氣相抽提與氧化壓裂技術(shù)結(jié)合在有機污染土壤修復(fù)工程中的應(yīng)用

張明　趙怡陽　徐辰

摘要：本研究以退役農(nóng)藥污染場地修復(fù)實際工程為例，將原位氣相抽提和高級氧化修復(fù)技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，并輔以水力壓裂技術(shù)改善土壤滲透能力。設(shè)計制造了成套可移動、模塊化修復(fù)系統(tǒng)和裝備，通過小試、中試獲得切實可行的系統(tǒng)化運行參數(shù)，為國內(nèi)原位修復(fù)揮發(fā)性有機污染場地提供了可執(zhí)行的技術(shù)指導(dǎo)和裝備經(jīng)驗借鑒。

關(guān)鍵詞：原位修復(fù);氣相抽提;高級氧化;水力壓裂;揮發(fā)性有機污染物

中圖分類號：X705 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）06-00-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.06.052

Application of gas phase extraction and oxidative fracturing technology in organic contaminated soil remediation engineering

Zhang Ming，Zhao Yiyang，Xu Chen

（Zhejiang Bestwa Environmental Technology Co.，Ltd.，Hangzhou Zhejiang 310015，China）

Abstract：In this study，the actual project of remediation of decommissioned pesticide-contaminated sites is taken as an example.In situ gas phase extraction and advanced oxidative remediation technology are used in combination with hydraulic fracturing technology to improve soil permeability.Designed and manufactured a complete set of movable and modular repair systems and equipment，and obtained practical and systematic operating parameters through small and pilot tests，providing executable technical guidance and equipment experience for domestic in-situ repair of volatile organic pollution sites .

Key words：In situ repair;Gas phase extraction;Advanced oxidation;Hydraulic fracturing;Volatile organic pollutants

土壤氣相抽提技術(shù)（Soil Vapor Extraction， SVE）是始于1980年代的土壤原位修復(fù)技術(shù)，其原理是利用真空泵抽提降低污染區(qū)域土壤孔隙內(nèi)有機污染物的蒸汽壓，使之揮發(fā)、解吸轉(zhuǎn)化為氣態(tài)形式，并隨同通入的新鮮空氣一同抽出，以去除污染物。文獻報道中提及的SVE修復(fù)效果的影響因素主要包括土壤滲透性、含水率和地下水深度、土壤結(jié)構(gòu)及分層、氣相抽提流量與Darcy流速、有機物蒸汽壓與土壤溫度等[1]。一般認(rèn)為SVE主要適用于揮發(fā)性較強的有機污染修復(fù)，且要求土壤質(zhì)地均一、滲透性好、孔隙率大、含水率小、地下水位較低[2]。但在工程實際應(yīng)用中經(jīng)常會遇到土壤種類和結(jié)構(gòu)、污染物揮發(fā)性方面的制約因素，如在修復(fù)一些低滲透性的黏土污染區(qū)域時，土壤的致密結(jié)構(gòu)往往會造成SVE抽提效果不佳，時間和運行成本大幅提高。水力和高壓氣體壓裂（Pneumatic and Hydraulic Fracturing， PHF）技術(shù)可以通過高壓水或氣的注射，在原本固結(jié)的土壤中開辟新的氣體通路，增加土壤的透氣性，從而提高污染物與載體氣體的接觸幾率，提高抽提效率，同時為氧化藥劑的滲透接觸打開通道。

我國開展SVE原位修復(fù)工程實踐較少，本研究應(yīng)用水力壓裂與氧化技術(shù)強化SVE修復(fù)農(nóng)藥污染場地，形成較為成熟的成套設(shè)備并積累了有效的設(shè)備運行參數(shù)，對國內(nèi)類似場地的修復(fù)具有積極地指導(dǎo)意義。

1 工程場地概況

修復(fù)工程場地為20世紀(jì)90年代停產(chǎn)的退役化工廠，主要生產(chǎn)順丁烯二酸酐（順酐）和鄰苯二甲酸酐（苯酐），污染物主要為生產(chǎn)過程中的原輔料包括苯系物，污染土壤量30 000 m3。場地內(nèi)殘留大量農(nóng)藥氣味，如異位開挖會嚴(yán)重影響周邊居民生活，因此確定采用氣相抽提結(jié)合水力砂裂和化學(xué)氧化進行原位修復(fù)。

2 修復(fù)工藝流程與各系統(tǒng)設(shè)計

本項目所設(shè)計裝備根據(jù)場地實際情況為原位氧化和氣提修復(fù)技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，工藝流程見圖1。經(jīng)小試試驗確定的適量氧化藥劑經(jīng)氣提系統(tǒng)注射井注入污染土壤，在抽提井負(fù)壓作用下向抽氣方向擴散，并沿途與土壤中的污染有機物發(fā)生高級氧化反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)物、剩余氧化劑和揮發(fā)性有機氣體等氣液混合物經(jīng)抽提進入氣液分離裝置，分離出的氣體和液體分別送往相應(yīng)的處理設(shè)備處理后或達標(biāo)排放或回用。為提高土壤滲透性，從而增加藥劑擴散面積和抽提影響半徑，本裝備還加裝了一套水力壓裂系統(tǒng)，利用高壓在粘性土壤中生成網(wǎng)狀裂隙帶，顯著提高氧化和氣提修復(fù)效果。

2.1 注入井、抽提井布設(shè)

注入井、抽提井及附屬設(shè)備管道均為外部露天設(shè)備，管口分別配置了閥門、壓力計和真空表，并與氧化藥劑注藥系統(tǒng)及抽提系統(tǒng)抽氣管相連。其中：

井套管：使用直徑60 mm PVC管道，井管下部為長1.5m狹縫井屏，狹縫寬度為1～2 mm，間距1.5 cm，井底和井口分別設(shè)置10cm管帽。井端超出地面0.2～0.5 m;

濾料和填料：濾料采用0.1～0.2 mm石英砂，填至井屏上部20 cm，其上方填入60 cm膨潤土起密封隔離作用。

密封：膨潤土上方用水泥灰漿密封至與地面齊平。

2.2 氧化藥劑調(diào)制、注入系統(tǒng)及水力壓裂系統(tǒng)

化學(xué)氧化和水力壓裂系統(tǒng)集成于一個40GP標(biāo)準(zhǔn)集裝箱中，其中化學(xué)氧化系統(tǒng)含兩個3 m3溶藥罐及附屬攪拌裝置、液位計及螺桿泵，藥劑在罐中經(jīng)攪拌溶解后由螺桿泵送入注藥總管，總管上間隔30 cm裝配有40個配備流量計的注射分管，再由注射分管分別連接至外部注入井地上管口，完成注藥。本注藥系統(tǒng)可通過電磁閥、壓力傳感器和電磁流量計實現(xiàn)輸送藥劑的流量控制。水力壓裂由注射料液（交聯(lián)支撐劑）配制和高壓注入（DN50，1.6 MPa螺桿泵）裝置組成。

2.3 氣相抽提和廢氣處理系統(tǒng)

氣提系統(tǒng)由抽提井、抽提支管、多功能吸收塔、氣液分離裝置和活性炭吸附裝置構(gòu)成。抽提井所抽提廢氣廢液混合物經(jīng)支管匯集至真空泵進入多功能吸收塔，塔內(nèi)噴淋霧化氧化劑吸收廢氣中的可溶部分并氧化去除大部分非可溶有機廢氣。吸收處理后的混合廢氣在氣液分離裝置中將水霧和氣體進行分離，以防水霧進入下一單元。經(jīng)氣液分離后氣體由引風(fēng)機吸至活性炭吸附器去除剩余非溶性有機廢氣，最終經(jīng)排氣筒達標(biāo)排放。系統(tǒng)整體可達到水吸收率95%以上，氧化效率90%，活性炭吸附效率95%以上，阻力小于1 500 Pa，脫水率90%。

3 各系統(tǒng)修復(fù)運行處理主要參數(shù)

3.1 水力壓裂系統(tǒng)

系統(tǒng)以Geoprobe鉆機將空心鉆桿和鉆頭壓入設(shè)計深度，高壓注水進行壓裂，達水力突破后，注入交聯(lián)支撐劑，維持裂隙網(wǎng)絡(luò)。水力壓裂每隔3 m土層進行，壓力為實驗測得。以6 m深度壓裂為例，試驗壓力在0.4～2.06 MPa之間，突破壓力為2.06 MPa。交聯(lián)支撐劑由瓜爾膠、緩沖劑（K2CO3或NaOH）、交聯(lián)劑（硼砂）、破膠劑（生物酶）和砂按實驗比例配制。

3.2 氧化藥劑用量與注入

原位化學(xué)氧化藥劑采用2.5% KMnO4水溶液通過注入井（與通風(fēng)井合用）注入，注射速率為3.5～7.6 L/min，注射壓力150～200 KPa。工程場地經(jīng)水力壓裂處理后的氧化劑擴散半徑最遠可達8 m，有效作用半徑為0.75～5.5 m，基本達到設(shè)計注入井?dāng)U散半徑要求。氧化藥劑用量為80 000 m3。

3.3 抽提系統(tǒng)操作運行

修復(fù)施工過程中注入井和抽提井的布設(shè)需要根據(jù)土壤滲透率和通風(fēng)實驗所獲得的影響半徑來確定，本項目中經(jīng)試驗測定的抽提井影響半徑為6 m，以每個污染點位輻射半徑為10 m計算，需抽提井5個，通風(fēng)井4個。抽提系統(tǒng)中作為動力單元的真空泵經(jīng)實測，以單井抽氣量約為27.5 m3/h計算，每個污染點位抽氣量為110 m3/h。場區(qū)內(nèi)污染點位共28個，相應(yīng)設(shè)置抽提井128口，通風(fēng)井106口?？紤]現(xiàn)場情況余風(fēng)量和漏風(fēng)量估算，總抽氣量設(shè)計為3 850 m3/h，故設(shè)置3臺真空泵抽氣，每臺風(fēng)量約為1 280 m3/h。

4 結(jié)論與建議

隨著土壤修復(fù)技術(shù)的進步和國內(nèi)修復(fù)市場的成熟，修復(fù)工程將逐漸由異位快速處理轉(zhuǎn)向原位長效處理。原位技術(shù)的應(yīng)用將在修復(fù)范圍控制、修復(fù)設(shè)備技術(shù)復(fù)雜度、修復(fù)效果監(jiān)控和評估等方面提出更高的要求，因此從事土壤修復(fù)的企業(yè)應(yīng)在通過大量中試和示范工程獲取大量土壤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立標(biāo)準(zhǔn)模型，結(jié)合大型土建工程經(jīng)驗措施，發(fā)展處理能力較大的原位修復(fù)裝備，以適應(yīng)即將到來的大型原位修復(fù)項目市場需求。

參考文獻

[1]楊樂巍.土壤氣相抽提（SVE）現(xiàn)場試驗研究[D].天津：天津大學(xué)，2006.

[2]羅成成，張煥禎，畢璐莎，等.氣相抽提技術(shù)修復(fù)石油類污染土壤的研究進展[J].環(huán)境工程，2015，33（10）：158-162.

[3]周龍濤，王群立，賈悅，等.石油污染土壤微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)研究進展[J].油氣田環(huán)境保護，2019，29（06）：5-10+64.

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收稿日期：2020-05-02

作者簡介：張明（1972-），男，漢族，碩士，中級職稱，研究方向為環(huán)境科學(xué)與工程。