SVE在污染場地土壤修復(fù)中的應(yīng)用

董艷萍，張愛軍，王立暉

（1.聯(lián)合泰澤環(huán)境科技發(fā)展有限公司，天津 300042；2.浙江博世華環(huán)保科技有限公司，浙江杭州 310000；3.天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院 環(huán)境工程學(xué)院，天津 300350）

我國土壤污染情況十分嚴重，耕地土壤和工礦業(yè)廢棄地土壤環(huán)境問題尤其突出。2014年中華人民共和國環(huán)境保護部和中華人民共和國國土資源部聯(lián)合發(fā)布《全國土壤污染狀況調(diào)查公告》中指出，目前全國范圍內(nèi)面臨著非常嚴重的土壤污染，工礦業(yè)廢棄土壤污染表現(xiàn)得尤為突出，其實際的超標率甚至能夠高出總點位的16.1%，而在所有的超標點位中無機污染物超標點位的占比能夠達到82.8%[1]。土壤氣相抽提技術(shù)（Soil Vapor Extraction簡稱SVE），在一些情況下也被稱為是“真空抽提”或“土壤通風(fēng)”，該技術(shù)作為一種土壤原位修復(fù)技術(shù)首次出現(xiàn)在20世紀80年代，并快速在修復(fù)揮發(fā)性有機污染場地過程中實現(xiàn)了普及應(yīng)用，該技術(shù)操作簡單、效率高，而且具有成本低、對周邊環(huán)境影響小等優(yōu)勢[2]。

1 SVE技術(shù)概況

從基本技術(shù)原理的角度來看，SVE主要借助的是真空泵的抽提作用來實現(xiàn)土壤孔隙內(nèi)部有機污染物蒸汽壓的有效控制，通過這種方式讓其逐步經(jīng)過轉(zhuǎn)化后形成氣態(tài)之后與新鮮空氣一起被抽出，在此情況下就能夠?qū)⑽廴疚镞M行有效清除，SVE技術(shù)原理圖見圖1。早期SVE法主要用于汽油等非水相液體，目前該技術(shù)在有機污染物充分發(fā)揮以及揮發(fā)性農(nóng)藥污染等不含有NAPL土壤體系中得到了廣泛推廣[3，5]。

圖1 SVE技術(shù)原理圖

2 SVE修復(fù)效果的影響因素

土壤自身的含水率、結(jié)構(gòu)分布以及滲透性等會對SVE修復(fù)效果產(chǎn)生一定影響[4]。

與此同時土壤本身的粒徑分布、空間異向性以及孔隙度等相關(guān)因素在共同作用后直接決定了土壤的滲透性，土壤的滲透性表征了氣體穿過土層難易程度。SVE目前主要是在具有較高滲透性的土壤中進行利用，而且非常適合于滲透率超過10-6cm/min的沙土類土壤為適用。Frank等應(yīng)用氣壓或水壓裝置改善土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以提高土壤滲透性。土壤滲透性質(zhì)一般可以通過實驗室土柱實驗和現(xiàn)場中試抽氣實驗獲得[7]。

土壤的含水率也是影響SVE修復(fù)的重要因素。土壤孔隙的通道容易被土壤內(nèi)部含有的水分所填充，導(dǎo)致土壤的透氣性受到影響，污染物不能夠得到充分揮發(fā)；與此同時，由于VOCs極性要小于水分子，因此土壤中的有機質(zhì)更容易與水分子結(jié)合，隨著土壤含水率的不斷增加，其中微粒吸收有機分子的能力也會逐步降低，促進其揮發(fā)過程。另一方面，對于整個SVE在修復(fù)過程中NAPL的氣相轉(zhuǎn)化過程會受到含水率的顯著影響，一旦含水率超過60%的情況下土壤中的液氣傳質(zhì)過程受到非常大的限制，容易導(dǎo)致提前出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象。因此，在SVE修復(fù)中土壤含水率的調(diào)查，特別是其縱向分布情況的調(diào)查尤為重要。

在抽吸條件下土壤基質(zhì)中氣象的流動程度以及流動方向都會受到土壤結(jié)構(gòu)和分層等相關(guān)因素的影響，土壤的具體結(jié)構(gòu)特征會使得優(yōu)先流出現(xiàn)，如果不能夠?qū)φ麄€污染區(qū)域中的氣體流動方向正確的引導(dǎo)，必然會導(dǎo)致其最終的修復(fù)效率受到影響，而且修復(fù)時間也將更長。

抽提設(shè)備參數(shù)中的抽提速率對于VOCs去除率會產(chǎn)生非常明顯影響。通常情況下 SVE修復(fù)效率可以通過加大抽氣速率進行有效提升，在這種情況下修復(fù)時間也能有效縮減，但在整個過程中的設(shè)備投資和能耗更大，在土壤中存在的優(yōu)先流也可能在抽氣速率較大的情況下會產(chǎn)生一定的“拖尾”效應(yīng)。Albergaria等研究發(fā)現(xiàn)，沙土的SVE去污過程受到抽氣速率的影響較大，在研究過程中也確定了最佳的抽氣速率值，而且經(jīng)過實驗后發(fā)現(xiàn)在超過該速率極限值之后去污效率并不會產(chǎn)生明顯變化。Darcy定律的相關(guān)描述可以發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)場的抽取壓力梯度與土壤中氣相滲流速度之間呈現(xiàn)出正比例關(guān)系，真空度對其并不造成直接影響。在實際操作過程中SVE本身屬于一個多維度的體系，現(xiàn)場設(shè)計過程中的壓力場以及流場的空間效應(yīng)在實驗室內(nèi)無法得到有效模擬，故最佳抽提流量必須通過現(xiàn)場試驗獲得[5]。

3 SVE的適用性

有機污染物蒸氣壓會對SVE技術(shù)的實際應(yīng)用產(chǎn)生較大影響，而且該修復(fù)技術(shù)并不適用在揮發(fā)性較低的有機污染物場所。在汽油等易揮發(fā)性石油輕產(chǎn)品的清除過程中SVE技術(shù)可以得到有效應(yīng)用，但是如柴油、煤油等一些重組分難揮發(fā)物質(zhì)并不適用該技術(shù)，SVE的應(yīng)用就會受到很大的限制。土壤孔隙不斷變小的過程中會體現(xiàn)出更強的毛細作用，在此情況下土壤的氣相與有機物之間的界面張力會逐步降低，最終導(dǎo)致產(chǎn)生蒸汽壓。而提高環(huán)境溫度能顯著增加碳氫化合物的蒸汽壓，增強SVE去除效果。理論計算中，溫度對純有機物蒸汽壓影響可由Antoine方程決定[6]。

綜合上述描述可以發(fā)現(xiàn)，在具備較強揮發(fā)性的有機污染物修復(fù)過程中SVE具有較強的適用性，與此同時也可以知道如果土壤能夠保持質(zhì)地均一，且具有較大孔隙率和滲透性，較小的含水量等相關(guān)條件也是重要的影響因素。SVE技術(shù)應(yīng)用的適用場合見表1[8]。

表1 土壤氣相抽提技術(shù)（SVE）的適用場合

4 SVE強化技術(shù)和裝備

在很多工程實例中，SVE的適用性還會受到污染物的揮發(fā)性、土壤的種類結(jié)構(gòu)等因素限制，針對此技術(shù)在實際應(yīng)用中所遇到的各類難題，人們在SVE技術(shù)基礎(chǔ)上改進結(jié)合了其他修復(fù)原理強化了抽提修復(fù)效果。比較常見的有空氣噴射（Air Sparging，AS）、原 位 熱 修 復(fù) 技 術(shù)（Thermal Enhancement，TE）、風(fēng)力及水力壓裂（Pneumatic and Hydraulic Fracturing， PHF）等眾多的修復(fù)技術(shù)進行交叉利用。在這種情況下也逐步推動了SVE強化技術(shù)的完善發(fā)展。

SVE技術(shù)在實際應(yīng)用過程中經(jīng)常會與空氣噴射（Air Sparging，AS）[3]進行結(jié)合利用，作為一種針對飽和區(qū)域土壤污染物進行原位強化修復(fù)的技術(shù)，其主要是出現(xiàn)在20世紀80年代。該方法在實際利用過程中首先需要設(shè)置一個空氣注入井，利用高壓壓縮設(shè)備將空氣注入受污染的土壤中，通過這種方式將其中的有機污染物進行緊急揮發(fā)后將其帶至不飽和區(qū)域，此后充分利用常規(guī)的SVE系統(tǒng)就可以將其中的污染物進行有效去除。另外，針對不飽和區(qū)域，可以充分利用空氣注射技術(shù)來實現(xiàn)生物降解。

原位熱修復(fù)技術(shù)（Thermal Enhancement，TE）是使用加熱強化了SVE技術(shù)從而起到更好的土壤修復(fù)效果。該技術(shù)在利用過程中主要是將熱量輸入土壤中后讓土壤的溫度得到提升，在此情況下重質(zhì)非水相液體組分的去除效果能得到進一步強化。根據(jù)其加熱方式的不同可以將原位修復(fù)技術(shù)進一步劃分為電阻加熱、蒸汽/熱空氣注射、電磁波加熱和熱傳導(dǎo)加熱等，熱傳導(dǎo)加熱技術(shù)在實際利用過程中可以按照超過沸點的溫度來對土壤進行加熱，甚至及加熱溫度是能夠達到500攝氏度，其他幾種加熱技術(shù)僅僅能夠達到水沸點左右。

水力和高壓氣體壓裂（Pneumatic and Hydraulic Fracturing，PHF）技術(shù)針對土壤的致密結(jié)構(gòu)導(dǎo)致造成SVE抽提效果不佳等問題，將高壓水或者氣用注射劑進行注射后就能夠在土壤中形成新的氣體通道，從而讓土壤透氣性得到提升，也能夠使污染物與載體氣體之間的接觸概率進一步增加，并實現(xiàn)抽題效率的全面提升。天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院、浙江博世華環(huán)保科技有限公司、聯(lián)合泰澤環(huán)境科技發(fā)展有限公司共同開展的陸家村民居點地塊土壤揮發(fā)性有機污染的物理-化學(xué)修復(fù)工程示范中主要利用了此項強化技術(shù)，針對致密土壤滲透性差傳質(zhì)效率低下等難點，構(gòu)建了基于水裂壓力系統(tǒng)的“氣提-氧化”聯(lián)合修復(fù)技術(shù)及一體化裝備。利用水力壓裂系統(tǒng)進行高壓水力生成網(wǎng)狀裂隙帶，提高污染物與載體氣體的接觸概率，減少設(shè)井?dāng)?shù)量，降低開挖土方成本。研制“氣提-氧化”信息化裝備單元，整體實現(xiàn)可移動化。在工程操作中，高壓壓裂后，為了防止所開辟的通路網(wǎng)絡(luò)在壓裂結(jié)束后自動恢復(fù)，還需要在壓裂的同時，向裂縫中注入由水、砂石和瓜爾膠組成的混合凝膠體作為支撐劑，保持裂縫網(wǎng)絡(luò)完好。以砂石支撐的裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有高滲透性，直徑最大可達20m，其中的凝膠可生物降解，避免了二次污染（圖2）。

圖2 水力壓裂技術(shù)應(yīng)用原理說明

5 SVE展望

SVE因其對石油類污染土壤及地下水治理的高效性、低成本和操作性強等優(yōu)勢，美國環(huán)保局將該項土壤修復(fù)技術(shù)定義為“革命性”的一種技術(shù)。

SVE在積極地利用過程中逐步向著地下水修復(fù)和生物修復(fù)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)滲透，因此也具有非常廣闊的應(yīng)用前景。雖然從地面角度來看SVE技術(shù)的實際應(yīng)用相對比較簡單，但是在應(yīng)用過程中會涉及多種復(fù)雜因素的影響，在理論研究方面也存在一定的不足，尤其是針對SVE過程中流體的運營機制、現(xiàn)場尺寸放大效應(yīng)、污染物傳質(zhì)機理等方面的研究仍然有待進一步加深。