引言
隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，石油及其產(chǎn)品的需求量不斷增大，諸多原因致使石油類污染土壤日益增多，已經(jīng)成了亟待解決的重大環(huán)境問題。劉五星等調(diào)查發(fā)現(xiàn)，部分油田區(qū)土壤受石油污染嚴(yán)重，其中在油井周圍100m內(nèi)采集的絕大多數(shù)土樣中石油含量遠(yuǎn)高于臨界值(500mg/kg) 。石油類污染土壤分為異位修復(fù)和原位修復(fù)。前者先將污染土壤挖出，再進(jìn)行后續(xù)處理，簡(jiǎn)單易行，但容易造成二次污染，且修復(fù)費(fèi)用較高，一般適用于小規(guī)模或重污染土壤的修復(fù);后者最常用的是氣相抽提技術(shù)(soil vapor extraction，SVE)，因具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作靈活、凈化效率較高、對(duì)周圍環(huán)境危害小、治理費(fèi)用低等特點(diǎn)，是石油類污染土壤修復(fù)技術(shù)研究熱點(diǎn)之一。
1 SVE概述
SVE又稱土壤真空抽提或土壤通風(fēng)，是去除不飽和土壤中揮發(fā)性(VOCs)和半揮發(fā)性(SVOCs)有機(jī)物的一種原位修復(fù)技術(shù)，其機(jī)理是將新鮮空氣通過進(jìn)氣井注入土壤污染區(qū)域，利用真空泵/引風(fēng)機(jī)產(chǎn)生負(fù)壓，由空氣解吸并夾帶土壤中的有機(jī)物，經(jīng)由抽氣井流回到地面上收集并處理。抽出的尾氣經(jīng)凈化處理達(dá)標(biāo)后可排入大氣或重新注入地下循環(huán)使用。系統(tǒng)包括進(jìn)氣井、抽氣井、真空泵/引風(fēng)機(jī)、氣液分離裝置、氣體收集管道、氣體凈化與處理設(shè)備以及輔助設(shè)施。典型的SVE裝置見圖1。
1.1修復(fù)原理
VOCs在土壤中主要有4 種存在形式：氣相、溶解相、非水相流體(NAPL)相、吸附相。氣相是指污染物揮發(fā)進(jìn)入氣體的部分，溶解相是指污染物溶于水的部分，非水相流體(NAPL)相是指污染物以液態(tài)形式存在于土壤孔隙中的部分，吸附相是指污染物吸附在土壤顆粒上的部分。NAPL進(jìn)入土壤后，部分進(jìn)入水中，同時(shí)有部分揮發(fā)進(jìn)入氣相中，而氣相中污染物蒸汽處于飽和狀態(tài)。SVE開始后，土壤孔隙中的空氣被抽出，氣相中污染物濃度降低，NAPL相、吸附相和溶解相的污染物不斷向氣相轉(zhuǎn)移，污染物以土壤氣為載體逐漸被去除。在SVE初期，污染物主要以NAPL相存在，NAPL相對(duì)氣相的相間傳質(zhì)起主導(dǎo)作用，尾氣中污染物濃度較高。隨著SVE的運(yùn)行，NAPL相消失后，只有溶解相和吸附相向氣相發(fā)生轉(zhuǎn)移，尾氣中污染物濃度會(huì)急劇降低并維持在一個(gè)較低水平，產(chǎn)生“拖尾”效應(yīng)，導(dǎo)致該效應(yīng)的主要原因是土壤孔隙不均造成的優(yōu)先流和污染物組分揮發(fā)性程度的差異。
1.2適用范圍
SVE主要用于揮發(fā)性較強(qiáng)的有機(jī)污染修復(fù)，且要求土壤質(zhì)地均一、滲透性好、孔隙率大、含水率小及地下水位較低。表1給出了適用于SVE修復(fù)的污染場(chǎng)地和污染物的部分參數(shù)條件。
1.3修復(fù)成本
SVE的修復(fù)成本相對(duì)低廉，與污染物濃度及其分布、土壤的滲透性和各向異質(zhì)性、修復(fù)目標(biāo)等因素有關(guān)，約合26~78美元/m3，修復(fù)時(shí)間為6~12個(gè)月。整個(gè)費(fèi)用中，尾氣處理費(fèi)用約占總費(fèi)用的50%，因而采取經(jīng)濟(jì)、高效的尾氣處理方法可以大幅降低成本。研究發(fā)現(xiàn)在修復(fù)過程后期，進(jìn)行間歇操作或強(qiáng)化SVE的生物降解作用，可減少尾氣處理成本，提高單位能耗凈化效率。
2 SVE研究進(jìn)展
2.1SVE理論進(jìn)展
SVE理論研究主要集中在去污過程中污染物的運(yùn)移、相間傳質(zhì)、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)值模擬等方面。污染物的運(yùn)移主要考慮氣相中的壓力誘導(dǎo)對(duì)流和擴(kuò)散兩種形式。Marley等先后提出并發(fā)展了局部相平衡理論，但事實(shí)證明局部相平衡假設(shè)太過簡(jiǎn)單化，實(shí)際傳質(zhì)過程中必須考慮非平衡的因素。Wilkins等提出了非平衡傳質(zhì)模型，很好地估算了氣相與NAPL相間的傳質(zhì)系數(shù)。Armstrong等在不含NAPL的模擬實(shí)驗(yàn)中對(duì)氣-液(水)傳質(zhì)和液(水)-固傳質(zhì)系數(shù)的影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)，表明揮發(fā)動(dòng)力學(xué)是整個(gè)SVE過程的主要控制因素。周友亞等模擬表明：在通風(fēng)初期相平衡模型能夠很好地描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，隨著時(shí)間的推移，相平衡模型的預(yù)測(cè)曲線逐漸偏離數(shù)據(jù)點(diǎn)，到了通風(fēng)中后期，只有動(dòng)力學(xué)模型才能較好地描述和預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Johnson等將壓縮流體動(dòng)力學(xué)應(yīng)用于SVE修復(fù)模型，建立了一維軸對(duì)稱滲流流場(chǎng)的解析模型，較完整地實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)條件下的抽提真空度、抽氣流量和Darcy流速等方面的定量模擬。黃國(guó)強(qiáng)等采用GaIerkin三角形有限單元法對(duì)復(fù)合地表邊界的豎井SVE穩(wěn)態(tài)流動(dòng)問題進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，再采用一個(gè)穩(wěn)定的交替方向有限差分(ADI)解出傳質(zhì)微分方程，實(shí)現(xiàn)了多維情況下豎井SVE修復(fù)的完整模擬過程。Rathfelder等利用多相流動(dòng)過程、多組分輸運(yùn)、非平衡相間傳質(zhì)及好氧生物降解相結(jié)合的MISER軟件模擬了現(xiàn)場(chǎng)SVE過程，探究了物理、化學(xué)和生物過程間的相互作用及以上過程對(duì)污染物去除效率的影響。
2.2SVE 應(yīng)用進(jìn)展
SVE在國(guó)外比較成熟，至今已有大量的工程應(yīng)用實(shí)例。20世紀(jì)80年代初，德克薩斯研究院首先通過實(shí)地調(diào)查，說明SVE是一種高效的去污技術(shù)，其成本不及土壤挖掘法、清洗法的10%，速度卻是以上兩者的5倍以上。1984年美國(guó)Terravac公司申請(qǐng)并獲得了該技術(shù)的第1項(xiàng)專利。1988年美國(guó)猶他州某空軍基地因航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃料泄漏造成0.4×104m2、深度為15m的土壤污染，土壤中石油烴(TPH)濃度最高達(dá)到5000mg/kg，經(jīng)SVE處理后，其濃度可降至410mg/kg。90年代后SVE發(fā)展迅速，到1997年，全美已有27%“超級(jí)基金”地點(diǎn)應(yīng)用SVE技術(shù)，許多州還把它作為去除土壤中VOCs的一種標(biāo)準(zhǔn)方法。歐洲、澳洲、加拿大、日本、印度等地也先后進(jìn)行了與SVE修復(fù)有關(guān)的研究和應(yīng)用。Manneol等在巴西某氯代溶劑污染的工業(yè)場(chǎng)地應(yīng)用SVE進(jìn)行設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)和修復(fù)效果方面的研究。截至2005年，在美國(guó)已修復(fù)的1104個(gè)污染場(chǎng)地中，SVE已應(yīng)用于其中的248個(gè)，列于首位。近年來，SVE又開始深入到生物修復(fù)和地下水修復(fù)等多學(xué)科領(lǐng)域，日益受到重視。
我國(guó)對(duì)SVE的研究起步較晚，20世紀(jì)90年代中期才開始進(jìn)行，目前主要處于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)中試實(shí)驗(yàn)階段，在工程應(yīng)用上缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。李金惠等以華北地區(qū)典型土壤為實(shí)驗(yàn)土樣，通過一維土柱實(shí)驗(yàn)，研究了抽排氣體流速、土壤含水率和土質(zhì)對(duì)油污染物去污過程的影響。王喜等依據(jù)VOCs濃度變化將SVE過程劃分為高效去除階段和低效率的拖尾階段。王玉通過在北京市某焦化廠進(jìn)行了SVE現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測(cè)了系統(tǒng)運(yùn)行的土壤氣相壓力變化，求取了土壤透氣率和抽氣影響半徑。劉沙沙等在廣東省某柴油污染場(chǎng)地開展了SVE修復(fù)示范工程，3個(gè)多月后，土壤中TPH的最高去除率達(dá)64.88%。
3 SVE 的影響因素
3.1土壤透氣率
土壤透氣率是表征氣體穿過土層難易程度的參數(shù)，是影響SVE效能最重要的土壤因素，主要由土壤顆粒的粒徑分布、孔隙度、含水率及空間向異性等因素綜合決定。SVE主要適用于滲透性較高的土壤，對(duì)于滲透率大于10-6cm2的砂土尤為適用。Wilkins等對(duì)各種土壤進(jìn)行了綜合SVE測(cè)試，測(cè)量了不同土壤的VOCs抽排速率和土壤氣相透氣率張量值，對(duì)土壤透氣率做了定量描述。周友亞等研究了不同土質(zhì)對(duì)苯污染土壤去污過程的影響，結(jié)果表明具有最大孔隙率的北京潮土凈化時(shí)間最短。Frank和Ding等的實(shí)踐證明，現(xiàn)場(chǎng)可用氣壓和水壓裝置改變土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以提高土壤透氣率，去除更多VOCs。
3.2土壤含水率
土壤含水率也是影響SVE修復(fù)效果的重要因素。一方面土壤水分會(huì)占據(jù)土壤孔隙通道，含水率升高會(huì)降低土壤透氣率，不利于污染物的揮發(fā);另一方面，水分子極性一般強(qiáng)于VOCs，更易與土壤的有機(jī)質(zhì)結(jié)合，含水率增加會(huì)降低土壤微粒對(duì)有機(jī)物分子的吸附程度，促進(jìn)揮發(fā)過程。Yoon等研究了一維條件下，含水率對(duì)SVE修復(fù)過程中NAPL相向氣相轉(zhuǎn)化的影響，結(jié)果表明在土壤含水率為61%時(shí)，液氣傳質(zhì)過程受到很大限制，且很快會(huì)出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象。Qin等對(duì)2種不同的土壤進(jìn)行了SVE實(shí)驗(yàn)，在有機(jī)質(zhì)含量為0.4%的土壤中，含水率增加會(huì)降低氯苯去除率;但在有機(jī)質(zhì)含量為5.4%的土壤中，氯苯去除率隨含水量的增加先增大后減小。
3.3抽氣速率
抽氣速率對(duì)VOCs的去除有顯著影響。一般增大抽氣速率能提高SVE修復(fù)效率，縮短修復(fù)時(shí)間，同時(shí)也會(huì)增加設(shè)備投資和能耗，速率過大還可能導(dǎo)致土壤中的優(yōu)先流，產(chǎn)生“拖尾”效應(yīng)。因而在修復(fù)工程中，確定SVE系統(tǒng)的最佳抽氣速率可以大大減少尾氣處理量并降低凈化成本。Crow和Fall在汽油泄露處設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)去污通風(fēng)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)隨著空氣流速增大，汽油蒸氣去除速率也增大，土壤中汽油蒸氣濃度的減少取決于抽氣流速而不是引發(fā)的真空度。Albergaria等研究了抽氣速率對(duì)砂土中SVE去污過程的影響，發(fā)現(xiàn)抽氣速率存在最佳值，超過該數(shù)值后，污染物去除率無明顯變化。
3.4有機(jī)物飽和蒸氣壓和環(huán)境溫度
決定氣體蒸氣壓的主要因素是環(huán)境溫度，加熱土壤能增大有機(jī)物飽和蒸氣壓，提高揮發(fā)速率，還去除許多難揮發(fā)性有機(jī)物。石油產(chǎn)品中一些易揮發(fā)的輕組分，如汽油可用SVE很快去除，但一些難揮發(fā)的重組分，如柴油、燃料油、煤油以及潤(rùn)滑油等，SVE的應(yīng)用就受到嚴(yán)重限制。Popendieck等研究發(fā)現(xiàn)，土壤溫度上升到50~150℃時(shí)，去除速率和可去除的污染物范圍都增大了。如果土壤溫度上升到使有機(jī)物蒸氣壓高于70Pa時(shí)，SVE能去除所有污染物。Giho等采用熱空氣注射-SVE技術(shù)對(duì)某柴油污染場(chǎng)地進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)中試，系統(tǒng)運(yùn)行1個(gè)月后，土壤中TPH去除率可達(dá)到95%以上。
4 SVE 強(qiáng)化技術(shù)
SVE的適用性經(jīng)常受到土壤的種類和結(jié)構(gòu)、污染物的揮發(fā)性等因素的限制，近年來人們不斷改進(jìn)SVE，研究出了熱強(qiáng)化SVE技術(shù)、生物強(qiáng)化SVE技術(shù)、空氣噴射SVE技術(shù)等SVE強(qiáng)化技術(shù)，大大提高了SVE系統(tǒng)的運(yùn)行效率。
4.1熱強(qiáng)化SVE技術(shù)
原位熱修復(fù)技術(shù)是在SVE基礎(chǔ)上結(jié)合了加熱的一種土壤修復(fù)技術(shù)。該技術(shù)通過向土壤輸入熱量來提高土壤溫度，加強(qiáng)對(duì)重質(zhì)非水相液體(DNPLs)組分的去除。根據(jù)加熱方式的不同，原位熱修復(fù)技術(shù)主要分為蒸汽/熱空氣注射、電阻加熱、熱傳導(dǎo)加熱和電磁波加熱等，其中熱傳導(dǎo)加熱能將土壤加熱至遠(yuǎn)超過水沸點(diǎn)的溫度，甚至超過500℃，而其他方法只能局限在水的沸點(diǎn)附近。美國(guó)加利福尼亞州某石油烴污染場(chǎng)地采用蒸汽/熱空氣聯(lián)合注射-SVE技術(shù)進(jìn)行原位修復(fù)，經(jīng)處理后場(chǎng)地包氣帶TPH濃度從100000mg/L降至20~50mg/L。美國(guó)Kai公司采用電磁波加熱-SVE技術(shù)修復(fù)加油站泄漏污染場(chǎng)地，3周后土壤中汽油含量下降了約67%。
4.2生物強(qiáng)化SVE技術(shù)
生物通風(fēng)技術(shù)(BV)也是在SVE基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是SVE與生物降解的有效結(jié)合。其基本原理是向土壤不飽和區(qū)注入空氣(或氧氣) 、添加營(yíng)養(yǎng)物(氮和磷酸鹽等)和投加高效降解菌來促進(jìn)微生物的好氧降解作用，從而達(dá)到去除有機(jī)物的目的。BV系統(tǒng)與SVE系統(tǒng)有相同的設(shè)施，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)目的有很大不同。在實(shí)際修復(fù)中，SVE和BV常常以最有利的方式結(jié)合使用，一般將SVE作為第一階段，BV作為第二階段。李巨峰等對(duì)某輕質(zhì)油污染土壤進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)試驗(yàn)，先采用SVE系統(tǒng)運(yùn)行7個(gè)星期，產(chǎn)生“拖尾”效應(yīng)后開啟BV修復(fù)模式，6個(gè)月后土壤中平均VOCs濃度由823.7mg/L降至51.0mg/L，平均修復(fù)效率達(dá)到80%以上。
4.3空氣噴射SVE技術(shù)
空氣噴射技術(shù)(AS)將SVE的應(yīng)用范圍拓展到對(duì)飽和區(qū)土壤和地下水有機(jī)污染的修復(fù)。AS是將一定壓力的新鮮空氣噴射到被污染的飽和區(qū)域土壤中，揮發(fā)、解吸出來的有機(jī)污染物被氣流帶至不飽和區(qū)，再通過SVE系統(tǒng)去除。Al-Maamari等對(duì)阿曼某污染場(chǎng)地開展了AS/SVE聯(lián)合技術(shù)修復(fù)實(shí)驗(yàn)，7個(gè)月后不飽和土壤氣體中苯的濃度從15~60mg/L降至檢出限以下，地下水中TPH的濃度則從25~50mg/L降至0.5mg/L以下。Brian等對(duì)某儲(chǔ)油罐泄漏污染場(chǎng)地進(jìn)行了調(diào)查，評(píng)價(jià)了AS/SVE聯(lián)合技術(shù)對(duì)低滲透性土壤的修復(fù)效果，發(fā)現(xiàn)處理44d后共去除608kg汽油，包氣帶中BETX濃度從5g/t降至1g/t，去除速率達(dá)到14.3kg/d。
5 總結(jié)與展望
SVE作為一種高效率、低費(fèi)用、可操作性強(qiáng)的原位修復(fù)技術(shù)，在我國(guó)有非常廣闊的應(yīng)用前景及市場(chǎng)潛力。此后研究重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)：1) 進(jìn)一步研究SVE過程的去污機(jī)理模型和各參數(shù)對(duì)去污過程的影響，揭示土壤污染物與修復(fù)時(shí)間的關(guān)系;2) 完善SVE 修復(fù)的數(shù)學(xué)物理模型，優(yōu)化工程設(shè)計(jì)，提高數(shù)值模擬對(duì)現(xiàn)場(chǎng)SVE 的理論指導(dǎo)實(shí)用性;3) 解決SVE工業(yè)應(yīng)用的技術(shù)和設(shè)備問題，探索SVE強(qiáng)化技術(shù)，有效地結(jié)合各類土壤修復(fù)技術(shù)，充分發(fā)揮其修復(fù)污染土壤的優(yōu)勢(shì)。
來源:環(huán)境工程 作者:羅成成等
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