氣相抽提與氧化壓裂技術結合在有機污染土壤修復工程中的應用

張明　趙怡陽　徐辰

摘要：本研究以退役農藥污染場地修復實際工程為例，將原位氣相抽提和高級氧化修復技術結合應用，并輔以水力壓裂技術改善土壤滲透能力。設計制造了成套可移動、模塊化修復系統和裝備，通過小試、中試獲得切實可行的系統化運行參數，為國內原位修復揮發性有機污染場地提供了可執行的技術指導和裝備經驗借鑒。

關鍵詞：原位修復;氣相抽提;高級氧化;水力壓裂;揮發性有機污染物

中圖分類號：X705 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）06-00-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.06.052

Application of gas phase extraction and oxidative fracturing technology in organic contaminated soil remediation engineering

Zhang Ming，Zhao Yiyang，Xu Chen

（Zhejiang Bestwa Environmental Technology Co.，Ltd.，Hangzhou Zhejiang 310015，China）

Abstract：In this study，the actual project of remediation of decommissioned pesticide-contaminated sites is taken as an example.In situ gas phase extraction and advanced oxidative remediation technology are used in combination with hydraulic fracturing technology to improve soil permeability.Designed and manufactured a complete set of movable and modular repair systems and equipment，and obtained practical and systematic operating parameters through small and pilot tests，providing executable technical guidance and equipment experience for domestic in-situ repair of volatile organic pollution sites .

Key words：In situ repair;Gas phase extraction;Advanced oxidation;Hydraulic fracturing;Volatile organic pollutants

土壤氣相抽提技術（Soil Vapor Extraction， SVE）是始于1980年代的土壤原位修復技術，其原理是利用真空泵抽提降低污染區域土壤孔隙內有機污染物的蒸汽壓，使之揮發、解吸轉化為氣態形式，并隨同通入的新鮮空氣一同抽出，以去除污染物。文獻報道中提及的SVE修復效果的影響因素主要包括土壤滲透性、含水率和地下水深度、土壤結構及分層、氣相抽提流量與Darcy流速、有機物蒸汽壓與土壤溫度等[1]。一般認為SVE主要適用于揮發性較強的有機污染修復，且要求土壤質地均一、滲透性好、孔隙率大、含水率小、地下水位較低[2]。但在工程實際應用中經常會遇到土壤種類和結構、污染物揮發性方面的制約因素，如在修復一些低滲透性的黏土污染區域時，土壤的致密結構往往會造成SVE抽提效果不佳，時間和運行成本大幅提高。水力和高壓氣體壓裂（Pneumatic and Hydraulic Fracturing， PHF）技術可以通過高壓水或氣的注射，在原本固結的土壤中開辟新的氣體通路，增加土壤的透氣性，從而提高污染物與載體氣體的接觸幾率，提高抽提效率，同時為氧化藥劑的滲透接觸打開通道。

我國開展SVE原位修復工程實踐較少，本研究應用水力壓裂與氧化技術強化SVE修復農藥污染場地，形成較為成熟的成套設備并積累了有效的設備運行參數，對國內類似場地的修復具有積極地指導意義。

1 工程場地概況

修復工程場地為20世紀90年代停產的退役化工廠，主要生產順丁烯二酸酐（順酐）和鄰苯二甲酸酐（苯酐），污染物主要為生產過程中的原輔料包括苯系物，污染土壤量30 000 m3。場地內殘留大量農藥氣味，如異位開挖會嚴重影響周邊居民生活，因此確定采用氣相抽提結合水力砂裂和化學氧化進行原位修復。

2 修復工藝流程與各系統設計

本項目所設計裝備根據場地實際情況為原位氧化和氣提修復技術的聯合應用，工藝流程見圖1。經小試試驗確定的適量氧化藥劑經氣提系統注射井注入污染土壤，在抽提井負壓作用下向抽氣方向擴散，并沿途與土壤中的污染有機物發生高級氧化反應。反應產物、剩余氧化劑和揮發性有機氣體等氣液混合物經抽提進入氣液分離裝置，分離出的氣體和液體分別送往相應的處理設備處理后或達標排放或回用。為提高土壤滲透性，從而增加藥劑擴散面積和抽提影響半徑，本裝備還加裝了一套水力壓裂系統，利用高壓在粘性土壤中生成網狀裂隙帶，顯著提高氧化和氣提修復效果。

2.1 注入井、抽提井布設

注入井、抽提井及附屬設備管道均為外部露天設備，管口分別配置了閥門、壓力計和真空表，并與氧化藥劑注藥系統及抽提系統抽氣管相連。其中：

井套管：使用直徑60 mm PVC管道，井管下部為長1.5m狹縫井屏，狹縫寬度為1～2 mm，間距1.5 cm，井底和井口分別設置10cm管帽。井端超出地面0.2～0.5 m;

濾料和填料：濾料采用0.1～0.2 mm石英砂，填至井屏上部20 cm，其上方填入60 cm膨潤土起密封隔離作用。

密封：膨潤土上方用水泥灰漿密封至與地面齊平。

2.2 氧化藥劑調制、注入系統及水力壓裂系統

化學氧化和水力壓裂系統集成于一個40GP標準集裝箱中，其中化學氧化系統含兩個3 m3溶藥罐及附屬攪拌裝置、液位計及螺桿泵，藥劑在罐中經攪拌溶解后由螺桿泵送入注藥總管，總管上間隔30 cm裝配有40個配備流量計的注射分管，再由注射分管分別連接至外部注入井地上管口，完成注藥。本注藥系統可通過電磁閥、壓力傳感器和電磁流量計實現輸送藥劑的流量控制。水力壓裂由注射料液（交聯支撐劑）配制和高壓注入（DN50，1.6 MPa螺桿泵）裝置組成。

2.3 氣相抽提和廢氣處理系統

氣提系統由抽提井、抽提支管、多功能吸收塔、氣液分離裝置和活性炭吸附裝置構成。抽提井所抽提廢氣廢液混合物經支管匯集至真空泵進入多功能吸收塔，塔內噴淋霧化氧化劑吸收廢氣中的可溶部分并氧化去除大部分非可溶有機廢氣。吸收處理后的混合廢氣在氣液分離裝置中將水霧和氣體進行分離，以防水霧進入下一單元。經氣液分離后氣體由引風機吸至活性炭吸附器去除剩余非溶性有機廢氣，最終經排氣筒達標排放。系統整體可達到水吸收率95%以上，氧化效率90%，活性炭吸附效率95%以上，阻力小于1 500 Pa，脫水率90%。

3 各系統修復運行處理主要參數

3.1 水力壓裂系統

系統以Geoprobe鉆機將空心鉆桿和鉆頭壓入設計深度，高壓注水進行壓裂，達水力突破后，注入交聯支撐劑，維持裂隙網絡。水力壓裂每隔3 m土層進行，壓力為實驗測得。以6 m深度壓裂為例，試驗壓力在0.4～2.06 MPa之間，突破壓力為2.06 MPa。交聯支撐劑由瓜爾膠、緩沖劑（K2CO3或NaOH）、交聯劑（硼砂）、破膠劑（生物酶）和砂按實驗比例配制。

3.2 氧化藥劑用量與注入

原位化學氧化藥劑采用2.5% KMnO4水溶液通過注入井（與通風井合用）注入，注射速率為3.5～7.6 L/min，注射壓力150～200 KPa。工程場地經水力壓裂處理后的氧化劑擴散半徑最遠可達8 m，有效作用半徑為0.75～5.5 m，基本達到設計注入井擴散半徑要求。氧化藥劑用量為80 000 m3。

3.3 抽提系統操作運行

修復施工過程中注入井和抽提井的布設需要根據土壤滲透率和通風實驗所獲得的影響半徑來確定，本項目中經試驗測定的抽提井影響半徑為6 m，以每個污染點位輻射半徑為10 m計算，需抽提井5個，通風井4個。抽提系統中作為動力單元的真空泵經實測，以單井抽氣量約為27.5 m3/h計算，每個污染點位抽氣量為110 m3/h。場區內污染點位共28個，相應設置抽提井128口，通風井106口。考慮現場情況余風量和漏風量估算，總抽氣量設計為3 850 m3/h，故設置3臺真空泵抽氣，每臺風量約為1 280 m3/h。

4 結論與建議

隨著土壤修復技術的進步和國內修復市場的成熟，修復工程將逐漸由異位快速處理轉向原位長效處理。原位技術的應用將在修復范圍控制、修復設備技術復雜度、修復效果監控和評估等方面提出更高的要求，因此從事土壤修復的企業應在通過大量中試和示范工程獲取大量土壤基礎數據，建立標準模型，結合大型土建工程經驗措施，發展處理能力較大的原位修復裝備，以適應即將到來的大型原位修復項目市場需求。

參考文獻

[1]楊樂巍.土壤氣相抽提（SVE）現場試驗研究[D].天津：天津大學，2006.

[2]羅成成，張煥禎，畢璐莎，等.氣相抽提技術修復石油類污染土壤的研究進展[J].環境工程，2015，33（10）：158-162.

[3]周龍濤，王群立，賈悅，等.石油污染土壤微生物聯合修復技術研究進展[J].油氣田環境保護，2019，29（06）：5-10+64.

[4]朱秀雨，王柱，李國軍.石油污染土壤生物修復中的漆酶活性變化研究[J].環境科學與管理，2019，44（08）：104-108.

收稿日期：2020-05-02

作者簡介：張明（1972-），男，漢族，碩士，中級職稱，研究方向為環境科學與工程。