原位空气喷射技术解析及在污染场地的应用分析

李梦凡

（森特士兴集团股份有限公司，北京 100176）

在目前的土壤修复技术中，抽提技术被认为是一项与高科技相紧密结合的土壤修复技术。一般情况下，它既可以用于土壤修复，又可以用于地下水修复等领域，可高效除去土壤中挥发性有机物，比如重油和轻油类等等，适用于场地修复的各项复杂条件。而其操作简便，工艺复杂度低，修复效果好，被广泛用于大型的土壤和地下水修复工程。在这其中，原位空气喷射（IAS）是一种新兴的处理饱和带土壤和地下水中污染物的修复技术，在20 世纪80 年代中期，该技术在德国首次被应用。

1 技术原理

1.1 修复机理

原位空气喷射是在地下水位以下注入空气、纯氧或其他气体，从而通过挥发或生物修复去除污染物。主要用于去除挥发性有机化合物（VOCs），但该技术可以有效地通过在实施过程中加强，主要是生物过程，去除挥发性和非挥发性污染物。通过刺激微生物活动加强对污染物的降解，这一特点尤其对石油污染的场地非常有效。

如图1 所示，是原位空气喷射技术的原理示意图。

1.2 技术分类

空气喷射技术具体可以有以下几种分类。

（1）注入饱和区。将空气直接注入饱和区，称为原位空气喷射（IAS）。气相抽提（SVE）通常伴随着IAS，来控制由IAS 携带到非饱和区的VOCs 的无组织排放。

图1 原位空气喷射基本原理图

（2）垂直井或水平井。在许多现场，例如堪萨斯城美国陆军工兵区东北黑斯廷斯的黑斯廷斯东部工业园，使用了水平喷洒井，结合污染源区域内的垂直喷洒井，用来拦截污染源区域的下游溶解羽（Siegwald 等人，1996 年）。水平井和垂直井也可以在一个单独的喷射和排气井田内混合，以便更好地控制不同位置的注入或提取速率，并优化成本。

（3）注入空气以外的其他气体。注入空气以外的气体（如纯氧、臭氧、甲烷、丁烷、丙烷、纯氮或一氧化二氮）可提高生物修复进行的速度或改变其发生的条件。结合场地污染物的不同情况，可以调整注入的气体成分和含量。

（4）臭氧喷射。用空气和臭氧的混合物喷射被用来通过化学氧化处理地下水中的有机污染。尤其针对TCE 和甲基叔丁基醚（MTBE）的污染物去除比较有效。

（5）蒸汽注入。蒸汽可以与空气一起或代替空气注入，即将热修复技术与传统的空气喷射技术结合起来。蒸汽注入已成功地用于修复含水层的VOC 污染，用于提高传统的IAS 修复效果，也用于修复传统IAS 无法修复的污染物。

表1 空气喷射技术的适用范围

1.3 关键参数和指标

1.3.1 技术适用范围

结合空气喷射技术的修复机理，该技术适用的范围如表1 所示，其中，-代表不适用或适用受限，o 代表一些情况可能适用，+代表非常适合。

可以看到该技术最佳的适用条件是渗透性较好的场地，污染物为易挥发有机物，污染深度主要集中在潜水位附近。

1.3.2 关键参数

（1）影响区域。影响区域（ZOI）指的是受喷射井或井田充分影响的区域，该区域是具有相对紧密空间的充气通道的饱和区的体积，一般在空气饱和度超过10%时出现这种情况。在空气喷射技术的使用过程中，影响区域的重要性优先于常见的影响半径。因为IAS 的喷射井筛管的间隔、深度和方向上往往是不均匀分布的。

（2）生物降解速率。IAS 除了可以从地下水中去除VOC外，空气喷射还可以促进许多挥发性和半挥发性污染物的需氧生物降解。生物降解将减少或可能消除必须在表面捕获和处理的挥发性有机化合物的量。溶解氧通常是限制饱和区生物降解的因素。通常情况下，IAS 是提高所需区域的溶解氧（DO）水平最为经济的方法。

（3）注射压力。无论喷射井的井结构如何，在井口测量的注入压力都有几个组成部分。分别为：a.静水压力；b.管道中的摩擦损失。是由于流体在井口和IAS 井筛管之间的摩擦而产生的水头损失。对于较小的喷射井直径、较长的井管长度或较高的气流速度，摩擦损失将更为显著。类似的损失也可能发生在地上管道中。c.过滤器组件进气压力。注入压力的第三个组成部分是过滤器组的进气压力（如果存在于井筛管和地层之间），该值往往很小。d.地层空气进入压力。注入压力的第四个组成部分是地层的空气进入压力Pe，根据毛细管理论，它与过滤器组件附近最大孔隙的孔径有关。

（4）注射气流速率。空气（或另一种气体）在压力下注入喷射井。随着气压的升高，井内的积水被排出。要使空气进入地层，空气压力必须大于水压（即静水压力）和空气进入压力之和。不论污染土壤是砂土、粘土或是淤泥，初始进入的空气总会寻找并沿着可利用的最大孔隙进入。如果最大的孔隙通道能够传导注入井内的所有空气，则压力不会上升到空气入口压力以上，较小的孔隙将保持充满液体。

（5）污染土壤性状。土壤的均匀性和各向同性程度是影响空气通道分布的重要因素。均匀细砂或粉砂层通常具有各向同性的空气渗透性，因此最适合于IAS，因为它们能够产生均匀且合理的可预测的ZOI。相反，空气渗透性较低的土壤（如大块粘土）不易受IAS 影响，因为过高的空气进入压力可能导致土壤破裂，引导整个空气流动的优先流道数量较少。

图2 空气在孔隙中的通道示意图

2 工艺设计

2.1 常用设计参数

为了提高污染物的去除效率，可以通过增加VOC 和氧气在气液界面上的转移速度，可以提高污染物的去除速度。气液界面的传质速率很大程度上取决于气液表面积（以及污染物的亨利常数）。因此，设计一个IAS-biosparging 系统的关注点必须集中在使气液接触最大化，从而达到气液界面的传质速率最大化。

在IAS 系统中，一般涉及到的参数包括：注射井直径、筛管长度、注射流速、静水压力以及影响区域。

2.2 喷射井结构

通常用于喷射井套管的材料是新型聚氯乙烯（PVC），直径一般为50mm（2 英寸）。但可以根据空气流量对管径进行改变。需要根据管道用气动分析程序评估井套管内的压降和筛网直径。如果空气修正或现场污染物在预期浓度下可能对PVC 造成损害，则可指定其他材料。在经济的情况下，可以使用具有适当物理性能和耐化学性的材料代替PVC。如果现场使用热修复，则使用耐热材料。套管必须足够坚固，以抵抗预期的空气和灌浆压力。

筛网通常是带有开槽或连续包裹开口的PVC。强烈建议采用连续缠绕式筛网，因为增加的开放面积减少了筛网的压降，从而降低了风机的能源成本。

喷射井必须进行井封，以防止水泥浆进入过滤组件和井网。未改性的钠基膨润土，如球状、颗粒或高固体膨润土灌浆，通常用于密封材料。最好使用水泥浆填充密封件上方至地面的环型空间，因为水泥浆能够抵抗干燥开裂。

2.3 抽提井结构

抽提井管径20-50mm，管材PVC，最好使用平口螺纹管。孔上部密封，井深根据各区块污染深度进行设置，过滤管采用割缝管，设计长度根据不同区域污染深度进行设计。过滤管与井壁之间填充砾石，并超出筛管部分长度，砾石之上填充膨润土，滤料采用石英砂。

2.4 空气输送设备设计

空气输送源的设计基于中试得出的参数要求，以及由静水压头、空气入口压头和歧管损失引起的所需最小压力的设计计算。在完成整个系统设计计算并审查中试数据后，针对特定的地质和物理区域，确定每口井的最佳压力和流量。空气供应通常由空气压缩机或鼓风机提供。

3 国内场地应用分析

3.1 应用范围

参考国内外部分案例，根据原位空气喷射技术的适用条件，该技术适用于湿度较低，土壤颗粒粒度范围适中的土壤，且对于土壤的均质性等有一定的要求。

根据1993 年，Ji 等[2]的研究表明，土壤的渗透率高低，会影响空气流动的方式，且喷入的空气不能够通过渗透率很低的土壤层，例如粘土层。Reddy 等[3]的研究表明，土壤粒径对于该技术应用过程中有机污染物的去除有极大的影响，当土壤的有效粒径低于0.2mm 时，去除有机物所需的时间将大大增加。另外，空气在土壤通道中总会选择更容易进入的通道，因此，土壤的均质性会使空气流动的范围有所改变，对影响区域（ZOI）有很大的影响。

3.2 目标场地

根据原位空气喷射技术的技术原理，该技术针对有机污染物，且可以与生物修复，热修复等技术相结合，尤其对于石油污染场地的修复有较为明显的优势和效果。

4 结束语

我国目前场地修复中重金属的处理仍然比重较大，而对于有机物，特别是石油烃的处理仍然较少，在地下水和饱和土壤区域的污染物去除这一领域比较薄弱。随着国内工业的改革，大量石油石化工厂的搬迁，该领域的场地修复在未来的修复工程中，占比会越来越大。而原位空气喷射技术作为对地下水和饱和土壤区域污染物去除的优质技术，应用前景良好，使用成本较低，处理效果优秀。