多相抽提修复过程监控技术研究及应用

张祥

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

随着我国城市经济发展和产业结构调整，一大批污染较重的工业企业关闭或搬迁，遗留了大量污染场地。挥发与半挥发性有机污染物是化工行业污染场地中常见污染物类型，对场地内及周边人群健康带来严重影响。多相抽提(Multi-phase extraction，MPE)技术适用于退役化工企业污染场地修复，已广泛应用于工程实践，但目前MPE系统的建立和工程化应用主要关注经抽提修复后的污染物去除效果[1]，对于影响工程实施效果的过程监控研究还很缺乏。原位修复实施过程中若未达到既定修复目标则需要返工再次实施修复措施，因此过程监控对于最终修复效果和工程成本控制具有至关重要的作用。本文分析了MPE修复的实施特点，对过程监控因素与监控方法进行了系统总结和分析，并以某化工污染场地为例，开展MPE修复过程过程监控技术应用，以期为MPE修复工程的过程监控提供参考。

1 多相抽提修复技术特点

MPE技术是一种通过抽提井内真空抽提/潜水泵提升等手段同时抽取渗流带、毛细带、饱和带土壤和地下水的气态、水溶态和非水溶性液态污染物到地面处理系统的原位快速修复技术[2]。MPE技术一般应用于中至低渗透性地层中，适用于处理易挥发、易流动的非水相液体(non-aqueous phase liquids，NAPL)污染(如石油类、有机溶剂等)，对地面环境扰动小，修复效率高，修复工期短[3]。MPE修复系统由多相抽提单元、多相分离单元、污染处理单元和电气控制单元等部分组成。抽提单元是系统核心组成，包括根据修复需求布设的抽提井群、抽提动力设备和抽提管路等。根据抽提系统划分，MPE有单泵抽提、双泵抽提以及生物抽除等形式[4-5]。分离单元包括气液相分离器、油水相分离器等，相分离器通常采用重力式气液分离器及聚结板或管式油水分离器。污染处理单元包括废气处理装置、废水处理装置和自由相收集处理装置等，根据污染物特性选用相应的废水及废气处理工艺，如催化氧化法、空气吹脱法、活性炭吸附法等处理；而分离得到的非水相液体一般作危险废物处理。电气控制单元连接以上全部单元可控装置，实现系统运行参数控制。

MPE修复方式包括：(1)从抽提井直接提取液体，通过真空强化提高抽出能力和影响半径，调动被毛细管力束缚而无法进入抽提井中的NAPL，还可以进行污染羽流的水力控制，防止地下水污染的迁移[6-7]；(2)真空负压强化低渗透区域的土壤气相抽提效果，促进包气带、毛细带和饱和土壤吸附污染物的挥发；(3)通过强化地下氧气流通，强化非饱和土壤中的好氧微生物对污染物的生物降解[8]，MPE对微生物群落的影响在修复中可发挥重要作用[9-10]。MPE的有效性在很大程度上取决于同时开展这些协同作用的能力[11]，需根据目标需求针对性控制影响以上修复过程的关键过程因素，从而实现修复效率的提高。

2 多相抽提修复过程监控技术

在MPE修复系统运行过程中，通过监测地面工艺运行参数以及地下场地特征数据变化，可对地下污染迁移和地上污染处理进行控制，调整参数以达到修复系统最优运行状态[2]。

2.1 多相抽提修复过程监控因素

(1)工艺运行参数

工艺运行参数可根据多相抽提系统组成划分为抽提过程监控因素、分离过程监控因素和污染处理过程监控因素。工艺运行参数与MPE系统的设计有关，不同系统结构的可监控因素不同，在修复实施的不同阶段监测项目和监测频率也有所区别。

抽提过程监控因子主要有井中真空度、地下水位和浮油层厚度、抽提流量等。抽提井、包气带和真空泵的真空度直接反映抽提动力，可确定抽提井影响半径，需要在运行过程中控制在一定范围内。一般单泵抽提井头真空度控制在20～60 kPa，系统真空度根据管路布设情况设置[12]。多井系统的井内真空度监测有利于平衡和调整各抽提井抽提流量。提高真空度可改善MPE系统性能，但也可能会造成地下水、土壤气体流通路径堵塞并影响后续进程[13-14]。地下水位和浮油层厚度变化用于抽提流量控制及运行中止的决策，可根据监测结果调节抽提井内结构、设备参数及运行模式。气相/液相抽提流量间接反映着抽提效果，确定污染物去除过程。针对NAPL污染场地抽出NAPL/地下水比例应>0.1%，抽出NAPL回收率或井中浮油厚度达到较低阈值可判断停止MPE系统运行。真空泵温度可用于判断动力系统运行状态，排除动力故障。

分离过程监控因子主要有分离系统进出口流量、气相/液相污染浓度、自由相收集量、分离器中液位、分离废气温度/湿度等。分离系统进出口流量用于计算分离过程流量平衡。气相/液相污染浓度和自由相收集量用于验证多相分离效果，计算分离过程质量平衡。气-液/液-液分离器中设置液位传感器和控制器，根据液位判断并控制分离系统运行启停。分离废气温度/湿度影响后续废气处理单元处理效果，需进行监测控制。

污染处理过程监控因子主要有气液相污染物排放浓度、处理后废气废水排放流量。气液相污染物排放浓度的监测验证二次污染防治效果。处理后废气废水的排放流量可分析污染物质量平衡，计算污染处理效率。根据各单元污染浓度监测结果和排放量可进行气态、液态、NAPL态污染物去除量计算，作为评估和调整MPE运行参数的依据。

启动阶段过程监控对设备和管道进行检查与调试，通过监测结果进行设计效果检验及稳态过程判断，确定真空泵运行状态及引流管深度设置，实现抽提效率最大化，监测调整频率高，每天1～3次。运行阶段过程监控用于维持系统运行稳定，判断系统关闭终点，排除故障，除以上各单元监测因素外，还需要监测电气控制系统，统计系统运行时间和能耗水耗，控制经济与资源成本。稳定运行期间监测频率可降低。

(2)场地特征数据

场地特征数据监测可用于更新场地概念模型，评价场地条件对修复系统性能的影响[15]。MPE应用过程中进行监测的场地特征数据主要包括水文地质参数和污染物分布状况参数等。水文地质参数影间接反映场地环境对MPE运行过程的响应或直接影响修复效果，而污染物分布状况参数直接表征MPE修复效果。

场地水文地质参数主要有土壤渗透性、土壤含水率、地下水水位、NAPL层厚度、生物群落分布、二氧化碳/氧气变化等。土层固有渗透率分布和均质/非均质性变化影响抽提井运行策略和抽提区域调整。土壤含水率和地下水水位变化可判断抽提脱水和气相抽提效果，MPE过程中土壤含水量升高会阻碍NAPL流动[16]。地下水位的波动影响着抽提滴管和真空泵的效率，控制地下水位的降深能有效防止修复过程中地下水污染深度随NAPL层的下降而出现增加，节约废水处理费用[17]。微生物群落、二氧化碳、氧气变化等反映微生物条件的参数监测可用于预测评价污染物变化趋势。

修复过程场地污染状况变化直接反映MPE修复的效果，场地污染物分布和迁移转化直接决定MPE修复过程的运行参数控制，作为MPE修复效果过程评价的依据。污染物分布状况参数主要有土壤气污染浓度、地下水污染物浓度(NAPL组成)、土壤污染分布等，监测结果确定污染物迁移传质、场地修复效果。

2.2 多相抽提修复过程监控方法

以上MPE修复过程监控因素的监控方法可分为直接监控方法与间接监控方法，见表1。

表1 多相抽提过程监控因素和相关监测方法

(1)直接监控方法

直接监控方法在现场直接获取监测结果，可直观表示抽提系统运行状态，但一般只能间接反映抽提修复效果。流量监控设备有转子流量计、差压流量计等，真空度监控使用真空仪表，使用数字化传感器可实现监测数据在线监测记录传输。抽提井结构设置进气口及进气阀门，可控制施加于抽提井中的真空度及单井抽提流量。地下水位变化监控使用水位计，可实现在线连续检测。土壤含水率变化监控可使用湿度传感器。现场抽提废气挥发性有机物浓度监控可使用快速检测仪器，如光离子化检测器、现场小型化气质联用仪。单井抽提管路设置透明视窗，判断单井抽提流体流态。地球物理调查技术可实现地下NAPL分布变化直接监测[18]。监测井中地下水可使用现场快速检测仪监测常规水质参数。

(2)间接监控方法

间接监控方法主要通过采样分析获取监测结果，这些结果可以直接反映MPE运行效果。土壤气、土壤和地下水中有机污染物浓度通过气体采样器、土壤采样器和水质采样器等采集，使用气质联用仪、红外测油仪等定量分析检测，采样过程需满足国家《GB/T 36198》、《HJ 1019》等相关标准要求。污染处理单元排放废气废水除监测场地特征污染物外还需满足《GB/T 31962》、《GB 16297》等相关国家标准和地方标准要求。回收NAPL态污染物作为危废处理需按《HJ/T 298》进行危废鉴别，按危废处置要求处置。

3 化工污染场地现场应用

3.1 试验区概况

试验场地位于上海，地块占地面积约5 000 m3，试验阶段为空地。场地历史上为生产有机化学原料的化工企业，生产过程原料主要包括甲醇、石脑油、丙酮、甲苯、二甲苯、溶剂油等。根据场地调查阶段钻孔资料，场地地面下10 m以内的地层基本由4～5层构成，包括填土层、粉质粘土层、淤泥质粉质粘土层、粘土层。场地土壤特征参数检测结果见表2。场地浅层地下水埋深在1.23～1.50 m范围内，场地浅层地下水流向呈现由西北向东南方向流动趋势，浅层地下水水力坡度较缓，约0.2%～0.4%。场地调查发现场地内原化工生产区域地下水受到有机物复合污染，地下水污染范围约3 600 m2，污染深度至10 m，地下水污染方量约14 000 m2。地下水污染情况和目标污染物修复目标值见表3。

表2 试验场地土壤特征参数

表3 试验场地地下水污染状况

该场地污染类型复杂，部分区域污染严重，存在轻质非水相液体(LNAPL)污染，场地水文地质条件和污染特征符合MPE修复技术应用范围[1]。

3.2 试验流程与监测系统设计

本地块污染地下水修复采用原位污染源处理修复模式，选用高负压单泵双相抽提修复技术。现场试验在修复场地选取3口抽提井(TW1-TW3)及4口监测井(MW0-MW3)，试验井布置见图1。多相抽提井间距3.0 m，井径220 mm，井深10 m，井内设置25 mm引流管，抽提井结构见图2。监测井MW0居于三口抽提井中央，MW1-MW3分不同方向距TW1分别为1.0,2.0,3.0 m布置。真空泵采用油封式真空泵，分离废气采用活性炭罐吸附收集，废水采用类芬顿试剂化学氧化处理工艺，工艺流程及过程监控系统见图3。

图1 抽提井及监测井布置图

图2 抽提井结构图

图3 工艺流程及过程监控系统示意图

根据前期案例调研，本现场试验挑选几种关键监测指标，使用成熟过程监测技术进行试验。主要监测指标选择抽提系统真空度、井头真空度、抽出气体/液体流量、地下水位变化、废气/废水排放浓度、土壤/地下水污染浓度，现场监测设备有真空表、流量计、水位计、光离子化气体检测器(PID)等。

3.3 监测结果

运行过程控制系统真空度范围为0.04～0.07 MPa，井头真空度范围为0.03～0.06 MPa，抽提气流量范围5～20 m3/h，抽提水流量范围0.1～0.5 m3/h，运行周期为2 h/单口井/d，5 d 1轮次。气液分离器、油水分离器中液位传感器控制相关设备启停，废气废水污染浓度达到排放标准要求。

调试阶段通过监测真空度、抽出流量，检验设计效果并确定最佳系统运行状态。监测井真空度结果显示，监测井与抽提井间距越大，监测井内的真空度越低，真空度变化梯度也不断减小。见图4，在抽提井井头真空度稳定为约0.06 MPa条件下，距TW1抽提井2.0 m监测井MW2井中真空度达到3 kPa，显示单井抽提影响范围设置为1.7 m在合理范围内。通过分析抽提平均气液流量随系统真空度变化的监测结果，可确定系统在控制参数范围内运行良好，见图3，最佳系统真空度为0.06～0.07 MPa。

图4 监测井真空度随距离变化

图5 单井抽提流量随系统真空度变化

运行阶段通过真空度、监测井水位、抽出流量、污染浓度监测，判断抽提修复效果并进行了过程工艺调整。MPE运行过程中抽提真空度和流量监测结果显示第3轮次中抽提系统出现故障，井头真空度与系统真空度之间损失较大，地下水污染物浓度降低不明显，通过管路检修后排除故障，抽提效果得到改善，过程参数见表4。完成30 d抽提试验后，MW0监测井中有机物污染浓度显著降低，见图6。MPE系统共运行30 d，共抽出地下水26.5 m3，气体862.0 m3，自由相收集11.8 L。

表4 监控参数调整效果

图6 监测井中地下水污染浓度随运行时间变化

4 结论及展望

研究结果表明，修复过程中抽提井与监测井真空度、抽出流体流量的监测，可为系统最佳运行参数的调整、优化提供依据；抽出流体浓度的在线监测可直接验证MPE技术的治理效果。过程监控技术可为典型有机污染场地的多相抽提修复提供重要技术支撑，保障多相抽提修复技术的目标可达性和过程可控性。

目前多相抽提修复过程监控技术的工程应用尚不完善，多相抽提修复过程监控因素之间的作用与反馈机制，有待进一步深化研究。应结合直接监控和间接监控方法，充分发挥低扰动监测方法(如地球物理探测技术)的优势，提高在线监测分析系统的集成化和智能化水平，完善监测数据实时反馈，最终实现对多相抽提修复的智能化过程监控。