一種污染土壤異味高效阻隔系統的開發與應用

沈曙華 馬曉宇 孫 華

（1.上海華誼集團資產管理有限公司；2.上海化工院環境工程有限公司；3.上海化工院檢測有限公司）

隨著城市工業用地轉型升級進程的推進，以及“退二進三”、“退城進園”等政策的實施，導致我國城市內出現了大量的工業遺留場地［1，2］，其中多數被污染地塊的污染物都涉及到了揮發/半揮發性有機物污染［3］。 對工業場地的修復多以技術成熟、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，此時揮發性/半揮發性有機物會釋放到大氣中，對周圍環境造成二次污染［5］。 因此，土壤異位修復過程中對揮發性/半揮發性有機物的異味阻隔就顯得十分重要。 泡沫阻隔技術作為一種新穎的技術在土壤修復的VOCs/SVOCs阻隔及消防等領域得到了廣泛應用［6，7］。異味阻隔設備或系統作為阻隔的核心設備，技術一直被美國RUSMAR等外企壟斷，國內發泡系統中，大都是以消防用泡沫發生裝置為主。 這些發泡設備盡管發泡速度快、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，可以根據土壤修復場地異味阻隔需要產生大流量的均勻、細膩泡沫，填補了國內相關領域空白。

1 污染土壤異味高效阻隔系統關鍵部件結構設計和工作原理

污染土壤異味高效阻隔系統的結構及工藝流程如圖1所示，系統主要包括泡沫發生器，靜態混合器，進料泵，藥劑罐，進液槽，發電機、空壓機及電控柜， 系統內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工藝流程圖

在整套土壤異味高效阻隔系統中，需要特殊設計的是泡沫發生器，需要計算選型的是靜態混合器，此外泡沫發生器輔助的儀表也需要特殊選型。

1.1 泡沫發生器

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

設計發泡結構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泡結構主要有機械攪拌發泡、文丘里自吸發泡及壓縮空氣對篩網造泡等幾種方式［9］。 經過現場考察和實驗室測試，發現使用這些發泡裝置所發的泡沫，存在發泡時間過長、泡沫不穩定及泡沫直徑過大等問題。 為此專門設計了一種新型的發泡裝置，結構如圖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生裝置中，然后混合液體在細小孔道中與空氣進行混合發泡，再經多孔介質二次強化，產生質地均勻、性狀穩定的泡沫。 具體工作流程為，將液體與空氣混合腔體設計成細小孔道結構，發泡管上開有數個孔道，混合發泡液體在空壓機提供的氣體壓力驅動作用下，通入中空孔道中，混合液體經過進氣孔時與氣體進行均勻混合發泡，混合后的氣體和液體再經過多孔介質后對之前所發泡沫產生強化作用，強化后的泡沫通過壓蓋格柵后從發泡出口排出。 其中發泡管與多介質腔室通過螺紋結構連接，該結構能將混合液體平均分布到若干細小空間內與空氣接觸后發泡，實現了對發泡過程的二次強化操作。

圖2 泡沫發生器內部結構示意圖

對設計好的裝置進行試驗驗證可見，該新型發泡結構具有3個優點：單元孔道混合設計，保證了液體與氣體混合效果的穩定性；二次泡沫強化結構，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 靜態混合器

靜態混合器為兩種與發泡相關的藥劑液體均勻混合用裝置。 靜態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格的混合單元實現的。 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，流體自身的旋轉作用在相鄰元件連接處的界面上亦會發生，這種完善的徑向環流混合作用，使流體在管道截面上的溫度梯度、速度和質量梯度明顯減小，促使互不相溶的流體在管道內產生切割、移位、旋轉及重疊等運動，從而達到良好的混合效果。 由于靜態混合器為常用設備，因此系統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型靜態混合器，靜態混合器選型計算內容如下。

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

式中 d——水力直徑；

f——摩擦系數；

L——靜態混合器的長度，m；

u——混合流體的流動速度，m/s；

ε——靜態混合器空隙率；

μ——流體黏度，Pa·s；

ρ——連續流體的密度，kg/m3。

選型計算過程如下：

a.首先選用DN 40規格管徑， 靜態混合器長度選為420 mm； 根據已知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， 該結果無法滿足要求，需調整參數。

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

c.由于選用DN 40規格管徑計算出的壓降較大，因此增大靜態混合器直徑，選用DN 50規格管徑，靜態混合器長度選為510 mm。 根據已知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，根據靜態混合器選用手冊，可使用SV-50-500型靜態混合器（圖3）。

圖3 SV-50-500型靜態混合器結構示意圖

1.3 特殊儀表選型

為保證泡沫阻隔效果和發泡的連續性， 污染土壤異味高效阻隔系統中液位計儀表的選型也很重要。 除了要關注流量范圍、測試精度、溫度、壓力、腐蝕環境外，還要考慮泡沫對泡沫發生器內的液位傳感器帶來的影響。 傳統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。但在本系統工作過程中， 泡沫發生器內壓力波動很大，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泡的連續性。

1.4 污染土壤異味高效阻隔系統的基本參數

所研發的系統總用電功率約為8 kW·h，發泡流量可在0～30 m3/h范圍內調節，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節，每個泡沫發生器罐體內有效容積約為64 L。 系統各部件分別安裝在兩臺推車上（圖4），其中推車1（左側推車）集成了進液槽、進料泵1、空壓機及發電機等裝置，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（右側推車）則將兩個藥劑罐、進料泵2、靜態混合器、泡沫發生器和控制系統集成于一體，外部同樣有不銹鋼可開啟式外殼保護。 系統分別安裝在兩個推車內，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即可實現快速異味阻隔過程操作，減小運輸質量，提高運輸速率；當遇到沒有電源等條件的應用場地時，則推車1、2兩車聯用，即可實現快速異味阻隔的操作過程。 需要說明的是，發泡劑經過發泡后，產出的泡沫體積是發泡液的數幾十倍甚至上百倍 （增加倍數與發泡藥劑種類有關），因此發泡流量的單位采用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外形圖

2 場地異味阻隔應用

2.1 應用過程

研發的系統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聯，將進料流量快速調節為目標流量。 進料泵啟動后兩種藥劑按照比例經過靜態混合器混合后進入到泡沫發生器中，當進液完成后（約1 min左右），關閉進液閥，調節進氣壓力至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生器罐體內開始進料操作。 每個泡沫發生器單次發泡時間約為2 min，發泡體積約為1 m3。

2.2 應用效果

系統實際應用效果如下：

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

b.在阻隔效果方面，泡沫結構穩定覆蓋土壤時間超過12 h，8 h內對四氯乙烯、甲苯、正庚烷等VOCs的揮發抑制率接近100%。 較好地達到了土壤異位修復過程中對揮發性/半揮發性有機物的異味阻隔目的。

3 結束語

筆者介紹的污染土壤異味高效阻隔系統中集成了發電機、藥劑、氣源等組件，適合在場地修復中直接使用。 從結構設計和污染場地阻隔需求兩方面出發，成功研發出發泡效果穩定，泡沫細膩、均勻的發泡系統。 該系統結構簡單、集成度高、操作方便，多藥劑罐設計可應對多場景異味阻隔需求。 打破了國外相關技術的壟斷局面，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泡劑的研制，可實現對揮發性有機物氣體降解的作用，改善場地修復環境，降低修復成本，提高土壤修復效率，是一種高效、綠色的環保系統。