基于快速检测技术的VOCs污染场地修复工艺优化*

陈展

（1.上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，上海200031；2.上海环境岩土工程技术研究中心，上海200032）

·工程应用·

基于快速检测技术的VOCs污染场地修复工艺优化*

陈展1，2

（1.上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，上海200031；2.上海环境岩土工程技术研究中心，上海200032）

以上海某挥发性有机污染场地为例，通过选定测试期内基于单个抽提井点的群井快速监测和基于单排抽提井点出水快速监测这2种模式对修复过程施工工艺进行动态优化调整，并将工艺优化调整前后光离子化检测器测值与传统实验室检测值进行对比分析。结果表明：光离子化检测器测值与污染物浓度测值正相关性较高，测试期内一般污染区域地下水中污染物去除率为40%～70%，重点污染区域达到90%以上；因此快速检测技术可以作为修复过程中的实时检测工具，能够优化修复工艺流程，有效指导类似修复工程的施工。

快速检测技术；挥发性有机物；污染场地；修复；工艺优化

目前土壤污染已成为我国关注的焦点，在各类污染场地中以苯系物和卤代烃为代表的挥发性有机污染场地因具有易挥发、累积性、多样性和生物毒害等作用而备受关注［1］。传统污染场地调查主要借助土壤采样钻探点和地下水监测井进行，工期长、成本高；而对于挥发性有机污染场地，一些快速的、低成本的和非侵入式采样检测技术越来越显现出巨大的优势［2］。

快速检测技术（简称快检技术）是通过收集土壤或地下水中有机污染物挥发性气体，利用相应电化学和光学检测器将气体中VOCs浓度信息转化为电信号或光信号等，常用的检测器包括光离子化检测器（PID）、火焰离子化检测器（FID）、氦离子化检测器（HID）、电子俘获检测器（ECD）、色谱-光离子化仪（GC-PID）、便携式气相色谱-质谱仪（GC/GC-MS），以及与直推技术相结合的MIP-PID等［3-8］。该类快速检测技术及设备应用在国外发展较快，其中光离子化学被美国国家环保局（EPA）、美国职业安全与健康局（OSHA）和美国职业安全与健康研究所（NIOSHA）定为环境大气中有毒物质分析检测方法［9］，GC-PID也成为美国具有法律仲裁权威性的分析方法［10］；国内的中科院生态环境研究中心、复旦大学光源研究所和北京东西仪器有限公司等在该类技术设备研发上的进展也多有报道［5，10］，该类技术主要应用于室内外空气质量监测、突发污染事件现场应急检测和在污染场地初步环境调查中辅助取样等［11-15］，而在指导污染场地修复过程中的应用较少。探索快检技术在污染场地修复过程中的应用对于节约资源成本，提高修复效率，保证效果具有重要意义。笔者以某挥发性有机污染场地为研究对象，探索了快检技术在该污染场地修复中的工艺优化流程。

1 场地及修复工艺概况

1.1 场地污染情况

本研究场地位于上海市长宁区某地块，场地内主要污染物为氯苯和石油烃（TPH，主要碳链成分为C6～C9），前期场地调查和修复方案设计共划定4个修复区域范围，仅以其中的区域二为例进行实例研究，说明快检技术在优化VOCs污染场地修复过程中的应用。

研究区域为原冲剪机床厂的大金工车间和小金工车间所在区域，根据前期调查，该区域土壤和地下水均受到不同程度的污染，土壤污染主要为地面以下4.0 m内的填土层，地下水和土壤修复范围基本一致，前期调查共设置的3口地下水监测井（图1），工艺优化实施前TPH和氯苯的检测浓度见表1。

表1 初始地下水中污染浓度及PID测值

图1 研究区域位置及地下水监测井分布

1.2 地质与水文条件

场地内浅部地层主要为第四纪全新世Q4沉积物，表层为填土，厚度为0.86～4.64 m，研究区域填土厚度在2.0 m左右；填土下为粉质黏土层，较为致密，厚度2.1～3.0 m，渗透性较差，是污染物良好的竖向隔离层，研究区域典型地质剖面如图2所示。场地内浅部土层中的潜水平均埋深1.0～1.6 m，地下水流向为由南向北，但流速较为缓慢。

图2 研究区域典型地层剖面

1.3 修复工艺简介

挥发性污染物的主要修复技术有土壤空气相抽提技术（SVE）、淋洗技术、冲洗技术、化学氧化法、光解法等［16-17］，各技术有其相应的适用性和实施条件，综合本场地土层渗透性条件、污染物分布特征以及平原河网地区较高的地下水位等因素，考虑采用表面活性剂进行增效洗脱，外加过硫酸钠进行化学氧化的复合修复技术。采用的修复工艺为：①在污染区域周围设置隔离屏障。②屏障内部区域设置井点管（抽提井和注入井），初期进行地下水抽提、表面活性剂（SDS）与氧化药剂注入的土壤和地下水修复联合作业，中后期进行地下水的抽提和低浓度药剂（1%的过硫酸盐）注入的地下水修复作业；抽提井和注入井具体结构见图1，出水排入污水处理设施，回灌水可用清洁自来水，也可使用处理达标后的污水。③如此循环往复，形成连续的水力循环，直至将地下水中污染浓度降到修复标准以下。研究测试区以3 m×3 m的间距均匀进行井点布置，共设置抽提井8排，注入井9排，单排井点数约18个。

2 材料与优化测试方法

传统测试方法精度较高，但周期较长、成本较高，便携式PID测试由于其快速性、低成本的特点可以通过快速、大量的测试弥补其本身数值质量的问题［18-19］，可作为地下水挥发性污染物浓度的间接反映指标；测试过程是通过基于一定数量单个抽提井点的群井快速监测和基于单排抽提井点出水的快速监测这2种方式反映的浓度变化来进行修复工艺优化调整。

1）基于一定数量单个抽提井点的群井监测：可反映一定修复周期内的修复效果和污染物浓度分布，但取样工作量大，考虑现场的可实施性，共选取60个固定井点进行标记取样监测，监测频率以“周”或“月”为单位，具体根据修复实施进度情况确定。

2）基于单排抽提井点的出水水质监测：该方式取样工作量较小，监测结果可实时反映现场修复工艺的测试效果与后续调整方向，选取研究区9排抽提井点出水进行监测，监测周期提高至以“天”为单位。

3）具体操作方法：现场对单排连接管出水或单个抽提井内的混合水样进行取样，并使用手持式光离子化检测器（PID）进行检测的方法来了解过程中污染物浓度的变化情况，以指导后序修复施工工艺。所用仪器为美国瑞华公司的PGM-7340VOC气体检测仪，配备的检测器为目前市场上较为灵敏的广谱挥发性有机物光离子化检测仪（PID），其主要参数如表2所示。

表2 PGM-7340VOC气体检测仪的主要参数

4）取样检测步骤：①参照《场地环境监测技术导则》关于地下水挥发性有机物的取样要求［20］，过程取样前抽注系统停止运行2 h，防止运行过程对样品的扰动而影响检测结果。②现场通过自制简易取样器进行取样，每取1个样品清洗1次，水样装入一次性水样瓶（500 mL），取样量约为瓶体体积的1/2，保证气体有一定的挥发空间。③取样后避光静置0.5 h后将气体检测仪进气口放入瓶内进行测试，记录最大测值。

5）测试周期：测试期位于修复施工中后期，包含4个优化调整周期：周期一位于修复工程中期，土壤经过氧化和淋洗工艺后达到修复目标要求，后3个周期主要是针对地下水修复的工艺调整测试阶段。

3 结果分析与讨论

3.1 工艺优化结果分析

1）测试初期：通过现场大量取样检测试验，并结合本场地井点的抽水、注入效率和出水浓度削减速率对比等因素可将6 000×10-4%以上区域定义为重污染区，1 000×10-4%～6 000×10-4%区域为中污染区，1 000×10-4%以下为轻污染区。

根据PID数据，测试初期（2015年7月25日）污染物主要集中于场地的西侧（A3～E9）和东侧B12、C15和F14附近局部区域，污染物分布与前期地下水中的污染检测浓度部分基本一致，见图3。

图3 测试初期PID测值等值线（单位：×10-4%）

2）周期一：根据测试初期污染分布情况，整体措施调整为增加污染严重区域进行抽水和注药频率，其他区域进行回灌表面活性剂，每天具体施工管理措施根据单排出水水质等具体情况调整，13 d后进行单井取样监测，发现东部中等污染以上区域（C2-C6-D8以上部分）逐渐缩小，但重污染区域（B6-B9）仍未消失，东部重区域有所扩大，可能是该区土壤污染物在表面活性剂洗脱作用下进入水中所致，如图4所示。

图4 工艺调整13 d后PID测值等值线（单位：×10-4%）

3）周期二：为土壤修复达标后的地下水修复，根据浓度分布调整修复工艺为沿新的重污染区中心线（A5～E12）区域进行抽水，中等污染区域通过高压泵进行药剂回灌，外围进行清水回灌，后每天根据单排井点出水数据逐步缩小外围回灌范围，由于土体的渗透性的不均性，抽提和氧化修复效果也有较大差异，3 d后重污染区由集中连片变为局部中心点分布，如图5所示。

图5 工艺调整3 d后PID测值等值线（单位：×10-4%）

4）周期三：继续按照上述工艺流程动态调整抽灌范围、抽水量和药剂回灌量，1个月后重污染区域已减小至局部位置（B6～B7和E10～H10附近），多数重污染区域转为中污染，如图6所示。

图6 1个月后PID测值等值线（单位：×10-4%）

5）周期四：此后的修复施工重点转为在重污染区周围进行清水注入形成水力屏障，在其内部进行中心抽提，外围表活注入；同时在中污染区域进行慢速抽提回灌作业，增加药剂停留时间；7 d后逐步降低注入的表活浓度，直至测试期结束，多数区域污染物程度有了明显下降，见图7。

图7 测试期末PID测值等值线（单位：×10-4%）

3.2 污染物浓度与PID测值变化

现场PID测试为半定量测试，不具有选择性，所测数据为地下水中挥发性有机物的总量［21］，包括地下水中的氯苯和TPH中的挥发性成分，工艺优化调整前区域污染物未发生大的迁移变化，PID测试数据与实验室检测数据之间相关性较高，TPH和氯苯与PID测值之间的线性相关系数平方值均达到0.9以上，这与Devine C E等［22-23］利用其它快检测试技术研究成果一致，而Griffin T W等［24-25］指出PID测值与传统实验室检测方法存在一定的相关性，但相关程度并没有这么高，Hayes TD等［26］通过对比萘和苯等不同挥发性物质的PID测值与检测值之间的线性相关关系，发现后者具有更高的相关性（R2＞0.9），本研究相关性较高的原因可能与污染物为挥发性较高的氯苯和TPH（C6～C9）有关，也可能与取样过程或测试方法等因素有关，有待后续做进一步探究。

测试期优化调整后地下水中污染物去除明显，初始重点区域监测井污染物去除率达到90%以上，其它点位去除率达到40%～70%，场地污染物浓度趋近一致；PID测试与氯苯浓度分布仍呈正相关关系，线性相关系数平方值约为0.83，与TPH浓度分布有所差异，可能受到数据量限制、TPH中挥发性成分含量不同，以及测试过程扰动等的影响，如表3。

表3 测试期优化调整后地下水监测井中污染物浓度及PID测值

3.3 工艺流程优化

尽管本研究选取了挥发性有机物污染修复过程中一段时期进行测试，但所用方法可以指导类似不同土壤和地下水污染类型场地全过程的修复施工；对于不同污染类型的场地均可以借助电化学和地球物理探测等更有针对性的快速检测技术，按照如下工艺优化流程（图8）全过程地指导修复工程的实施，达到最优的修复效果。

图8 修复施工工艺优化流程

此外，今后的工程实践中可在场地调查和修复施工前期，借助多种快速检测技术与传统实验室检测联用的手段尽可能全面反映污染物浓度三维分布，进一步探究场地条件（土层渗透性、含水率、温度等）、快检技术与污染物浓度之间的关系［27-28］，据此进行更有针对性的污染单元划分（如图9）、施工参数的确定和资源配置等；修复施工过程借助管路、快检传感设备和阀门等自动化反馈控制技术，实时调整修复工艺，提高修复工程的经济效益。

图9 基于污染单元划分的井点优化示意

4 结论

1）地下水中的PID测试值与传统实验室检测方法有较高的相关性，PID测试技术可反映地下水中污染物的浓度分布情况。

2）通过基于快检技术的修复工艺优化调整方法，可以直观地反映修复施工工艺效果，从而更有针对性地指导修复施工，优化后续施工工艺和管理措施，优化测试期内一般污染区域污染物去除率可达到40%～70%，重点污染区域达到90%以上，修复区域内污染物去除明显。

3）在今后的工程实践研究中，探究场地环境条件、传统实验室检测技术与现场快速检测技术之间的关系，加强修复工程与物联网等自动化、信息化技术之间的结合，提高污染场地修复的自动化、智能化和精细化管理水平。

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Optimization of VOCs Contaminated Site Remediation Process Based on Rapid Detection Technology

Chen Zhan1，2
（1.Shanghai Geotechnical Investigations&Design Institute Co.Ltd.，Shanghai200031；2.Shanghai Engineering Research Center of Geo-Environment，Shanghai200032）

Taking a VOCs contaminated site in Shanghai as a case，the remediation process will be adjusted dynamically based on the rapid water quality monitoring resultsofa group ofsingle pumping wellsand a number ofsingle rows，and the photoionization detector（PID）valueswere used to compare and verify the conventional laboratory valuesafter the remediation optimization.The resultsshowsthat the PID values and contaminants concentrations values have a high positive correlation，the removal rate of pollutants in the general groundwater contaminated areas was 40%～70%and this value reached over 90%in heavy contaminated areas during the test period.So，rapid detection technology can be used as the real-time detection tools in the repair process，which can optimize the remediation processand effectively guide similar remediation projects.

rapiddetectiontechnology；volatileorganiccompounds；contaminatedsites；remediation；processoptimization

X53

A

1005-8206（2017）04-0086-06

陈展（1989—），硕士，助理工程师，主要研究方向为污染场地调查评估与修复治理。

E-mail：13949076745@163.com。

上海市科学技术委员会资助项目（15DZ2251300；15DZ1205800）

2016-11-23