多相抽提修復(fù)過(guò)程監(jiān)控技術(shù)研究及應(yīng)用

張祥

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

隨著我國(guó)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，一大批污染較重的工業(yè)企業(yè)關(guān)閉或搬遷，遺留了大量污染場(chǎng)地。揮發(fā)與半揮發(fā)性有機(jī)污染物是化工行業(yè)污染場(chǎng)地中常見(jiàn)污染物類(lèi)型，對(duì)場(chǎng)地內(nèi)及周邊人群健康帶來(lái)嚴(yán)重影響。多相抽提(Multi-phase extraction，MPE)技術(shù)適用于退役化工企業(yè)污染場(chǎng)地修復(fù)，已廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐，但目前MPE系統(tǒng)的建立和工程化應(yīng)用主要關(guān)注經(jīng)抽提修復(fù)后的污染物去除效果[1]，對(duì)于影響工程實(shí)施效果的過(guò)程監(jiān)控研究還很缺乏。原位修復(fù)實(shí)施過(guò)程中若未達(dá)到既定修復(fù)目標(biāo)則需要返工再次實(shí)施修復(fù)措施，因此過(guò)程監(jiān)控對(duì)于最終修復(fù)效果和工程成本控制具有至關(guān)重要的作用。本文分析了MPE修復(fù)的實(shí)施特點(diǎn)，對(duì)過(guò)程監(jiān)控因素與監(jiān)控方法進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)和分析，并以某化工污染場(chǎng)地為例，開(kāi)展MPE修復(fù)過(guò)程過(guò)程監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用，以期為MPE修復(fù)工程的過(guò)程監(jiān)控提供參考。

1 多相抽提修復(fù)技術(shù)特點(diǎn)

MPE技術(shù)是一種通過(guò)抽提井內(nèi)真空抽提/潛水泵提升等手段同時(shí)抽取滲流帶、毛細(xì)帶、飽和帶土壤和地下水的氣態(tài)、水溶態(tài)和非水溶性液態(tài)污染物到地面處理系統(tǒng)的原位快速修復(fù)技術(shù)[2]。MPE技術(shù)一般應(yīng)用于中至低滲透性地層中，適用于處理易揮發(fā)、易流動(dòng)的非水相液體(non-aqueous phase liquids，NAPL)污染(如石油類(lèi)、有機(jī)溶劑等)，對(duì)地面環(huán)境擾動(dòng)小，修復(fù)效率高，修復(fù)工期短[3]。MPE修復(fù)系統(tǒng)由多相抽提單元、多相分離單元、污染處理單元和電氣控制單元等部分組成。抽提單元是系統(tǒng)核心組成，包括根據(jù)修復(fù)需求布設(shè)的抽提井群、抽提動(dòng)力設(shè)備和抽提管路等。根據(jù)抽提系統(tǒng)劃分，MPE有單泵抽提、雙泵抽提以及生物抽除等形式[4-5]。分離單元包括氣液相分離器、油水相分離器等，相分離器通常采用重力式氣液分離器及聚結(jié)板或管式油水分離器。污染處理單元包括廢氣處理裝置、廢水處理裝置和自由相收集處理裝置等，根據(jù)污染物特性選用相應(yīng)的廢水及廢氣處理工藝，如催化氧化法、空氣吹脫法、活性炭吸附法等處理；而分離得到的非水相液體一般作危險(xiǎn)廢物處理。電氣控制單元連接以上全部單元可控裝置，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)控制。

MPE修復(fù)方式包括：(1)從抽提井直接提取液體，通過(guò)真空強(qiáng)化提高抽出能力和影響半徑，調(diào)動(dòng)被毛細(xì)管力束縛而無(wú)法進(jìn)入抽提井中的NAPL，還可以進(jìn)行污染羽流的水力控制，防止地下水污染的遷移[6-7]；(2)真空負(fù)壓強(qiáng)化低滲透區(qū)域的土壤氣相抽提效果，促進(jìn)包氣帶、毛細(xì)帶和飽和土壤吸附污染物的揮發(fā)；(3)通過(guò)強(qiáng)化地下氧氣流通，強(qiáng)化非飽和土壤中的好氧微生物對(duì)污染物的生物降解[8]，MPE對(duì)微生物群落的影響在修復(fù)中可發(fā)揮重要作用[9-10]。MPE的有效性在很大程度上取決于同時(shí)開(kāi)展這些協(xié)同作用的能力[11]，需根據(jù)目標(biāo)需求針對(duì)性控制影響以上修復(fù)過(guò)程的關(guān)鍵過(guò)程因素，從而實(shí)現(xiàn)修復(fù)效率的提高。

2 多相抽提修復(fù)過(guò)程監(jiān)控技術(shù)

在MPE修復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)監(jiān)測(cè)地面工藝運(yùn)行參數(shù)以及地下場(chǎng)地特征數(shù)據(jù)變化，可對(duì)地下污染遷移和地上污染處理進(jìn)行控制，調(diào)整參數(shù)以達(dá)到修復(fù)系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)[2]。

2.1 多相抽提修復(fù)過(guò)程監(jiān)控因素

(1)工藝運(yùn)行參數(shù)

工藝運(yùn)行參數(shù)可根據(jù)多相抽提系統(tǒng)組成劃分為抽提過(guò)程監(jiān)控因素、分離過(guò)程監(jiān)控因素和污染處理過(guò)程監(jiān)控因素。工藝運(yùn)行參數(shù)與MPE系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有關(guān)，不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可監(jiān)控因素不同，在修復(fù)實(shí)施的不同階段監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和監(jiān)測(cè)頻率也有所區(qū)別。

抽提過(guò)程監(jiān)控因子主要有井中真空度、地下水位和浮油層厚度、抽提流量等。抽提井、包氣帶和真空泵的真空度直接反映抽提動(dòng)力，可確定抽提井影響半徑，需要在運(yùn)行過(guò)程中控制在一定范圍內(nèi)。一般單泵抽提井頭真空度控制在20～60 kPa，系統(tǒng)真空度根據(jù)管路布設(shè)情況設(shè)置[12]。多井系統(tǒng)的井內(nèi)真空度監(jiān)測(cè)有利于平衡和調(diào)整各抽提井抽提流量。提高真空度可改善MPE系統(tǒng)性能，但也可能會(huì)造成地下水、土壤氣體流通路徑堵塞并影響后續(xù)進(jìn)程[13-14]。地下水位和浮油層厚度變化用于抽提流量控制及運(yùn)行中止的決策，可根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果調(diào)節(jié)抽提井內(nèi)結(jié)構(gòu)、設(shè)備參數(shù)及運(yùn)行模式。氣相/液相抽提流量間接反映著抽提效果，確定污染物去除過(guò)程。針對(duì)NAPL污染場(chǎng)地抽出NAPL/地下水比例應(yīng)>0.1%，抽出NAPL回收率或井中浮油厚度達(dá)到較低閾值可判斷停止MPE系統(tǒng)運(yùn)行。真空泵溫度可用于判斷動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，排除動(dòng)力故障。

分離過(guò)程監(jiān)控因子主要有分離系統(tǒng)進(jìn)出口流量、氣相/液相污染濃度、自由相收集量、分離器中液位、分離廢氣溫度/濕度等。分離系統(tǒng)進(jìn)出口流量用于計(jì)算分離過(guò)程流量平衡。氣相/液相污染濃度和自由相收集量用于驗(yàn)證多相分離效果，計(jì)算分離過(guò)程質(zhì)量平衡。氣-液/液-液分離器中設(shè)置液位傳感器和控制器，根據(jù)液位判斷并控制分離系統(tǒng)運(yùn)行啟停。分離廢氣溫度/濕度影響后續(xù)廢氣處理單元處理效果，需進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。

污染處理過(guò)程監(jiān)控因子主要有氣液相污染物排放濃度、處理后廢氣廢水排放流量。氣液相污染物排放濃度的監(jiān)測(cè)驗(yàn)證二次污染防治效果。處理后廢氣廢水的排放流量可分析污染物質(zhì)量平衡，計(jì)算污染處理效率。根據(jù)各單元污染濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果和排放量可進(jìn)行氣態(tài)、液態(tài)、NAPL態(tài)污染物去除量計(jì)算，作為評(píng)估和調(diào)整MPE運(yùn)行參數(shù)的依據(jù)。

啟動(dòng)階段過(guò)程監(jiān)控對(duì)設(shè)備和管道進(jìn)行檢查與調(diào)試，通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)效果檢驗(yàn)及穩(wěn)態(tài)過(guò)程判斷，確定真空泵運(yùn)行狀態(tài)及引流管深度設(shè)置，實(shí)現(xiàn)抽提效率最大化，監(jiān)測(cè)調(diào)整頻率高，每天1～3次。運(yùn)行階段過(guò)程監(jiān)控用于維持系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，判斷系統(tǒng)關(guān)閉終點(diǎn)，排除故障，除以上各單元監(jiān)測(cè)因素外，還需要監(jiān)測(cè)電氣控制系統(tǒng)，統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間和能耗水耗，控制經(jīng)濟(jì)與資源成本。穩(wěn)定運(yùn)行期間監(jiān)測(cè)頻率可降低。

(2)場(chǎng)地特征數(shù)據(jù)

場(chǎng)地特征數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)可用于更新場(chǎng)地概念模型，評(píng)價(jià)場(chǎng)地條件對(duì)修復(fù)系統(tǒng)性能的影響[15]。MPE應(yīng)用過(guò)程中進(jìn)行監(jiān)測(cè)的場(chǎng)地特征數(shù)據(jù)主要包括水文地質(zhì)參數(shù)和污染物分布狀況參數(shù)等。水文地質(zhì)參數(shù)影間接反映場(chǎng)地環(huán)境對(duì)MPE運(yùn)行過(guò)程的響應(yīng)或直接影響修復(fù)效果，而污染物分布狀況參數(shù)直接表征MPE修復(fù)效果。

場(chǎng)地水文地質(zhì)參數(shù)主要有土壤滲透性、土壤含水率、地下水水位、NAPL層厚度、生物群落分布、二氧化碳/氧氣變化等。土層固有滲透率分布和均質(zhì)/非均質(zhì)性變化影響抽提井運(yùn)行策略和抽提區(qū)域調(diào)整。土壤含水率和地下水水位變化可判斷抽提脫水和氣相抽提效果，MPE過(guò)程中土壤含水量升高會(huì)阻礙NAPL流動(dòng)[16]。地下水位的波動(dòng)影響著抽提滴管和真空泵的效率，控制地下水位的降深能有效防止修復(fù)過(guò)程中地下水污染深度隨NAPL層的下降而出現(xiàn)增加，節(jié)約廢水處理費(fèi)用[17]。微生物群落、二氧化碳、氧氣變化等反映微生物條件的參數(shù)監(jiān)測(cè)可用于預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)污染物變化趨勢(shì)。

修復(fù)過(guò)程場(chǎng)地污染狀況變化直接反映MPE修復(fù)的效果，場(chǎng)地污染物分布和遷移轉(zhuǎn)化直接決定MPE修復(fù)過(guò)程的運(yùn)行參數(shù)控制，作為MPE修復(fù)效果過(guò)程評(píng)價(jià)的依據(jù)。污染物分布狀況參數(shù)主要有土壤氣污染濃度、地下水污染物濃度(NAPL組成)、土壤污染分布等，監(jiān)測(cè)結(jié)果確定污染物遷移傳質(zhì)、場(chǎng)地修復(fù)效果。

2.2 多相抽提修復(fù)過(guò)程監(jiān)控方法

以上MPE修復(fù)過(guò)程監(jiān)控因素的監(jiān)控方法可分為直接監(jiān)控方法與間接監(jiān)控方法，見(jiàn)表1。

表1 多相抽提過(guò)程監(jiān)控因素和相關(guān)監(jiān)測(cè)方法

(1)直接監(jiān)控方法

直接監(jiān)控方法在現(xiàn)場(chǎng)直接獲取監(jiān)測(cè)結(jié)果，可直觀表示抽提系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，但一般只能間接反映抽提修復(fù)效果。流量監(jiān)控設(shè)備有轉(zhuǎn)子流量計(jì)、差壓流量計(jì)等，真空度監(jiān)控使用真空儀表，使用數(shù)字化傳感器可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)記錄傳輸。抽提井結(jié)構(gòu)設(shè)置進(jìn)氣口及進(jìn)氣閥門(mén)，可控制施加于抽提井中的真空度及單井抽提流量。地下水位變化監(jiān)控使用水位計(jì)，可實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)檢測(cè)。土壤含水率變化監(jiān)控可使用濕度傳感器?，F(xiàn)場(chǎng)抽提廢氣揮發(fā)性有機(jī)物濃度監(jiān)控可使用快速檢測(cè)儀器，如光離子化檢測(cè)器、現(xiàn)場(chǎng)小型化氣質(zhì)聯(lián)用儀。單井抽提管路設(shè)置透明視窗，判斷單井抽提流體流態(tài)。地球物理調(diào)查技術(shù)可實(shí)現(xiàn)地下NAPL分布變化直接監(jiān)測(cè)[18]。監(jiān)測(cè)井中地下水可使用現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)儀監(jiān)測(cè)常規(guī)水質(zhì)參數(shù)。

(2)間接監(jiān)控方法

間接監(jiān)控方法主要通過(guò)采樣分析獲取監(jiān)測(cè)結(jié)果，這些結(jié)果可以直接反映MPE運(yùn)行效果。土壤氣、土壤和地下水中有機(jī)污染物濃度通過(guò)氣體采樣器、土壤采樣器和水質(zhì)采樣器等采集，使用氣質(zhì)聯(lián)用儀、紅外測(cè)油儀等定量分析檢測(cè)，采樣過(guò)程需滿足國(guó)家《GB/T 36198》、《HJ 1019》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。污染處理單元排放廢氣廢水除監(jiān)測(cè)場(chǎng)地特征污染物外還需滿足《GB/T 31962》、《GB 16297》等相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)要求?；厥誑APL態(tài)污染物作為危廢處理需按《HJ/T 298》進(jìn)行危廢鑒別，按危廢處置要求處置。

3 化工污染場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)場(chǎng)地位于上海，地塊占地面積約5 000 m3，試驗(yàn)階段為空地。場(chǎng)地歷史上為生產(chǎn)有機(jī)化學(xué)原料的化工企業(yè)，生產(chǎn)過(guò)程原料主要包括甲醇、石腦油、丙酮、甲苯、二甲苯、溶劑油等。根據(jù)場(chǎng)地調(diào)查階段鉆孔資料，場(chǎng)地地面下10 m以?xún)?nèi)的地層基本由4～5層構(gòu)成，包括填土層、粉質(zhì)粘土層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層、粘土層。場(chǎng)地土壤特征參數(shù)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。場(chǎng)地淺層地下水埋深在1.23～1.50 m范圍內(nèi)，場(chǎng)地淺層地下水流向呈現(xiàn)由西北向東南方向流動(dòng)趨勢(shì)，淺層地下水水力坡度較緩，約0.2%～0.4%。場(chǎng)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)場(chǎng)地內(nèi)原化工生產(chǎn)區(qū)域地下水受到有機(jī)物復(fù)合污染，地下水污染范圍約3 600 m2，污染深度至10 m，地下水污染方量約14 000 m2。地下水污染情況和目標(biāo)污染物修復(fù)目標(biāo)值見(jiàn)表3。

表2 試驗(yàn)場(chǎng)地土壤特征參數(shù)

表3 試驗(yàn)場(chǎng)地地下水污染狀況

該場(chǎng)地污染類(lèi)型復(fù)雜，部分區(qū)域污染嚴(yán)重，存在輕質(zhì)非水相液體(LNAPL)污染，場(chǎng)地水文地質(zhì)條件和污染特征符合MPE修復(fù)技術(shù)應(yīng)用范圍[1]。

3.2 試驗(yàn)流程與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本地塊污染地下水修復(fù)采用原位污染源處理修復(fù)模式，選用高負(fù)壓?jiǎn)伪秒p相抽提修復(fù)技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在修復(fù)場(chǎng)地選取3口抽提井(TW1-TW3)及4口監(jiān)測(cè)井(MW0-MW3)，試驗(yàn)井布置見(jiàn)圖1。多相抽提井間距3.0 m，井徑220 mm，井深10 m，井內(nèi)設(shè)置25 mm引流管，抽提井結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。監(jiān)測(cè)井MW0居于三口抽提井中央，MW1-MW3分不同方向距TW1分別為1.0,2.0,3.0 m布置。真空泵采用油封式真空泵，分離廢氣采用活性炭罐吸附收集，廢水采用類(lèi)芬頓試劑化學(xué)氧化處理工藝，工藝流程及過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)見(jiàn)圖3。

圖1 抽提井及監(jiān)測(cè)井布置圖

圖2 抽提井結(jié)構(gòu)圖

圖3 工藝流程及過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

根據(jù)前期案例調(diào)研，本現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)挑選幾種關(guān)鍵監(jiān)測(cè)指標(biāo)，使用成熟過(guò)程監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)選擇抽提系統(tǒng)真空度、井頭真空度、抽出氣體/液體流量、地下水位變化、廢氣/廢水排放濃度、土壤/地下水污染濃度，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備有真空表、流量計(jì)、水位計(jì)、光離子化氣體檢測(cè)器(PID)等。

3.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

運(yùn)行過(guò)程控制系統(tǒng)真空度范圍為0.04～0.07 MPa，井頭真空度范圍為0.03～0.06 MPa，抽提氣流量范圍5～20 m3/h，抽提水流量范圍0.1～0.5 m3/h，運(yùn)行周期為2 h/單口井/d，5 d 1輪次。氣液分離器、油水分離器中液位傳感器控制相關(guān)設(shè)備啟停，廢氣廢水污染濃度達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

調(diào)試階段通過(guò)監(jiān)測(cè)真空度、抽出流量，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)效果并確定最佳系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。監(jiān)測(cè)井真空度結(jié)果顯示，監(jiān)測(cè)井與抽提井間距越大，監(jiān)測(cè)井內(nèi)的真空度越低，真空度變化梯度也不斷減小。見(jiàn)圖4，在抽提井井頭真空度穩(wěn)定為約0.06 MPa條件下，距TW1抽提井2.0 m監(jiān)測(cè)井MW2井中真空度達(dá)到3 kPa，顯示單井抽提影響范圍設(shè)置為1.7 m在合理范圍內(nèi)。通過(guò)分析抽提平均氣液流量隨系統(tǒng)真空度變化的監(jiān)測(cè)結(jié)果，可確定系統(tǒng)在控制參數(shù)范圍內(nèi)運(yùn)行良好，見(jiàn)圖3，最佳系統(tǒng)真空度為0.06～0.07 MPa。

圖4 監(jiān)測(cè)井真空度隨距離變化

圖5 單井抽提流量隨系統(tǒng)真空度變化

運(yùn)行階段通過(guò)真空度、監(jiān)測(cè)井水位、抽出流量、污染濃度監(jiān)測(cè)，判斷抽提修復(fù)效果并進(jìn)行了過(guò)程工藝調(diào)整。MPE運(yùn)行過(guò)程中抽提真空度和流量監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示第3輪次中抽提系統(tǒng)出現(xiàn)故障，井頭真空度與系統(tǒng)真空度之間損失較大，地下水污染物濃度降低不明顯，通過(guò)管路檢修后排除故障，抽提效果得到改善，過(guò)程參數(shù)見(jiàn)表4。完成30 d抽提試驗(yàn)后，MW0監(jiān)測(cè)井中有機(jī)物污染濃度顯著降低，見(jiàn)圖6。MPE系統(tǒng)共運(yùn)行30 d，共抽出地下水26.5 m3，氣體862.0 m3，自由相收集11.8 L。

表4 監(jiān)控參數(shù)調(diào)整效果

圖6 監(jiān)測(cè)井中地下水污染濃度隨運(yùn)行時(shí)間變化

4 結(jié)論及展望

研究結(jié)果表明，修復(fù)過(guò)程中抽提井與監(jiān)測(cè)井真空度、抽出流體流量的監(jiān)測(cè)，可為系統(tǒng)最佳運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整、優(yōu)化提供依據(jù)；抽出流體濃度的在線監(jiān)測(cè)可直接驗(yàn)證MPE技術(shù)的治理效果。過(guò)程監(jiān)控技術(shù)可為典型有機(jī)污染場(chǎng)地的多相抽提修復(fù)提供重要技術(shù)支撐，保障多相抽提修復(fù)技術(shù)的目標(biāo)可達(dá)性和過(guò)程可控性。

目前多相抽提修復(fù)過(guò)程監(jiān)控技術(shù)的工程應(yīng)用尚不完善，多相抽提修復(fù)過(guò)程監(jiān)控因素之間的作用與反饋機(jī)制，有待進(jìn)一步深化研究。應(yīng)結(jié)合直接監(jiān)控和間接監(jiān)控方法，充分發(fā)揮低擾動(dòng)監(jiān)測(cè)方法(如地球物理探測(cè)技術(shù))的優(yōu)勢(shì)，提高在線監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)的集成化和智能化水平，完善監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)多相抽提修復(fù)的智能化過(guò)程監(jiān)控。