（材料学专业论文）土壤气相抽提（sve）现场试验研究.pdf

天津大学硕士学位论文摘要 中文摘要 土壤气相抽提( s o uv a p o re x t r a c t i o n , s v e ) 是用于修复挥发性有机物污染不 饱和区土壤的一种新兴环境技术，其有效性在许多实验和现场测试中均被证实。 国内主要停留在实验室研究阶段，对于土壤污染调查及现场试验研究不够，工程 化应用问题急待解决。 本文在此背景下，通过探讨现场s v e 技术方法和过程参数分析，以现场试 验为主，系统分析了s v e 原位修复中的流体力学问题，对该过程中的传质现象 和生物降解也做了一定研究。 通过对土壤区域调查和场址评估，确定了现场s v e 的设计和操作条件。拟 选试验场址土壤为天津地区典型粘性土壤，其地下水水位埋藏较浅，具备现场 s v e 修复研究的可行性。采用常规土工实验方法和激光粒度分析方法，研究了 现场各层土壤的主要物性参数。通过一维土柱通风实验，测定了现场具有代表性 的土壤第二层的渗透性质，确定了s v e 原位修复中的重要参数空气相对渗 透率与水饱和度的关系。 在现场土壤调查分析以及土柱实验基础上，设计并建立了s v e 试验装置、 抽提及监测井系统。通过速率步进法确定了气泵的工作特性曲线及s v e 系统曲 线，获得了本场地s v e 气相抽提能力数据。以单井抽提系统为研究对象，研究 了土壤中气相的压力分布及流场，确定了现场s v e 抽提压力影响半径及土壤的 空气渗透性等重要参数。 采用现场空气呼吸试验获得了二氧化碳浓度本底值及其变化趋势，进而考虑 了s v e 的生物强化过程。 建立了现场s v e 对单组分污染物( 正己烷) 去除的传质试验，研究了通风 体系中污染物的传质机理和通风过程地下水提升的影响。 气相流动原理及污染物传质机理分析探讨，建立了二维轴对称流动模型，并 借助a i r f l o w s v e 软件进行了数值求解。将模拟结果与试验结果进行了分析 验证，模拟结果与试验结果吻合良好。 关键词：土壤气相抽提，土壤调查，土柱实验，现场流体力学试验，空气呼吸， 传质，a i r f l o w s v e 模拟验证 天津大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t s o f tv a p o re x w a c t i o n ( s v e ) i sar i s i n ge n v i r o n m e n t a lt e c h n o l o g yf o ru n s a t u r a t e d s o i l sc o n t a m i n a t e dw i t hv o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ( v o c s ) i t se f f e c t i v e n e s sh a s b e e nd e m o n s t r a t e di nl a b o r a t o r ya n df i e l dt e s t s t h es t u d yo fs v et e c h n o l o g yi ss t i l l s t a y e da tl a b o r a t o r ys t a g ei nd o m e s t i ca n d t h ec o n t a m i n a t i o ns u r v e ya n dr e s e a r c ho f o i l f i e l di sd e f i c i e n t e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n so fs o i lr e m e d i a t i o ni sn o tt a k e ni n t o a c c o u n t t h i sp a p e ri st os y s t e m a t i c a l l ye x p l o r es v ei nr e s p e c t so f t e c h n i c a lm e t h o d sa n d p r o c e d u r ep a r a m e t e ra n a l y s i sm a i n l yi nf i e l ds t u d yo fi n - s i t ur e m e d i a t i o nv a p o rf l o w i t e m ，e l e m e n t a r ym a s st r a n s f e ra n db i o d e g r a d a t i o ns t u d yi n v o l v e da tt h es a m et i m e s o i la n dg r o u n d w a t e rc o n d i t i o no fs v es i t ei sa s c e r t a i n e dt h r o u g hs o i ls u r v e y a n df i e l de v a l u a t i o n t h em a i ns o i ls t y l ei sr e p r e s e n t a t i v ec l a yw h i c ht y p i c a l l y d i s t r i b u t e si nt m n j i nr e g i o n s h a l l o ww a t e rt a b l em a k e st h ef i e l de x p e r i m e n t sf e a s i b l e f o ri n s i t us v er e m e d i 撕o n t h em a i ns o i lp a r a m e t e r sa l ea c h i e v e da c c o r d i n gt o r e g u l a rc i v i le n g i n e e r i n ge x p e r i m e n t a lm e t h o da n dl a s e rp a r t i c l e s i z ea n a l y s i sa t l a b o r a t o r y o n e d i m e n s i o n a lc o l u m nv e n t i n ge x p e r i m e n t so fm u d d yc l a ys i m u l a t i n g t h es v ef i e l di su s e dt om e a s u r ep e r m e a b i l i t yp r o p e r t i e so ft h er e p r e s e n t a t i v es o i lo f l a y e r a n da s c e r t a i nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e l a t i v ep e r m e a b i l i t ya n ds a t u r a t i o n o f a i ra n dw a t e r o nt h eb a s i so fs o i ls u r v e ya n a l y s i sa n ds o i lc o l u m ns t u d y , s o i lv a p o re x t r a c t i o n e q u i p m e n ti n s t a l l a t i o na n ds v ee x u a c t m ga n dm o n i t o r i n gs y s t e ma r ed e s i g n e da n d b u i l t u p t h es t e p p e d - r a t ep r o c e d u r ei su s e dt o t e s tp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c sc u r v e o fv o r t e xp u m pa n dc u r v eo fs v es y s t e mt oa c h i e v ed a t ao fe x t r a c t i o na b i l i t yo ft h i s s v es y s t e m t a k es i n g l e - w e l le x t r a c t i o ns y s t e ma st h es t u d yo b j e c t , g a s e o u sp r e s s u r e d i s t r i b u t i o na n df l o wf i e l di nt h es o i la l es t u d i e dt oa s c e r t a i ns o m ei m p o r t a n t p a r a m e t e r ss u c ha st h er a d i u so fi n f l u e n c eo fs v ee x t r a c t i n gp r e s s u r ea n da i r p e r m e a b i l i t yo f t h es o i l 一 s i t ea _ i rr e s p i r a t i o ne x p e r i m e n ti st a k e np l a c et ot e s tt h el o c a lb l a n kv a l u eo fc 0 2 a n di t sc h a n g i n gt r e n ds v eb i o - s t r e n g t h e np r o c e s si st h e r e a f t e rc o n s i d e r e d m o n o c o m p o n e n tc o n t a m i n a n t ( n - h e x a n e ) r e m o v i n gm a s st r a n s f e re x p e r i m e n to f s i t es v es y s t e mi sf o u n d e da n dt h ec o n t a m i n a n tm a q st r a n s f e rm e c h a n i s mo fs v e s y s t e ma n dw a t e rt a b l er i s i n gi n f l u e n c e db yv e n t i n gp r o c e s sa l es t u d i e d 天津大学硕士学位论文 摘要 b a s e do nt h ed i s c u s s i o no fg a s e o u sp h a s ef l o wp r i n c i p l ea n dc o n t a m i n a n ti r l a s s t r a n s f e rm e c h a n i s m , t w o - d i m e u s i o n a la x i s y m m e t r i cf l o wm o d e l sa r ef o u n d e da n d n u m e r i c a ls o l v e dm a d eu o f s o f t w a r ea i r f l o w s v e s i m u l a t i n gr e s u l ta n dt e s t i n g r e s u l ta r ea n a l y z e da n df o u n dc o i n c i d ew e l l k e y w o r d s ：s o i lv a p o re x t r a c t i o n ( s v e ) ；s o i ls u r v e y ；c o l u m ne x p e r i m e n t s ；f i e l df l u i d m e c h a n i c se x p e r i m e n t s ；a i rr e s p i r a t i o nt e s t ；m a s st r a n s f e r ；s i m u l a t i o na n dv a l i d a t eb y a i r f l 0 、) l ，s v e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：黼 签字日期： z 一6 年月，z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采月；i 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：2 卯f 年月协日 导师签名：钐彩r - - # 签字日期：州年月2 , 日 天津大学硕士学位论文 前言 土壤和地下水环境是人类赖以生存的基础，随着全球工业化进程，目前有机 物污染已超过重金属污染和放射性污染而跃居首位。土壤有机物污染中最严重的 是石油类污染。据统计，全球每年生产的石油及其产品中，有7 以上进入土壤。 至9 0 年代中期，美国就有1 3 的地下储油罐被确认存在不同程度的渗漏，已大 面积污染地下水。我国目前大部分油区浅层地下水含油量严重偏高。石油类污染 物毒性大、在土壤中迁移能力强，一旦进入土壤将对流动的地下水和地表水资源 构成持续污染。 土壤一旦遭受污染，修复比较困难。过去认为土壤具有“庞大”的自净能力 而轻视了土壤污染，即便是发达国家也是近2 0 年才开始了土壤修复计划。通常 有异位( e xs i t u ) 修复和原位( i i ls i m ) 修复两种方法，异位修复是将受污染的土壤挖 出后用化学物理或生物等多种方法治理，它涉及挖土和运土，存在明显的不足。 原位修复近年来得到了广泛应用。 美国自8 0 年代中期以来投入大量资金用于土壤修复，在此推动下一些新兴 的土壤污染的原位修复技术应运而生。其中土壤气相抽提( s o i lv a p o re x t r a c t i o n , s v e ) 是去除不饱和带土壤中挥发性有机污染物的有效经济的方法，被美国环保 局( e p ：a ) 列为“革命性技术”大力倡导应用。近年来，s v e 又开始深入到生物 修复与土壤和地下水修复等多学科交叉领域，其应用前景广阔。 s v e 是利用外界动力驱使土壤空气强制有序流动而将挥发性污染物引至地 上处理的原位修复技术，它经常与地下水曝气( a i rs p a r g i n g ，a s ) 结合可以修复 饱和区污染土壤。若能提高操作温度，或与生物通风( b i o v e n t i n g ，b v ) 相结合， 则该技术可处理的污染物范围将大大增加。 s v e 技术由于其在环境修复领域具有有效去除v o c s 及易于操作和运行等 优点，目前已被发达国家广泛应用于土壤及地下水修复领域的实际工程中，国内 研究起步较晚，目前仅在实验室阶段做了一定工作，还没有涉及对场址调查、现 场试验性测试和中试研究工作。由于s v e 的有效性受场址复杂地质条件( 包括土 壤特性及水文条件) 、污染物的特性以及在土壤中的分布、微生物状况等因素的 限制，研究现场s v e 的流体力学，过程参数和生物强化具有重要的实际意义。 本文在文献及前人研究基础上，第一章将对s v e 的研究状况进行综述并提 出主要研究内容；第二章通过场址调查和评估研究现场s v e 方法，现场土壤基 本参数的实验室分析及一维土柱实验确定s v e 的主要参数，并作为后续研究的 天津大学硕士学位论文前言 基础；第三章为本文的核心部分，根据前面研究成果建立了s v e 抽提装置及现 场s 系统，通过对现场s v e 的流体力学试验和生物强化( 空气呼吸) 试验的 研究，取得了s v e 现场流体力学重要参数。现场正己烷的通风去除试验，对s v e 修复中单组分污染物的迁移及转化机理做了初步研究；第四章对s v e 过程气相 流动及污染物传质机理进行了理论分析，通过流体力学数学模型和数值求解验证 了现场数据。 2 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 土壤及地下水有机污染现状及背景 全球工业化以来，土壤及地下水承受着空前的污染负荷，其生态系统正面临 着巨大的威胁。其污染物主要有三类，有机污染物、重金属污染物以及放射性污 染物，其中有机物对土壤和地下水的污染日益严重，已经超过了重金属和放射性 污染物而跃居首位，成为目前土壤和地下水污染最主要的来源。目前全球化学品 就高达8 0 0 多万种，而且每年还有1 0 0 0 多种新化学品进入市场，其中大部分是 有机物【1 1 。美国环保局( e p a ) 列定的1 2 0 种优先监测的污染物中，有机物为 1 1 4 种，其中多数已在土壤及地下水中检测到，包括苯、甲苯、多环芳烃等致癌 物质【2 】。 发达国家，例如美国、西欧和日本等，由于长期的工业生产活动，导致了大 面积土壤及地下水受到了不同程度的污染。据俄罗斯环境部门统计，全球每年开 采3 0 亿吨石油，其中有7 ( 含原油及其产品) 通过各种途径又重新进入地下 环境【3 】。这些油料不仅对土壤造成污染，同时也造成地下水和地表水的严重污染。 国际公认的泄漏成品油对水的污染比为1 ：1 0 0 万( 平均按l m g l 的污染浓度计) 【4 】。据报道【5 1 ，美国在2 0 世纪9 0 年代共有l o 万个地下储油罐已确认存在不同程 度的泄漏，并预测几年后这个数字将会增至3 倍。最近的一项调查表明，美国宾 夕法尼亚州地下储油罐使用l o 年以上的渗漏率达到4 6 ，使用1 5 年以上的渗 漏率则高达7 1 ；法国南特市使用1 0 年以上的储油罐渗漏率在2 0 以上嘲。至 今，美国环保局已在全国范围内列出了1 4 0 0 多个污染点作为优先治理的地点， 其中8 5 以上对土壤及地下水造成了污染。 在发展中国家，由于工业化进程加快，受污染的土壤和地下水面积也逐渐加 深。近年来随着我国汽车工业迅速发展增加，各类加油站和地下储油罐也随之增 加。部分地区由于管理不善，地下储罐在理设时，对现场条件、储油罐体的强度 以及渗漏防护措施等都未做严格的规定。近几年地下水储油罐的泄漏时有发生， 储油罐由于老化泄漏的问题将日益突出。1 9 9 0 年以来，中科院环境化学研究所 对京津地区地下水有机污染物的研究发现，多达1 3 0 种有机物通过土壤至地下 水，其中多为含氯化合物、芳烃、多环芳烃、烷基醚等化合物。因此治理石油类 污染土壤已经成为当前环境修复领域的一项迫切任务。 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 有机污染物主要通过以下几个环节 7 1 进入土壤及地下水环境： ( 1 ) 工业方面：各类工厂排放含有毒性有机物的废水直接渗入地下；堆放于 地面的工业废弃物中各种有害物质随降水入渗；地下储油罐的泄漏等。 ( 2 ) 农业方面：现代农业生产中大量施用的化肥和农药随着降水入渗和灌溉 回返水进入土壤和地下水，造成土壤和地下水的面源污染。 ( 3 ) 生活方面：城镇的生活污水下渗和垃圾渗滤也是造成地下水污染的一个 重要原因。 ( 4 ) 人工回灌：用于回灌的劣质水或未经处理的废水与地下水混和后，由于 地下水的运动而污染土壤含水层。 长期以来，人们认为土壤具有过滤、吸附、储存和缓冲等“自净化”能力， 而对有机物污染土壤的严重性认识不够。其主要原因是污染物在土壤及地下水环 境中的扩散、迁移速度相对较慢，具有隐蔽性、缓效性。然而土壤的自净化能力 是有限度的，当污染程度程度超过这个限度后，就会破坏土壤生态系统。土壤 污染治理相对与大气污染已经水污染起步较晚。一方面由于土壤生态系统的复杂 性和地域差异，另一方面是由于人们对于土壤生态结构和功能了解不够，加之确 定污染物对土壤的污染程度和效应需要复杂的取样、分析和测试技术以及广泛的 现场调查。 1 2 土壤修复方法 污染物由于运输或储存溢洒、工业事故泄漏而直接进入环境，导致土壤及地 下水系统污染。治理石油类污染场址需要发展可行、快速、经济的修复技术。政 府、工业、公众目前已经意识到了如石油烃、聚联苯、多环芳香烃、重金属等复 杂化学混合物对人体健康和环境造成了威胁。针对不同的污染物，发展了许多土 壤及地下水的修复技术，包括原位和异位修复方法( r i s e r - r o b e r t s ，1 9 9 8 ) 1 8 o 治理 石油类污染土壤及地下水常用物理的、化学的以及生物的方法，对于具体污染场 址需要选择合理的修复方法，这取决于运行系统中污染物以及土壤的特性。下面 具体讨论各种修复方法。 1 2 1 异位( e x s i t u ) 修复方法 异位修复是将污染土壤从原位开挖移取，用新鲜无污染土壤部分或整体置换 以稀释原土壤中污染物的浓度，增加土壤的环境容量，但置换的土壤必须进行治 理。异位修复涉及到大量土方开挖搬运，操作费用高，破坏了原土结构，且在建 4 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 筑物分布较多的场址难以实施。另外容易造成扬尘污染。因而其应用受到了制约。 对于污染面积小，深度范围小、污染程度严重，环境条件复杂采用原位修复困难 的场址可采用异位修复。常用的土壤异位修复方法及适用范围如表1 1 所示。 ( 1 ) 焚烧处理i n c i n e r a t i o n ( o f f - s i t e ) 提：- - 种物理的方法，污染土壤可就运移 到偏僻地方处理，容易造成大气污染且处理污染物的范围窄，因而其应用受到很 大限制。 表1 1 常用的土壤异位修复方法及适用范围 t a b l e1 - 1e x - s i t ur e m e d i a t i o na n df i e l d so f a p p l i c a t i o n 修复技术 适用范围 ( 2 ) 脱附处理t h e r m a ld e s o r p t i o n 对处理土壤污染物类型要求比较严格。 ( 3 ) 换土土壤清洗( e x c a v a t e s o i lw a s h i n g ) 法是用清水或能够增加污染 物水溶性的某些化学物质把土壤中的污染物冲洗出土壤，或沉淀或生成络合物。 该法主要适用于小面积污染严重的砂质土壤土壤。土壤清洗过程可以把粗粒土壤 ( 主要为砂粒和砾石) 和细粒土壤( 主要为粘粒和淤泥) 分离 ( r i s e r - r o b e r t s 。1 9 9 8 ) ，而烃类污染物主要吸附在细粒土壤中，可以通过焚烧或生 物处理。该法处理过的土壤若是非剧毒可以回填掩埋处理( u s e p a ，1 9 9 6 a 例；c h u a n dc h 龇2 0 0 3 1 1 0 】1 。 ( 4 ) 生物处理是指利用微生物固定、吸收或降解而土壤中的污染物质，而 达到净化土壤的目的。同时需要充分考虑土壤温度、湿度、p h 值、氧浓度、电 子受体的种类、微生物的种类以及微生物的可降解性。异位生物处理主要有土地 耕作和生物污泥反应器法。 ( 5 ) 固定稳定化( s o l i d i f i c a t i o n s t a b i l i z a t i o n ) 技术，固化稳定化技术包 含了两个概念。其中，固化是指利用水泥一类的物质与土壤相混合将污染物包被 起来，使之呈颗粒状或大块状存在，进而使污染物处于相对稳定的状态。封装可 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 以是对污染土壤进行压缩，也可以是由容器来进行封装。固化不涉及固化物或固 化的污染物之问的化学反应。稳定化是利用磷酸盐、硫化物和碳酸盐等作为污染 物稳定化处理的反应剂，将有害化学物质转化成毒性较低或迁移性较低的物质。 稳定化不一定改变污染物及其污染土壤的物理化学性质。固化稳定化处理技术 对污染土壤进行修复，具有以下几个方面的优点【l l 】：a ) 可以处理多种复杂金属废 物：b ) 费用低廉：c ) 加工设备容易转移；d ) 所形成的固体毒性降低，稳定性增强； e ) 凝结在固体中的微生物很难生长，不致破坏结块结构。但是，该技术在应用过 程中的影响因素也较多，例如土壤中水分及有机污染物的含量、亲水有机物的存 在、土壤的性质等都会影响到技术的有效性，并且该技术只是暂时的降低了土壤 的毒性，并没有从根本上去除其污染物，当外界条件改变时，这些污染物质还有 可能释放出来污染环境。另外，在固化稳定化过程中，可能导致封装后污染物 的泄漏、处理过程中所用的过量处理剂的泄漏与污染或应用固化剂稳定剂导致 其中可能产生的挥发性有机污染物等释放问题。 ( 6 ) 玻璃化修复技术是对土壤固体组分( 或土壤及其污染物) 进行1 6 0 0 2 0 0 0 c 的高温处理，使有机物和一部分无机化合物如硝酸盐、磷酸盐和碳酸盐等 得以挥发或热解从而从土壤中去除的过程。异位玻璃化技术可以破坏、去除污染 土壤、污泥等泥土类物质中的有机污染物和大部分无机污染物，对于降低土壤的 介质中污染物的活动性非常有效，玻璃化物质的防泄漏能也很强。其应用受到以 下因素的影响：需要控制尾气中的有机污染物以及一些挥发的重金属蒸汽；需要 处理玻璃化后的残渣；湿度太高会影响成本等。 1 2 2 原位( i n - s i t u ) 修复方法 1 2 2 1 常用的原位修复方法 原位修复是在不破坏原土结构的情况下，进行土壤修复的一种方法。该方法 不涉及运土、挖土，现场操作可行性强。目前常用的原位修复方法及其适用范围 如表1 - 2 所示。 原位萃取是将液体抽取剂注入到污染土壤中，水溶性污染物通过渗透作用溶 于抽取剂中，然后用泵将含污染物的溶液抽取到地面上进行后续处理。该法适用 于通透性强、粘粒含量低的的土壤。 6 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 表l - 2 常用的土壤原位修复方法及适用范围 t a b l e1 - 1i n s i t ur e m e d i a t i o na n df i e l d so f a p p l i c a t i o n 修复技术 适用范围 原位生物修复是利用微生物将土壤及地下水中的污染物降解为二氧化碳和 水或转化为无害物质的工程技术。可采取添加营养物质、供氧和菌种培养等措施 提高土壤中微生物的降解能力。也可把污染的地下水抽至地表，经过生物处理后 再注入土壤中，这样可循环改良土壤。最早的原位生物修复应用是1 9 7 4 年对汽 油泄漏的处理，j a m i s o n 和r a y m o n d 等通过外加营养成分和空气加强了土壤污染 的生物降解使土壤及地下水中的含油量明显降低。研究表明，好氧过程有利于土 壤中大多数污染物的降解，因而溶解氧的输送是原位生物修复中的关键的限制因 素。 电修复法的基本原理是在被污染的土壤两端加低压直流电源，利用电场的迁 移力，主要好似电渗和电迁移的作用，使污染物迁移到一端电极。从而得到分离。 该方法特别适用于处理重金属污染的粘性土壤。 原位固定稳定化适用于治理被石油烃和重金属污染的土壤，其不足之处在 于它限制了土壤的利用，随时间推移，污染物可能会再次对环境造成污染。 生物通风( b i o v e n t i n g ，b v ) 技术兴起于2 0 世纪8 0 年代末，它是一种生物 增强式s v e 技术，是继s v e 后土壤修复的又一“革命性”技术，它结合了原位气 相抽提与原位生物降解的特点，使土著微生物通过抽提过程中新鲜氧的补充对残 留有机物进行好氧降解，也可利用土壤渗流外加营养元素或其它氧源来强化降 解。该技术可大大降低抽提过程尾气处理的成本，同时拓宽了处理对象的范围， 不仅适用于处理小分子的石油组分，而且适用于修复原油中重组分对土壤的污 染。生物通风与传统的s v e 技术既有联系又有区别，d u p o n t ”j 对二者的基本适 用情况做了比较，见表卜3 。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 表1 - 3 传统s v e 与生物通风基本适用情况比较 t a b l e1 3g e n e r a la p p l i c a t i o nc o n s i d e r a t i o nf o rc o n v e n t i o n a ls v ea n db v 1 2 2 2 其它原位修复方法 ( 1 ) 植物修复：是指通过植物去除、抑制、无害化环境污染物，以植物忍耐和 超量积累某种或某些化学元素的理论为基础，利用植物及其共存微生物体系清除 土壤和地下水环境中的污染物的环境治理技术【1 3 】。植物主要通过三种机制去除 土壤中的有机污染物，即植物直接吸收污染物、植物释放分泌物和酶刺激根区微 生物活性和生物转化作用、植物增强根区的矿化作用 1 4 1 。适当的植物不仅能去 除土壤中的有机污染物，还可以去除重金属和放射性核素。植物修复技术较其他 物理、化学和生物的方法具有其特殊性。该技术成本低、对周围环境扰动小，清 除土壤中重金属污染物的同时，可同时清除污染土壤周围大气及水环境中的污染 物；有较高的美化环境价值，植物修复土壤的过程也是土壤有机含量和土壤肥力 增加的过程。但植物修复的周期较长，因而其应用也受到了限制【1 5 1 。 ( 2 ) 菌根根际生物修复：菌根根际的微生物数量比周围土壤高约1 0 0 0 倍，菌 根根际既包括菌根的根一真菌菌丝表面以及从菌根发出侵染周围土壤的外延菌丝 的表面嗍。该修复技术采用微生物、植物和根茵真菌，是微生物修复、植物修 复和菌根修复三大技术的结合。具有单一修复技术不具备的优点。 ( 3 ) 化学可渗活性技术( p i 国) ：p r b 技术应用在污染土壤及地下水具有一 定的可渗透能力的情形，使处于地下水走向上流的“污染带”中的污染物能够渗 留入“处理装置”，而处理装置常为人工沟渠组成，其中装有渗透性较差的化学 8 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 活性物质，来起到降、去除和固定污染物的目的 1 6 1 。该技术是原位修复污染土 壤及地下水的新型技术。 ( 4 ) 污染生态化学修复：是采用污染生态化学原理【1 7 l 对污染土壤进行修复， 是微生物修复、植物修复和化学修复技术复合。资料表明【1 8 1 ，生态化学修复与 其他土壤修复技术相比，具有生态影响小、费用低、应用范围广以及容易推广等 优势。 1 3s v e 修复方法 土壤气相抽提( s o i lv a p o re x t r a c t i o n , s v e ) ，也称“土壤通风【1 9 1 ”或“真空 抽提”，是始于2 0 世纪8 0 年代中后期的种土壤原位修复技术，其原理是主要 利用物理方法去除地下不饱和区域( v a d o s e ) 多孔介质( 土壤) 中的挥发性有机 物( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ，v o c s ) ( h a l m e m i e se ta l ，2 0 0 3 ) 2 0 j 。修复土壤的 方法包括：异位开挖治理、生物降解、原位土壤清洗及原位气相抽提等方法。其 中，普遍认为气相抽提是最有效的经济的方法。因其对石油类污染土壤及地下水 的治理的有效性和广泛性，使之正逐渐发展为一种标准的环境修复技术，被美国 环保局( e p a ) 列为“革命性技术”大力倡导应用【2 l 】。近年来，s v e 又开始深入 到生物修复与土壤和地下水修复等多学科交叉领域，其应用前景广阔。 虽然s v e 地面以上运行较简单，但其运行涉及的影响因素十分复杂，目前的 理论研究不充分，特别是对s v e 过程中流体的运移机制、污染物传质机理和现 场尺寸放大效应和综合数学模拟方面更需投入大量基础研究工作。一般气相抽提 系统圈包括抽提井、真空泵( 或引风机) 、气液分离装置、气体收集管道、气 体净化与处理设备以及附属设备。为增加压力梯度和空气流速，很多情况下在污 染土壤中也安装若干空气注射井。如图1 - 1 所示。 1 3 1s v e 修复机理及修复效果的影响因素 1 3 1 1s v e 修复机理 s v e 的运行机理是利用物理方法去除不饱和土壤中v o c s ，用引风机或真空 泵产生负压驱使空气流过污染的土壤孔隙，从而夹带v o c s 流向抽取系统，抽提 到地面，然后再进行收集和处理。由于新鲜空气的引入，同时可考虑原位生物降 解。早期s v e 主要用于汽油等非水相液体( n o n - a q u e o u sp h a s el i q u i d s ，n a p l s ) 污染物的去除【2 3 1 ，目前也陆续应用于挥发性农药污染或有机污染物充分分散等 9 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 不含n a p l 的土壤体系【2 4 】。 图1 - i 一般气相抽提系统 f i g u r e1 - 1g e n e r i cs o i lv a p o re x t r a c t i o ns y s t e m 1 3 1 2s v e 修复效果的影响因素 文献报道中s v e 修复效果的影响因素主要有以下几方面： ( 1 ) 土壤的渗透性：土壤的渗透性影响土壤中空气流速及气相运动。土壤的 渗透性越高，气相运动越快，被抽提的量越大。地下水在土壤中的渗流性质( 导 水率或水力传导性质) 取决于流体( 水) 的物性与土壤介质性质( 渗透率) 两方 面因素。f r a n k 等 2 5 1 研究认为，s v e 技术适用性的关键是能否有足够气体通过污 染土壤，并将气体在土壤的通透性视为主要的决定因素，它不仅直接决定s v e 技术的可行性，而且是设计s v e 装置的标准。土壤通透性质对s v e 影响的现有 研究一般是建立在实验室土柱或小规模试验基础上。然而在大尺度现场修复中， 由于土壤中各流体的饱和度随空间分布，特别是土壤水的纵向分布存在显著差 异，将造成气相通透性质也存在空间变化。 ( 2 ) 土壤湿度及地下水深度：土壤水分对s v e 修复效果的影响很大，普遍 认为增加土壤含水率后会降低土壤通透性，不利于有机污染物的挥发。因此 s v e 修复效果受土壤孔隙内空气流动的限制。f i s c h e r 等【2 7 】用一个砂土箱在不同 1 0 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 土壤含水率条件下做了多元化合物s v e 实验，通过对实验数据和模型计算，讨 论了此标准对s v e 优化设计的应用。b o h n 2 s 对此研究表明：当s v e 抽气速率过 大时，由于土壤湿度降低，可能降低净化效率。由于季节地下水水位的提升，可 能导致s v e 效率的大大降低。 ( 3 ) 土壤结构和分层( 土壤层结构的各向异性) ：土壤结构和分层是影响 s v e 修复的重要因素。它影响抽提条件下的气相在土壤基质中的流动程度及路 径。其结构特征( 如夹层、裂隙的存在) 使得优先流的产生，若不正确引导污染 区外的气体流动，就会使得修复效率降低或修复时间延长。 ( 4 ) 气相抽提流量和d a r c y 流速：通过土壤的空气流量对污染物的去除有 直接影响。为加快s v e 的去污效果，一般来说提高抽提流量是必要的；当不考 虑污染物由土壤中迁移过程的限制时，抽提流量将正比于去污速率。c r o w 【2 9 】和 f a l l 3 0 】等在汽油泄漏处设计了现场去污通风系统，结果表明；随着空气流速增加， 汽油蒸汽去除速率也增加。但污染物去除速率不完全取决于空气抽提速率。研究 表明，当抽提流量提高到一定程度后，污染物的去除速率不再显著增加。 根据d a r c y 定律，土壤气相渗流速度应与现场抽提的压力梯度成正比，而与 引发的真空度无直接联系。由于实际的s v e 操作是一个多维体系，现场中抽提 流量及其它设计因素对压力场、流场的空间效应无法用实验室方法模拟。 ( 5 ) 蒸汽压与环境温度：s v e 技术受到有机污染物蒸汽压影响很大，一般 来说，低挥发性有机污染物不宜使用s v e 修复。此外，当土壤孔隙很小时，毛 细作用也会因减小有机物与土壤气相的界面张力而降低其蒸汽压大小。而决定气 体蒸汽压的主要因素是环境温度，提高温度能显著增加碳氢化合物的蒸汽压，温 度对纯有机物蒸汽压影响可由a n t o i n e 方程决定【3 l 】。 1 3 1 3 现场s v e 修复的适用性 s v e 修复技术的现场应用受污染物特性及土壤特性的制约，其基本适用情况 见表1 - 4 。 表1 - 4s v e 修复的适用性 t a b l e1 - 4 a p p l i c a b i i t yo f s v e 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 1 3 2 场址调查及评估 场址特征描述及修复调查是土壤和地下水工程修复项的必要程序。通常需要 经过场址特征描述及修复调查( r e m e d i a t i o i li n v e s t i g a t i o n , r i ) ，才能确定污染的 程度或范围，为进一步实施全面修复工程打下基础。场址特征描述是确定场地上 面或下面相关有害污染治理的条件。采用r i 活动是场址修复的必要手段。r i 活 动由场地修复和额外收集数据组成1 3 2 】。 r i 活动通常包括以下：移除诸如储油罐泄漏的污染源：安装钻孔；安装地 下水监测井；土样收集和分析；地下水水样收集和分析；含水层测试。通过以上 活动，收集以下数据：目前土壤和地下水污染的类型；收集样本中的污染物浓度； 在土壤和地下水中污染源的垂直和平面分自由漂浮产品或重质非水相液体 ( d n a p l s ) 垂直和平面分布范围：土壤特性包括土壤类型、密度、湿度含量等； 地下水位的提升 收集含水层测试中水位降低数据。 场址调查可获得有关场址的历史及水文地质条件( 判断地下水流向) ，包括 场址计划( 地表及地下结构) ，钻孔日志，土壤及地下水品质数据，地下水潜水 位。不同深浅位置的气体调查，可为土壤的污染程度和范围提供依据。进一步规 划设计有效之污染改善方案。 1 3 3s 系统设计、运行及监测 土壤气相抽提技术的主要优点之一是体系设计相对简单。此外，其体系装置 包含了由诸如p v c 管、阀、泵等常见易得的设施。这些因素使得s v e 优越于其它 如生物处理或土壤冲洗等技术需要复杂的设计或特殊的设备。最佳地达到体系的 效率及污染物的去除效果唯有全面了解场址及s v e 的过程。 1 3 3 1 决定s v e 系统设计因素 决定s v e 系统设计的三个主要方面：污染物的组成和特征；气相流通路径及 流动速率；污染物在流通路径上的位置分布。s v e 设计的基本信息：空气的渗透 性：评估土壤特性；现场试验测试。污染物的特性：d n a p l 的组成：挥发性( 蒸 汽压，亨利常数等) 。空气流动：地层构成；所需不透性覆盖层；地下水水位线 及所需泵量。 s v e 系统的设计基于气相流通路径与污染区域交叉点的相互作用过程，其运 行应当以提高污染物的去除效率及减少费用为原则。抽提体系是s v e 设计的核 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 心，抽提体系的选择目前常见的方法三种：竖井；沟壕或水平井；开挖土堆。其 中竖井应用最广泛，抽提具有影响半径大、流场均匀和易于复合等特点而最为常 见，适用于处理污染至地表以下较深部位的情况。工程应用中根据污染源性质及 现场状况可确定抽提装置的数目、尺寸、形状及分布，并对抽气流量及真空度等 操作条件加以控制。s v e 系统中的关键组成部分为抽提系统。 选择气相抽提井的数量及位置是s v e 系统设计的主要任务之一。影响半径 c r a d i u so f i n f l u e n c e ，r o i 或r i ) 【3 3 】的设计有时被认为是s v e 设计最重要的参数。 r o i 定义为足够的真空度及气相流动能使得抽提井土壤中的污染物增强挥发及 抽提的最远距离，通常选择抽提井中压力降低于1 真空度的距离为影响半径。 精确的r o i 值由稳态( 中试) 试验确定。抽提井及监测井的压力降数据可以作 图以确定影响半径。抽提井的设置应使得其影响半径相互交迭以完全覆盖污染 区。 设计s v e 系统l 卅时也应考虑地下水水位的波动( 如水位随季节变化) ，因 为水位的上升会浸没一些污染土或井屏的一部分而使得空气流动失效。这种情况 对于水平井尤其重要，因其井屏与水位线是平行的。地表密封是为了阻止地表水 下渗，减少气相逸出，阻止空气流动的垂直短路，或增加设计的影响半径r o i 。 地表密封强制新鲜空气从离抽提井较远的距离抽提，低的压力梯度导致流动速率 的降低。这种条件下需要较高的真空度应用于抽提井。 1 3 3 2 初步( 试验性) 研究【3 5 】 试验性研究是s v e 设计阶段的极其重要的部分。试验性研究所提供的数据 对于适当地设计全面s v e 系统是必要的，同时它也为s 运行早期可能被抽取 的v o c s 浓度提供信息。初步( 试验性) 研究被推荐来评估任意场址的s v e 修 复效果。初步( 试验性) 研究包括短期( 1 到3 0 天) 从单个抽提井中抽提气相， 同时可以有监测井的存在。但是长期试验性研究( 6 个月以上) 常利用多个抽提 井，对于较大场址或许更适合。应用不同的抽提速率及井头真空度可以确定最佳 操作条件。初步( 试验性) 研究中至少在两个以上间隔测量气相浓度以估计全面 s v e 系统中的初始气相浓度。气相浓度、气相抽提速率及真空度数据也可用于 设计过程中抽提及治理设备的选择。 在某些场合下，采用如h y p e r v e n t i l a t e ( e p a 1 9 9 3 ) 的井屏模型可能适合于评 估s v e 的潜在修复效果。h y p e r v e n t i