一種污染土壤異味高效阻隔系統(tǒng)的開發(fā)與應用

沈曙華 馬曉宇 孫 華

（1.上海華誼集團資產(chǎn)管理有限公司；2.上海化工院環(huán)境工程有限公司；3.上?；ぴ簷z測有限公司）

隨著城市工業(yè)用地轉(zhuǎn)型升級進程的推進，以及“退二進三”、“退城進園”等政策的實施，導致我國城市內(nèi)出現(xiàn)了大量的工業(yè)遺留場地［1，2］，其中多數(shù)被污染地塊的污染物都涉及到了揮發(fā)/半揮發(fā)性有機物污染［3］。 對工業(yè)場地的修復多以技術(shù)成熟、修復效率較高的異位修復為主［4］。在土壤挖掘或者遷移過程中，地表和深層污染物會暴露到空氣中，此時揮發(fā)性/半揮發(fā)性有機物會釋放到大氣中，對周圍環(huán)境造成二次污染［5］。 因此，土壤異位修復過程中對揮發(fā)性/半揮發(fā)性有機物的異味阻隔就顯得十分重要。 泡沫阻隔技術(shù)作為一種新穎的技術(shù)在土壤修復的VOCs/SVOCs阻隔及消防等領(lǐng)域得到了廣泛應用［6，7］。異味阻隔設(shè)備或系統(tǒng)作為阻隔的核心設(shè)備，技術(shù)一直被美國RUSMAR等外企壟斷，國內(nèi)發(fā)泡系統(tǒng)中，大都是以消防用泡沫發(fā)生裝置為主。 這些發(fā)泡設(shè)備盡管發(fā)泡速度快、效率高，但泡沫直徑較大，且均勻性較差，泡沫容易破裂，難以在土壤修復環(huán)境中使用。 為解決上述難題，介紹了一種污染土壤異味高效阻隔系統(tǒng)，可以根據(jù)土壤修復場地異味阻隔需要產(chǎn)生大流量的均勻、細膩泡沫，填補了國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域空白。

1 污染土壤異味高效阻隔系統(tǒng)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理

污染土壤異味高效阻隔系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工藝流程如圖1所示，系統(tǒng)主要包括泡沫發(fā)生器，靜態(tài)混合器，進料泵，藥劑罐，進液槽，發(fā)電機、空壓機及電控柜， 系統(tǒng)內(nèi)還包含藥劑罐及進液槽等部分，并配套了閥門、流量計、液位計等組件。

圖1 污染土壤異味高效阻隔系統(tǒng)工藝流程圖

在整套土壤異味高效阻隔系統(tǒng)中，需要特殊設(shè)計的是泡沫發(fā)生器，需要計算選型的是靜態(tài)混合器，此外泡沫發(fā)生器輔助的儀表也需要特殊選型。

1.1 泡沫發(fā)生器

泡沫發(fā)生器是污染土壤異味高效阻隔系統(tǒng)的核心設(shè)備。 系統(tǒng)中包含兩臺泡沫發(fā)生器，使用過程中，當一臺泡沫發(fā)生器為發(fā)泡狀態(tài)時，另一臺為進料狀態(tài)，兩臺泡沫發(fā)生器切換使用，保證了發(fā)泡過程的連續(xù)性。 泡沫發(fā)生器主要由發(fā)泡罐、發(fā)泡裝置、儀表及閥門等組成。 發(fā)泡罐上開有排氣口、進液口、進氣口及發(fā)泡裝置安裝口等工藝口，發(fā)泡裝置進氣口朝上并豎直安裝于發(fā)泡罐內(nèi)部， 進液的液位不能高于發(fā)泡裝置進氣孔，具體液位控制由液位計與相關(guān)開關(guān)控制完成。 發(fā)泡裝置作為泡沫發(fā)生器的核心結(jié)構(gòu)直接影響著發(fā)泡效果。

設(shè)計發(fā)泡結(jié)構(gòu)前需要了解泡沫形成的因素，文獻［8］中有所介紹，首先需要有兩種不同溶液進行混合，其中一種為容易產(chǎn)生泡沫的溶液，同時還需要有空氣與混合液體進行再次混合。 目前應用比較廣泛的發(fā)泡結(jié)構(gòu)主要有機械攪拌發(fā)泡、文丘里自吸發(fā)泡及壓縮空氣對篩網(wǎng)造泡等幾種方式［9］。 經(jīng)過現(xiàn)場考察和實驗室測試，發(fā)現(xiàn)使用這些發(fā)泡裝置所發(fā)的泡沫，存在發(fā)泡時間過長、泡沫不穩(wěn)定及泡沫直徑過大等問題。 為此專門設(shè)計了一種新型的發(fā)泡裝置，結(jié)構(gòu)如圖2所示，該裝置在工作過程中，使兩種均勻混合的液體進入泡沫發(fā)生裝置中，然后混合液體在細小孔道中與空氣進行混合發(fā)泡，再經(jīng)多孔介質(zhì)二次強化，產(chǎn)生質(zhì)地均勻、性狀穩(wěn)定的泡沫。 具體工作流程為，將液體與空氣混合腔體設(shè)計成細小孔道結(jié)構(gòu)，發(fā)泡管上開有數(shù)個孔道，混合發(fā)泡液體在空壓機提供的氣體壓力驅(qū)動作用下，通入中空孔道中，混合液體經(jīng)過進氣孔時與氣體進行均勻混合發(fā)泡，混合后的氣體和液體再經(jīng)過多孔介質(zhì)后對之前所發(fā)泡沫產(chǎn)生強化作用，強化后的泡沫通過壓蓋格柵后從發(fā)泡出口排出。 其中發(fā)泡管與多介質(zhì)腔室通過螺紋結(jié)構(gòu)連接，該結(jié)構(gòu)能將混合液體平均分布到若干細小空間內(nèi)與空氣接觸后發(fā)泡，實現(xiàn)了對發(fā)泡過程的二次強化操作。

圖2 泡沫發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

對設(shè)計好的裝置進行試驗驗證可見，該新型發(fā)泡結(jié)構(gòu)具有3個優(yōu)點：單元孔道混合設(shè)計，保證了液體與氣體混合效果的穩(wěn)定性；二次泡沫強化結(jié)構(gòu)，將泡沫細化，使得泡沫均勻性得到加強；由于氣壓作用，泡沫出口的揚程增加，擴大了泡沫的覆蓋范圍。

1.2 靜態(tài)混合器

靜態(tài)混合器為兩種與發(fā)泡相關(guān)的藥劑液體均勻混合用裝置。 靜態(tài)混合器的混合過程是由一系列安裝在空心管道中的不同規(guī)格的混合單元實現(xiàn)的。 由于混合單元的作用，使流體時而左旋、時而右旋，不斷改變流動方向，不僅將中心液流推向周邊，還將周邊流體推向中心，從而造成良好的徑向混合效果。 與此同時，流體自身的旋轉(zhuǎn)作用在相鄰元件連接處的界面上亦會發(fā)生，這種完善的徑向環(huán)流混合作用，使流體在管道截面上的溫度梯度、速度和質(zhì)量梯度明顯減小，促使互不相溶的流體在管道內(nèi)產(chǎn)生切割、移位、旋轉(zhuǎn)及重疊等運動，從而達到良好的混合效果。 由于靜態(tài)混合器為常用設(shè)備，因此系統(tǒng)中藥液混合器僅需進行選型即可。 因進料壓力的限制，為保證順利進料，要求靜態(tài)混合器壓降應小于30 kPa。已知物性方面：1#藥劑黏度5cp，密度1.1×103kg/m3，2#藥劑黏度0.9cp， 密度103kg/m3，1#、2#藥劑的最大配比為1:10，總流量為11 L/min，工作條件為常溫、常壓。 根據(jù)流體黏度和強化混合效果需求，本次計算暫定選用SV型靜態(tài)混合器，靜態(tài)混合器選型計算內(nèi)容如下。

根據(jù)GB/T 7660—1995中針對SV型靜態(tài)混合器的計算公式和選型手冊，可計算出靜態(tài)混合器的壓降Δp和流體的雷諾數(shù)：

式中 d——水力直徑；

f——摩擦系數(shù)；

L——靜態(tài)混合器的長度，m；

u——混合流體的流動速度，m/s；

ε——靜態(tài)混合器空隙率；

μ——流體黏度，Pa·s；

ρ——連續(xù)流體的密度，kg/m3。

選型計算過程如下：

a.首先選用DN 40規(guī)格管徑， 靜態(tài)混合器長度選為420 mm； 根據(jù)已知1#藥劑的體積流量Q1=0.36 m3/h，2#藥劑的體積流量Q2=3.6 m3/h，流速u=0.88 m/s，計算出Δp=91.3 kPa；考慮工程許用誤差為20%， 壓力降為109.5 kPa， 該結(jié)果無法滿足要求，需調(diào)整參數(shù)。

b.在直徑不變的條件下，將長徑比縮小為L/D=8， 即靜態(tài)混合器長度為340 mm， 經(jīng)計算此時Δp=73.9 kPa；考慮工程許用誤差為20%后，壓降為88.7 kPa，該結(jié)果依然無法滿足要求，需繼續(xù)調(diào)整參數(shù)。

c.由于選用DN 40規(guī)格管徑計算出的壓降較大，因此增大靜態(tài)混合器直徑，選用DN 50規(guī)格管徑，靜態(tài)混合器長度選為510 mm。 根據(jù)已知1#藥劑的體積流量Q1=0.36 m3/h，2#藥劑的體積流量Q2=3.6 m3/h， 流速u=0.56 m/s等條件， 計算出Δp=19.8 kPa （考慮工程許用誤差為20%， 則壓降為23.7 kPa），滿足使用要求。

綜上計算，根據(jù)靜態(tài)混合器選用手冊，可使用SV-50-500型靜態(tài)混合器（圖3）。

圖3 SV-50-500型靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 特殊儀表選型

為保證泡沫阻隔效果和發(fā)泡的連續(xù)性， 污染土壤異味高效阻隔系統(tǒng)中液位計儀表的選型也很重要。 除了要關(guān)注流量范圍、測試精度、溫度、壓力、腐蝕環(huán)境外，還要考慮泡沫對泡沫發(fā)生器內(nèi)的液位傳感器帶來的影響。 傳統(tǒng)的液位計有壓力式液位計、磁翻板式液位計及超聲波式液位計等。但在本系統(tǒng)工作過程中， 泡沫發(fā)生器內(nèi)壓力波動很大，無法用壓力式液位計測量；磁翻板式液位計則因泡沫發(fā)生器中存在大量泡沫， 而測量準確率不高； 超聲波式液位計更因泡沫對超聲波干擾性太強，無法應用在本系統(tǒng)中。而音叉液位計具有運行中免受液體流動、湍流、氣泡、泡沫影響等特性，抗泡沫干擾性較強，因此成為最佳選擇。每個泡沫發(fā)生器在液位的高低位置各安裝一個音叉液位計，保證了工作過程中發(fā)泡的連續(xù)性。

1.4 污染土壤異味高效阻隔系統(tǒng)的基本參數(shù)

所研發(fā)的系統(tǒng)總用電功率約為8 kW·h，發(fā)泡流量可在0～30 m3/h范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，兩種藥劑在流量最大條件下進料量分別為10、100 L/min， 進液比為1:10，進液量由泵對應的變頻器調(diào)節(jié)，每個泡沫發(fā)生器罐體內(nèi)有效容積約為64 L。 系統(tǒng)各部件分別安裝在兩臺推車上（圖4），其中推車1（左側(cè)推車）集成了進液槽、進料泵1、空壓機及發(fā)電機等裝置，外部由可開啟式不銹鋼外殼保護，起到防雨避暑的作用。 推車2（右側(cè)推車）則將兩個藥劑罐、進料泵2、靜態(tài)混合器、泡沫發(fā)生器和控制系統(tǒng)集成于一體，外部同樣有不銹鋼可開啟式外殼保護。 系統(tǒng)分別安裝在兩個推車內(nèi)，目的是為了在條件（具有氣源、電源等）準許的情況下，僅使用推車2即可實現(xiàn)快速異味阻隔過程操作，減小運輸質(zhì)量，提高運輸速率；當遇到?jīng)]有電源等條件的應用場地時，則推車1、2兩車聯(lián)用，即可實現(xiàn)快速異味阻隔的操作過程。 需要說明的是，發(fā)泡劑經(jīng)過發(fā)泡后，產(chǎn)出的泡沫體積是發(fā)泡液的數(shù)幾十倍甚至上百倍 （增加倍數(shù)與發(fā)泡藥劑種類有關(guān)），因此發(fā)泡流量的單位采用m3/h，而不同于藥劑流量單位L/min，便于工程上的實際應用。

圖4 污染土壤異味高效阻隔系統(tǒng)外形圖

2 場地異味阻隔應用

2.1 應用過程

研發(fā)的系統(tǒng)在工作前需要在實驗室進行小試，得出1#和2#兩種藥劑的最佳配比為1:7。 在污染場地修復現(xiàn)場， 依照實驗室得出的藥劑配比，并按照實際流量計算后，1#藥劑流量為8 L/min，2#藥劑流量為56 L/min。 分別設(shè)定兩個進料泵的流量，開啟進料泵時，流量大小會和泵的變頻器相關(guān)聯(lián)，將進料流量快速調(diào)節(jié)為目標流量。 進料泵啟動后兩種藥劑按照比例經(jīng)過靜態(tài)混合器混合后進入到泡沫發(fā)生器中，當進液完成后（約1 min左右），關(guān)閉進液閥，調(diào)節(jié)進氣壓力至0.6 MPa，流量30 m3/min，開啟進氣閥和泡沫出口閥門，開始異味阻隔操作，與此同時另一臺泡沫發(fā)生器罐體內(nèi)開始進料操作。 每個泡沫發(fā)生器單次發(fā)泡時間約為2 min，發(fā)泡體積約為1 m3。

2.2 應用效果

系統(tǒng)實際應用效果如下：

a.在泡沫形狀方面， 所發(fā)泡沫外觀如奶油般細膩均勻。后經(jīng)儀器檢測，單位面積（每平方毫米）泡沫數(shù)量約為1 000個，泡沫大小均勻，穩(wěn)定性好。

b.在阻隔效果方面，泡沫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定覆蓋土壤時間超過12 h，8 h內(nèi)對四氯乙烯、甲苯、正庚烷等VOCs的揮發(fā)抑制率接近100%。 較好地達到了土壤異位修復過程中對揮發(fā)性/半揮發(fā)性有機物的異味阻隔目的。

3 結(jié)束語

筆者介紹的污染土壤異味高效阻隔系統(tǒng)中集成了發(fā)電機、藥劑、氣源等組件，適合在場地修復中直接使用。 從結(jié)構(gòu)設(shè)計和污染場地阻隔需求兩方面出發(fā)，成功研發(fā)出發(fā)泡效果穩(wěn)定，泡沫細膩、均勻的發(fā)泡系統(tǒng)。 該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、操作方便，多藥劑罐設(shè)計可應對多場景異味阻隔需求。 打破了國外相關(guān)技術(shù)的壟斷局面，解決了場地修復中異味無法快速阻隔的難題，同時通過綠色高效發(fā)泡劑的研制，可實現(xiàn)對揮發(fā)性有機物氣體降解的作用，改善場地修復環(huán)境，降低修復成本，提高土壤修復效率，是一種高效、綠色的環(huán)保系統(tǒng)。