引言

隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展，石油及其產(chǎn)品的需求量不斷增大，諸多原因致使石油類污染土壤日益增多，已經(jīng)成了亟待解決的重大環(huán)境問題。劉五星等調(diào)查發(fā)現(xiàn)，部分油田區(qū)土壤受石油污染嚴重，其中在油井周圍100m內(nèi)采集的絕大多數(shù)土樣中石油含量遠高于臨界值(500mg/kg) 。石油類污染土壤分為異位修復和原位修復。前者先將污染土壤挖出，再進行后續(xù)處理，簡單易行，但容易造成二次污染，且修復費用較高，一般適用于小規(guī)?；蛑匚廴就寥赖男迯?后者最常用的是氣相抽提技術(soil vapor extraction，SVE)，因具有設備簡單、操作靈活、凈化效率較高、對周圍環(huán)境危害小、治理費用低等特點，是石油類污染土壤修復技術研究熱點之一。

1 SVE概述

SVE又稱土壤真空抽提或土壤通風，是去除不飽和土壤中揮發(fā)性(VOCs)和半揮發(fā)性(SVOCs)有機物的一種原位修復技術，其機理是將新鮮空氣通過進氣井注入土壤污染區(qū)域，利用真空泵/引風機產(chǎn)生負壓，由空氣解吸并夾帶土壤中的有機物，經(jīng)由抽氣井流回到地面上收集并處理。抽出的尾氣經(jīng)凈化處理達標后可排入大氣或重新注入地下循環(huán)使用。系統(tǒng)包括進氣井、抽氣井、真空泵/引風機、氣液分離裝置、氣體收集管道、氣體凈化與處理設備以及輔助設施。典型的SVE裝置見圖1。

1.1修復原理

VOCs在土壤中主要有4 種存在形式：氣相、溶解相、非水相流體(NAPL)相、吸附相。氣相是指污染物揮發(fā)進入氣體的部分，溶解相是指污染物溶于水的部分，非水相流體(NAPL)相是指污染物以液態(tài)形式存在于土壤孔隙中的部分，吸附相是指污染物吸附在土壤顆粒上的部分。NAPL進入土壤后，部分進入水中，同時有部分揮發(fā)進入氣相中，而氣相中污染物蒸汽處于飽和狀態(tài)。SVE開始后，土壤孔隙中的空氣被抽出，氣相中污染物濃度降低，NAPL相、吸附相和溶解相的污染物不斷向氣相轉(zhuǎn)移，污染物以土壤氣為載體逐漸被去除。在SVE初期，污染物主要以NAPL相存在，NAPL相對氣相的相間傳質(zhì)起主導作用，尾氣中污染物濃度較高。隨著SVE的運行，NAPL相消失后，只有溶解相和吸附相向氣相發(fā)生轉(zhuǎn)移，尾氣中污染物濃度會急劇降低并維持在一個較低水平，產(chǎn)生“拖尾”效應，導致該效應的主要原因是土壤孔隙不均造成的優(yōu)先流和污染物組分揮發(fā)性程度的差異。

1.2適用范圍

SVE主要用于揮發(fā)性較強的有機污染修復，且要求土壤質(zhì)地均一、滲透性好、孔隙率大、含水率小及地下水位較低。表1給出了適用于SVE修復的污染場地和污染物的部分參數(shù)條件。

1.3修復成本

SVE的修復成本相對低廉，與污染物濃度及其分布、土壤的滲透性和各向異質(zhì)性、修復目標等因素有關，約合26~78美元/m3，修復時間為6~12個月。整個費用中，尾氣處理費用約占總費用的50%，因而采取經(jīng)濟、高效的尾氣處理方法可以大幅降低成本。研究發(fā)現(xiàn)在修復過程后期，進行間歇操作或強化SVE的生物降解作用，可減少尾氣處理成本，提高單位能耗凈化效率。

2 SVE研究進展

2.1SVE理論進展

SVE理論研究主要集中在去污過程中污染物的運移、相間傳質(zhì)、現(xiàn)場數(shù)值模擬等方面。污染物的運移主要考慮氣相中的壓力誘導對流和擴散兩種形式。Marley等先后提出并發(fā)展了局部相平衡理論，但事實證明局部相平衡假設太過簡單化，實際傳質(zhì)過程中必須考慮非平衡的因素。Wilkins等提出了非平衡傳質(zhì)模型，很好地估算了氣相與NAPL相間的傳質(zhì)系數(shù)。Armstrong等在不含NAPL的模擬實驗中對氣-液(水)傳質(zhì)和液(水)-固傳質(zhì)系數(shù)的影響進行了評價，表明揮發(fā)動力學是整個SVE過程的主要控制因素。周友亞等模擬表明：在通風初期相平衡模型能夠很好地描述實驗結果，隨著時間的推移，相平衡模型的預測曲線逐漸偏離數(shù)據(jù)點，到了通風中后期，只有動力學模型才能較好地描述和預測實驗結果。Johnson等將壓縮流體動力學應用于SVE修復模型，建立了一維軸對稱滲流流場的解析模型，較完整地實現(xiàn)了現(xiàn)場條件下的抽提真空度、抽氣流量和Darcy流速等方面的定量模擬。黃國強等采用GaIerkin三角形有限單元法對復合地表邊界的豎井SVE穩(wěn)態(tài)流動問題進行了數(shù)值模擬分析，再采用一個穩(wěn)定的交替方向有限差分(ADI)解出傳質(zhì)微分方程，實現(xiàn)了多維情況下豎井SVE修復的完整模擬過程。Rathfelder等利用多相流動過程、多組分輸運、非平衡相間傳質(zhì)及好氧生物降解相結合的MISER軟件模擬了現(xiàn)場SVE過程，探究了物理、化學和生物過程間的相互作用及以上過程對污染物去除效率的影響。

2.2SVE 應用進展

SVE在國外比較成熟，至今已有大量的工程應用實例。20世紀80年代初，德克薩斯研究院首先通過實地調(diào)查，說明SVE是一種高效的去污技術，其成本不及土壤挖掘法、清洗法的10%，速度卻是以上兩者的5倍以上。1984年美國Terravac公司申請并獲得了該技術的第1項專利。1988年美國猶他州某空軍基地因航空發(fā)動機燃料泄漏造成0.4×104m2、深度為15m的土壤污染，土壤中石油烴(TPH)濃度最高達到5000mg/kg，經(jīng)SVE處理后，其濃度可降至410mg/kg。90年代后SVE發(fā)展迅速，到1997年，全美已有27%“超級基金”地點應用SVE技術，許多州還把它作為去除土壤中VOCs的一種標準方法。歐洲、澳洲、加拿大、日本、印度等地也先后進行了與SVE修復有關的研究和應用。Manneol等在巴西某氯代溶劑污染的工業(yè)場地應用SVE進行設計、監(jiān)測和修復效果方面的研究。截至2005年，在美國已修復的1104個污染場地中，SVE已應用于其中的248個，列于首位。近年來，SVE又開始深入到生物修復和地下水修復等多學科領域，日益受到重視。

我國對SVE的研究起步較晚，20世紀90年代中期才開始進行，目前主要處于室內(nèi)實驗和現(xiàn)場中試實驗階段，在工程應用上缺乏實踐經(jīng)驗。李金惠等以華北地區(qū)典型土壤為實驗土樣，通過一維土柱實驗，研究了抽排氣體流速、土壤含水率和土質(zhì)對油污染物去污過程的影響。王喜等依據(jù)VOCs濃度變化將SVE過程劃分為高效去除階段和低效率的拖尾階段。王玉通過在北京市某焦化廠進行了SVE現(xiàn)場實驗，監(jiān)測了系統(tǒng)運行的土壤氣相壓力變化，求取了土壤透氣率和抽氣影響半徑。劉沙沙等在廣東省某柴油污染場地開展了SVE修復示范工程，3個多月后，土壤中TPH的最高去除率達64.88%。

3 SVE 的影響因素

3.1土壤透氣率

土壤透氣率是表征氣體穿過土層難易程度的參數(shù)，是影響SVE效能最重要的土壤因素，主要由土壤顆粒的粒徑分布、孔隙度、含水率及空間向異性等因素綜合決定。SVE主要適用于滲透性較高的土壤，對于滲透率大于10-6cm2的砂土尤為適用。Wilkins等對各種土壤進行了綜合SVE測試，測量了不同土壤的VOCs抽排速率和土壤氣相透氣率張量值，對土壤透氣率做了定量描述。周友亞等研究了不同土質(zhì)對苯污染土壤去污過程的影響，結果表明具有最大孔隙率的北京潮土凈化時間最短。Frank和Ding等的實踐證明，現(xiàn)場可用氣壓和水壓裝置改變土壤內(nèi)部結構，以提高土壤透氣率，去除更多VOCs。

3.2土壤含水率

土壤含水率也是影響SVE修復效果的重要因素。一方面土壤水分會占據(jù)土壤孔隙通道，含水率升高會降低土壤透氣率，不利于污染物的揮發(fā);另一方面，水分子極性一般強于VOCs，更易與土壤的有機質(zhì)結合，含水率增加會降低土壤微粒對有機物分子的吸附程度，促進揮發(fā)過程。Yoon等研究了一維條件下，含水率對SVE修復過程中NAPL相向氣相轉(zhuǎn)化的影響，結果表明在土壤含水率為61%時，液氣傳質(zhì)過程受到很大限制，且很快會出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象。Qin等對2種不同的土壤進行了SVE實驗，在有機質(zhì)含量為0.4%的土壤中，含水率增加會降低氯苯去除率;但在有機質(zhì)含量為5.4%的土壤中，氯苯去除率隨含水量的增加先增大后減小。

3.3抽氣速率

抽氣速率對VOCs的去除有顯著影響。一般增大抽氣速率能提高SVE修復效率，縮短修復時間，同時也會增加設備投資和能耗，速率過大還可能導致土壤中的優(yōu)先流，產(chǎn)生“拖尾”效應。因而在修復工程中，確定SVE系統(tǒng)的最佳抽氣速率可以大大減少尾氣處理量并降低凈化成本。Crow和Fall在汽油泄露處設計了現(xiàn)場去污通風系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)隨著空氣流速增大，汽油蒸氣去除速率也增大，土壤中汽油蒸氣濃度的減少取決于抽氣流速而不是引發(fā)的真空度。Albergaria等研究了抽氣速率對砂土中SVE去污過程的影響，發(fā)現(xiàn)抽氣速率存在最佳值，超過該數(shù)值后，污染物去除率無明顯變化。

3.4有機物飽和蒸氣壓和環(huán)境溫度

決定氣體蒸氣壓的主要因素是環(huán)境溫度，加熱土壤能增大有機物飽和蒸氣壓，提高揮發(fā)速率，還去除許多難揮發(fā)性有機物。石油產(chǎn)品中一些易揮發(fā)的輕組分，如汽油可用SVE很快去除，但一些難揮發(fā)的重組分，如柴油、燃料油、煤油以及潤滑油等，SVE的應用就受到嚴重限制。Popendieck等研究發(fā)現(xiàn)，土壤溫度上升到50~150℃時，去除速率和可去除的污染物范圍都增大了。如果土壤溫度上升到使有機物蒸氣壓高于70Pa時，SVE能去除所有污染物。Giho等采用熱空氣注射-SVE技術對某柴油污染場地進行了現(xiàn)場中試，系統(tǒng)運行1個月后，土壤中TPH去除率可達到95%以上。

4 SVE 強化技術

SVE的適用性經(jīng)常受到土壤的種類和結構、污染物的揮發(fā)性等因素的限制，近年來人們不斷改進SVE，研究出了熱強化SVE技術、生物強化SVE技術、空氣噴射SVE技術等SVE強化技術，大大提高了SVE系統(tǒng)的運行效率。

4.1熱強化SVE技術

原位熱修復技術是在SVE基礎上結合了加熱的一種土壤修復技術。該技術通過向土壤輸入熱量來提高土壤溫度，加強對重質(zhì)非水相液體(DNPLs)組分的去除。根據(jù)加熱方式的不同，原位熱修復技術主要分為蒸汽/熱空氣注射、電阻加熱、熱傳導加熱和電磁波加熱等，其中熱傳導加熱能將土壤加熱至遠超過水沸點的溫度，甚至超過500℃，而其他方法只能局限在水的沸點附近。美國加利福尼亞州某石油烴污染場地采用蒸汽/熱空氣聯(lián)合注射-SVE技術進行原位修復，經(jīng)處理后場地包氣帶TPH濃度從100000mg/L降至20~50mg/L。美國Kai公司采用電磁波加熱-SVE技術修復加油站泄漏污染場地，3周后土壤中汽油含量下降了約67%。

4.2生物強化SVE技術

生物通風技術(BV)也是在SVE基礎上發(fā)展起來的，是SVE與生物降解的有效結合。其基本原理是向土壤不飽和區(qū)注入空氣(或氧氣) 、添加營養(yǎng)物(氮和磷酸鹽等)和投加高效降解菌來促進微生物的好氧降解作用，從而達到去除有機物的目的。BV系統(tǒng)與SVE系統(tǒng)有相同的設施，但系統(tǒng)結構和設計目的有很大不同。在實際修復中，SVE和BV常常以最有利的方式結合使用，一般將SVE作為第一階段，BV作為第二階段。李巨峰等對某輕質(zhì)油污染土壤進行了現(xiàn)場修復試驗，先采用SVE系統(tǒng)運行7個星期，產(chǎn)生“拖尾”效應后開啟BV修復模式，6個月后土壤中平均VOCs濃度由823.7mg/L降至51.0mg/L，平均修復效率達到80%以上。

4.3空氣噴射SVE技術

空氣噴射技術(AS)將SVE的應用范圍拓展到對飽和區(qū)土壤和地下水有機污染的修復。AS是將一定壓力的新鮮空氣噴射到被污染的飽和區(qū)域土壤中，揮發(fā)、解吸出來的有機污染物被氣流帶至不飽和區(qū)，再通過SVE系統(tǒng)去除。Al-Maamari等對阿曼某污染場地開展了AS/SVE聯(lián)合技術修復實驗，7個月后不飽和土壤氣體中苯的濃度從15~60mg/L降至檢出限以下，地下水中TPH的濃度則從25~50mg/L降至0.5mg/L以下。Brian等對某儲油罐泄漏污染場地進行了調(diào)查，評價了AS/SVE聯(lián)合技術對低滲透性土壤的修復效果，發(fā)現(xiàn)處理44d后共去除608kg汽油，包氣帶中BETX濃度從5g/t降至1g/t，去除速率達到14.3kg/d。

5 總結與展望

SVE作為一種高效率、低費用、可操作性強的原位修復技術，在我國有非常廣闊的應用前景及市場潛力。此后研究重點應當注意以下幾點：1) 進一步研究SVE過程的去污機理模型和各參數(shù)對去污過程的影響，揭示土壤污染物與修復時間的關系;2) 完善SVE 修復的數(shù)學物理模型，優(yōu)化工程設計，提高數(shù)值模擬對現(xiàn)場SVE 的理論指導實用性;3) 解決SVE工業(yè)應用的技術和設備問題，探索SVE強化技術，有效地結合各類土壤修復技術，充分發(fā)揮其修復污染土壤的優(yōu)勢。

來源:環(huán)境工程  作者:羅成成等

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