有机污染场地原位多相抽提修复研究进展

张祥

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

近年来，随着城市产业结构的调整升级，各地石油化工企业进行了关停和搬迁，遗留了大量的工业污染场地，造成了突出的环境安全风险[1]。因此污染场地土壤和地下水修复技术已成为当前环保行业的研究热点。原位多相抽提(MPE)技术可同时修复挥发性/半挥发性有机物(VOCs/SVOCs)污染土壤和地下水，适用于石化企业污染场地苯系物、多环芳烃、氯代烃类等污染物的高效修复，已广泛应用于工程实践，应用频率近年来逐渐提高[2-3]。本文对当下原位多相抽提修复技术的发展进行了系统总结和分析，以期为有机污染场地的修复实施提供参考。

1 原位多相抽提修复组成与原理

MPE技术是同时抽提场地污染区域土壤气体、地下水和自由相等多相态污染介质至地面以进行多相分离及净化处理的污染场地原位修复技术[4]，综合了土壤气相抽提(SVE)技术和地下水抽出处理(P&T)技术的特点，能够同时修复地下水、包气带及含水层土壤中的污染物，回收自由相态污染物并控制地下水污染羽流迁移，同时强化好氧生物降解，尤其适用于易挥发、易流动的非水相液体(NAPL)污染修复[5-6]。

1.1 原位多相抽提系统组成

MPE技术通过多相抽提、多相分离和污染物处理三个主要工艺完成。抽提系统是MPE系统的核心部分，包括抽提井结构、抽提设备和管路等，作用在于同时抽取污染区域的多相污染介质(包括土壤气体、地下水和NAPL)至地面处理系统中。MPE技术可实现多种抽提方式，主要有单泵抽提、双泵抽提以及生物抽除等[7-8]。单泵抽提系统通过真空泵产生真空条件和液体吸引升力，使用单个抽提滴管从井中同时提取液体/气体。双泵抽提系统通过潜水泵抽提地下水，地下水、NAPL与土壤气体经不同管路抽出，比单泵抽提系统更灵活，克服了抽提深度的限制，可应用于地下水位波动条件和更宽的适用渗透率范围，但设备成本也更高。生物抽除系统组成与单泵系统相似，但目的在于强化轻质非水相液体(LNAPL)的回收和非饱和带的好氧生物降解[9]。抽出的气液混合物或单独的气体、液体在地面处理系统中进行后续相分离和净化处理。分离废气/废水可采用常见环境工程技术手段包括催化氧化法、吸附法、浓缩法、生化法和物化法等处理[10]。

1.2 原位多相抽提技术原理

MPE技术应用于土壤地下水修复过程中有自由相回收、地下水抽出处理、土壤气相抽提、生物通风等多种作用，其有效性在很大程度上取决于开展协同作用的能力，需针对目标污染介质和污染物类型确认应用策略而采用相应的系统结构[11]。对于存在NAPL污染的场地，最优先的污染修复方法是直接去除自由相污染源。MPE能够有效处理NAPL污染，通过抽提设备向抽提井中施加气相压力梯度和水力梯度，地下连续相液体(地下水和NAPL)响应压力梯度而流入抽提井中，强化自由相回收的同时也去除了地下水中的溶解态污染物。施加的真空度越高，可实现的气相压力梯度和水力的梯度越大，地下水和NAPL的抽提速率越高。LNAPL污染在地下水位形成连续自由相层，MPE技术可使用潜水泵抽取地下水和浮油层，并与真空强化抽提效果叠加。重质非水相液体(DNAPL)在污染过程中随重力下沉至含水层底部，因此MPE系统去除DNAPL时需要设置适当的抽提井深度。抽提过程中的真空强化作用也可调动被毛细管力束缚而无法进入抽提井中的NAPL污染，促进其溶解迁移。与传统地下水抽出-处理技术相比，MPE技术有更大的影响半径和更高的地下水修复效率[12]，可进行污染羽流的水力控制，防止地下污染迁移扩散[13]。低到中渗透性地层毛细带土壤中存在的孔隙水限制空气流通，SVE技术修复效果不佳[14]，而MPE系统同时抽提地下水和土壤气体，降低地下水水位并因此提高渗流区中的气相渗透率，可最大化SVE修复效率。同时，MPE过程可以增强包气带、土壤孔隙水和饱和带土壤的生物通风，进一步强化原位好氧生物降解[15]。

2 原位多相抽提修复研究进展

2.1 场地应用研究

2.1.1 国外应用案例 MPE技术在国外已有多年的工程应用，美国环保署、石油学会和陆军工程部等针对MPE系统的工程设计和运行维护出台了相关的技术指南。Kirshner等1996年报道了高负压双相抽提(HVDPE)技术在航空燃油污染土壤和地下水修复的应用，经5个月运行去除了16 656.8 kg烃类污染物，其中生物降解、液体抽出、气相抽提对污染物去除的贡献分别占62%，27%和11%[16]。Gabr等在某空军基地航空燃油污染场地使用垂直预制井布设25排抽提井，安装MPE系统进行LNAPL抽提，运行185 h共去除467 kg气相有机污染物和133 L的自由相液体[17]。Calza等将MPE技术应用于巴西某加油站苯污染场地修复，经18个月系统运行后地下水中苯污染浓度达到修复目标要求[18]。Baldwin等在某加油加气站场地设置12口抽提井并安装HVDPE系统进行地下水修复，两年半运行期共抽出污染地下水1 400 m3，去除约119 kg石油烃[19]。

2.1.2 国内应用案例 国内MPE技术研究应用近年发展迅速，中试和工程化应用逐渐增多。张云达等在某氯代烃苯系物复合污染场地采用单泵TPE系统进行地下水修复，在1 000 m2污染范围内布设抽提井103口，20 d MPE系统运行后抽出250 m3地下水，12 000 m3气体，收集NAPL约50 L[20]。某化工场地LNAPL污染地下水单泵TPE系统修复中试研究布设了9口抽提井，运行时间25 d，累积抽提时间约8 h，共抽提污染液体约720 L，去除甲苯约125 kg[21]。某化工场地苯系物污染地下水MPE修复中试研究发现，MPE技术实现了土壤地下水中挥发性气体污染物浓度迅速下降，但对残留溶解态、吸附态污染物无显著效果，需与原位化学氧化修复技术联合运用以提高修复效率[22]。张晶等在某有机复合污染场地应用MPE和原位化学氧化联合技术完成地下水修复，通过MPE系统收集LNAPL自由相，再利用原位化学氧化技术进一步降解，45 d MPE运行中收集了约100 L的LNAPL[23]。

2.2 多相抽提技术改进强化研究

以上工程应用案例普遍证实MPE技术在低至中等渗透污染区域有较好的修复能力。近年来研究者针对MPE系统进行了结构改进、集成化自动化和效果强化技术等方面的研究，以降低应用成本，提高修复效率。

2.2.1 MPE系统改进 McDowell等将自动化远程遥测系统集成到MPE控制系统中，连接真空泵、分离净化设备的数字化感应器和控制器，实现MPE系统的远程监控，显著降低人力和运行成本[24]。周鲲鹏等设计一种定时抽提修复装置，通过控制装置采集分析数据，实现定时定量的DNAPL抽提[25]。张峰等将MPE系统的地面设施(抽提和气液分离系统、尾气湿度温度控制系统、尾气处理系统和电气控制系统)形成集成化装备，克服现有技术在设备运输转移和重复使用等方面的限制[26]。姜永海等在MPE修复装置中设置污染羽抽出主井和包气带斜井以解决在地下水修复工程中无法有效解决土壤包气带污染的问题[27]。张峰等设计了单井分层抽提和注射的装置，克服现有技术在修复目标层位调整的局限，以降低抽提修复成本并提高修复效率[28]。

2.2.2 空气注入强化技术 空气注入(AS)通过向含水层饱和区注入空气过程中空气流的吹脱作用促进污染物对流扩散、NAPL污染物的溶解和土壤介质吸附污染物的解吸，并增强微生物降解效果，对NAPL污染修复效果非常显著[29]。MPE应用于非均质污染场地中时可在局部污染物浓度较高且渗透性差的区域安装空气注入井以提供一定的正向气相压力梯度，促进该区域的空气流动，从而强化抽提效果，并缓解场地渗透性不均的限制[10，30]。目前针对AS/MPE联合技术研究较少，AS/MPE系统的工程布局和参数优化还有待进一步系统研究。

2.2.3 热强化技术 热强化修复技术在石油污染场地修复中有广泛的应用[31]。有机污染物的蒸汽压随温度升高呈指数型增长，升高温度改变了污染物分配行为(污染物的吸附、溶解、挥发等)和物理特性(黏度、密度等)，且通过降低土壤含水率增加渗透性，提高了传质速率，有助于VOCs/SVOCs污染场地修复，减少了修复时间且提高了顽固污染物的抽提效果[32]。

Bouchard等在某化工污染场地修复中试过程中比较了传统双相抽提(DPE)和蒸汽热强化DPE技术修复效果，DPE技术可有效去除VOCs和部分SVOCs污染物，但在要求修复周期内难以完成部分低饱和蒸气压SVOCs污染修复工作，而蒸汽注射热强化对所有目标污染物的总量削减均有显著效果[33]。Gorm等使用蒸汽和电阻加热强化DPE系统修复DNAPL污染场地，使用蒸汽加热浅层含水层，电阻加热中层至深层低渗透粘土层，通过改变蒸汽注入速率、电功率以及真空度和液体提取速率形成压力循环，4、5月运行期共去除约1 130 kg VOCs污染物，目标污染物去除效率达到99.85%～99.99%[34]。

2.2.4 表面活性剂增溶强化技术 表面活性剂增溶可用于提高地下水抽出和MPE修复效能。表面活性剂注入降低了土-水/污染物-水界面张力，提高了污染物的迁移速率，也导致地下水中的空气饱和度增加以及空气影响范围扩大[35]。国内目前大部分表面活性剂强化研究局限于实验室阶段，需要相应的理论验证和工程化应用[36]。美国EcoVac Services公司基于车载移动MPE修复系统和表面活性剂注入系统开发了SURFAC®表面活性剂强化含水层修复专利技术[37]，并完成了50项以上SURFAC®技术工程应用，与传统表面活性剂增强含水层修复技术相比修复时间缩短80%～95%，能耗降低约75%。

2.3 修复过程模拟研究

MPE过程的多相行为数值模拟研究对于分析现场数据，识别控制参数和设计修复系统具有重要意义。Crawford等通过对9个加油站污染场地的MPE运行参数进行分析，验证MPE过程土壤气体和地下水抽提影响半径计算方法，并与实际监测结果进行分析，提出评价MPE影响半径的关键参数，对于MPE过程效果评估和运行调整改进具有重要意义[38]。Yen等提出了一种有限元生物抽除模型，模拟非均质含水层中LNAPL的迁移行为，在校准和验证过程中准确预测生物抽除过程地下水中溶解态污染物和包气带气态污染物的传输[39]，并将前述模型应用于LNAPL污染生物抽除修复过程优化，通过模拟/回归分析/优化方法节省修复成本[40]。Li等提出了一种有限元多相流数值模拟模型，基于地下水、非水相液体和气体流动控制方程分析DPE修复系统的修复行为，并将其应用于加拿大西部的某石油污染场地，用于预测MPE修复效果评价[13]。Huang等将三维多相多组分模型与DPE修复过程的数值模拟相结合，有效模拟DPE修复过程中自由相回收和地下水修复效果的预测[41]，并将DPE修复过程模拟系统应用于具体污染场地的修复技术方案设计，为现场采取的进一步补救措施提供决策支持[42]。Qin等提出基于仿真模拟的随机多标准决策分析(MCDA)方法，将污染物迁移模型、DPE过程建模、MCDA方法和蒙特卡罗模拟整合以优化地下水修复工程实施，并基于此方法评价修复过程的修复成本和环境效益[43]。Qin等还将DPE过程模拟、多变量回归工具和非线性优化模型进行耦合，通过逐步聚类分析技术建立DPE过程预测系统，将预测系统嵌入到多目标优化框架中，用于系统成本和过程效率之间的决策分析和现场过程控制系统的制定[44]。

2.4 修复效果监控评价研究

MPE实施过程中对地下污染状况变化监控不足会导致修复效果不如预期的情况，过程监控对于保证修复系统有效运行具有至关重要的作用。大多数MPE系统在运行中可监测地面监控的工艺运行参数，如抽提流量、真空度、抽提污染物浓度和体积分布等，以及地下水/NAPL水位变化、土壤气体以及地下水中污染物(和其他化学参数)的浓度分布、温度和O2、CO2等场地特征数据，以尽可能对地下污染迁移和地上污染处理进行控制[11]。目前修复过程监控技术的工程应用尚不完善，存在监测分析系统的集成化与智能化不高、监测项目难以满足效果评价需求、监测设备环境适用性不强等问题。吴舜泽等在加油站土壤与地下水热强化MPE修复系统中集成监测系统，用于监测抽提系统、加热系统、分离系统、废水与尾气处理系统的工作参数并输入至控制系统进行系统控制，可实时监控修复系统运行过程[45]。

对修复过程建立修复效果反馈，基于绿色可持续修复理念与评价方法开展技术经济与环境效益多维度评价是污染场地修复技术的发展要求[46]，而目前针对MPE修复过程的综合评价研究较少，亟待进一步研究。Cadotte等将全生命周期评价方法应用于柴油污染场地的模拟修复过程中，对生物抽除处理LNAPL污染过程的分析结果表明生物抽除修复技术在材料和设备能源消耗、污染排放和环境负荷等多方面有较大影响[47]。

3 总结与展望

原位多相抽提修复技术研究和工程应用案例研究表明该技术在有机污染场地修复中具有显著的效果。目前国内多相抽提修复技术研究主要集中于修复系统设计和效果强化，但适应我国场地污染特征的自主化多相抽提技术装备仍然缺乏，且缺少修复过程模拟预测和监控评价技术研究。针对原位多相抽提修复技术应用发展做如下展望：①研究开发适用于非均质低渗透地层的强化多相抽提集成技术和装备，突破多相抽提与其他修复技术的联合方法和工程应用；②基于信息技术建立多相抽提过程参数动态变化监控系统，实现过程在线监控分析反馈及智能化控制；③进行多相抽提修复多维度评价，开展绿色可持续多相抽提修复研究。