第十章 气相抽提技术03.ppt

1、第10章，蒸汽提取(VEC)技术是使用真空泵在污染区域诱导气流，将吸附的、溶解的或游离的相污染物转化为气相(气化)，然后将它们泵送到地面，然后收集和处理它们。典型的气相萃取系统包括：萃取井、真空泵、气水分离装置、集气管路、气体净化处理设备及辅助设备等。(见下图10-1)，第一节技术原理和适用条件，图10-1典型瓦斯抽采系统组成。萃取技术的主要优点包括：能够就地操作，相对简单，对周围环境的干扰尽可能小；非常有效地去除挥发性有机化合物；在可接受的成本限度内尽可能多地处理污染土壤；该系统易于安装和转移；易于与其他技术结合。在美国，提取技术几乎已经成为修复被加油站污染的土壤和地下水的“标准”技术。提取

2、技术基于土壤污染物的挥发特性。当空气流过孔隙时，土壤中的污染物不断挥发，形成的蒸汽随空气流迁移到提取井，集中收集提取，然后进行表面净化处理。因此，萃取技术的可行性取决于污染物的挥发特性和空气在土壤层中的渗透特性。萃取技术适用于非饱和带，具有良好的均匀性和渗透性。污染物在地表以下的分布与污染物的物理性质有关(包括蒸气压、溶解度等)。)和土壤性质(包括孔隙度、含水量、场地特征等。)。污染物在地下相(孔隙水、空气和土壤)的分布称为污染物的分布。2.1蒸汽压蒸汽压表示化合物挥发并转变为气相的趋势，气相定义为化合物的气体和液体在特定温度下达到平衡时的蒸汽压。表10-1列出了一些常见环境污染物的蒸气压。当

3、化学物质以纯态存在时，污染物的蒸气压是影响萃取效率的重要因素之一。蒸汽压越高，越适合气相萃取。相反，污染物的蒸汽压越低，就越难挥发。第二节，污染物特性与分布的关系，表10-1，污染物的蒸气压，蒸气压大于66.661133.322帕(3 . 51.0毫微克)的化合物，如苯和三氯乙烯(TCE)，可通过萃取技术有效去除。对于混合污染物(如汽油)，蒸气压与各种组分的比例有关，其中：组分一的分压；组分的摩尔分数；组分一的活度系数；组分一纯物质的饱和蒸气压。如果土壤中没有NAPL的蒸气压，就不能准确反映VEC的效率。这时，受其他因素的影响(如土壤吸附和含水量等。)变得更加重要。然而，应该指出的是，即使在没

4、有NAPL的情况下，该化合物也必须经历充分的挥发过程，然后才能被VEC移除。蒸汽提取成功的先决条件是它有足够的蒸汽压。所谓的足够大的蒸汽压是主观确定的，通常基于2毫米汞柱。低蒸汽压化合物的去除效率通常较低，并且它们更依赖于原位生物降解。2.2溶解度表示化合物在水中的溶解程度，是影响污染物分离、迁移和最终修复的重要因素之一。溶解度是指在特定温度下，一种成分在纯水中能够溶解的最大量。溶解度低的化合物容易挥发，而溶解度高的化合物可能随着水的渗透而迁移到更远的范围。对于混合污染物和某一组分的溶解度，其表达式类似于蒸汽分压。其中：有机混合物组分一的平衡浓度；有机物中组分的摩尔分数；有机物中组分的活度系数

5、；当组分是纯化合物时，平衡溶解浓度。在大多数气相萃取的情况下，渗流区的土壤相对湿润(含水量为1014)，污染物溶解的污染物容易被生物吸收，这将促进生物降解过程。因此，溶解性是生物通风处理污染物的关键因素。一般来说，充分的生物通风处理要求土壤含水量约为12。2.3 .污染物的分布关系。有机污染物在土壤中以不同的状态存在(如图10-2所示)，包括：吸附相以膜状吸附在土壤颗粒表面；土壤空隙中的自由相呈乳白色。土壤孔隙中气态的气相；溶解在土壤水或地下水中的溶解相。污染物在各相中的迁移能力与污染物与各相之间的亲和力有关，这可以通过各相中物质的分布系数来衡量。在很大程度上，分布关系决定了物质在各相之间的迁

6、移。然而，有效的补救是创造条件，推动各阶段向补救目标迁移。对于提取技术，它是将污染物迁移到气相，使它们被系统提取到地面，然后收集和处理。当土壤中存在挥发性NAPL时，气体提取系统去除的大量污染物来自NAPL的直接挥发。其中：污染物总浓度；单位质量土壤吸附的污染物质量；液相中污染物的含量；气相污染物浓度；土壤密度；土壤体积含水量；土壤中的气体含量。污染物在地下的分布可以通过公式定量计算，可以预测气相萃取的修复过程。在土壤湿润的条件下，渗流区(无NAPL相)污染物的分布可用以下公式表示：气相污染物浓度与其液相浓度之间的平衡关系可用亨利定律表示；其中：KH亨利常数；CG化合物在气相中的平衡浓度；水相

7、中氯化合物的浓度。KH表示化合物在水相和气相中的分布程度。在潮湿的土壤条件下，从气相中提取水蒸气类似于从水中去除挥发性有机化合物，这受到化合物亨利常数的影响。同样，溶液中污染物浓度与土壤吸附浓度之间的平衡关系是吸附在土壤表面的Kd污染物的分布系数。在公式中，土壤中有机质的比例一般为1%8%，而砂的比例小于1%；这种污染物在土壤相中的分配系数可由以下公式获得：辛醇分配系数。污染物的其他一些分子特性也会影响气相萃取。尽管这些性质不如蒸气压、溶解度和亨利常数重要，但它们有时是影响修复部位的限制因素。化合物的分子大小、相对分子质量、电负性和极性也影响其对土壤颗粒的吸附和在土壤孔隙中的迁移速率。其中，更

8、大更复杂的分子(带有支链)在土壤孔隙中缓慢移动，容易吸附在土壤表面。一旦最容易去除的污染物被去除，大分子的最终去除率通常是有限的。极性和电负性会影响化合物的有效电荷以及化合物与土壤表面电荷的关系。第三节，影响因素，3.1土壤密度和孔隙度单位体积的土壤质量称为土壤密度。土壤中孔隙体积与总体积之比称为土壤孔隙度，它在一定程度上反映了土壤的渗透性。土壤渗透性影响土壤中的空气速度和气相运动，因此土壤渗透性的降低会削弱气相萃取的效果。同样，增加气体迁移路径的长度和减小气流的横截面积也将降低气相萃取的效果。渗透性差的土壤需要高真空度来保持相同的气流速度。同时，受影响的区域将受到影响，需要更多的井来弥补。土

9、壤吸附有机污染物有两种方式：一种是通过土壤的有机成分，另一种是通过其表面的矿物吸附点。将污染物吸附在土壤有机质或矿物粘土表面不仅会增加土壤中污染物的含量，还会降低气相萃取的效率。因此，在旱地条件下，土壤的吸附变得尤为重要。粘土能吸水，但水的输送能力差。土壤中孔隙水的存在会缩小气体运移的空间，使气体运移的路径变长，从而降低气体提取的效率。粘土表面通常带负电荷，在某些情况下，它还会影响某些化合物的吸附。粘土是带正电荷的有机化合物(如重金属)或极性有机化合物的良好吸附剂。3.2土壤吸附和污染物吸附与土壤颗粒的特性和所含的有机成分有关，有机成分可以用总有机碳表示，也可以用。当土壤中有机成分含量高时，系

10、数也会增加，这将增加土壤的吸附能力。土壤中水的质量与相应土壤的质量之比称为土壤的质量含水量。土壤含水量是影响气相萃取效果的一个重要参数。因为过高的土壤含水量会占据大量空隙，从而限制空气流动路径，所以过高的土壤含水量会降低扩散速度。挥发性有机物在气相中的迁移速率高于液相，因此降低土壤湿度可以提高挥发性有机物的去除率。同时，土壤含水量的降低会使污染物更容易吸附在土壤表面。研究发现，当土壤吸附能力较强时，一定量的水分子可以将吸附在土壤表面的有机物驱出，因此潮湿的环境可以在一定程度上提高气相萃取的操作效果，如图10-3所示。如果土壤吸附能力弱，相对干燥条件下的气相萃取效果会更好。3.3含水量，对于给定

11、的污染物，基于其亨利常数和土壤吸附，必须有一个最佳含水量，而气相萃取可以通过调节土壤含水量达到最佳效果。然而，由于掌握污染场地分配系数的局限性，这种方法在实践中很少应用。实际上，在实践中很难控制土壤的含水量，而且成本很高。3.4现场地形现场表面的地形将对气相萃取的处理效果产生非常重要的影响。在理想条件下，场地表面应覆盖一层不透水材料(如公路或混凝土)，这样空气可以在更大范围内扩散，有限的空气可以通过更多的土壤。覆盖层有两个功能：它可以最大限度地减少雨水渗入土壤，从而在一定程度上控制土壤的含水量；可以避免抽油井发生垂直短路的可能性(图10-4)。当发生垂直短路时，抽出的气体主要来自抽出井附近，而

12、远离井的区域较少。抽汽的设计前提是通过污染区域形成气流，而垂直短路违反了这一前提。如果在容易发生垂直短路的区域进行抽汽，需要布置更多的抽油井来产生更多的气流，这将不可避免地增加气体处理设备的成本。为了尽量减小垂直短路效应，表面覆盖层的直径应不小于1.5m。如果不能实现表面密封，可以用塑料薄膜代替。为了提高系统的处理效果，最好将其埋在地面以上0.3m以下。3.5地下水位埋深当抽汽井浸入地下水并抽真空时，井内水位会在真空度的作用下上升，水位的上升会阻碍过滤器的正常使用，这往往是由于水位浅或井的设计不合理造成的。当水位较大且较浅时，为了避免上述情况，可以使用水平井来增加过滤器的长度；同时，井口真空度

13、降低，地下水位上升减少。在工艺设计中，抽汽井底部应至少离水面1米，以防止上述情况发生。3.6介质均匀性现场的均匀性是确保气流到达所有维修区域的重要因素。空气流必须通过污染物并进行质量传递，以去除污染物。土壤结构和分层会影响流动程度设计中可采取以下措施降低场地不均匀性的影响：在低渗透地区增加抽油井，在高渗透地区减少抽油井，以保证污染区的气流迁移；高渗透区的井可连接中等强度的引风机，低渗透区的井可连接高真空液体循环泵。如果存在高渗透性气流通道，如市政沟渠(通常由高渗透性材料制成)，蒸汽抽取场中的垂直短路会增加过滤深度和抽取井的数量。在第四节中，设计抽汽系统有两种方法：一种是精度较高的模型法。另一种

14、是基于低可信度实验的经验方法。这一部分着重于实证方法。在设计之前，最好进行中试，以获得项目现场的第一手设计数据和参数，因此也称现场设计试验。中试实验的主要内容包括：土壤的透气性、气相萃取的影响半径、萃取气体的浓度和组成、所需的空气流量、真空度、真空泵的功率、预计的修复时间和成本等。因此，中试实验系统应包括：气相萃取实验井、真空萃取泵、至少三个观察点、蒸汽净化系统、流量计、皮托管、真空计、取样装置、分析仪器(如气相色谱仪)等。4.1系统设计目的(1)选择系统各部分的规格，如真空泵、抽油井的数量和位置、井结构(包括过滤器之间的深度和间隙)、抽取处理单元、气水分离器、管件、检测和控制仪表等。(2)选

15、择合适的操作条件，如真空度、空气流速、萃取影响半径、蒸汽中的污染物浓度等。(3)估计补救的程度和效率、所需时间、残留污染物的浓度等。(4)评估项目投资或成本等。4.2井设计根据现场先导试验的结果，可以确定一定气流或真空度产生的有效抽采半径，进而确定修复整个污染区域所需的抽采井数量。因此，在实验中，有必要测量抽油井周围的真空度，并根据距离画出一幅图，如图10-5所示(1mmH2O9.80665Pa)。根据所需的真空水平(例如，初始水平的1或10等。)，可以确定有效半径范围。使用确定的半径，在要修复的区域内绘制重叠的圆。根据圈数，可以确定抽油井的数量和位置，如图10-6所示。抽油井的数量也可以根据

16、以下公式估算：其中：n为所需抽油井的数量，a为待修复污染区域的面积，R1为单个抽油井的作用半径；1.2考虑抽油井之间相互部分重叠后的修正系数。另一种方法是根据单个采油井的产能和总的修复要求进行估算，其中：ra在预期或规定的修复时间t内应达到的采油速度；要清除的污染物数量；R1单一抽油井对污染物的实际去除率；所需抽取井的数量。抽油井的实际数量应大于上述两种方法所得的数量，并应考虑工程投资和成本。4.3气流决定了抽取井的数量和位置。根据所需的真空度和待修复土壤的渗透系数，所需的空气流量可根据图10-7确定。不考虑污染物在土壤中迁移的限制，空气流速与净化率成正比。因为空气流量的增加会增加设备的功率和功耗以及气体排放的控制成本，所以空气流量越高越好。因此，设计中通常采用最小地下瓦斯流量作为修复措施。根据空气流量，可选择真空泵等设备和仪器。4.4提取率污染物的提取率可根据空气流速和污染物浓度估算；其中：r为污染物提取率；污染物浓度；空气流量。4.5修复时间通过提取技术完成修复所需的时间可根据以下公式估算：其中：t为