原位空氣噴射技術(shù)解析及在污染場(chǎng)地的應(yīng)用分析

李夢(mèng)凡

（森特士興集團(tuán)股份有限公司，北京 100176）

在目前的土壤修復(fù)技術(shù)中，抽提技術(shù)被認(rèn)為是一項(xiàng)與高科技相緊密結(jié)合的土壤修復(fù)技術(shù)。一般情況下，它既可以用于土壤修復(fù)，又可以用于地下水修復(fù)等領(lǐng)域，可高效除去土壤中揮發(fā)性有機(jī)物，比如重油和輕油類等等，適用于場(chǎng)地修復(fù)的各項(xiàng)復(fù)雜條件。而其操作簡(jiǎn)便，工藝復(fù)雜度低，修復(fù)效果好，被廣泛用于大型的土壤和地下水修復(fù)工程。在這其中，原位空氣噴射（IAS）是一種新興的處理飽和帶土壤和地下水中污染物的修復(fù)技術(shù)，在20 世紀(jì)80 年代中期，該技術(shù)在德國(guó)首次被應(yīng)用。

1 技術(shù)原理

1.1 修復(fù)機(jī)理

原位空氣噴射是在地下水位以下注入空氣、純氧或其他氣體，從而通過(guò)揮發(fā)或生物修復(fù)去除污染物。主要用于去除揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs），但該技術(shù)可以有效地通過(guò)在實(shí)施過(guò)程中加強(qiáng)，主要是生物過(guò)程，去除揮發(fā)性和非揮發(fā)性污染物。通過(guò)刺激微生物活動(dòng)加強(qiáng)對(duì)污染物的降解，這一特點(diǎn)尤其對(duì)石油污染的場(chǎng)地非常有效。

如圖1 所示，是原位空氣噴射技術(shù)的原理示意圖。

1.2 技術(shù)分類

空氣噴射技術(shù)具體可以有以下幾種分類。

（1）注入飽和區(qū)。將空氣直接注入飽和區(qū)，稱為原位空氣噴射（IAS）。氣相抽提（SVE）通常伴隨著IAS，來(lái)控制由IAS 攜帶到非飽和區(qū)的VOCs 的無(wú)組織排放。

圖1 原位空氣噴射基本原理圖

（2）垂直井或水平井。在許多現(xiàn)場(chǎng)，例如堪薩斯城美國(guó)陸軍工兵區(qū)東北黑斯廷斯的黑斯廷斯東部工業(yè)園，使用了水平噴灑井，結(jié)合污染源區(qū)域內(nèi)的垂直噴灑井，用來(lái)攔截污染源區(qū)域的下游溶解羽（Siegwald 等人，1996 年）。水平井和垂直井也可以在一個(gè)單獨(dú)的噴射和排氣井田內(nèi)混合，以便更好地控制不同位置的注入或提取速率，并優(yōu)化成本。

（3）注入空氣以外的其他氣體。注入空氣以外的氣體（如純氧、臭氧、甲烷、丁烷、丙烷、純氮或一氧化二氮）可提高生物修復(fù)進(jìn)行的速度或改變其發(fā)生的條件。結(jié)合場(chǎng)地污染物的不同情況，可以調(diào)整注入的氣體成分和含量。

（4）臭氧噴射。用空氣和臭氧的混合物噴射被用來(lái)通過(guò)化學(xué)氧化處理地下水中的有機(jī)污染。尤其針對(duì)TCE 和甲基叔丁基醚（MTBE）的污染物去除比較有效。

（5）蒸汽注入。蒸汽可以與空氣一起或代替空氣注入，即將熱修復(fù)技術(shù)與傳統(tǒng)的空氣噴射技術(shù)結(jié)合起來(lái)。蒸汽注入已成功地用于修復(fù)含水層的VOC 污染，用于提高傳統(tǒng)的IAS 修復(fù)效果，也用于修復(fù)傳統(tǒng)IAS 無(wú)法修復(fù)的污染物。

表1 空氣噴射技術(shù)的適用范圍

1.3 關(guān)鍵參數(shù)和指標(biāo)

1.3.1 技術(shù)適用范圍

結(jié)合空氣噴射技術(shù)的修復(fù)機(jī)理，該技術(shù)適用的范圍如表1 所示，其中，-代表不適用或適用受限，o 代表一些情況可能適用，+代表非常適合。

可以看到該技術(shù)最佳的適用條件是滲透性較好的場(chǎng)地，污染物為易揮發(fā)有機(jī)物，污染深度主要集中在潛水位附近。

1.3.2 關(guān)鍵參數(shù)

（1）影響區(qū)域。影響區(qū)域（ZOI）指的是受噴射井或井田充分影響的區(qū)域，該區(qū)域是具有相對(duì)緊密空間的充氣通道的飽和區(qū)的體積，一般在空氣飽和度超過(guò)10%時(shí)出現(xiàn)這種情況。在空氣噴射技術(shù)的使用過(guò)程中，影響區(qū)域的重要性優(yōu)先于常見(jiàn)的影響半徑。因?yàn)镮AS 的噴射井篩管的間隔、深度和方向上往往是不均勻分布的。

（2）生物降解速率。IAS 除了可以從地下水中去除VOC外，空氣噴射還可以促進(jìn)許多揮發(fā)性和半揮發(fā)性污染物的需氧生物降解。生物降解將減少或可能消除必須在表面捕獲和處理的揮發(fā)性有機(jī)化合物的量。溶解氧通常是限制飽和區(qū)生物降解的因素。通常情況下，IAS 是提高所需區(qū)域的溶解氧（DO）水平最為經(jīng)濟(jì)的方法。

（3）注射壓力。無(wú)論噴射井的井結(jié)構(gòu)如何，在井口測(cè)量的注入壓力都有幾個(gè)組成部分。分別為：a.靜水壓力；b.管道中的摩擦損失。是由于流體在井口和IAS 井篩管之間的摩擦而產(chǎn)生的水頭損失。對(duì)于較小的噴射井直徑、較長(zhǎng)的井管長(zhǎng)度或較高的氣流速度，摩擦損失將更為顯著。類似的損失也可能發(fā)生在地上管道中。c.過(guò)濾器組件進(jìn)氣壓力。注入壓力的第三個(gè)組成部分是過(guò)濾器組的進(jìn)氣壓力（如果存在于井篩管和地層之間），該值往往很小。d.地層空氣進(jìn)入壓力。注入壓力的第四個(gè)組成部分是地層的空氣進(jìn)入壓力Pe，根據(jù)毛細(xì)管理論，它與過(guò)濾器組件附近最大孔隙的孔徑有關(guān)。

（4）注射氣流速率?？諝猓ɑ蛄硪环N氣體）在壓力下注入噴射井。隨著氣壓的升高，井內(nèi)的積水被排出。要使空氣進(jìn)入地層，空氣壓力必須大于水壓（即靜水壓力）和空氣進(jìn)入壓力之和。不論污染土壤是砂土、粘土或是淤泥，初始進(jìn)入的空氣總會(huì)尋找并沿著可利用的最大孔隙進(jìn)入。如果最大的孔隙通道能夠傳導(dǎo)注入井內(nèi)的所有空氣，則壓力不會(huì)上升到空氣入口壓力以上，較小的孔隙將保持充滿液體。

（5）污染土壤性狀。土壤的均勻性和各向同性程度是影響空氣通道分布的重要因素。均勻細(xì)砂或粉砂層通常具有各向同性的空氣滲透性，因此最適合于IAS，因?yàn)樗鼈兡軌虍a(chǎn)生均勻且合理的可預(yù)測(cè)的ZOI。相反，空氣滲透性較低的土壤（如大塊粘土）不易受IAS 影響，因?yàn)檫^(guò)高的空氣進(jìn)入壓力可能導(dǎo)致土壤破裂，引導(dǎo)整個(gè)空氣流動(dòng)的優(yōu)先流道數(shù)量較少。

圖2 空氣在孔隙中的通道示意圖

2 工藝設(shè)計(jì)

2.1 常用設(shè)計(jì)參數(shù)

為了提高污染物的去除效率，可以通過(guò)增加VOC 和氧氣在氣液界面上的轉(zhuǎn)移速度，可以提高污染物的去除速度。氣液界面的傳質(zhì)速率很大程度上取決于氣液表面積（以及污染物的亨利常數(shù)）。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)IAS-biosparging 系統(tǒng)的關(guān)注點(diǎn)必須集中在使氣液接觸最大化，從而達(dá)到氣液界面的傳質(zhì)速率最大化。

在IAS 系統(tǒng)中，一般涉及到的參數(shù)包括：注射井直徑、篩管長(zhǎng)度、注射流速、靜水壓力以及影響區(qū)域。

2.2 噴射井結(jié)構(gòu)

通常用于噴射井套管的材料是新型聚氯乙烯（PVC），直徑一般為50mm（2 英寸）。但可以根據(jù)空氣流量對(duì)管徑進(jìn)行改變。需要根據(jù)管道用氣動(dòng)分析程序評(píng)估井套管內(nèi)的壓降和篩網(wǎng)直徑。如果空氣修正或現(xiàn)場(chǎng)污染物在預(yù)期濃度下可能對(duì)PVC 造成損害，則可指定其他材料。在經(jīng)濟(jì)的情況下，可以使用具有適當(dāng)物理性能和耐化學(xué)性的材料代替PVC。如果現(xiàn)場(chǎng)使用熱修復(fù)，則使用耐熱材料。套管必須足夠堅(jiān)固，以抵抗預(yù)期的空氣和灌漿壓力。

篩網(wǎng)通常是帶有開(kāi)槽或連續(xù)包裹開(kāi)口的PVC。強(qiáng)烈建議采用連續(xù)纏繞式篩網(wǎng)，因?yàn)樵黾拥拈_(kāi)放面積減少了篩網(wǎng)的壓降，從而降低了風(fēng)機(jī)的能源成本。

噴射井必須進(jìn)行井封，以防止水泥漿進(jìn)入過(guò)濾組件和井網(wǎng)。未改性的鈉基膨潤(rùn)土，如球狀、顆粒或高固體膨潤(rùn)土灌漿，通常用于密封材料。最好使用水泥漿填充密封件上方至地面的環(huán)型空間，因?yàn)樗酀{能夠抵抗干燥開(kāi)裂。

2.3 抽提井結(jié)構(gòu)

抽提井管徑20-50mm，管材PVC，最好使用平口螺紋管?？咨喜棵芊?，井深根據(jù)各區(qū)塊污染深度進(jìn)行設(shè)置，過(guò)濾管采用割縫管，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度根據(jù)不同區(qū)域污染深度進(jìn)行設(shè)計(jì)。過(guò)濾管與井壁之間填充礫石，并超出篩管部分長(zhǎng)度，礫石之上填充膨潤(rùn)土，濾料采用石英砂。

2.4 空氣輸送設(shè)備設(shè)計(jì)

空氣輸送源的設(shè)計(jì)基于中試得出的參數(shù)要求，以及由靜水壓頭、空氣入口壓頭和歧管損失引起的所需最小壓力的設(shè)計(jì)計(jì)算。在完成整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算并審查中試數(shù)據(jù)后，針對(duì)特定的地質(zhì)和物理區(qū)域，確定每口井的最佳壓力和流量。空氣供應(yīng)通常由空氣壓縮機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)提供。

3 國(guó)內(nèi)場(chǎng)地應(yīng)用分析

3.1 應(yīng)用范圍

參考國(guó)內(nèi)外部分案例，根據(jù)原位空氣噴射技術(shù)的適用條件，該技術(shù)適用于濕度較低，土壤顆粒粒度范圍適中的土壤，且對(duì)于土壤的均質(zhì)性等有一定的要求。

根據(jù)1993 年，Ji 等[2]的研究表明，土壤的滲透率高低，會(huì)影響空氣流動(dòng)的方式，且噴入的空氣不能夠通過(guò)滲透率很低的土壤層，例如粘土層。Reddy 等[3]的研究表明，土壤粒徑對(duì)于該技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中有機(jī)污染物的去除有極大的影響，當(dāng)土壤的有效粒徑低于0.2mm 時(shí)，去除有機(jī)物所需的時(shí)間將大大增加。另外，空氣在土壤通道中總會(huì)選擇更容易進(jìn)入的通道，因此，土壤的均質(zhì)性會(huì)使空氣流動(dòng)的范圍有所改變，對(duì)影響區(qū)域（ZOI）有很大的影響。

3.2 目標(biāo)場(chǎng)地

根據(jù)原位空氣噴射技術(shù)的技術(shù)原理，該技術(shù)針對(duì)有機(jī)污染物，且可以與生物修復(fù)，熱修復(fù)等技術(shù)相結(jié)合，尤其對(duì)于石油污染場(chǎng)地的修復(fù)有較為明顯的優(yōu)勢(shì)和效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)目前場(chǎng)地修復(fù)中重金屬的處理仍然比重較大，而對(duì)于有機(jī)物，特別是石油烴的處理仍然較少，在地下水和飽和土壤區(qū)域的污染物去除這一領(lǐng)域比較薄弱。隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)的改革，大量石油石化工廠的搬遷，該領(lǐng)域的場(chǎng)地修復(fù)在未來(lái)的修復(fù)工程中，占比會(huì)越來(lái)越大。而原位空氣噴射技術(shù)作為對(duì)地下水和飽和土壤區(qū)域污染物去除的優(yōu)質(zhì)技術(shù)，應(yīng)用前景良好，使用成本較低，處理效果優(yōu)秀。