王慧玲;王峰;张学平;王文峰
【摘 要】为研究气相抽提技术(SVE)现场去污效果及影响因素,在北京市某化工厂搬迁遗留场地,以苯系物为目标污染物,应用气相抽提法进行场地污染修复现场小试,考察了气相抽提真空度、气体抽排流量、空气渗透率及温度变化等的影响.试验结果表明,抽提真空度存在最优值(试验场地在30 kPa左右),在该值附近,抽取的气体流量最大(流量为13.5 m3/h);抽出气体的污染物浓度及去污速率随流量增大而提高,在不考虑污染物由土壤中迁移过程的限制时,去污速率基本正比于抽气流量;土壤的透气性越强,气相抽提的影响半径越大,抽气流量以及去除污染物的速率也越高;抽出气体的污染物浓度及去除速率总体随温度的升高而增大. 【期刊名称】《科学技术与工程》 【年(卷),期】2015(015)010 【总页数】6页(P238-242,246)
【关键词】气相抽提;污染物浓度;真空度;流量;渗透率;温度 【作 者】王慧玲;王峰;张学平;王文峰
【作者单位】北京市勘察设计研究院有限公司,北京100038;北京市勘察设计研究院有限公司,北京100038;北京市勘察设计研究院有限公司,北京100038;北京市勘察设计研究院有限公司,北京100038 【正文语种】中 文 【中图分类】X53
随着社会经济发展和城市化进程加快，城市市区内大量的企业外迁，工业废弃场地的再开发利用是可持续发展的必然选择。然而工业企业搬迁遗留场地往往受到挥发性有机化合物、重金属等多种污染物的污染，污染程度重、污染分布相对集中[1，2]。若不进行治理修复，将存在很大的环境隐患，将对人居环境质量和居民健康造成危害。
土壤气相抽提(soil vapor extraction，SVE)，也称土壤通风或真空抽提，是始于20世纪80年代中后期的一种土壤原位修复技术。该技术应用引风机或真空泵产生负压，驱使空气流过污染的土壤孔隙，促进有机物挥发，夹带VOCs流向抽取系统并抽提到地面，然后再进行分离、收集和处理，以达到净化的目的。因该项技术对污染土壤中挥发性污染物治理的有效性，被欧美等国大力倡导应用。国际上对SVE技术的去污机理以及影响因素、模拟模型都进行了较为系统的研究[3], 而且在许多污染场所进行了实践应用，取得了较好的处理效果。
因VOCs在土壤/沉积物中的赋存形态和迁移转化受多孔介质性质和污染物性质的影响，因此，SVE的运行修复效果受污染物的蒸气压与可溶性、土壤的孔隙度、含水率与渗透率、土壤有机质含量、抽气流量、以及环境温度等因素影响[3]。其中，气体抽排流量和土壤空气渗透率是影响SVE净化时间和污染物去除率的重要因素。我国开展SVE研究相对较晚，通过现场试验，对上述因素的影响性质及程度进行研究，对于污染场地SVE系统的设计和应用具有重要的指导意义。通过在某化工厂污染场地建立土壤气相抽提系统，以苯系物为目标污染物，应用SVE技术进行场地污染修复现场试验，并监测气相抽提真空度、抽气流量、温度及污染物浓度等参数，分析实际应用过程中，气相抽提真空度以及气体抽排流量变化、渗透率差异及温度变化等对去污效果的具体影响。
试验场地位于北京市某化工厂内，在化工厂的粗苯车间附近，占地面积约1 000 m2。粗苯车间建立于20世纪60年代，主要有洗萘、脱苯等工艺，污染物主要为
苯系物及多环芳烃。 1.1 地层及地下水分布条件
试验场地地形基本平坦，地面标高在31 m左右。地面下2.0 m内以房渣土和粉土填土为主，土层透气性差异较大；地面下2.0～7.5 m主要为粉土和粉砂，呈非饱和状态，透气性相对较强；7.5～8.5 m主要为粉质黏土，透气性差；地面下8.5～18.0 m为细砂层，透气性及透水性均较强。试验场地典型地层分布见图1。 试验场地地面下18 m深度内主要分布1层地下水，该层地下水赋存于细砂层中，水位埋深在13 m左右，静止水位标高为18 m左右，地下水类型为潜水。场地地面下7.5 m内的粉土和粉砂层在丰水季节或年份也可赋存地下水。 1.2 污染物分布特征
试验场地为已运行40余年的粗苯车间用地，由于长期生产排放以及泄漏等原因，试验场地内的土壤普遍被污染，特征污染物为挥发性有机化合物(主要为苯、甲苯、乙苯、二甲苯等)、半挥发性有机化合物(主要为多环芳烃)。污染最严重的土层为地面下4～6 m的粉砂以及8～10 m的粉质黏土和细砂层，土壤中VOCs的浓度最高可达103mg/kg。
SVE技术适用于去除强透气土层中的挥发性有机污染物，试验场地内被苯系物污染的粉砂、细砂及粉土层即适宜应用SVE技术进行修复，现场重点针对地面下7.5 m以内非饱和且重污染的粉土和粉砂层进行气相抽提试验。同时，为分析渗透率影响，还针对8.5 m以下非饱和的细砂层进行抽气。 2.1 试验设计
试验场地内布设8 m深抽气井1眼(编号为SVE-P1)、监测井5眼(编号分别为P1、P2和P3、P13、P14)，井径75 mm、过滤管长度为4 m，主要针对4.0～7.5 m内非饱和的粉土和粉砂层进行设置。同时还布设10 m深抽气井1眼(编号为SVE-P3)、观测井3眼(编号分别为P4～P6)，井径75 mm、过滤管长度为2 m，针对
8.5 m以下的细砂层。
试验场地采用水环真空泵作为动力设备，将土壤中的挥发性气体通过抽气井抽出，经过与抽气井连接的管道进入气液分离装置、真空泵，最终进入尾气设备进行处理。 监测仪器主要有真空仪、流量计、温度计以及PID气体检测仪，真空仪设置于抽气井及监测井上；气体采样口和流量计、温度计均布置在连接真空泵和抽气井的临时管道上，PID气体检测仪放置于采样口处检测污染气体浓度。 2.2 试验运行及监测
为分析真空度及抽气流量对去污效果的影响，将真空泵的真空度分别调至13 kPa、18 kPa、24 kPa、30 kPa、32 kPa和36 kPa，在不同真空度条件下运行SVE系统，对SVE-P1抽气井(8 m深井)进行抽气，抽气时间为1 h左右，恢复时间在3 h以上。
为分析土壤空气渗透率对系统运行效率的影响，分别针对不同土层，利用SVE-P1(8 m深井)和SVE-P3(10 m深井)进行抽气，在13 kPa、18 kPa和24 kPa抽气真空度下运行1 h以上。
系统运行过程中，同时测量各监测井的真空度、抽气井的气体流量及浓度、抽气温度等参数，用于分析不同因素对现场去污效果的影响。 3.1 真空度及抽气量影响
由SVE系统运行所引起的地下空气流动与多种因素相关：抽气真空度、土壤含水量及空气渗透率、地下水埋深等。试验场地地层基本均质，同一土层的土壤含水率及渗透率差异不大，可以依据监测资料，分析真空度、抽气流量以及污染物去除量之间的关系。
3.1.1 抽气量与真空度关系
现场试验过程中，抽气真空度对气体流量有显著影响(见图3)。真空度在12～25 kPa时，气体流量较小，流量随真空度提高而增大的趋势也较为平缓；而当真空度
高于25 kPa后，气体流量明显增加，由25 kPa 时的2 m3/h提升至30 kPa的13 m3/h左右；当真空度高于30 kPa后，气体流量呈急剧下降趋势。
分析气体流量随真空度变化的趋势可知，气体流量与真空度并非线性相关，抽气真空度存在一个最优值。在该值附近，抽取的气体流量最大。而在该区间外，当真空度较小时，气体流量随真空度提高而增大；当真空度较大时，气体流量随真空度提高而减小，无论是提升或是降低真空度，气体流量均相对较低。
根据真空泵的运行特性[4]，在真空度小于70 kPa的情况下，抽气流量应随真空度的提高不断增大，而SVE系统运行所体现的规律与其特性并不一致。分析该现象出现的原因，推测应是由于抽气井抽取真空造成地下水位抬升或含水率提高，抽气井附近的水位或土壤饱和度的变化最大，进而影响透气通道，导致抽气真空度增大抽气量反而有所下降。分析SVE系统在30 kPa真空度以及36 kPa真空度下运行时各监测井的压力降资料可知，系统进行气相抽提后，在土壤中形成压力降，大于30 kPa后，即使在抽气真空度差异达6 kPa时，同一监测井的真空度也还基本一致，P1、P2和P3监测井的真空度分别为5.2 kPa、2.6 kPa和1.2 kPa，在距抽气井3 m远处的土层负压即基本一致，表明在距抽气井小于3 m的影响范围内，36 kPa真空度下的真空度分布更为集中，但抽气量却明显降低。在现场操作过程中，36 kPa真空度时，抽气井中有液态水抽出，可以证实因高真空度抽气导致抽气井附近土层含水率发生变化，导致抽气量反而下降，也与Johnson等[5]的研究得出的抽气将导致地下水位抬升或含水率提高的结论一致。 3.1.2 污染物浓度及去除速率与流量关系
依据系统在不同真空度下运行时的流量及污染物资料，绘制污染物浓度随抽气流量变化曲线见图4，由图可见，随着抽气流量的增大，抽出气体的污染物浓度提高，但提高速率随抽气流量增大而有所差异。在流量较小时(小于2 m3/h)，污染物浓度随流量增大而显著提高；当抽气流量大于2 m3/h后，污染物浓度始终随流量增
大而提升，但其趋势不断减缓。
依据现场试验抽气流量及污染物浓度资料，可分析不同抽气流量下的污染物去除速率变化情况(图5)，随着抽气流量的增大，污染物去除速率不断提高。污染物去除速率正比于抽气流量，且基本线性相关。与Fall[6]和maria等[7]的研究成果体现的在不考虑污染物在土壤中迁移过程的限制时，抽提流量将正比于去污速率的一般规律一致，通风速率增加，去除污染所需时间愈短，但总体依然体现为在系统运行初期污染浓度降低明显，之后将进入长时间的拖尾阶段[8,9]。
抽气引起的真空将促使土壤中非水相液体的挥发、孔隙水中溶解态污染物挥发以及吸附态有机污染物的解吸，提高抽气速率，一般能提高SVE的修复效率，而当孔隙流速超过一定限值时，由于有机物相间传质过程中气相对流传质阻力和液相扩散阻力的影响，污染物的去除速率将不再显著增加，土壤气体抽排流速及流量存在最佳值。而本次试验过程中，由于抽气流量相对较小，尚未体现出流速限制的影响。 在实际的SVE修复过程中，由于土壤特性的空间变异性，应用过程中，需依据场地特性，综合考虑净化时间和去除效率确定出最佳真空度及抽气流量，从而减少尾气的处理量并降低运行成本，达到最佳的修复效果。 3.2 土壤空气渗透率影响
土壤的空气渗透率表征气体透过土体的能力，是反映土壤特性对土壤空气更新速率的综合影响指标，其影响土壤中空气流速及气相运动，直接决定SVE技术的可行性。土壤的空气渗透率通常受到孔隙大小和分布、孔隙度、饱和度及土壤空间变异性等因素影响。
依据现场试验资料，利用抽气井与各个监测井的真空度及距离数据，应用相关理论公式计算求得场地地面下7.5 m以内的粉土与粉砂层，即8 m深井抽气针对层位的综合空气渗透率在3×10-12m2，而埋深8.5 m以下的细砂层，即10 m深井抽气针对层位的空气渗透率在3×10-11m2，不同土层的空气渗透率差异较大。
依据现场监测资料，在一定的真空度下，针对不同土层气相抽提试验的影响范围以及抽气流量不同。在相同的抽气真空度条件下，10 m深监测井(针对细砂层)量测到的真空度均高于8 m深监测井(针对粉土与粉砂)，且细砂层的真空度梯度相对较为平缓，影响范围较大(图6)。
在相同的真空度下，透气性较强的细砂层的抽气流量远大于粉土、粉砂层，达到其150倍以上；其污染物的去除速率也明显较高；且真空度越小，其差异越明显，具体见表1。
James[10]和Frank[11]等的研究成果表明，土壤空气渗透率对于 VOCs 的去除时间有重要影响，渗透率越高，VOCs的去除时间越短，提高土壤空气渗透率，能够加快污染物净化效率。本次现场试验也反应出，土壤的渗透性显著影响土壤中空气流速及气相运动，土壤的透气性越强，气相运动加快，在相同真空度下，气相抽提的压力影响范围、流量以及去除污染物的速率也越大。 3.3 温度影响
系统运行期间，当真空度在18 kPa，流量稳定于17.5 m3/h时，监测抽出气体的污染物浓度与温度随时间的变化。抽出气体的温度与环境温度变化规律基本一致，在中午附近达到最高值，之后开始下降；污染物浓度变化趋势与抽气温度的变化趋势基本一致，在中午附近达到峰值，随后开始下降(见图7)。表明在现场应用过程中，气体污染物浓度及污染物去除速率与温度变化有一定相关性，均将随温度升高而增大。
相关研究表明，SVE技术受到有机污染物蒸汽压影响，具有较高蒸汽压的污染物易于被去除，而决定气体蒸汽压的主要因素是环境温度。环境温度越高，有机物饱和蒸汽压越大，越易挥发，有利于SVE技术修复。温度对有机物蒸汽压的影响可由Antoine方程表示
式中P为温度T时的蒸汽压(kPa)；T为温度(K)；A、B及C均为物质的安东尼常
数。
此外，土壤环境温度越高，越有利于土壤颗粒中吸附态有机物的解吸，加速VOCs蒸汽态的形成。对于大部分中等分子量的有机化合物，温度上升10 ℃，其饱和蒸汽压将会增加3～4倍。且影响SVE运行效率的亨利常数也受温度的影响，当温度上升10 ℃，亨利常数约增加1.6倍[12]，有机污染物更易从水相中挥发进入气相，被抽排气流带走。理论分析认为提高土壤温度能够增加污染物的挥发性，加速污染物的去除，缩短污染土壤的净化时间。本次现场试验结果所体现的污染物去除效率随环境温度升高而增大的趋势，与理论分析基本一致，而研究者也已经证实使用各种方法使土壤温度上升后，其修复速率和去除污染物的范围都将增大[13,14]。 3.4 相关结论
1) SVE系统抽提真空度与抽气流量并非线性相关，而是存在最优值，在最优值附近，抽取的气体流量最大；而在该区间外，无论是提升或是降低真空度，气体流量均相对较低。
2) 抽气污染物浓度随流量增大而提高，但其提升速率在流量小时较为明显，而在抽气流量增大后提升的趋势减缓。
3) 污染物去除速率随抽气流量的增大而不断提高，当不考虑污染物由土壤中迁移过程的限制时，去污速率基本正比于抽气流量。
4) 土壤的空气渗透率越高，在相同的抽提真空度条件下，气相抽提的影响半径越大，抽气流量以及去除污染物的速率也越高。
5) 气体的污染物浓度及去除速率与抽气温度显著相关，总体随温度的升高而增大。
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