1.前言

土壤氣相抽提(Soil Vapor Extraction, SVE)是1990年代初期所發(fā)展的一項(xiàng)成熟的土壤原位修復(fù)技術(shù)。SVE的基本原理是通過專門的地下抽提(井)系統(tǒng)，利用抽真空迫使非飽和區(qū)土壤中的氣體發(fā)生流動(dòng)，從而將其中的揮發(fā)性有機(jī)污染物脫除，達(dá)到污染土壤修復(fù)的目的。有時(shí)在抽提的同時(shí)，可以設(shè)置注氣井，人工向土壤中注入空氣。典型的SVE技術(shù)如圖1所示，包括注射井、抽提井、管道系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和尾氣處理系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)污染情況抽提井可分為豎井和橫井兩大類。


SVE主要用于處理易揮發(fā)的有機(jī)物(如汽油、柴油、有機(jī)溶劑等)，但不宜用于滲透性差或者地下水位變動(dòng)較大的場(chǎng)地。另外，SVE能有效地去除不飽和區(qū)的污染物，但溶解到土壤孔隙水中的污染物很難被去除，因而難以用SVE去除。由于SVE效果受到許多不同因素的影響，如土壤含水量、有機(jī)質(zhì)含量、土壤滲透性等，所以不同的場(chǎng)地會(huì)有不同的修復(fù)效果。

SVE是一項(xiàng)相對(duì)低廉的土壤修復(fù)技術(shù)，在修復(fù)過程中對(duì)地下水的擾動(dòng)小，不破壞土壤結(jié)構(gòu)、設(shè)備，且設(shè)計(jì)、安裝簡(jiǎn)單，成本不高。然而，當(dāng)土壤細(xì)粒物質(zhì)含量高，含水率高時(shí)，修復(fù)效果相當(dāng)有限、修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，使修復(fù)費(fèi)用增加;此外當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)含量高，其對(duì)有機(jī)物的吸附容量大，SVE去除效率也會(huì)降低。SVE的主要優(yōu)缺點(diǎn)見表1。


2.極限土壤氣相抽提技術(shù)(Extreme Soil Vapor Extraction, XSVE)

2.1極限土壤氣相抽提原理

有鑒于SVE在上述問題的局限及缺點(diǎn)，永清環(huán)保公司所收購(gòu)的美國(guó)Integrated Science &Technology, Inc. (IST) 公司于2014年研發(fā)極限土壤氣相抽提技術(shù)(Extreme Soil VaporExtraction, XSVE)，這是傳統(tǒng)氣相抽提技術(shù)(SVE)的創(chuàng)新和拓展。由XSVE在傳統(tǒng)SVE的基礎(chǔ)上通過增加空氣流量、干氣流吹掃、提高土壤溫度、減少滲析、以及更具針對(duì)性的氣相抽提等手段，可以大大提高了有機(jī)污染物的去除率。XSVE的工藝示意圖見圖2。


2.2 極限土壤氣相抽提的優(yōu)點(diǎn)

XSVE可顯著減少運(yùn)行時(shí)間，拓展了SVE可修復(fù)的污染物種類和土壤基質(zhì)范圍。XSVE除了可以用于處理揮發(fā)性較強(qiáng)的有機(jī)污染物、汽油、柴油的污染土壤，還可以用于處理半揮發(fā)性有機(jī)污染物，如五氯酚(蒸氣壓0.0001 mmHg(20℃))、萘(蒸氣壓0.09 mmHg(20℃))，以及水溶解度較高的污染物，如1,4-二氧六環(huán)(1,4-Dioxane)、甲基叔丁基醚(MTBE)。

3.技術(shù)案例

加州McClellan舊空軍基地修復(fù)區(qū)XSVE修復(fù)項(xiàng)目

項(xiàng)目背景：

1,4-二氧六環(huán)是近年國(guó)際上新認(rèn)定的新興污染物，常伴隨著污染場(chǎng)地中的氯化溶劑而存在。由于1,4-二氧六環(huán)與水完全互溶，在土壤中大多溶于土壤孔隙水中，傳統(tǒng)的SVE雖然能清除部分1,4-二氧六環(huán)，但這種清除非常有限。殘存在土壤中的1,4-二氧六環(huán)，成為地下水的持續(xù)污染源。

本場(chǎng)地位于加州McClellan舊空軍基地修復(fù)區(qū)，歷史主要污染物是1,1,1-三氯乙烷(1,1,1-TCA)，該場(chǎng)地在1996年即開始以SVE系統(tǒng)開始修復(fù)，期間斷斷續(xù)續(xù)修復(fù)，1,1,1-三氯乙烷很快在前數(shù)年被去除，但1,4-二氧六環(huán)濃度在經(jīng)過將近20年的修復(fù)，卻沒有明顯下降趨勢(shì)。由于1,4-二氧六環(huán)在近幾年被認(rèn)定為新興污染物，需要進(jìn)一步加強(qiáng)修復(fù)，因此IST受美國(guó)國(guó)防部委托，從2014年開始在本場(chǎng)地進(jìn)行XSVE的修復(fù)試驗(yàn)。

解決方案：

為解決傳統(tǒng)SVE對(duì)1,4-二氧六環(huán)去除不徹底的問題，本場(chǎng)地采用XSVE技術(shù)，在原有SVE系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過增加空氣流量、干氣流吹掃、提高溫度、減少滲析、以及更具針對(duì)性的氣相抽提等手段提高1,4-二氧六環(huán)的去除率。

通過詳細(xì)的場(chǎng)地勘察及土壤樣品分析，我們首先確定了該場(chǎng)地注氣井的位置。抽氣井的四周設(shè)置了4個(gè)注氣井，每口井間距6m，注氣井井口設(shè)有線上加熱器，將熱空氣注射到土層內(nèi)。抽氣井與注氣井的上部配有熱電偶及皮托管，用于溫度及壓力測(cè)量。場(chǎng)地中同時(shí)安裝了4個(gè)氣體監(jiān)測(cè)井，配有氣體檢測(cè)探頭、溫度感應(yīng)器、以及土壤濕度感應(yīng)器，用于土壤多重深度的監(jiān)測(cè)與感應(yīng)。

其中溫度感應(yīng)器以及土壤濕度感應(yīng)器是本系統(tǒng)的重點(diǎn)，因?yàn)闇囟燃巴寥篮康姆植技白兓厔?shì)將決定了修復(fù)成效。XSVE系統(tǒng)的裝置可見圖3，井及監(jiān)測(cè)儀器位置見圖4。

本場(chǎng)地的未飽和層土壤以粉質(zhì)砂為主，夾雜砂或黏土的互層，地下水位在埋深22m處。注氣井材質(zhì)為低碳鋼，井上部水泥密封，井篩12.5m至21m，也就是1,4-二氧六環(huán)的主要污染分布深度，濃度最高可達(dá)30 mg/kg。

成功經(jīng)驗(yàn)：

在14個(gè)月內(nèi)操作XSVE系統(tǒng)，共約20,000個(gè)土壤孔隙體積被XSVE抽除，成功清除了土壤中95%的1,4-二氧六環(huán)污染，大大降低了地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)。同樣時(shí)間內(nèi)，若采用傳統(tǒng)SVE大約僅能抽除 200 -5,000土壤孔隙體積，同時(shí)溶解在土壤孔隙水中的污染物也無法去除。

圖5顯示了XSVE修復(fù)前后的1,4-二氧六環(huán)在土層中的濃度變化情形，在修復(fù)區(qū)的中央，1,4-二氧六環(huán)由修復(fù)前的10-30 mg/kg降到了1 mg/kg以下;在距離抽氣井約3m的內(nèi)圈范圍，1,4-二氧六環(huán)由修復(fù)前的10-25 mg/kg降到了2 mg/kg以下，只有在靠近地下水層的部分濃度稍微高些;在距離抽氣井約6m的外圈范圍，1,4-二氧六環(huán)也降到了1 mg/kg以下。
4.結(jié)論

經(jīng)由實(shí)際的項(xiàng)目實(shí)施，展現(xiàn)了XSVE對(duì)于去除土壤中的高溶解性有機(jī)物的優(yōu)越性，可將修復(fù)時(shí)間由數(shù)年大幅縮短至數(shù)個(gè)月。同時(shí)XSVE 的設(shè)計(jì)、安裝、操作與傳統(tǒng)的SVE比較并不會(huì)太復(fù)雜，可以很快速的將現(xiàn)有的SVE系統(tǒng)改裝成為XSVE系統(tǒng)，并且單位處理成本僅比SVE高些。同時(shí)經(jīng)由現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)經(jīng)驗(yàn)證明，1,4-二氧六環(huán)的大量去除發(fā)生在土壤溫度顯著升高之前，由此表明加熱并不是絕對(duì)需要的，有針對(duì)性的抽除、加熱才是關(guān)鍵。