极限土壤气相抽提技术介绍

时间:2017-08-30 14:32 来源:未知

  土壤气相抽提(Soil Vapor Extraction, SVE)是1990年代初期所发展的一项成熟的土壤原位修复技术。SVE的基本原理是通过专门的地下抽提(井)系统,利用抽真空迫使非饱和区土壤中的气体发生流动,从而将其中的挥发性有机污染物脱除,达到污染土壤修复的目的。有时在抽提的同时,可以设置注气井,人工向土壤中注入空气。典型的SVE技术如图1所示,包括注射井、抽提井、管道系统、控制系统和尾气处理系统,根据现场污染情况抽提井可分为竖井和横井两大类。

  SVE主要用于处理易挥发的有机物(如汽油、柴油、有机溶剂等),但不宜用于渗透性差或者地下水位变动较大的场地。另外,SVE能有效地去除不饱和区的污染物,但溶解到土壤孔隙水中的污染物很难被去除,因而难以用SVE去除。由于SVE效果受到许多不同因素的影响,如土壤含水量、有机质含量、土壤渗透性等,所以不同的场地会有不同的修复效果。

  SVE是一项相对低廉的土壤修复技术,在修复过程中对地下水的扰动小,不破坏土壤结构、设备,且设计、安装简单,成本不高。然而,当土壤细粒物质含量高,含水率高时,修复效果相当有限、修复时间长,使修复费用增加;此外当土壤有机质含量高,其对有机物的吸附容量大,SVE去除效率也会降低。SVE的主要优缺点见表1。

  2.极限土壤气相抽提技术(Extreme Soil Vapor Extraction, XSVE)

  2.1极限土壤气相抽提原理

  有鉴于SVE在上述问题的局限及缺点,永清环保公司所收购的美国Integrated Science &Technology, Inc. (IST) 公司于2014年研发极限土壤气相抽提技术(Extreme Soil VaporExtraction, XSVE),这是传统气相抽提技术(SVE)的创新和拓展。由XSVE在传统SVE的基础上通过增加空气流量、干气流吹扫、提高土壤温度、减少渗析、以及更具针对性的气相抽提等手段,可以大大提高了有机污染物的去除率。XSVE的工艺示意图见图2。

  2.2 极限土壤气相抽提的优点

  XSVE可显著减少运行时间,拓展了SVE可修复的污染物种类和土壤基质范围。XSVE除了可以用于处理挥发性较强的有机污染物、汽油、柴油的污染土壤,还可以用于处理半挥发性有机污染物,如五氯酚(蒸气压0.0001 mmHg(20℃))、萘(蒸气压0.09 mmHg(20℃)),以及水溶解度较高的污染物,如1,4-二氧六环(1,4-Dioxane)、甲基叔丁基醚(MTBE)。

  3、技术案例

  加州McClellan旧空军基地修复区XSVE修复项目

  项目背景:

  1,4-二氧六环是近年国际上新认定的新兴污染物,常伴随着污染场地中的氯化溶剂而存在。由于1,4-二氧六环与水完全互溶,在土壤中大多溶于土壤孔隙水中,传统的SVE虽然能清除部分1,4-二氧六环,但这种清除非常有限。残存在土壤中的1,4-二氧六环,成为地下水的持续污染源。

  本场地位于加州McClellan旧空军基地修复区,历史主要污染物是1,1,1-三氯乙烷(1,1,1-TCA),该场地在1996年即开始以SVE系统开始修复,期间断断续续修复,1,1,1-三氯乙烷很快在前数年被去除,但1,4-二氧六环浓度在经过将近20年的修复,却没有明显下降趋势。由于1,4-二氧六环在近几年被认定为新兴污染物,需要进一步加强修复,因此IST受美国国防部委托,从2014年开始在本场地进行XSVE的修复试验。

  解决方案:

  为解决传统SVE对1,4-二氧六环去除不彻底的问题,本场地采用XSVE技术,在原有SVE系统的基础上通过增加空气流量、干气流吹扫、提高温度、减少渗析、以及更具针对性的气相抽提等手段提高1,4-二氧六环的去除率。

  通过详细的场地勘察及土壤样品分析,我们首先确定了该场地注气井的位置。抽气井的四周设置了4个注气井,每口井间距6m,注气井井口设有线上加热器,将热空气注射到土层内。抽气井与注气井的上部配有热电偶及皮托管,用于温度及压力测量。场地中同时安装了4个气体监测井,配有气体检测探头、温度感应器、以及土壤湿度感应器,用于土壤多重深度的监测与感应。

  其中温度感应器以及土壤湿度感应器是本系统的重点,因为温度及土壤含水量的分布及变化趋势将决定了修复成效。XSVE系统的装置可见图3,井及监测仪器位置见图4。

  本场地的未饱和层土壤以粉质砂为主,夹杂砂或黏土的互层,地下水位在埋深22m处。注气井材质为低碳钢,井上部水泥密封,井筛12.5m至21m,也就是1,4-二氧六环的主要污染分布深度,浓度最高可达30 mg/kg。

  成功经验:

  在14个月内操作XSVE系统,共约20,000个土壤孔隙体积被XSVE抽除,成功清除了土壤中95%的1,4-二氧六环污染,大大降低了地下水污染的风险。同样时间内,若采用传统SVE大约仅能抽除 200 -5,000土壤孔隙体积,同时溶解在土壤孔隙水中的污染物也无法去除。

  图5显示了XSVE修复前后的1,4-二氧六环在土层中的浓度变化情形,在修复区的中央,1,4-二氧六环由修复前的10-30 mg/kg降到了1 mg/kg以下;在距离抽气井约3m的内圈范围,1,4-二氧六环由修复前的10-25 mg/kg降到了2 mg/kg以下,只有在靠近地下水层的部分浓度稍微高些;在距离抽气井约6m的外圈范围,1,4-二氧六环也降到了1 mg/kg以下。

  4、结论

  经由实际的项目实施,展现了XSVE对于去除土壤中的高溶解性有机物的优越性,可将修复时间由数年大幅缩短至数个月。同时XSVE 的设计、安装、操作与传统的SVE比较并不会太复杂,可以很快速的将现有的SVE系统改装成为XSVE系统,并且单位处理成本仅比SVE高些。同时经由现场修复经验证明,1,4-二氧六环的大量去除发生在土壤温度显著升高之前,由此表明加热并不是绝对需要的,有针对性的抽除、加热才是关键。

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