ERT法監(jiān)測(cè)高壓旋噴修復(fù)PAHs污染現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

柳 迪,宋權(quán)威,李 玲,胡 杰,王颋軍,杜顯元,鄧永鋒,柯 瀚

ERT法監(jiān)測(cè)高壓旋噴修復(fù)PAHs污染現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

柳 迪1,宋權(quán)威2,3,李 玲4,胡 杰1,王颋軍4,杜顯元2,3,鄧永鋒5,柯 瀚1

(1.浙江大學(xué)巖土工程研究所,軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室,浙江 杭州 310058；2.石油石化污染物控制與處理國家重點(diǎn)試驗(yàn)室,北京 102206；3.中國石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司,北京 102206；4.中節(jié)能大地環(huán)境修復(fù)有限公司,北京 100085；5.東南大學(xué)交通學(xué)院,巖土工程研究所,江蘇 南京 210096)

選用過硫酸鈉(PS)作為氧化劑,微米鐵/納米鐵/碳載鐵/NaOH作為激活劑,通過高壓旋噴工藝氧化修復(fù)多環(huán)芳烴(PAHs)污染土,利用高密度電阻率法(ERT)監(jiān)測(cè)旋噴過程中土壤的電阻值分布,分析了氧化藥劑在修復(fù)過程中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律,比較了4組藥劑旋噴后48h的修復(fù)效果.結(jié)果表明:ERT準(zhǔn)確地反映了污染修復(fù)發(fā)生的位置,最大偏差小于0.5m;電阻變化值與萘修復(fù)值呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,通過擬合曲線估計(jì)的污染修復(fù)值與實(shí)際修復(fù)值之間存在誤差,誤差為10.3%～22.6%;碳載鐵粉顯示出良好的穩(wěn)定與緩釋性能,旋噴后穩(wěn)定氧化階段延長約8h;最終預(yù)設(shè)修復(fù)區(qū)域內(nèi)污染去除量:碳載鐵粉組>納米鐵粉組>微米鐵粉組≈NaOH組.

高密度電阻率法；高壓旋噴；原位氧化；多環(huán)芳烴；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

由于環(huán)境監(jiān)察制度不嚴(yán)格和生產(chǎn)管理模式不健全,一些重污染企業(yè)在長期的歷史生產(chǎn)中,向土壤中排放了大量污染物,對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成了不利影響,危害人民群眾身體健康,嚴(yán)重影響土地的再次開發(fā)利用[1].多環(huán)芳烴(PAHs)作為常見的有機(jī)溶劑及生產(chǎn)原料的成分,在石油,煉焦,有機(jī)等化工行業(yè)應(yīng)用廣泛,可通過事故泄露,廢水排放,浸出液入滲等多種途徑進(jìn)入土壤[2].PAHs污染具有難降解,難遷移,易揮發(fā),毒性大等特點(diǎn),傳統(tǒng)物理修復(fù)技術(shù)難以對(duì)其進(jìn)行有效的修復(fù)治理.

近些年來,高壓旋噴氧化技術(shù)成為國內(nèi)外處理PAHs污染場(chǎng)地的主要方式之一[3-4],其具有高效率,低成本的優(yōu)點(diǎn),能有效處理復(fù)雜地層中多種有機(jī)物形成的復(fù)合污染[5].對(duì)于PAHs污染,其主要污染區(qū)的穩(wěn)定表征和監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)污染修復(fù)設(shè)計(jì),方案優(yōu)化和效果評(píng)估至關(guān)重要[6].然而旋噴試驗(yàn)過程中由于取樣困難,現(xiàn)有試驗(yàn)大多采取開挖的方式檢測(cè)旋噴效果[7],旋噴后的取樣結(jié)果無法準(zhǔn)確描述旋噴過程中氧化劑的遷移轉(zhuǎn)化過程[8-9];特別是當(dāng)污染土層表現(xiàn)出較為顯著的非均質(zhì)性時(shí),常規(guī)性取樣調(diào)查和地下水采樣難以達(dá)到預(yù)期監(jiān)測(cè)目標(biāo).高密度電阻率法(ERT)通過測(cè)試污染引起的土壤電阻率變化可以較好的解決監(jiān)測(cè)困難的問題,同時(shí)ERT監(jiān)測(cè)具有非侵入,可連續(xù),信息豐富等特點(diǎn),在石油勘探,污染泄露監(jiān)測(cè)等方面應(yīng)用廣泛[10],而針對(duì)較低濃度有機(jī)污染修復(fù)監(jiān)測(cè)的研究較少,并且現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)效果需進(jìn)一步驗(yàn)證[11-12].

本文選取微米/納米/碳負(fù)載零價(jià)鐵,NaOH作為過硫酸鈉激活劑進(jìn)行高壓旋噴原位氧化試驗(yàn),通過ERT監(jiān)測(cè)旋噴過程中土壤的電阻值分布,以分析氧化藥劑在修復(fù)過程中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律;結(jié)合取樣測(cè)試PAHs的濃度分布,對(duì)ERT測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析比較,解釋說明ERT在監(jiān)測(cè)PAHs污染修復(fù)過程的優(yōu)勢(shì)及局限性.

1 材料與方法

1.1 污染場(chǎng)地概況

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)地點(diǎn)位于華北某煤氣化工廠遺留場(chǎng)地.該場(chǎng)地曾進(jìn)行煤化工產(chǎn)品生產(chǎn),煤矸石發(fā)電供熱等生產(chǎn)作業(yè),近40年的生產(chǎn)過程中含PAHs的生產(chǎn)原料浸出液滲入地基土中,其較強(qiáng)的揮發(fā)性造成較為嚴(yán)重的土壤,空氣污染,影響周邊居民生活及身體健康[11-12].

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)地區(qū)域位置

1.1.1 試驗(yàn)區(qū)域條件 試驗(yàn)旋噴區(qū)域?yàn)?m寬,8m長的矩形區(qū)域,在試驗(yàn)區(qū)域自東向西間隔1m進(jìn)行取樣勘測(cè),場(chǎng)地9m的勘察深度內(nèi),自上而下為粉土層,粉質(zhì)砂土層,卵石層,粉質(zhì)黏土層;土壤理化性質(zhì)參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50123-2019》[13]及《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn) GB/T 50145-2007》[14]進(jìn)行測(cè)試,取樣點(diǎn)位標(biāo)注在圖2土層分布圖中(水平坐標(biāo)0m為高密度電阻率測(cè)線起始點(diǎn)),土壤理化性質(zhì)見表1.

圖2 試驗(yàn)區(qū)域地層分布

地下水埋深約3.0～3.5m,屬孔隙潛水,主要賦存于粉質(zhì)砂土層及更深部的卵石層中,地下水主要受大氣降水補(bǔ)給,以蒸發(fā)和徑流方式排泄;地下水位受大氣降水影響顯著,旋噴試驗(yàn)后30～36h出現(xiàn)持續(xù)約6h的降雨天氣,地下水位上漲約為1.0m.試驗(yàn)區(qū)域地下水總體流向自西北向東南,水力梯度為2‰～4‰.

表1 試驗(yàn)土層理化性質(zhì)

1.1.2 試驗(yàn)場(chǎng)地污染分布 前期場(chǎng)地污染土取樣點(diǎn)位如圖2所示,取樣流程參照《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范HJ/T 166-2004》[15],《地塊土壤和地下水中揮發(fā)性有機(jī)物采樣技術(shù)導(dǎo)則 HJ 1019-2019》[16]進(jìn)行;有機(jī)物測(cè)試參照《土壤和沉積物揮發(fā)性有機(jī)物的測(cè)定吹掃捕集/氣象色譜-質(zhì)譜法 HJ 605-2011》[17]進(jìn)行;鐵離子測(cè)試參照《固體廢物金屬元素的測(cè)定電感耦合等離子體質(zhì)譜法HJ 766-2015》[18],《土壤 8種有效態(tài)元素的測(cè)定二乙烯三胺五乙酸浸提-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法HJ 804-2016》[19]進(jìn)行.

根據(jù)測(cè)試結(jié)果,場(chǎng)地內(nèi)主要超標(biāo)污染物為萘和苯,最大濃度分別達(dá)到586,22.2mg/kg,約為《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行) GB36600-2018》[20]中二類工業(yè)用地篩選值的8.15,6.85倍.

由于萘的污染濃度遠(yuǎn)超苯,且在各點(diǎn)位均有檢出,因而本文選取萘作為特征污染物來描述場(chǎng)地整體污染及修復(fù)情況.萘主要分布于深度為3.0～9.0m含水層內(nèi),含水層內(nèi)萘濃度均大于200mg/kg,其中3.8～6.5m深度為污染濃度超過400mg/kg,此主污染區(qū)域也為本試驗(yàn)的目標(biāo)修復(fù)區(qū)域,詳細(xì)污染分布情況如圖3所示.

1.2 現(xiàn)場(chǎng)高壓旋噴試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)內(nèi)容 高壓旋噴工藝修復(fù)PAHs污染場(chǎng)地使用的氧化劑類型包括過氧化氫,Fenton試劑,高錳酸鉀,過硫酸鹽(PS)等,其中通過零價(jià)鐵活化過硫酸鈉的氧化體系由于原料易得,反應(yīng)條件寬松,反應(yīng)產(chǎn)物友好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[21-22].Fe2+可活化過硫酸根(S2O82-)產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化能力的硫酸根自由基(SO4-×),無選擇性的與有機(jī)物進(jìn)行氧化反應(yīng)[23].目前現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用零價(jià)鐵活化過硫酸鈉現(xiàn)場(chǎng)尺度的研究較少,其工程應(yīng)用效果有待進(jìn)一步驗(yàn)證.

圖3 沿深度方向萘的分布

為研究不同種類零價(jià)鐵作為激活劑在高壓旋噴過程中的遷移規(guī)律及修復(fù)效果,選取過硫酸鈉Na2S2O8(PS)作為氧化劑,微米鐵粉(Fe0[μm]),納米鐵粉(Fe0[m])及碳載零價(jià)鐵(BC-nZVI)3種不同種類鐵粉作為激活劑,另設(shè)置工程常見激活劑NaOH作為對(duì)照組,開展4類激活劑情況下的現(xiàn)場(chǎng)高壓旋噴試驗(yàn).

為防止旋噴區(qū)域重疊,試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)旋噴點(diǎn)位一字排開,與地下水流方向平行,相鄰孔間距約200cm,以高密度電阻率測(cè)線SY1起始點(diǎn)作為水平坐標(biāo)起點(diǎn),碳載零價(jià)鐵組,納米鐵粉組,微米鐵粉組,NaOH組旋噴中心分別位于水平坐標(biāo)15,17,19,21m處.旋噴作業(yè)從左到右依次進(jìn)行,旋噴深度為3.0～8.0m.

旋噴后在各點(diǎn)位中心進(jìn)行取樣,分別測(cè)試深度3.0,4.5,6.5,8.5m處土壤中萘濃度,取樣流程及測(cè)試方法與節(jié)1.1.2中所述相同,試驗(yàn)平面布置及取樣點(diǎn)位見圖4.

圖4 試驗(yàn)區(qū)域平面布置

1.2.2 試驗(yàn)藥劑配比 參考現(xiàn)場(chǎng)常用旋噴藥劑使用情況[24],本試驗(yàn)對(duì)于萘含量為200～600mg/kg的污染區(qū)域,采用PS濃度為12%,NaOH:PS(物質(zhì)的量比)為2:1,旋噴水量/旋噴距離為300L/m的藥劑用量.

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試[25-26],過硫酸鈉與納米零價(jià)鐵的物質(zhì)量之比為 200:1,反應(yīng)溫度為60℃,其他條件保持最優(yōu)值時(shí),36h內(nèi)多環(huán)芳烴的降解率達(dá)到最高值;在過硫酸鈉與碳載零價(jià)鐵物質(zhì)的量之比為150:1,室溫條件下12h內(nèi)1,2-二氯乙烷(1,2-DCA)降解率最大可以達(dá)到78.45%.由于藥劑制備和旋噴過程中鐵粉氧化導(dǎo)致的激活劑損失.為保證修復(fù)效果,本試驗(yàn)零價(jià)鐵用量增加約20%,鐵基激活劑配比(物質(zhì)的量比)均為1:125.藥劑規(guī)格見表2,藥劑用量見表3.

1.2.3 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及工藝流程 高壓旋噴工藝的主要設(shè)備包括藥品攪拌裝置,高壓泵,高壓管道,控制臺(tái),鉆管,鉆頭,設(shè)備圖見圖5所示.每次注漿前60min,在配備有攪拌泵的藥劑桶中進(jìn)行過硫酸鈉,氫氧化鈉的混合,攪拌45min待藥劑充分溶解后加入Fe0粉末并繼續(xù)攪拌5min,攪拌期間攪拌桶處于密封狀態(tài)減少Fe0氧化;藥劑桶通過直徑90mm鋼絲軟管與XPB-90E型高壓注漿泵相連,并通過高壓管線輸送至ZP60型旋噴鉆機(jī)進(jìn)行旋噴施工.每次旋噴前于地面進(jìn)行試噴以確認(rèn)旋噴管道暢通,同時(shí)使管道內(nèi)殘余藥劑排出,此后按預(yù)定提升速度,鉆桿轉(zhuǎn)速,注漿壓力從上到下進(jìn)行旋噴作業(yè),在旋噴桿行至8.0m預(yù)定深度后按原旋噴參數(shù)從下至上進(jìn)行,提升至3.0m深度處結(jié)束旋噴.

表2 試驗(yàn)藥劑規(guī)格

表3 試驗(yàn)藥劑用量

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)高壓旋噴修復(fù)工程中常用的旋噴參數(shù)范圍,設(shè)置注漿壓力為30MPa,提升速度為25cm/min,轉(zhuǎn)速為20r/min,單孔旋噴時(shí)長約為30min.

1.2.4 高密度電阻率法(ERT)監(jiān)測(cè) 本試驗(yàn)使用儀器為賽盈地脈GD-20電法儀,采用Wenner- Schlumberger排列法進(jìn)行探測(cè),測(cè)量原理示意圖如圖6所示.測(cè)量時(shí),終端發(fā)射直流電以間距 a逐個(gè)測(cè)試電極間電流強(qiáng)度,測(cè)試結(jié)果的視電阻率為 Level 1層電阻率.待 Level 1層測(cè)試完成后,終端控制以3倍電極間距進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果的視電阻率為 Level 2層電阻率,按照1,3,5倍類推,終端控制測(cè)試間距按照特定間隔逐漸增加,對(duì)應(yīng)的測(cè)量深度也逐漸加深,直至所需探測(cè)深度以及寬度后停止測(cè)試.

圖6 Wenner-Schlumberger法測(cè)試原理示意

當(dāng)供電主機(jī)向電極A及B供以一定的電流,電極M與N兩點(diǎn)間的電壓為D,則M與N兩點(diǎn)間的視電阻率為為:

式中:s為視電阻率,W×;為裝置系數(shù),;DU為M與N兩點(diǎn)間電壓,mV;為A與B供電回路的電流,mA;AM,BM,AN及BN分別為A與M,B與M,A與N及B與N間的距離,m.

本試驗(yàn)中測(cè)線長為35m,電極點(diǎn)間距50cm,預(yù)計(jì)探測(cè)深度約9m,測(cè)線SY1沿旋噴中心布設(shè),測(cè)線平面布置見圖4;測(cè)試序列分為3組,分別為背景值測(cè)試(T0),旋噴中射流階段測(cè)試(T1～T4),旋噴后遷移過程測(cè)試(T5～T9),監(jiān)測(cè)時(shí)長為72h,測(cè)試時(shí)間見表4.

對(duì)旋噴中采集的數(shù)據(jù)使用Res2D軟件進(jìn)行電阻率反演,并通過Sufer軟件對(duì)反演圖像進(jìn)行進(jìn)一步圖形處理.將各時(shí)刻T電阻率與背景電阻率做差可得到電阻變化值r(式2).在3.2對(duì)旋噴過程中電阻率分析中,r可定量比較不同藥劑對(duì)土層電阻值分布的影響.

表4 測(cè)試時(shí)間安排

對(duì)旋噴后采集的數(shù)據(jù)通過Timelapse模塊進(jìn)行時(shí)序反演處理得到電阻變化百分比C(式3).時(shí)序反演每個(gè)監(jiān)測(cè)步驟中記錄的ERT數(shù)據(jù)獨(dú)立于任何其他信息進(jìn)行反演,在空間和時(shí)間域中引入的正則化進(jìn)一步穩(wěn)定結(jié)果,有效減少反演偽影[27],提高低濃度電阻率變化區(qū)域的靈敏度[28].

計(jì)算公式如下:

式中:r為T時(shí)刻的電阻變化值;C為T時(shí)刻的電阻變化百分比;si為T時(shí)刻的電阻率;so為背景電阻率.

2 結(jié)果與分析

2.1 背景電阻率分布

圖7顯示了T0時(shí)測(cè)得的場(chǎng)地背景電阻率.0～ 3.0m毛細(xì)帶電阻率低于20W×m,對(duì)照萘的背景濃度分布,推測(cè)僅存在少量VOCs污染;深度3.0～9.0m可見均勻中電阻層,電阻率為20～35W×m,污染物主要富集于此深度的砂質(zhì)粉土及礫石層空隙中;深部8.5m粉黏土層滲透系數(shù)小,污染物滲透困難,電阻率偏低,電阻率值在10～22W×m.

圖7 旋噴前土壤反演電阻率

2.2 旋噴過程中電阻率分布

測(cè)試序列T1～T4顯示了各組旋噴試驗(yàn)結(jié)束時(shí)刻的電阻率測(cè)試計(jì)算結(jié)果.圖8(a)～(d)為電阻率分布,垂直方向上可以明顯看到柱狀的低阻(小于10W×m)異常區(qū)域,圖9(c)中較寬的射流半徑可能受高滲透性地層及此前旋噴影響,總體上四組藥劑射流半徑相近,約為110cm,根據(jù)可溶性試劑旋噴試驗(yàn)[29],射流半徑約為可溶性鹽的遷移最大遷移距離,(a)～(d)中低阻區(qū)域即為PS的分布范圍.

根據(jù)圖8(e)～(h)為電阻變化值分布,總體上四組電阻變化規(guī)律相近,旋噴注漿過程的電阻率主要受地下水稀釋藥劑影響,在藥劑驅(qū)替過程中射流前端藥劑濃度逐漸降低,徑向的電阻變化值從旋噴中心到射流前端逐漸下降;垂直方向上電阻變化最大值出現(xiàn)于深度4～5m處,這是由于旋噴過程中地層深部藥劑收到較大壓力向淺部遷移,聚集于中部砂質(zhì)粉土層區(qū)域,電阻變化值<-20W×m的區(qū)域面積NaOH組

圖9顯示了不同區(qū)間電阻變化值在反演斷面中覆蓋的面積.A-1～A-4孔位電阻最大變化值在-22.33～-35.74W×m范圍內(nèi),平均電阻變化值分別為-8.88,-10.9,-15.4,-12.8W×m,與NaOH組相比,其余三組平均電阻變化值分別增加了22.74%,73.42%, 44.14%;對(duì)比碳載鐵,微米鐵兩組可見,在鐵粉粒徑相近的情況下,碳載鐵組平均電阻變化值比微米鐵組增加了17.4%,有效反應(yīng)半徑增加8.05%,表明相同粒徑下碳負(fù)載對(duì)零價(jià)鐵激活效果有著良好的增強(qiáng)作用.

圖8 旋噴中土壤反演電阻率

圖9 電阻變化值區(qū)間面積

此外,由于電阻異常區(qū)域邊緣與旋噴中心位置藥劑濃度差異懸殊,前端低濃度區(qū)域難以達(dá)到修復(fù)目標(biāo)[30-31],因而電阻率<0W×m的區(qū)域A0在工程設(shè)計(jì)中無法作為有效修復(fù)區(qū)域.本文中以NaOH組作為對(duì)照組,取其平均電阻變化值為有效反應(yīng)閾值來判定其余各組有效反應(yīng)區(qū)域/半徑.

根據(jù)圖9區(qū)域面積統(tǒng)計(jì),各組電阻率<-8.8W×m區(qū)域-8.8的面積分別為10.92,12.18,14.14,13.16m2,有效反應(yīng)半徑分別為78,87,101cm,94cm.與NaOH組相比,Fe0[mm]-,Fe0[nm]-,BC-nZVI分別增加了11.54%,29.49%,20.51%,零價(jià)鐵激活過硫酸鈉的有效反應(yīng)半徑隨鐵粉粒徑減小而增加.

2.3 旋噴后電阻率分布

圖10展示了T5～T9時(shí)的電阻率測(cè)試計(jì)算結(jié)果,相鄰測(cè)試間隔為12h.T6～T9時(shí)旋噴區(qū)域電阻率僅為10～20W×m,(a)～(e)電阻率圖像中難以準(zhǔn)確識(shí)別藥劑遷移轉(zhuǎn)化行為;為此對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)序反演處理得到電阻變化百分比分布(如圖(f)～(j)),以更加清晰展現(xiàn)旋噴區(qū)域整體電阻變化情況.

從時(shí)序反演圖像中可知,T5～T9電阻變化百分比分布情況與2.1中射流階段相近,電阻變化百分比從旋噴中心向四周逐漸遞減,深度5～8m處為電阻變化的中心區(qū)域,變化百分比低于-30%的區(qū)域在納米鐵,零價(jià)鐵旋噴區(qū)域分布面積更大;低阻區(qū)域范圍通過擴(kuò)散作用及地下水流作用逐漸擴(kuò)大,其中變化百分比較小(-20%～0%)的區(qū)域在順?biāo)鞣较蜻w移距離更長.

根據(jù)圖11中平均電阻變化百分比時(shí)間曲線,可將旋噴后藥劑遷移轉(zhuǎn)化過程分為3個(gè)階段:T5～T6為污染回流階段,旋噴區(qū)域中受污染的孔隙水在被氧化藥劑驅(qū)替后,受對(duì)流擴(kuò)散影響重新向旋噴區(qū)域.平均電阻變化百分比因污染濃度上升,氧化劑濃度降低,電阻變化幅度迅速下降;T6～T8為穩(wěn)定反應(yīng)階段,此階段整體反應(yīng)快速進(jìn)行,修復(fù)區(qū)域穩(wěn)步擴(kuò)張,平均電阻變化值快速下降;T8～T9為拖尾階段;平均電阻變化百分比趨近穩(wěn)定值.

圖12顯示了電阻變化百分比各區(qū)間在反演截面中的覆蓋面積,通過面積的時(shí)間變化曲線可以進(jìn)一步分析各階段藥劑的遷移轉(zhuǎn)化過程.

T5～T6時(shí)間段污染回流導(dǎo)致整體影響區(qū)域面積下降,其中NaOH組受影響最為嚴(yán)重;同時(shí)強(qiáng)氧化物迅速與污染物結(jié)合,地下水中導(dǎo)電粒子濃度迅速下降,導(dǎo)致低阻中心區(qū)域電阻變化百分比降低,電阻變化百分比超過30%的區(qū)域降至-20～-30%,此階段氧化反應(yīng)發(fā)生區(qū)域也主要位于該范圍內(nèi).T6時(shí)刻的修復(fù)效果 NaOH組

圖10 旋噴后土壤反演電阻率

T6～T8穩(wěn)定氧化階段中,氧化反應(yīng)發(fā)生區(qū)域主要位于A-2,A-3點(diǎn)位下方A-10%～-30%范圍內(nèi),污染降解引起中心反應(yīng)區(qū)域電阻逐步降低,A<-30%比T6時(shí)刻增加82.12%;整體旋噴影響區(qū)域約比T6時(shí)刻增加34.71%.值得一提的是,T7～T8時(shí)間段A-1,A-2,A-3點(diǎn)位旋噴范圍內(nèi)電阻變化接近停止,而A-4點(diǎn)位仍保持穩(wěn)定擴(kuò)張趨勢(shì).結(jié)合圖10(g)～(i)可判定, T7時(shí)刻A-1,A-2,A-3點(diǎn)位穩(wěn)定氧化階段完成,T8時(shí)刻A-4點(diǎn)位穩(wěn)定氧化階段完成,此時(shí)刻的修復(fù)效果NaOH組

圖11 旋噴后平均電阻變化百分比

圖12 旋噴后各變化區(qū)間面積

T8～T9拖尾階段中,由于藥劑濃度已降至低值,濃度梯度驅(qū)動(dòng)的遷移行為逐漸減弱,受到地下水流,土層分布等因素影響,氧化藥劑分布范圍向西側(cè)緩慢擴(kuò)張,擴(kuò)散過程修復(fù)了A-3,A-4點(diǎn)位下方區(qū)域的少量殘留污染,因而圖10中A-1,A-2點(diǎn)位下方3～6m污染區(qū)域的電阻率小幅度降低;同時(shí),中心反應(yīng)區(qū)域<-30%面積僅從30.96m2增加至31.91m2,面積擴(kuò)張接近停滯;外緣0～-10%區(qū)域緩慢收縮,-10%～-20%區(qū)域緩慢擴(kuò)張,兩區(qū)域收縮擴(kuò)張面積接近互補(bǔ),整體擴(kuò)張接近停止,平均電阻變化百分比變化率接近于零,表明A-1～A-4修復(fù)區(qū)域氧化反應(yīng)均接近完成,整體平均電阻變化百分比穩(wěn)定至-23%左右,此時(shí)刻的修復(fù)效果NaOH組≈Fe0[μm]組

2.4 不同激活劑修復(fù)效果討論

圖13顯示了修復(fù)后48h萘的實(shí)測(cè)濃度分布,Fe0[nm]組,BC-nZVI組修復(fù)效果明顯優(yōu)于其他兩組,沿深度方向修復(fù)較為均勻,深度4m下萘濃度均降至100mg/kg以下,圖13(b)萘修復(fù)值分布中顯示出相同F(xiàn)e0摻量的碳載鐵組污染去除量更大;NaOH組在污染回流階段受對(duì)流影響嚴(yán)重,更易發(fā)生水平向的遷移擴(kuò)散,整體修復(fù)效果較差;Fe0[μm]組僅在深度4.5～8.0m深度展示出較好的修復(fù)效果.

圖14 萘-電阻率相關(guān)性

由圖14可見,電阻變化值與萘修復(fù)量呈現(xiàn)較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系,擬合曲線斜率約為(-53.6±6.0),2為0.97.對(duì)比圖14(b) (c)萘實(shí)測(cè)值的等值線分布,電阻變化值等值線基本準(zhǔn)確的反映了污染修復(fù)發(fā)生的位置,即便在污染較輕的區(qū)域(此區(qū)域ERT監(jiān)測(cè)相對(duì)不靈敏[34-35]),其位置誤差也未超過0.5m;不可忽視的是,通過擬合曲線預(yù)估的修復(fù)值與實(shí)際修復(fù)值間存在誤差,對(duì)比圖15中萘實(shí)測(cè)修復(fù)值與對(duì)應(yīng)的估計(jì)值,整體誤差為10.3%～22.6%,引起誤差的原因是ERT監(jiān)測(cè)對(duì)局部電阻過高/過低區(qū)域監(jiān)測(cè)較為不靈敏.相似調(diào)查[36]中發(fā)現(xiàn)在DNAPLs污染嚴(yán)重的區(qū)域誤差甚至可以達(dá)到50%.

3 結(jié)論

3.1 ERT監(jiān)測(cè)結(jié)果基本準(zhǔn)確的反映了污染修復(fù)發(fā)生的位置,最大偏差小于0.5m;電阻變化值與萘修復(fù)值呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,通過擬合曲線預(yù)估的修復(fù)值與實(shí)際修復(fù)值間存在誤差,誤差為10.3%～22.6%.

3.2 根據(jù)電阻率變化可將旋噴修復(fù)分為4個(gè)階段:射流階段,污染回流階段,穩(wěn)定氧化階段,拖尾階段.射流階段,地層出現(xiàn)明顯的柱狀低阻區(qū)域,藥劑在深度3～6m區(qū)間內(nèi)富集;徑向電阻變化值沿射流方向迅速減小,有效影響半徑NaOH組

3.3 本試驗(yàn)在保持較高納米鐵粉添加量的情況下,納米鐵組、碳載鐵組的土壤修復(fù)效果較為理想;碳載鐵的緩釋性能使Fe2+的穩(wěn)定釋放,在保持較高的反應(yīng)速率的同時(shí)提高了反應(yīng)的穩(wěn)定性,延長穩(wěn)定反應(yīng)時(shí)間約8h.旋噴后48h,碳載鐵組預(yù)設(shè)旋噴區(qū)域平均萘修復(fù)值為358.6mg/kg,約為納米鐵修復(fù)量的1.25倍,各組污染修復(fù)量BC-nZVI組>Fe0[nm]組>Fe0[μm]組≈NaOH組.

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Field study on ERT monitoring high-pressure rotary jet repairing PAHs pollution.

LIU Di1, SONG Quan-wei2,3, LI Ling4, HU Jie1, WANG Ting-jun4, DU Xian-yuan2,3, DENG Yong-feng5, KE Han1

(1.Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering, Ministry of Education, Institute of Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China；2.State Key Laboratory of Petroleum Pollution Control, Beijing 102206, China；3.CNPC Research Institute of Safety and Environment Technology, Beijing102206, China；4.CECEP DADI Environmental Remediation Co., Ltd., Beijing 100085, China；5.Institute of Geotechnical Engineering, Transportation College, Southeast University, Nanjing 210096, China)., 2023,43(11)：5933～5943

In this study, sodium persulfate (PS) was selected as the oxidant, Fe0[μm], Fe0[nm, BC-nZVI and NaOH were chosen as activators, and repair PAHs-contaminated soil through high-pressure rotary spraying process by mixture of PS and activators. The high-density electrical resistivity tomography (ERT) technique was employed to monitor the distribution of soil resistivity during the rotary jet process, enabling an analysis of the migration and transformation patterns of the oxidation agents during the remediation process. Additionally, the remediation effects of the 4 agent groups were compared after a 48-hour jet period.The experimental results demonstrated that ERT accurately reflected the locations of pollution remediation, with a maximum deviation of less than 0.5m. The changes in resistivity showed a positive correlation with naphthalene remediation. However, discrepancies existed between the estimated remediation values obtained from fitting curves and the actual remediation values, with errors ranging from 10.3% to 22.6%. Among the tested reagents, carbon-supported iron powder exhibited excellent stability and sustained release performance, leading to an extension of the stable oxidation stage by approximately 8hours after jet. Ultimately, the predetermined remediation area achieved the highest level of pollutant removal in the following order: BC-nZVI>Fe0[nm]>Fe0[μm]≈NaOH.

multi-electrode resistivity method (ERT)；high pressure rotary jet；in-situ oxidation；PAHs；field test

X53

A

1000-6923(2023)11-5933-11

柳 迪(1997-),男,山東濱州人,浙江大學(xué)碩士研究生,主要從事環(huán)境土工研究.d_liu@zju.edu.cn.

柳 迪,宋權(quán)威,李 玲,等.ERT法監(jiān)測(cè)高壓旋噴修復(fù)PAHs污染現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2023,43(11):5933-5943.

Liu D, Song Q W, Li L, et al. Field study on ERT monitoring high-pressure rotary jet repairing PAHs pollution [J]. China Environmental Science, 2023,43(11):5933-5943.

2023-05-23

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2019YFC1806000,2019YFC1806004);中國石油集團(tuán)科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(2022DJ6906);浙江省領(lǐng)雁研發(fā)攻關(guān)計(jì)劃(2022C03095)

* 責(zé)任作者, 教授, boske@126.com