SVE在污染場地土壤修復中的應用

董艷萍，張愛軍，王立暉

（1.聯合泰澤環境科技發展有限公司，天津 300042；2.浙江博世華環保科技有限公司，浙江杭州 310000；3.天津現代職業技術學院 環境工程學院，天津 300350）

我國土壤污染情況十分嚴重，耕地土壤和工礦業廢棄地土壤環境問題尤其突出。2014年中華人民共和國環境保護部和中華人民共和國國土資源部聯合發布《全國土壤污染狀況調查公告》中指出，目前全國范圍內面臨著非常嚴重的土壤污染，工礦業廢棄土壤污染表現得尤為突出，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（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”，該技術作為一種土壤原位修復技術首次出現在20世紀80年代，并快速在修復揮發性有機污染場地過程中實現了普及應用，該技術操作簡單、效率高，而且具有成本低、對周邊環境影響小等優勢[2]。

1 SVE技術概況

從基本技術原理的角度來看，SVE主要借助的是真空泵的抽提作用來實現土壤孔隙內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過轉化后形成氣態之后與新鮮空氣一起被抽出，在此情況下就能夠將污染物進行有效清除，SVE技術原理圖見圖1。早期SVE法主要用于汽油等非水相液體，目前該技術在有機污染物充分發揮以及揮發性農藥污染等不含有NAPL土壤體系中得到了廣泛推廣[3，5]。

圖1 SVE技術原理圖

2 SVE修復效果的影響因素

土壤自身的含水率、結構分布以及滲透性等會對SVE修復效果產生一定影響[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等應用氣壓或水壓裝置改善土壤內部結構，以提高土壤滲透性。土壤滲透性質一般可以通過實驗室土柱實驗和現場中試抽氣實驗獲得[7]。

土壤的含水率也是影響SVE修復的重要因素。土壤孔隙的通道容易被土壤內部含有的水分所填充，導致土壤的透氣性受到影響，污染物不能夠得到充分揮發；與此同時，由于VOCs極性要小于水分子，因此土壤中的有機質更容易與水分子結合，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，促進其揮發過程。另一方面，對于整個SVE在修復過程中NAPL的氣相轉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過程受到非常大的限制，容易導致提前出現拖尾現象。因此，在SVE修復中土壤含水率的調查，特別是其縱向分布情況的調查尤為重要。

在抽吸條件下土壤基質中氣象的流動程度以及流動方向都會受到土壤結構和分層等相關因素的影響，土壤的具體結構特征會使得優先流出現，如果不能夠對整個污染區域中的氣體流動方向正確的引導，必然會導致其最終的修復效率受到影響，而且修復時間也將更長。

抽提設備參數中的抽提速率對于VOCs去除率會產生非常明顯影響。通常情況下 SVE修復效率可以通過加大抽氣速率進行有效提升，在這種情況下修復時間也能有效縮減，但在整個過程中的設備投資和能耗更大，在土壤中存在的優先流也可能在抽氣速率較大的情況下會產生一定的“拖尾”效應。Albergaria等研究發現，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，而且經過實驗后發現在超過該速率極限值之后去污效率并不會產生明顯變化。Darcy定律的相關描述可以發現，在現場的抽取壓力梯度與土壤中氣相滲流速度之間呈現出正比例關系，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，現場設計過程中的壓力場以及流場的空間效應在實驗室內無法得到有效模擬，故最佳抽提流量必須通過現場試驗獲得[5]。

3 SVE的適用性

有機污染物蒸氣壓會對SVE技術的實際應用產生較大影響，而且該修復技術并不適用在揮發性較低的有機污染物場所。在汽油等易揮發性石油輕產品的清除過程中SVE技術可以得到有效應用，但是如柴油、煤油等一些重組分難揮發物質并不適用該技術，SVE的應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，最終導致產生蒸汽壓。而提高環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現，在具備較強揮發性的有機污染物修復過程中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地均一，且具有較大孔隙率和滲透性，較小的含水量等相關條件也是重要的影響因素。SVE技術應用的適用場合見表1[8]。

表1 土壤氣相抽提技術（SVE）的適用場合

4 SVE強化技術和裝備

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

SVE技術在實際應用過程中經常會與空氣噴射（Air Sparging，AS）[3]進行結合利用，作為一種針對飽和區域土壤污染物進行原位強化修復的技術，其主要是出現在20世紀80年代。該方法在實際利用過程中首先需要設置一個空氣注入井，利用高壓壓縮設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后將其帶至不飽和區域，此后充分利用常規的SVE系統就可以將其中的污染物進行有效去除。另外，針對不飽和區域，可以充分利用空氣注射技術來實現生物降解。

原位熱修復技術（Thermal Enhancement，TE）是使用加熱強化了SVE技術從而起到更好的土壤修復效果。該技術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，在此情況下重質非水相液體組分的去除效果能得到進一步強化。根據其加熱方式的不同可以將原位修復技術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加熱等，熱傳導加熱技術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）技術針對土壤的致密結構導致造成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，并實現抽題效率的全面提升。天津現代職業技術學院、浙江博世華環保科技有限公司、聯合泰澤環境科技發展有限公司共同開展的陸家村民居點地塊土壤揮發性有機污染的物理-化學修復工程示范中主要利用了此項強化技術，針對致密土壤滲透性差傳質效率低下等難點，構建了基于水裂壓力系統的“氣提-氧化”聯合修復技術及一體化裝備。利用水力壓裂系統進行高壓水力生成網狀裂隙帶，提高污染物與載體氣體的接觸概率，減少設井數量，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絡在壓裂結束后自動恢復，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，保持裂縫網絡完好。以砂石支撐的裂隙網絡系統具有高滲透性，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 水力壓裂技術應用原理說明

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勢，美國環保局將該項土壤修復技術定義為“革命性”的一種技術。

SVE在積極地利用過程中逐步向著地下水修復和生物修復等領域實現滲透，因此也具有非常廣闊的應用前景。雖然從地面角度來看SVE技術的實際應用相對比較簡單，但是在應用過程中會涉及多種復雜因素的影響，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、現場尺寸放大效應、污染物傳質機理等方面的研究仍然有待進一步加深。