng)較長。

利用高壓注射氧化劑的過程中，需要對注射壓力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并在條件允許的情況下安置自動關(guān)閉系統(tǒng)以防止過高壓力的出現(xiàn)。

2.3 注射濃度與體積

氧化劑的注射濃度與體積通常根據(jù)以下三個因素確定：①分解地下水中所有污染物（包括吸附態(tài)、溶解態(tài)和非水相態(tài)）以及與NOD反應(yīng)所消耗的氧化劑總量；②氧化劑與上述物質(zhì)的反應(yīng)速率；③輸送氧化劑的影響半徑。

氧化劑的注射體積通常用孔隙體積（pore volume，PV）來表示。PV是指地下水修復(fù)過程中注入目標(biāo)修復(fù)區(qū)域的孔隙空間中的氧化劑體積，它是一個無量綱參數(shù)，可以用以下方程式進(jìn)行計(jì)算：

利用式（3）計(jì)算注射體積時需要確定污染物沒有因?yàn)樽⑸涞臄_動而遷移出事先確定的目標(biāo)污染區(qū)域。一般來說，注射至地下水中的氧化劑會將孔隙體積中原有的液體等體積置換出來。至于到底需要注射多少個單位PV的氧化劑溶液才能達(dá)到預(yù)期的修復(fù)目的并沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)檫@取決于修復(fù)周期、輸送方法、注射頻率、氧化劑的彌散與擴(kuò)散以及其他場地特有的參數(shù)。

氧化劑的注射濃度是和氧化劑的特性，含水層中的可氧化態(tài)物質(zhì)以及注射體積緊密相關(guān)的。修復(fù)所需的氧化劑的總質(zhì)量一方面是通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)確定，另一方面是通過對場地污染特征的準(zhǔn)確把握而確定的。這個質(zhì)量溶解到修復(fù)所需的注射體積中來就可以得到氧化劑的注射濃度。

3 ISCO與其他修復(fù)技術(shù)的聯(lián)用

由于ISCO本身的缺陷以及污染場地的復(fù)雜性，該技術(shù)常常需要與其他修復(fù)技術(shù)聯(lián)合使用，才能對污染的地下水實(shí)施效果更好、效率更高的修復(fù)。通過對美國135個運(yùn)用ISCO技術(shù)進(jìn)行地下水修復(fù)的場地進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，其中有76%的場地采用了聯(lián)合修復(fù)方案。這種聯(lián)合修復(fù)可以是同時進(jìn)行的，也可以是時間和空間上分開進(jìn)行的。時間上分開進(jìn)行主要是指在ISCO技術(shù)修復(fù)前對目標(biāo)修復(fù)區(qū)域?qū)嵤┑摹邦A(yù)修復(fù)技術(shù)”和ISCO技術(shù)修復(fù)后對目標(biāo)修復(fù)區(qū)域?qū)嵤┑摹把a(bǔ)充修復(fù)技術(shù)”?？臻g上分開進(jìn)行主要是指聯(lián)合修復(fù)技術(shù)分別應(yīng)用于不同的污染區(qū)段，比如說利用ISCO技術(shù)來修復(fù)污染源區(qū)域，而在下游采用Fe0充填的PRB對污染羽實(shí)施原位化學(xué)還原修復(fù)。

結(jié)語

ISCO技術(shù)是一項(xiàng)成本效益高的修復(fù)技術(shù)已經(jīng)得到了認(rèn)可，這使其得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但是針對我國具有大量復(fù)雜污染場地的現(xiàn)狀，如何將其成本效益優(yōu)勢發(fā)揮至最大，還需要對其進(jìn)行更多的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究。