污染土壤与地下水多项抽提技术简介与应用案例

Posted 2023-01-12 污染物

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技术介绍
1技术名称
技术名称：多相抽提
英文名称：Multi-PhaseExtraction(MPE)
2技术适用性
2.1适用的介质
污染土壤和地下水
2.2可处理的污染物类型：适用于易挥发、易流动的NAPL(非水相液体)(如汽油、柴油、有机溶剂等)。
2.3应用限制条件
不宜用于渗透性差的土壤修复场地或者地下水水位变动较大的场地。
3技术介绍
3.1原理
通过真空提取手段，抽取地下污染区域的土壤气体、地下水和浮油层到地面进行相分离及处理，以控制和修复土壤与地下水中的有机污染物。
3.2系统构成和主要设备
MPE系统通常由多相抽提、多相分离、污染物处理三个主要部分构成。系统主要设备包括真空泵(水泵)、输送管道、气液分离器、NAPL/水分离器、传动泵、控制设备、气/水处理设备等。
多相抽提设备是MPE系统的核心部分，其作用是同时抽取污染区域的气体和液体(包括土壤气体、地下水和NAPL)，把气态、水溶态以及非水溶性液态污染物从地下抽吸到地面上的处理系统中。多相抽提设备可以分为单泵系统和双泵系统。其中单泵系统仅由真空设备提供抽提动力，双泵系统则由真空设备和水泵共同提供抽提动力。
多相分离指对抽出物进行的气-液及液-液分离过程。分离后的气体进入气体处理单元，液体通过其他方法进行处理。油水分离可利用重力沉降原理除去浮油层，分离出含油量低的水。
污染物处理是指经过多相分离后，含有污染物的流体被分为气相、液相和有机相等形态，结合常规的环境工程处理方法进行相应的处理处置。气相中污染物的处理方法目前主要有热氧化法、催化氧化法、吸附法、浓缩法、生物过滤及膜法过滤等。污水中的污染物处理目前主要采用膜法(反渗透和超滤)、生化法(活性污泥)和物化法等技术，并根据相应的排放标准选择配套的水处理设备。
3.3关键技术参数或指标
评估MPE技术适用性的关键技术参数主要分为水文地质条件和污染物条件两个方面，关键参数适宜范围如表1所示。

4技术应用基础和前期准备
在技术应用前，需开展可行性测试，以对其适用性和效果进行评价和提供设计参数。参数包括：土壤性质(渗透性、孔隙率、有机质等)、土壤气压、地下水水位、污染物在土、水、气相中的浓度、生物降解参数(微生物种类、氮磷浓度、O2、CO2、CH4等)、地下水水文地球化学参数(氧化还原电位、pH、电导率、溶解氧、无机离子浓度等)、NAPL厚度和污染面积、汽/液抽提流量、井头真空度、NAPL回收量、污染物回收量、真空影响半径等。
5主要实施过程
(1)建立地下水抽提井，井与井间距应在水力影响半径范围内。对于有DNAPL(高密度非水相液体)存在的场地，抽提井的深度应达到隔水层顶部。
(2)整个抽提管路应保持良好的密闭性，包括井口、管路、接口等。抽提开始后，根据观测流量，调节真空度及抽提管位置，使系统稳定运行。对尾气排放口的挥发性有机物应进行监测，如浓度明显增大应停止抽提，更换活性炭罐中的活性炭。
(3)观察维护油水分离器，确保油水分离效果，并对水、油分别进行收集、处理、处置。
6运行维护和监测
运行维护包括NAPL收集、抽提井真空度调节、活性炭更换、沉积物清理、仪表和电路及管路检修和校正等。同时，为有效地评估MPE对地下环境的影响，需在运行过程中持续监测系统的物理及机械参数(抽提井和监测井内的真空度、抽提井内的地下水降深、抽提地下水体积、单井流量、风机进口流量、抽提井附近地下水位变化等)、化学指标(气相污染物浓度、气/水排放口污染物浓度、抽提地下水污染物浓度、NAPL组成变化等)，以及生物相关指标(溶解性气体、氮和磷浓度、pH值、氧化还原电位、微生物数量等)。此外，为避免二次污染，应对废水/尾气处理设施的效果进行定期监测，以便及时采取应对措施。
7修复周期及参考成本
MPE技术的处理周期与场地水文地质条件和污染物性质密切相关，一般需通过场地中试确定。通常应用该技术清理污染源区的速度相对较快，一般需要1-24月的时间。其处理成本与污染物浓度和工程规模等因素相关，具体成本包括建设施工投资、设备投资、运行管理费用等支出。根据国内中试工程案例，每处理1千克LNAPL(低密度非水相液体)的成本约为385元。
应用案例
8国外应用情况
MPE技术在国外已被广泛应用，技术相对比较成熟，国外部分应用案例信息如表2所示。同时，美国陆军工程部等机构已制定并发布了本技术的工程设计手册。

9国内应用情况
9.1国内发展现状
国内对MPE技术处理污染土壤和地下水的工程应用起步较晚，仅有少数中试研究，尚无大规模的工程应用示范和自主研发的MPE设备。
9.2国内案例介绍
(1)工程背景：我国某化工企业历史上曾发生化工原料泄漏事故，场地环境调查发现厂区大面积的土壤和地下水受到了甲苯的污染，并在发生泄漏的化学品仓库下发现了明显的轻质非水相流体(LNAPL)污染物。该修复工程的工期要求为2年，修复目标为甲苯浓度降至饱和溶解度的1%以下，以便进一步开展原位修复技术。
(2)工程规模：中试工程，227.5m3
(3)主要污染物及污染程度：土壤和地下水中的污染物为甲苯，污染调查阶段揭露的甲苯LNAPL层厚度为7.8～64.1cm，涉及区域面积约350㎡。
(4)水文地质特征：根据现场地面以下5m内的钻孔试验结果确定场地浅层地质基本情况：0～0.9m深度为混凝土；0.9～2.0m深度以粉质粘土为主，夹杂碎石，潮湿；2.0～3.0m深度为粉质粘土，潮湿至饱水状态；3.0～5.0m深度为砂质粉土，饱水。潜水位在地下1.8～2.2m，流向为由东向西，水力梯度约为0.5‰，现场粉质粘土层横向渗透系数为0.012m/天，砂质粉土层横向渗透系数为0.15m/天。
(5)技术选择：该污染场地污染物为甲苯，是一种挥发性有机污染物，不易溶于水，且在该场地地下水中浓度已超过自身溶解度，形成了LNAPL相。该污染物特征符合多相抽提技术适用的污染物类型，因此，可选用多相抽提技术处理该污染场地。
(6)工艺流程：抽提装置由气水分离器、真空泵、活性炭吸附器及相应的管路和仪表系统构成，工艺流程见图1。

具体的流程为：抽提井中的LNAPL和受污染的地下水首先会通过真空泵被抽出地面；在抽提井附近区域的LNAPL会随着地下水对井的补给一起进入抽提井内而被抽出。被真空泵抽出的土壤气体、地下水以及LNAPL会在气水分离器内进行气水分离，分离出的气相部分通过活性炭吸附处理后排入大气，分离出的液相部分则在气水分离器内进一步通过重力作用分离，得到的上层LNAPL污染物作为危险废物处置，下层受污染的地下水则送现场污水处理站处理后达标排放。
(7)关键设备及工艺参数：抽提井采用UPVC材质，井径25mm，井深3.5m，其中筛管位于地下1m至地下3m的位置。多相抽提中试系统的运行以单个抽提井逐一轮流抽提方式进行，总共运行25天。单个抽提井每天的抽提时间在0.5小时内，25天的累积抽提时间共约8小时。抽提时系统真空度控制在-0.065MPa，抽提井井头真空度控制在-0.03MPa，平均气体抽提流量为80～100升/分钟(L/min)。
(8)成本分析：去除1千克LNAPL的费用约为385元。
(9)修复效果：在25d的运行时间内，多相抽提系统从9口井中总共抽出约720升流体(LNAPL和部分受污染的地下水)，通过不同方式总共去除甲苯污染物约125kg。中试前后LNAPL厚度变化见表14-3。单个抽提井中甲苯平均去除速率约为1.75千克/小时。甲苯大部分以LNAPL形式去除。由中试运行结果可知，多相抽提装置对场地LNAPL污染物的去除有较好的效果。多相抽提系统的抽提影响半径约6.0m，系统运行过程中场地的地下水水位与系统运行前相比略有下降。由于中试工程在25天内已取得了较好的修复效果，因此，可以预期在2年内利用该技术可将该污染场地地下水中甲苯的浓度降至饱和溶解度的1%以下，即无LNAPL存在,并达到修复目标。