基于快速檢測技術的VOCs污染場地修復工藝優化*

陳展

（1.上海巖土工程勘察設計研究院有限公司，上海200031；2.上海環境巖土工程技術研究中心，上海200032）

·工程應用·

基于快速檢測技術的VOCs污染場地修復工藝優化*

陳展1，2

（1.上海巖土工程勘察設計研究院有限公司，上海200031；2.上海環境巖土工程技術研究中心，上海200032）

以上海某揮發性有機污染場地為例，通過選定測試期內基于單個抽提井點的群井快速監測和基于單排抽提井點出水快速監測這2種模式對修復過程施工工藝進行動態優化調整，并將工藝優化調整前后光離子化檢測器測值與傳統實驗室檢測值進行對比分析。結果表明：光離子化檢測器測值與污染物濃度測值正相關性較高，測試期內一般污染區域地下水中污染物去除率為40%～70%，重點污染區域達到90%以上；因此快速檢測技術可以作為修復過程中的實時檢測工具，能夠優化修復工藝流程，有效指導類似修復工程的施工。

快速檢測技術；揮發性有機物；污染場地；修復；工藝優化

目前土壤污染已成為我國關注的焦點，在各類污染場地中以苯系物和鹵代烴為代表的揮發性有機污染場地因具有易揮發、累積性、多樣性和生物毒害等作用而備受關注［1］。傳統污染場地調查主要借助土壤采樣鉆探點和地下水監測井進行，工期長、成本高；而對于揮發性有機污染場地，一些快速的、低成本的和非侵入式采樣檢測技術越來越顯現出巨大的優勢［2］。

快速檢測技術（簡稱快檢技術）是通過收集土壤或地下水中有機污染物揮發性氣體，利用相應電化學和光學檢測器將氣體中VOCs濃度信息轉化為電信號或光信號等，常用的檢測器包括光離子化檢測器（PID）、火焰離子化檢測器（FID）、氦離子化檢測器（HID）、電子俘獲檢測器（ECD）、色譜-光離子化儀（GC-PID）、便攜式氣相色譜-質譜儀（GC/GC-MS），以及與直推技術相結合的MIP-PID等［3-8］。該類快速檢測技術及設備應用在國外發展較快，其中光離子化學被美國國家環保局（EPA）、美國職業安全與健康局（OSHA）和美國職業安全與健康研究所（NIOSHA）定為環境大氣中有毒物質分析檢測方法［9］，GC-PID也成為美國具有法律仲裁權威性的分析方法［10］；國內的中科院生態環境研究中心、復旦大學光源研究所和北京東西儀器有限公司等在該類技術設備研發上的進展也多有報道［5，10］，該類技術主要應用于室內外空氣質量監測、突發污染事件現場應急檢測和在污染場地初步環境調查中輔助取樣等［11-15］，而在指導污染場地修復過程中的應用較少。探索快檢技術在污染場地修復過程中的應用對于節約資源成本，提高修復效率，保證效果具有重要意義。筆者以某揮發性有機污染場地為研究對象，探索了快檢技術在該污染場地修復中的工藝優化流程。

1 場地及修復工藝概況

1.1 場地污染情況

本研究場地位于上海市長寧區某地塊，場地內主要污染物為氯苯和石油烴（TPH，主要碳鏈成分為C6～C9），前期場地調查和修復方案設計共劃定4個修復區域范圍，僅以其中的區域二為例進行實例研究，說明快檢技術在優化VOCs污染場地修復過程中的應用。

研究區域為原沖剪機床廠的大金工車間和小金工車間所在區域，根據前期調查，該區域土壤和地下水均受到不同程度的污染，土壤污染主要為地面以下4.0 m內的填土層，地下水和土壤修復范圍基本一致，前期調查共設置的3口地下水監測井（圖1），工藝優化實施前TPH和氯苯的檢測濃度見表1。

表1 初始地下水中污染濃度及PID測值

圖1 研究區域位置及地下水監測井分布

1.2 地質與水文條件

場地內淺部地層主要為第四紀全新世Q4沉積物，表層為填土，厚度為0.86～4.64 m，研究區域填土厚度在2.0 m左右；填土下為粉質黏土層，較為致密，厚度2.1～3.0 m，滲透性較差，是污染物良好的豎向隔離層，研究區域典型地質剖面如圖2所示。場地內淺部土層中的潛水平均埋深1.0～1.6 m，地下水流向為由南向北，但流速較為緩慢。

圖2 研究區域典型地層剖面

1.3 修復工藝簡介

揮發性污染物的主要修復技術有土壤空氣相抽提技術（SVE）、淋洗技術、沖洗技術、化學氧化法、光解法等［16-17］，各技術有其相應的適用性和實施條件，綜合本場地土層滲透性條件、污染物分布特征以及平原河網地區較高的地下水位等因素，考慮采用表面活性劑進行增效洗脫，外加過硫酸鈉進行化學氧化的復合修復技術。采用的修復工藝為：①在污染區域周圍設置隔離屏障。②屏障內部區域設置井點管（抽提井和注入井），初期進行地下水抽提、表面活性劑（SDS）與氧化藥劑注入的土壤和地下水修復聯合作業，中后期進行地下水的抽提和低濃度藥劑（1%的過硫酸鹽）注入的地下水修復作業；抽提井和注入井具體結構見圖1，出水排入污水處理設施，回灌水可用清潔自來水，也可使用處理達標后的污水。③如此循環往復，形成連續的水力循環，直至將地下水中污染濃度降到修復標準以下。研究測試區以3 m×3 m的間距均勻進行井點布置，共設置抽提井8排，注入井9排，單排井點數約18個。

2 材料與優化測試方法

傳統測試方法精度較高，但周期較長、成本較高，便攜式PID測試由于其快速性、低成本的特點可以通過快速、大量的測試彌補其本身數值質量的問題［18-19］，可作為地下水揮發性污染物濃度的間接反映指標；測試過程是通過基于一定數量單個抽提井點的群井快速監測和基于單排抽提井點出水的快速監測這2種方式反映的濃度變化來進行修復工藝優化調整。

1）基于一定數量單個抽提井點的群井監測：可反映一定修復周期內的修復效果和污染物濃度分布，但取樣工作量大，考慮現場的可實施性，共選取60個固定井點進行標記取樣監測，監測頻率以“周”或“月”為單位，具體根據修復實施進度情況確定。

2）基于單排抽提井點的出水水質監測：該方式取樣工作量較小，監測結果可實時反映現場修復工藝的測試效果與后續調整方向，選取研究區9排抽提井點出水進行監測，監測周期提高至以“天”為單位。

3）具體操作方法：現場對單排連接管出水或單個抽提井內的混合水樣進行取樣，并使用手持式光離子化檢測器（PID）進行檢測的方法來了解過程中污染物濃度的變化情況，以指導后序修復施工工藝。所用儀器為美國瑞華公司的PGM-7340VOC氣體檢測儀，配備的檢測器為目前市場上較為靈敏的廣譜揮發性有機物光離子化檢測儀（PID），其主要參數如表2所示。

表2 PGM-7340VOC氣體檢測儀的主要參數

4）取樣檢測步驟：①參照《場地環境監測技術導則》關于地下水揮發性有機物的取樣要求［20］，過程取樣前抽注系統停止運行2 h，防止運行過程對樣品的擾動而影響檢測結果。②現場通過自制簡易取樣器進行取樣，每取1個樣品清洗1次，水樣裝入一次性水樣瓶（500 mL），取樣量約為瓶體體積的1/2，保證氣體有一定的揮發空間。③取樣后避光靜置0.5 h后將氣體檢測儀進氣口放入瓶內進行測試，記錄最大測值。

5）測試周期：測試期位于修復施工中后期，包含4個優化調整周期：周期一位于修復工程中期，土壤經過氧化和淋洗工藝后達到修復目標要求，后3個周期主要是針對地下水修復的工藝調整測試階段。

3 結果分析與討論

3.1 工藝優化結果分析

1）測試初期：通過現場大量取樣檢測試驗，并結合本場地井點的抽水、注入效率和出水濃度削減速率對比等因素可將6 000×10-4%以上區域定義為重污染區，1 000×10-4%～6 000×10-4%區域為中污染區，1 000×10-4%以下為輕污染區。

根據PID數據，測試初期（2015年7月25日）污染物主要集中于場地的西側（A3～E9）和東側B12、C15和F14附近局部區域，污染物分布與前期地下水中的污染檢測濃度部分基本一致，見圖3。

圖3 測試初期PID測值等值線（單位：×10-4%）

2）周期一：根據測試初期污染分布情況，整體措施調整為增加污染嚴重區域進行抽水和注藥頻率，其他區域進行回灌表面活性劑，每天具體施工管理措施根據單排出水水質等具體情況調整，13 d后進行單井取樣監測，發現東部中等污染以上區域（C2-C6-D8以上部分）逐漸縮小，但重污染區域（B6-B9）仍未消失，東部重區域有所擴大，可能是該區土壤污染物在表面活性劑洗脫作用下進入水中所致，如圖4所示。

圖4 工藝調整13 d后PID測值等值線（單位：×10-4%）

3）周期二：為土壤修復達標后的地下水修復，根據濃度分布調整修復工藝為沿新的重污染區中心線（A5～E12）區域進行抽水，中等污染區域通過高壓泵進行藥劑回灌，外圍進行清水回灌，后每天根據單排井點出水數據逐步縮小外圍回灌范圍，由于土體的滲透性的不均性，抽提和氧化修復效果也有較大差異，3 d后重污染區由集中連片變為局部中心點分布，如圖5所示。

圖5 工藝調整3 d后PID測值等值線（單位：×10-4%）

4）周期三：繼續按照上述工藝流程動態調整抽灌范圍、抽水量和藥劑回灌量，1個月后重污染區域已減小至局部位置（B6～B7和E10～H10附近），多數重污染區域轉為中污染，如圖6所示。

圖6 1個月后PID測值等值線（單位：×10-4%）

5）周期四：此后的修復施工重點轉為在重污染區周圍進行清水注入形成水力屏障，在其內部進行中心抽提，外圍表活注入；同時在中污染區域進行慢速抽提回灌作業，增加藥劑停留時間；7 d后逐步降低注入的表活濃度，直至測試期結束，多數區域污染物程度有了明顯下降，見圖7。

圖7 測試期末PID測值等值線（單位：×10-4%）

3.2 污染物濃度與PID測值變化

現場PID測試為半定量測試，不具有選擇性，所測數據為地下水中揮發性有機物的總量［21］，包括地下水中的氯苯和TPH中的揮發性成分，工藝優化調整前區域污染物未發生大的遷移變化，PID測試數據與實驗室檢測數據之間相關性較高，TPH和氯苯與PID測值之間的線性相關系數平方值均達到0.9以上，這與Devine C E等［22-23］利用其它快檢測試技術研究成果一致，而Griffin T W等［24-25］指出PID測值與傳統實驗室檢測方法存在一定的相關性，但相關程度并沒有這么高，Hayes TD等［26］通過對比萘和苯等不同揮發性物質的PID測值與檢測值之間的線性相關關系，發現后者具有更高的相關性（R2＞0.9），本研究相關性較高的原因可能與污染物為揮發性較高的氯苯和TPH（C6～C9）有關，也可能與取樣過程或測試方法等因素有關，有待后續做進一步探究。

測試期優化調整后地下水中污染物去除明顯，初始重點區域監測井污染物去除率達到90%以上，其它點位去除率達到40%～70%，場地污染物濃度趨近一致；PID測試與氯苯濃度分布仍呈正相關關系，線性相關系數平方值約為0.83，與TPH濃度分布有所差異，可能受到數據量限制、TPH中揮發性成分含量不同，以及測試過程擾動等的影響，如表3。

表3 測試期優化調整后地下水監測井中污染物濃度及PID測值

3.3 工藝流程優化

盡管本研究選取了揮發性有機物污染修復過程中一段時期進行測試，但所用方法可以指導類似不同土壤和地下水污染類型場地全過程的修復施工；對于不同污染類型的場地均可以借助電化學和地球物理探測等更有針對性的快速檢測技術，按照如下工藝優化流程（圖8）全過程地指導修復工程的實施，達到最優的修復效果。

圖8 修復施工工藝優化流程

此外，今后的工程實踐中可在場地調查和修復施工前期，借助多種快速檢測技術與傳統實驗室檢測聯用的手段盡可能全面反映污染物濃度三維分布，進一步探究場地條件（土層滲透性、含水率、溫度等）、快檢技術與污染物濃度之間的關系［27-28］，據此進行更有針對性的污染單元劃分（如圖9）、施工參數的確定和資源配置等；修復施工過程借助管路、快檢傳感設備和閥門等自動化反饋控制技術，實時調整修復工藝，提高修復工程的經濟效益。

圖9 基于污染單元劃分的井點優化示意

4 結論

1）地下水中的PID測試值與傳統實驗室檢測方法有較高的相關性，PID測試技術可反映地下水中污染物的濃度分布情況。

2）通過基于快檢技術的修復工藝優化調整方法，可以直觀地反映修復施工工藝效果，從而更有針對性地指導修復施工，優化后續施工工藝和管理措施，優化測試期內一般污染區域污染物去除率可達到40%～70%，重點污染區域達到90%以上，修復區域內污染物去除明顯。

3）在今后的工程實踐研究中，探究場地環境條件、傳統實驗室檢測技術與現場快速檢測技術之間的關系，加強修復工程與物聯網等自動化、信息化技術之間的結合，提高污染場地修復的自動化、智能化和精細化管理水平。

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Optimization of VOCs Contaminated Site Remediation Process Based on Rapid Detection Technology

Chen Zhan1，2
（1.Shanghai Geotechnical Investigations&Design Institute Co.Ltd.，Shanghai200031；2.Shanghai Engineering Research Center of Geo-Environment，Shanghai200032）

Taking a VOCs contaminated site in Shanghai as a case，the remediation process will be adjusted dynamically based on the rapid water quality monitoring resultsofa group ofsingle pumping wellsand a number ofsingle rows，and the photoionization detector（PID）valueswere used to compare and verify the conventional laboratory valuesafter the remediation optimization.The resultsshowsthat the PID values and contaminants concentrations values have a high positive correlation，the removal rate of pollutants in the general groundwater contaminated areas was 40%～70%and this value reached over 90%in heavy contaminated areas during the test period.So，rapid detection technology can be used as the real-time detection tools in the repair process，which can optimize the remediation processand effectively guide similar remediation projects.

rapiddetectiontechnology；volatileorganiccompounds；contaminatedsites；remediation；processoptimization

X53

A

1005-8206（2017）04-0086-06

陳展（1989—），碩士，助理工程師，主要研究方向為污染場地調查評估與修復治理。

E-mail：13949076745@163.com。

上海市科學技術委員會資助項目（15DZ2251300；15DZ1205800）

2016-11-23