退役煉油廠粉砂質(zhì)土壤氣相抽提的影響半徑及因素研究

摘要：利用項目中試數(shù)據(jù)，分析環(huán)境溫度、土壤含水率和抽提負壓對氣相抽提效果的影響。研究結(jié)果表明，粉砂質(zhì)土壤區(qū)域最大影響半徑約為6 m；環(huán)境溫度、土壤含水率和抽提負壓對氣相抽提效果均有明顯影響。

關(guān)鍵詞：氣相抽提技術(shù)；影響半徑；環(huán)境溫度；土壤含水率；抽提負壓

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）09-00-04

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Study on the influence radius and factors of gas-phase extraction of silty soil in retired refineries

LUO Gubai1， WANG Xiangfeng2， WANG Chaowen1， LIU Jingjing1， YU Huidong1， JI Mingfu1， LYU Jinshuo1

（1. Center International Group Co.， Ltd.， Beijing 100176， China;

2. Qingyang Ecological Environment Bureau， Qingyang 745099， China）

Abstract： Using project pilot data， the effects of environmental temperature， soil moisture content， and extraction negative pressure on gas-phase extraction efficiency are analyzed. The research results indicate that the maximum impact radius of the sandy soil area is about 6 m; the environmental temperature， soil moisture content， and extraction negative pressure all have a significant impact on the gas-phase extraction efficiency.

Keywords： gas-phase extraction technology; influence radius; environmental temperature; soil moisture content; extraction negative pressure

土壤污染是指某些元素超標導致土壤效力下降，影響農(nóng)作物生產(chǎn)和人民群眾的正常生活[1]，污染土壤修復已成為亟待解決的問題。氣相抽提技術(shù)是一種安全、經(jīng)濟、高效的有機污染土壤原位修復技術(shù)[2-3]。介質(zhì)粒徑對氣相抽提技術(shù)的處理效果有重大影響，不同質(zhì)地土壤的通透性不同，氣相抽提技術(shù)的影響半徑也不一樣[4]。國內(nèi)外對氣相抽提技術(shù)影響半徑的研究較少。Cho等[5]研究指出，當抽提負壓為-25 kPa時，砂質(zhì)土壤氣相抽提的影響半徑為3.46 m。王峰等[6]研究表明，當抽提負壓為-24 kPa時，細砂土壤氣相抽提的影響半徑約為12 m。國內(nèi)圍繞熱強化氣相抽提技術(shù)去除特征污染物的研究較多，氣相抽提技術(shù)修復效果因素的研究較少。

1 氣相抽提技術(shù)的原理

氣相抽提技術(shù)是一種利用氣體流動性來移除土壤和地下水中揮發(fā)性有機污染物的方法。通過在污染場地中鉆井并安裝抽提井，氣相抽提設備將空氣或其他氣體注入地下，迫使污染物從土壤中揮發(fā)并被抽提出地面，從而達到修復污染土壤的目的。根據(jù)氣相抽提流程，氣相抽提設備通過抽提井將空氣注入地下，使空氣在土壤孔隙中流動，增加土壤中揮發(fā)性有機污染物的蒸發(fā)速率。隨著空氣在土壤中的流動，污染物被帶入氣相，從土壤顆粒表面揮發(fā)到空氣中。這一過程受污染物的揮發(fā)性、土壤的通透性以及注入空氣的流量和壓力等因素的影響。

氣相抽提技術(shù)的關(guān)鍵原理是利用氣體的流動性和污染物的揮發(fā)性。污染物的飽和蒸氣壓決定其從液相或固相轉(zhuǎn)移到氣相的能力。溫度升高會增加污染物的飽和蒸氣壓，從而提高其揮發(fā)速率。應用氣相抽提技術(shù)時，可以通過加熱土壤來增加污染物的揮發(fā)速率，從而提高抽提效率。抽提過程中，設備還會通過監(jiān)測抽提氣體的成分來評估污染物的去除效果。

2 材料與方法

某退役煉油廠位于甘肅省慶陽市的黃土區(qū)。場地調(diào)查結(jié)果顯示，該煉廠部分區(qū)域苯系物和石油烴的含量超過人體健康可接受的水平，對生態(tài)環(huán)境和公共健康構(gòu)成潛在威脅。為評估和修復該污染區(qū)域，進行詳細的水文地質(zhì)勘查?？辈榻Y(jié)果表明，研究區(qū)土壤可分為4層。最上層為雜填土層，深度為0.5～2.0 m；第二層為粉砂層，深度為2.0～9.2 m；第三層為圓礫層，深度為9.2～10.5 m；最下層為泥巖層，深度在10.5 m以下。每層土壤的特性和分布為研究氣相抽提技術(shù)在不同土壤條件下的應用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

原位氣相抽提試驗采用氣相抽提設備，可提供的最大壓力為-25 kPa，額定流量為500 m3/h。試驗共建9口井，包括1口抽提井、8口監(jiān)測井。其中，抽提井埋深為7 m，井管直徑為63 mm，篩管深度為3.0～6.5 m。試驗井布置如圖1所示。試驗開展時間為2022年4月。

3 結(jié)果與討論

3.1 影響半徑

以#0為抽提井，#X1～#X4和#Y1～#Y4為監(jiān)測井，分別測量設備端抽提負壓為-10 kPa和-15 kPa條件下抽提井和監(jiān)測井的負壓，監(jiān)測結(jié)果如圖2和圖3所示。數(shù)據(jù)顯示，整體上，隨著設備端抽提負壓的增加，抽提井負壓和監(jiān)測井負壓均增加，距離抽提井8 m處的監(jiān)測井仍能監(jiān)測到負壓。設備端抽提負壓為15 kPa時，抽提井負壓為9.5 kPa，影響半徑為6～8 m；設備端抽提負壓為10 kPa時，抽提井負壓為5.12 kPa，影響半徑為6 m。其間通過經(jīng)驗公式計算影響半徑。將相關(guān)技術(shù)參數(shù)帶入式（1）可得，在設備端負壓為15 kPa和10 kPa條件下，影響半徑最大均為8 m。經(jīng)綜合分析，砂質(zhì)土壤的影響半徑為6～8 m，保守取值為6 m。

（1）

式中：Pd為距離抽提井d處的監(jiān)測井壓強，kPa；

Pw為抽提井的壓強，kPa；Pr為影響半徑處的壓強，kPa；d為監(jiān)測井與抽提井的距離，m；r為影響半徑，m；Rw為抽提井的半徑，m。

虛線上的數(shù)字表示井內(nèi)負壓，單位為kPa。

虛線上的數(shù)字表示井內(nèi)負壓，單位為kPa。

3.2 影響因素

環(huán)境溫度和土壤含水率是影響氣相抽提效率的重要因素。環(huán)境溫度的影響主要表現(xiàn)在兩個方面，一是污染物抽提濃度，二是流量。

3.2.1 環(huán)境溫度

環(huán)境溫度表示環(huán)境冷熱程度，直接影響氣相抽提效果。升高土壤溫度會增加有機物的飽和蒸氣壓，從而提高污染物的揮發(fā)速率。中試期間，甘肅省慶陽市連續(xù)一周的最高溫度和最低溫度變化趨勢如圖4所示。試驗結(jié)果顯示，溫度的晝夜變化對污染物的去除速率有顯著影響，白天溫度較高時，污染物揮發(fā)速率增加，抽提效率提升。夜間溫度降低，揮發(fā)速率減慢，抽提效率有所降低。

環(huán)境溫度的晝夜變化對污染物抽提濃度有顯著影響。爆炸極限是指可燃物質(zhì)（如可燃氣體、蒸氣和粉塵）與空氣（或氧氣）在一定濃度范圍內(nèi)均勻混合，遇到火源時可能發(fā)生爆炸的濃度范圍。試驗結(jié)果如圖5

所示，苯的爆炸下限占比呈現(xiàn)明顯的晝夜交替變化。白天，苯的爆炸下限占比明顯高于夜晚，晝夜差值最大達到5%。這一現(xiàn)象表明環(huán)境溫度的變化對污染物的去除速率有一定影響。白天溫度較高時，苯的飽和蒸氣壓增大，導致苯的揮發(fā)速率增加，從而提高抽提效率。相反，夜間溫度較低時，苯的蒸氣壓下降，揮發(fā)速率減慢，導致抽提效率降低。這種晝夜溫差導致的揮發(fā)速率變化影響氣相抽提技術(shù)的整體效果。

環(huán)境溫度可以影響空氣流量，進而影響氣相抽提效果?？諝饬髁渴侵竼挝粫r間內(nèi)空氣的流通量，用于衡量鼓風機或通風設備的性能。通過對氣相抽提設備鼓風機流量的連續(xù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，夜間流量明顯大于白天，如圖6所示。計算結(jié)果表明，羅茨風機在夜間的最大流量比白天高出約10%。這一現(xiàn)象主要是由于夜間溫度降低，污染物的揮發(fā)和降解速率變慢，導致空氣中的污染物濃度降低，從而使廢氣的質(zhì)量變輕。廢氣質(zhì)量的減輕使得抽提設備能夠以更高的速率抽取空氣，增加夜間的流量。夜間溫度低，污染物的蒸氣壓下降，揮發(fā)速率減慢，使得污染物濃度降低。廢氣的污染物濃度較低，空氣密度減小，這使得抽提設備能夠以更高的效率運行，抽提速率增加。因此，夜間的抽提流量高于白天。為了提高污染物的去除效率，可以在夜間通過提高設備的抽提流量來增強污染物的去除強度。這種方法可以有效利用夜間溫度低、空氣流量大的優(yōu)勢，增加污染物的去除量。

3.2.2 土壤含水率

土壤含水率會影響土壤的透氣率，進而影響氣相抽提技術(shù)的抽提效率。使用油水界面儀監(jiān)測氣相抽提技術(shù)施用前后地下水水位埋深，采用便攜式光離子化檢測儀（Photo Ionization Detectors，PID）監(jiān)測氣相抽提技術(shù)施用前后的揮發(fā)性有機污染物濃度，監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。數(shù)據(jù)顯示，污染物濃度與地下水埋深存在相關(guān)性，隨著地下水埋深的降低，污染物濃度呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢。對比降水前純氣相抽提階段和多相抽提階段污染物濃度可知，降水前的平均抽提濃度為441.5×10-6，降水后的每日平均抽提濃度為765.3×10-6，污染物的抽提效率增加42.3%。

用Excel軟件對污染物濃度變化趨勢進行擬合，決定系數(shù)為0.725 3，表明擬合程度較好，可解釋程度好。隨著土壤含水率逐漸降低，抽提速率逐漸增加。

4 結(jié)論

研究表明，粉砂質(zhì)土壤區(qū)域氣相抽提的影響半徑約為6 m。環(huán)境溫度是影響氣相抽提速率的重要因素，晝夜溫差大的區(qū)域可以采用白天抽提、晚上停抽的運行模式，減少經(jīng)濟成本。隨著土壤含水率的減少，氣相抽提速率逐漸增加。

參考文獻

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6 王 峰，王慧玲.土壤氣相抽提影響半徑及透氣率現(xiàn)場試驗[J].環(huán)境科學與技術(shù)，2011（7）：134-137.