動(dòng)態(tài)梯度多相抽提運(yùn)行模式研究

摘要：多相抽提技術(shù)對(duì)有機(jī)污染地下水具有顯著修復(fù)效果，可以提高抽提井內(nèi)真空度，促進(jìn)揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile Organic Compounds，VOCs）的釋放，并提高污染水的抽提量，降低污染物濃度。本研究提出動(dòng)態(tài)梯度多相抽提運(yùn)行模式，選取上海市某工業(yè)遺留地塊進(jìn)行中間試驗(yàn)，以修復(fù)地下水環(huán)境。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)28 d的多相抽提運(yùn)行，動(dòng)態(tài)梯度多相抽提區(qū)1，2-二氯苯濃度由68.5 mg/L降低至21.3 mg/L，1，4-二氯苯濃度由33.6 mg/L降低至11.4 mg/L，其污染物去除效果顯著優(yōu)于傳統(tǒng)持續(xù)多相抽提模式。它可以形成以重污染區(qū)為中心的水力梯度，通過(guò)液位差帶來(lái)的壓力增加重污染區(qū)的重質(zhì)非水相液體（Dense Non-Aqueous Phase Liquids，DNAPLs）相抽提量及總抽水量，從而促進(jìn)地下水修復(fù)。

關(guān)鍵詞：多相抽提；地下水修復(fù)；水力梯度；重質(zhì)非水相液體（DNAPLs）相

中圖分類(lèi)號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）03-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.03.016

Abstract： Multiphase extraction technology has a significant remediation effect on organic contaminated groundwater， which can improve the vacuum degree in the extraction well， promote the release of Volatile Organic Compounds （VOCs）， increase the extraction amount of polluted water， and reduce the concentration of pollutants. This study proposes a dynamic gradient multiphase extraction operation mode and selects an industrial legacy plot in Shanghai city for intermediate experiments to restore the groundwater environment. The results show that after 28 d of multiphase extraction operation， the concentration of 1，2-dichlorobenzene in the dynamic gradient multiphase extraction zone decreased from 68.5 mg/L to 21.3 mg/L， and the concentration of 1，4-dichlorobenzene decreased from 33.6 mg/L to 11.4 mg/L， its pollutant removal effect was significantly better than the traditional continuous multiphase extraction mode. It can form a hydraulic gradient centered around the heavily polluted area， and increases the extraction volume of Dense Nonaqueous-Phase Liquids （DNAPLs） phase and total water pumping volume in the heavily polluted area through the pressure brought by the liquid level difference， thereby promoting groundwater remediation.

Keywords： multiphase extraction; groundwater remediation; hydraulic gradient; Dense Non-Aqueous Phase Liquids（DNAPLs） phase

近年來(lái)，隨著城市化的加速，城市出現(xiàn)大范圍去工業(yè)化施工，大量高耗能、高污染的化工企業(yè)搬離市區(qū)，遺留大量待修復(fù)的污染場(chǎng)地。氯苯類(lèi)污染物作為化工企業(yè)遺留污染地塊土壤及地下水中的典型污染物，對(duì)周邊環(huán)境及人體健康存在極大風(fēng)險(xiǎn)[1]。氯苯類(lèi)污染物水溶性不高，高濃度氯苯類(lèi)污染物常以重質(zhì)非水相液體（Dense Non-Aqueous Phase Liquids，DNAPLs）存在于地下水，隨著土壤水滲流及地下水的流動(dòng)較易遷移，對(duì)區(qū)域地下水環(huán)境質(zhì)量造成破壞。相比輕質(zhì)非水相液體（Light Non-Aqueous Phase Liquids，LNAPLs），DNAPLs因其密度大于水，可通過(guò)表面張力的作用進(jìn)入低滲透區(qū)，使其擴(kuò)散遷移的區(qū)域更大，增加環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)及修復(fù)難度[2]。

地下水中氯苯類(lèi)污染物的常見(jiàn)修復(fù)技術(shù)包括原位化學(xué)氧化/還原、原位熱修復(fù)、生物修復(fù)及多相抽提等[3]。多相抽提技術(shù)是一種已被證實(shí)對(duì)有機(jī)污染地下水具有顯著修復(fù)效果的修復(fù)技術(shù)，通過(guò)真空抽提、壓縮空氣推動(dòng)等手段將地下的污染水相、非水相液體（Non-Aqueous Phase Liquids，NAPLs）相及土壤氣體同時(shí)抽出，提高抽提井內(nèi)真空度，促進(jìn)揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile Organic Compounds，VOCs）的釋放，提高污染水的抽提量，降低污染物濃度[4]。

1 動(dòng)態(tài)梯度式多相抽提模式

傳統(tǒng)的多相抽提原理是固定且成熟的，對(duì)抽提效果影響并不明顯，而多相抽提的運(yùn)行模式對(duì)抽提效果的影響時(shí)常被忽略。傳統(tǒng)抽提運(yùn)行多針對(duì)地下水污染區(qū)域進(jìn)行無(wú)差別的持續(xù)抽提，忽略抽提過(guò)程中污染羽內(nèi)污染物濃度變化及地下水水力梯度變化，水力梯度的混亂更可能帶來(lái)重污染區(qū)的遷移和擴(kuò)散。

動(dòng)態(tài)梯度多相抽提分為4個(gè)部分，即全區(qū)域抽提、污染濃度初探、高污染區(qū)抽提及高污染區(qū)抽注抽。全區(qū)域抽提對(duì)所有抽提井進(jìn)行抽提，將地下水水位降低至填土層之下。污染濃度初探過(guò)程中，持續(xù)進(jìn)行全區(qū)域地下水抽提，采用手持式光離子化檢測(cè)儀（Photo Ionization Detectors，PID）對(duì)地下水污染進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)快速篩查，重點(diǎn)區(qū)域采集地下水樣品送檢，劃定重污染區(qū)及輕污染區(qū)。高污染區(qū)抽提僅針對(duì)重污染區(qū)進(jìn)行抽提，從而形成輕污染區(qū)向重污染區(qū)匯集的水力梯度，增強(qiáng)重污染區(qū)的污染去除效果。高污染區(qū)抽注抽在重污染區(qū)水位平穩(wěn)降低至近污染深度后開(kāi)展，對(duì)注水速度及抽提速度進(jìn)行控制，確保注水點(diǎn)水位不進(jìn)入填土層，形成穿透重污染區(qū)的強(qiáng)水力梯度。運(yùn)行過(guò)程中，地下水水位變化及流向變化如圖1所示。

2 現(xiàn)場(chǎng)中間試驗(yàn)

在上海市某工業(yè)遺留地塊進(jìn)行中間試驗(yàn)，對(duì)比傳統(tǒng)多相抽提模式及動(dòng)態(tài)梯度多相抽提模式的修復(fù)效果。

2.1 地塊水文地質(zhì)條件

在深度16 m的范圍內(nèi)，本地塊土壤主要由粉性土、黏性土組成。第一層主要為填土和沖填土，以黏性土及淤泥質(zhì)黏性土為主，層頂埋深為0.7～3.2 m，層厚為0.4～3.8 m。第二層主要為灰黃色粉質(zhì)黏土及灰色黏質(zhì)粉土，局部夾大量黏性土，層頂埋深為0.8～1.0 m，層厚為9.4～13.2 m。第三層主要為灰色淤泥質(zhì)黏土，局部夾粉性土、粉砂，層頂埋深為13.4～14.7 m，層厚為2.8～4.8 m。場(chǎng)地所在區(qū)域污染地下水主要分布在潛水區(qū)，調(diào)查期間，潛水穩(wěn)定水位埋深為0.6～1.3 m。

2.2 中間試驗(yàn)方法

2.2.1 布點(diǎn)情況

中間試驗(yàn)選取地塊內(nèi)兩處含有DNAPLs相的重污染區(qū)域（A區(qū)、B區(qū)）進(jìn)行，主要污染物為1，2-二氯苯及1，4-二氯苯，污染深度為15 m。布點(diǎn)情況如圖2所示，兩區(qū)域污染物濃度相近，距離為98 m，兩區(qū)域的相互影響可以忽略。每個(gè)區(qū)域抽提點(diǎn)位布設(shè)16口抽提井，井間距為3.5 m（已通過(guò)有效半徑試驗(yàn)驗(yàn)證），單井影響半徑為2.0 m，相鄰井影響半徑的搭接寬度為0.5 m。多相抽提井的井管直徑為110 mm，井管深度為15.5 m，材質(zhì)采用硬聚氯乙烯（Unplasticized Polyvinyl Chloride，UPVC），上部2 m井管不開(kāi)縫，管外填料為膨潤(rùn)土，下部13.5 m為開(kāi)縫篩管結(jié)構(gòu)，篩管外填料為石英砂。為防止天氣等環(huán)境因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，抽提井施工完畢，采用混凝土對(duì)抽提區(qū)進(jìn)行澆筑、封層。每個(gè)區(qū)域布設(shè)3口監(jiān)測(cè)井，用于監(jiān)測(cè)地下水污染濃度，井結(jié)構(gòu)與多相抽提井一致。

2.2.2 多相抽提運(yùn)行

A區(qū)、B區(qū)均采用壓縮空氣作為抽提地下水的動(dòng)力，抽出地下水經(jīng)油水分離設(shè)備后進(jìn)入地面水處理站進(jìn)行處理。土壤氣采用水環(huán)式真空泵及抽風(fēng)機(jī)進(jìn)行抽提，抽出氣體經(jīng)水汽分離設(shè)備分離后進(jìn)入廢氣處理設(shè)備進(jìn)行處理。運(yùn)行持續(xù)28 d，A區(qū)采用動(dòng)態(tài)梯度多相抽提模式，1～7 d全區(qū)域抽提，8～14 d全區(qū)域抽提+污染初探，15～21 d高濃度區(qū)重點(diǎn)抽提，22～28 d高濃度區(qū)抽注抽。B區(qū)采用傳統(tǒng)持續(xù)抽提模式，進(jìn)行28 d的全區(qū)域抽提。

2.2.3 多相抽提運(yùn)行數(shù)據(jù)采集

對(duì)各個(gè)階段的抽提井及監(jiān)測(cè)井抽提流量、抽出DNAPLs相量、地下水污染情況進(jìn)行采樣監(jiān)測(cè)。各部分均安裝抽提流量計(jì)，抽出DNAPLs相量等于抽出油水混合物量減去分離后水相量。地下水污染情況分為快速監(jiān)測(cè)及采樣送檢兩部分，快速監(jiān)測(cè)采用手持式PID進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采樣送檢通過(guò)貝雷管采集地下水，樣品送至具有資質(zhì)的檢測(cè)單位進(jìn)行檢測(cè)。

3 結(jié)果與討論

3.1 地下水中污染物濃度隨抽提時(shí)間的變化特征

地下水的PID濃度測(cè)量結(jié)果如圖3所示。AJ-1監(jiān)測(cè)井及BJ-1監(jiān)測(cè)井分別位于A區(qū)及B區(qū)的重污染區(qū)域，第0天至第14天兩區(qū)域PID濃度變化趨勢(shì)基本一致，第14天至第28天B區(qū)PID濃度下降逐漸變緩，第28天PID讀數(shù)由654×10-6下降至353×10-6；A區(qū)PID濃度下降穩(wěn)定，第14天至21天對(duì)重污染區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)抽提時(shí)，PID濃度下降明顯，第28天PID讀數(shù)由688×10-6下降至198×10-6。對(duì)比輕污染區(qū)域的地下水PID讀數(shù)變化，多相抽提期間，PID讀數(shù)下降速度較緩，B區(qū)的PID讀數(shù)下降速度隨時(shí)間逐漸變緩，A區(qū)的PID讀數(shù)持續(xù)穩(wěn)定下降。

對(duì)抽提前（第0天）及抽提后（第28天）重污染區(qū)地下水進(jìn)行采樣送檢，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。經(jīng)過(guò)28 d動(dòng)態(tài)梯度多相抽提，A區(qū)重污染區(qū)域中1，2-二氯苯及1，4-二氯苯去除率分別為68.91%、66.07%，明顯高于B區(qū)污染物的去除率。

3.2 抽提量隨抽提時(shí)間的變化特征

前14 d兩區(qū)域運(yùn)行模式一致，隨著多相抽提的運(yùn)行，地下水埋深下降，抽提井管內(nèi)回水速度逐漸降低，每日抽提量隨之下降。自第15天開(kāi)始，詳細(xì)記錄兩區(qū)域抽提情況，結(jié)果如表2所示。隨著抽提的進(jìn)行，A區(qū)、B區(qū)日均抽水量逐漸下降，第22天增加抽注抽措施后，A區(qū)日抽水量逐漸穩(wěn)定在10.4～11.4 m3/d。對(duì)比每座抽提井日均抽提量，A區(qū)重污染區(qū)4口抽提井的日均抽水量顯著高于B區(qū)抽提井，且下降速度較緩。對(duì)比兩區(qū)域DNAPLs相抽提情況，A區(qū)總抽提地下水量低于B區(qū)，但NAPLs相抽提量高于B區(qū)，抽提DNAPLs相占抽提地下水總量的11.91%，高于B區(qū)的3.35%。

3.3 多相抽提運(yùn)行分析

傳統(tǒng)持續(xù)多相抽提模式下，隨著多相抽提的運(yùn)行，每日抽提水量逐步降低，同時(shí)污染物的去除速度逐漸減緩。動(dòng)態(tài)梯度多相抽提增加重污染區(qū)集中抽提及重污染區(qū)抽注抽環(huán)節(jié)，隨著多相抽提的運(yùn)行，每日抽提水量逐漸穩(wěn)定，同時(shí)地下水污染物濃度穩(wěn)定下降。對(duì)第15天至第28天的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，動(dòng)態(tài)梯度多相抽提模式的井均抽提量大于連續(xù)抽提模式，NAPLs相的抽出量大于連續(xù)抽提模式。經(jīng)推測(cè)，該環(huán)節(jié)僅對(duì)重污染區(qū)進(jìn)行抽提，周邊輕污染區(qū)的水位高于重污染區(qū)，從而形成水位差，提高水力梯度，增加回水速度，由于表面張力作用[5]，高密度的DNAPLs相在水位壓力下更容易匯集至抽提井中，提高DNAPLs相的抽提量，從而加快地下水中氯苯類(lèi)污染物的去除。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)28 d的中間試驗(yàn)，采用動(dòng)態(tài)梯度多相抽提模式的區(qū)域內(nèi)，地下水中1，2-二氯苯濃度由68.5 mg/L降低至21.3 mg/L，1，4-二氯苯濃度由33.6 mg/L降低至11.4 mg/L。地下水中污染物的去除效果優(yōu)于傳統(tǒng)持續(xù)多相抽提模式。隨著高濃度區(qū)重點(diǎn)抽提及高濃度區(qū)抽注抽的進(jìn)行，它逐漸形成以重污染區(qū)為中心的水力梯度，通過(guò)液位差帶來(lái)的壓力增加重污染區(qū)的DNAPLs相抽提量及總抽水量。本研究證實(shí)動(dòng)態(tài)梯度多相抽提模式的有效性，但該模式仍缺乏大面積工程實(shí)例，后續(xù)應(yīng)選擇典型污染地塊進(jìn)行合理的工程應(yīng)用，并收集實(shí)施數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析抽提過(guò)程中地下水流動(dòng)及污染物的遷移狀態(tài)，建立模型，優(yōu)化運(yùn)行模式。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2024-01-05

作者簡(jiǎn)介：酈匯源（1988—），男，浙江紹興人，碩士，工程師。研究方向：土壤和地下水污染防控和修復(fù)。