一種污染土壤異味高效阻隔系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

沈曙華 馬曉宇 孫 華

（1.上海華誼集團(tuán)資產(chǎn)管理有限公司；2.上?；ぴ涵h(huán)境工程有限公司；3.上?；ぴ簷z測(cè)有限公司）

隨著城市工業(yè)用地轉(zhuǎn)型升級(jí)進(jìn)程的推進(jìn)，以及“退二進(jìn)三”、“退城進(jìn)園”等政策的實(shí)施，導(dǎo)致我國(guó)城市內(nèi)出現(xiàn)了大量的工業(yè)遺留場(chǎng)地［1，2］，其中多數(shù)被污染地塊的污染物都涉及到了揮發(fā)/半揮發(fā)性有機(jī)物污染［3］。 對(duì)工業(yè)場(chǎng)地的修復(fù)多以技術(shù)成熟、修復(fù)效率較高的異位修復(fù)為主［4］。在土壤挖掘或者遷移過(guò)程中，地表和深層污染物會(huì)暴露到空氣中，此時(shí)揮發(fā)性/半揮發(fā)性有機(jī)物會(huì)釋放到大氣中，對(duì)周圍環(huán)境造成二次污染［5］。 因此，土壤異位修復(fù)過(guò)程中對(duì)揮發(fā)性/半揮發(fā)性有機(jī)物的異味阻隔就顯得十分重要。 泡沫阻隔技術(shù)作為一種新穎的技術(shù)在土壤修復(fù)的VOCs/SVOCs阻隔及消防等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［6，7］。異味阻隔設(shè)備或系統(tǒng)作為阻隔的核心設(shè)備，技術(shù)一直被美國(guó)RUSMAR等外企壟斷，國(guó)內(nèi)發(fā)泡系統(tǒng)中，大都是以消防用泡沫發(fā)生裝置為主。 這些發(fā)泡設(shè)備盡管發(fā)泡速度快、效率高，但泡沫直徑較大，且均勻性較差，泡沫容易破裂，難以在土壤修復(fù)環(huán)境中使用。 為解決上述難題，介紹了一種污染土壤異味高效阻隔系統(tǒng)，可以根據(jù)土壤修復(fù)場(chǎng)地異味阻隔需要產(chǎn)生大流量的均勻、細(xì)膩泡沫，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域空白。

1 污染土壤異味高效阻隔系統(tǒng)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理

污染土壤異味高效阻隔系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工藝流程如圖1所示，系統(tǒng)主要包括泡沫發(fā)生器，靜態(tài)混合器，進(jìn)料泵，藥劑罐，進(jìn)液槽，發(fā)電機(jī)、空壓機(jī)及電控柜， 系統(tǒng)內(nèi)還包含藥劑罐及進(jìn)液槽等部分，并配套了閥門、流量計(jì)、液位計(jì)等組件。

圖1 污染土壤異味高效阻隔系統(tǒng)工藝流程圖

在整套土壤異味高效阻隔系統(tǒng)中，需要特殊設(shè)計(jì)的是泡沫發(fā)生器，需要計(jì)算選型的是靜態(tài)混合器，此外泡沫發(fā)生器輔助的儀表也需要特殊選型。

1.1 泡沫發(fā)生器

泡沫發(fā)生器是污染土壤異味高效阻隔系統(tǒng)的核心設(shè)備。 系統(tǒng)中包含兩臺(tái)泡沫發(fā)生器，使用過(guò)程中，當(dāng)一臺(tái)泡沫發(fā)生器為發(fā)泡狀態(tài)時(shí)，另一臺(tái)為進(jìn)料狀態(tài)，兩臺(tái)泡沫發(fā)生器切換使用，保證了發(fā)泡過(guò)程的連續(xù)性。 泡沫發(fā)生器主要由發(fā)泡罐、發(fā)泡裝置、儀表及閥門等組成。 發(fā)泡罐上開(kāi)有排氣口、進(jìn)液口、進(jìn)氣口及發(fā)泡裝置安裝口等工藝口，發(fā)泡裝置進(jìn)氣口朝上并豎直安裝于發(fā)泡罐內(nèi)部， 進(jìn)液的液位不能高于發(fā)泡裝置進(jìn)氣孔，具體液位控制由液位計(jì)與相關(guān)開(kāi)關(guān)控制完成。 發(fā)泡裝置作為泡沫發(fā)生器的核心結(jié)構(gòu)直接影響著發(fā)泡效果。

設(shè)計(jì)發(fā)泡結(jié)構(gòu)前需要了解泡沫形成的因素，文獻(xiàn)［8］中有所介紹，首先需要有兩種不同溶液進(jìn)行混合，其中一種為容易產(chǎn)生泡沫的溶液，同時(shí)還需要有空氣與混合液體進(jìn)行再次混合。 目前應(yīng)用比較廣泛的發(fā)泡結(jié)構(gòu)主要有機(jī)械攪拌發(fā)泡、文丘里自吸發(fā)泡及壓縮空氣對(duì)篩網(wǎng)造泡等幾種方式［9］。 經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，發(fā)現(xiàn)使用這些發(fā)泡裝置所發(fā)的泡沫，存在發(fā)泡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、泡沫不穩(wěn)定及泡沫直徑過(guò)大等問(wèn)題。 為此專門設(shè)計(jì)了一種新型的發(fā)泡裝置，結(jié)構(gòu)如圖2所示，該裝置在工作過(guò)程中，使兩種均勻混合的液體進(jìn)入泡沫發(fā)生裝置中，然后混合液體在細(xì)小孔道中與空氣進(jìn)行混合發(fā)泡，再經(jīng)多孔介質(zhì)二次強(qiáng)化，產(chǎn)生質(zhì)地均勻、性狀穩(wěn)定的泡沫。 具體工作流程為，將液體與空氣混合腔體設(shè)計(jì)成細(xì)小孔道結(jié)構(gòu)，發(fā)泡管上開(kāi)有數(shù)個(gè)孔道，混合發(fā)泡液體在空壓機(jī)提供的氣體壓力驅(qū)動(dòng)作用下，通入中空孔道中，混合液體經(jīng)過(guò)進(jìn)氣孔時(shí)與氣體進(jìn)行均勻混合發(fā)泡，混合后的氣體和液體再經(jīng)過(guò)多孔介質(zhì)后對(duì)之前所發(fā)泡沫產(chǎn)生強(qiáng)化作用，強(qiáng)化后的泡沫通過(guò)壓蓋格柵后從發(fā)泡出口排出。 其中發(fā)泡管與多介質(zhì)腔室通過(guò)螺紋結(jié)構(gòu)連接，該結(jié)構(gòu)能將混合液體平均分布到若干細(xì)小空間內(nèi)與空氣接觸后發(fā)泡，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)泡過(guò)程的二次強(qiáng)化操作。

圖2 泡沫發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)設(shè)計(jì)好的裝置進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證可見(jiàn)，該新型發(fā)泡結(jié)構(gòu)具有3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)卧椎阑旌显O(shè)計(jì)，保證了液體與氣體混合效果的穩(wěn)定性；二次泡沫強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，將泡沫細(xì)化，使得泡沫均勻性得到加強(qiáng)；由于氣壓作用，泡沫出口的揚(yáng)程增加，擴(kuò)大了泡沫的覆蓋范圍。

1.2 靜態(tài)混合器

靜態(tài)混合器為兩種與發(fā)泡相關(guān)的藥劑液體均勻混合用裝置。 靜態(tài)混合器的混合過(guò)程是由一系列安裝在空心管道中的不同規(guī)格的混合單元實(shí)現(xiàn)的。 由于混合單元的作用，使流體時(shí)而左旋、時(shí)而右旋，不斷改變流動(dòng)方向，不僅將中心液流推向周邊，還將周邊流體推向中心，從而造成良好的徑向混合效果。 與此同時(shí)，流體自身的旋轉(zhuǎn)作用在相鄰元件連接處的界面上亦會(huì)發(fā)生，這種完善的徑向環(huán)流混合作用，使流體在管道截面上的溫度梯度、速度和質(zhì)量梯度明顯減小，促使互不相溶的流體在管道內(nèi)產(chǎn)生切割、移位、旋轉(zhuǎn)及重疊等運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到良好的混合效果。 由于靜態(tài)混合器為常用設(shè)備，因此系統(tǒng)中藥液混合器僅需進(jìn)行選型即可。 因進(jìn)料壓力的限制，為保證順利進(jìn)料，要求靜態(tài)混合器壓降應(yīng)小于30 kPa。已知物性方面：1#藥劑黏度5cp，密度1.1×103kg/m3，2#藥劑黏度0.9cp， 密度103kg/m3，1#、2#藥劑的最大配比為1:10，總流量為11 L/min，工作條件為常溫、常壓。 根據(jù)流體黏度和強(qiáng)化混合效果需求，本次計(jì)算暫定選用SV型靜態(tài)混合器，靜態(tài)混合器選型計(jì)算內(nèi)容如下。

根據(jù)GB/T 7660—1995中針對(duì)SV型靜態(tài)混合器的計(jì)算公式和選型手冊(cè)，可計(jì)算出靜態(tài)混合器的壓降Δp和流體的雷諾數(shù)：

式中 d——水力直徑；

f——摩擦系數(shù)；

L——靜態(tài)混合器的長(zhǎng)度，m；

u——混合流體的流動(dòng)速度，m/s；

ε——靜態(tài)混合器空隙率；

μ——流體黏度，Pa·s；

ρ——連續(xù)流體的密度，kg/m3。

選型計(jì)算過(guò)程如下：

a.首先選用DN 40規(guī)格管徑， 靜態(tài)混合器長(zhǎng)度選為420 mm； 根據(jù)已知1#藥劑的體積流量Q1=0.36 m3/h，2#藥劑的體積流量Q2=3.6 m3/h，流速u=0.88 m/s，計(jì)算出Δp=91.3 kPa；考慮工程許用誤差為20%， 壓力降為109.5 kPa， 該結(jié)果無(wú)法滿足要求，需調(diào)整參數(shù)。

b.在直徑不變的條件下，將長(zhǎng)徑比縮小為L(zhǎng)/D=8， 即靜態(tài)混合器長(zhǎng)度為340 mm， 經(jīng)計(jì)算此時(shí)Δp=73.9 kPa；考慮工程許用誤差為20%后，壓降為88.7 kPa，該結(jié)果依然無(wú)法滿足要求，需繼續(xù)調(diào)整參數(shù)。

c.由于選用DN 40規(guī)格管徑計(jì)算出的壓降較大，因此增大靜態(tài)混合器直徑，選用DN 50規(guī)格管徑，靜態(tài)混合器長(zhǎng)度選為510 mm。 根據(jù)已知1#藥劑的體積流量Q1=0.36 m3/h，2#藥劑的體積流量Q2=3.6 m3/h， 流速u=0.56 m/s等條件， 計(jì)算出Δp=19.8 kPa （考慮工程許用誤差為20%， 則壓降為23.7 kPa），滿足使用要求。

綜上計(jì)算，根據(jù)靜態(tài)混合器選用手冊(cè)，可使用SV-50-500型靜態(tài)混合器（圖3）。

圖3 SV-50-500型靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 特殊儀表選型

為保證泡沫阻隔效果和發(fā)泡的連續(xù)性， 污染土壤異味高效阻隔系統(tǒng)中液位計(jì)儀表的選型也很重要。 除了要關(guān)注流量范圍、測(cè)試精度、溫度、壓力、腐蝕環(huán)境外，還要考慮泡沫對(duì)泡沫發(fā)生器內(nèi)的液位傳感器帶來(lái)的影響。 傳統(tǒng)的液位計(jì)有壓力式液位計(jì)、磁翻板式液位計(jì)及超聲波式液位計(jì)等。但在本系統(tǒng)工作過(guò)程中， 泡沫發(fā)生器內(nèi)壓力波動(dòng)很大，無(wú)法用壓力式液位計(jì)測(cè)量；磁翻板式液位計(jì)則因泡沫發(fā)生器中存在大量泡沫， 而測(cè)量準(zhǔn)確率不高； 超聲波式液位計(jì)更因泡沫對(duì)超聲波干擾性太強(qiáng)，無(wú)法應(yīng)用在本系統(tǒng)中。而音叉液位計(jì)具有運(yùn)行中免受液體流動(dòng)、湍流、氣泡、泡沫影響等特性，抗泡沫干擾性較強(qiáng)，因此成為最佳選擇。每個(gè)泡沫發(fā)生器在液位的高低位置各安裝一個(gè)音叉液位計(jì)，保證了工作過(guò)程中發(fā)泡的連續(xù)性。

1.4 污染土壤異味高效阻隔系統(tǒng)的基本參數(shù)

所研發(fā)的系統(tǒng)總用電功率約為8 kW·h，發(fā)泡流量可在0～30 m3/h范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，兩種藥劑在流量最大條件下進(jìn)料量分別為10、100 L/min， 進(jìn)液比為1:10，進(jìn)液量由泵對(duì)應(yīng)的變頻器調(diào)節(jié)，每個(gè)泡沫發(fā)生器罐體內(nèi)有效容積約為64 L。 系統(tǒng)各部件分別安裝在兩臺(tái)推車上（圖4），其中推車1（左側(cè)推車）集成了進(jìn)液槽、進(jìn)料泵1、空壓機(jī)及發(fā)電機(jī)等裝置，外部由可開(kāi)啟式不銹鋼外殼保護(hù)，起到防雨避暑的作用。 推車2（右側(cè)推車）則將兩個(gè)藥劑罐、進(jìn)料泵2、靜態(tài)混合器、泡沫發(fā)生器和控制系統(tǒng)集成于一體，外部同樣有不銹鋼可開(kāi)啟式外殼保護(hù)。 系統(tǒng)分別安裝在兩個(gè)推車內(nèi)，目的是為了在條件（具有氣源、電源等）準(zhǔn)許的情況下，僅使用推車2即可實(shí)現(xiàn)快速異味阻隔過(guò)程操作，減小運(yùn)輸質(zhì)量，提高運(yùn)輸速率；當(dāng)遇到?jīng)]有電源等條件的應(yīng)用場(chǎng)地時(shí)，則推車1、2兩車聯(lián)用，即可實(shí)現(xiàn)快速異味阻隔的操作過(guò)程。 需要說(shuō)明的是，發(fā)泡劑經(jīng)過(guò)發(fā)泡后，產(chǎn)出的泡沫體積是發(fā)泡液的數(shù)幾十倍甚至上百倍 （增加倍數(shù)與發(fā)泡藥劑種類有關(guān)），因此發(fā)泡流量的單位采用m3/h，而不同于藥劑流量單位L/min，便于工程上的實(shí)際應(yīng)用。

圖4 污染土壤異味高效阻隔系統(tǒng)外形圖

2 場(chǎng)地異味阻隔應(yīng)用

2.1 應(yīng)用過(guò)程

研發(fā)的系統(tǒng)在工作前需要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行小試，得出1#和2#兩種藥劑的最佳配比為1:7。 在污染場(chǎng)地修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)， 依照實(shí)驗(yàn)室得出的藥劑配比，并按照實(shí)際流量計(jì)算后，1#藥劑流量為8 L/min，2#藥劑流量為56 L/min。 分別設(shè)定兩個(gè)進(jìn)料泵的流量，開(kāi)啟進(jìn)料泵時(shí)，流量大小會(huì)和泵的變頻器相關(guān)聯(lián)，將進(jìn)料流量快速調(diào)節(jié)為目標(biāo)流量。 進(jìn)料泵啟動(dòng)后兩種藥劑按照比例經(jīng)過(guò)靜態(tài)混合器混合后進(jìn)入到泡沫發(fā)生器中，當(dāng)進(jìn)液完成后（約1 min左右），關(guān)閉進(jìn)液閥，調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力至0.6 MPa，流量30 m3/min，開(kāi)啟進(jìn)氣閥和泡沫出口閥門，開(kāi)始異味阻隔操作，與此同時(shí)另一臺(tái)泡沫發(fā)生器罐體內(nèi)開(kāi)始進(jìn)料操作。 每個(gè)泡沫發(fā)生器單次發(fā)泡時(shí)間約為2 min，發(fā)泡體積約為1 m3。

2.2 應(yīng)用效果

系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用效果如下：

a.在泡沫形狀方面， 所發(fā)泡沫外觀如奶油般細(xì)膩均勻。后經(jīng)儀器檢測(cè)，單位面積（每平方毫米）泡沫數(shù)量約為1 000個(gè)，泡沫大小均勻，穩(wěn)定性好。

b.在阻隔效果方面，泡沫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定覆蓋土壤時(shí)間超過(guò)12 h，8 h內(nèi)對(duì)四氯乙烯、甲苯、正庚烷等VOCs的揮發(fā)抑制率接近100%。 較好地達(dá)到了土壤異位修復(fù)過(guò)程中對(duì)揮發(fā)性/半揮發(fā)性有機(jī)物的異味阻隔目的。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者介紹的污染土壤異味高效阻隔系統(tǒng)中集成了發(fā)電機(jī)、藥劑、氣源等組件，適合在場(chǎng)地修復(fù)中直接使用。 從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和污染場(chǎng)地阻隔需求兩方面出發(fā)，成功研發(fā)出發(fā)泡效果穩(wěn)定，泡沫細(xì)膩、均勻的發(fā)泡系統(tǒng)。 該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高、操作方便，多藥劑罐設(shè)計(jì)可應(yīng)對(duì)多場(chǎng)景異味阻隔需求。 打破了國(guó)外相關(guān)技術(shù)的壟斷局面，解決了場(chǎng)地修復(fù)中異味無(wú)法快速阻隔的難題，同時(shí)通過(guò)綠色高效發(fā)泡劑的研制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物氣體降解的作用，改善場(chǎng)地修復(fù)環(huán)境，降低修復(fù)成本，提高土壤修復(fù)效率，是一種高效、綠色的環(huán)保系統(tǒng)。