原位化学氧化技术在地下水修复工程中的应用

2018-11-13陈敬仁

资源节约与环保 2018年10期

郑伟梅浩陈敬仁

（南通国盛环境修复有限责任公司江苏南通 226000）

引言

据统计，我国超过50%的城市地下水污染较严重，大多数的城市地下水水质不断恶化[1]。地下水污染问题带来的环境影响日益显著，加强对地下水修复技术与工程的研究及应用尤为重要[2]。

目前，针对有机污染的地下水修复，主要有原位化学氧化技术、抽出处理、生物修复技术和可渗透性反应墙技术等[3]。对于地下水有机污染物的治理，原位化学氧化技术因其环境影响小、反应高效、性价比高而得到广泛应用[4,5]。本文从地下水原位修复氧化剂的输送方法，相关设计参数以及其他修复技术联用三个方面详细的探究地下水原位化学氧化修复技术的可行性，为我国污染场地中地下水修复提供应用于工程依据。

1 氧化剂输送方法的选用

氧化剂能被以液态、固态或气态的形式输送至地下，其中以液态形式（氧化剂的水溶液）输送最为普遍，只有臭氧是以气态的形式输送。本文将主要研究输送液态氧化剂的方法。常见的氧化剂输送方法有：固定井、直接推送、点喷射、下渗、循环井、机械搅拌等。

Krembs在对美国181个原位化学氧化案例的氧化剂输送方法进行统计发现，使用频率最高的是固定注射井和直接推送两种方法[6]。

1.1 固定井

运用ISCO技术进行地下水修复时，不管选用哪种氧化剂，通常需要多次进行氧化剂的输送。对氧化剂的多次输送，一方面是因为工程设计的需要；另一方面是为了避免完成注射后，污染物浓度出现反弹。此外，当以下情况出现时，采用固定井也具有明显的技术优势：①需要在每个注射点注射大量氧化剂液体的时候；②需要向大于30m的深度输送氧化剂的时候；③需要向坚硬地层注射氧化剂的时候。如果目标污染区域位于已有建筑或设施底下，还可以将固定注射井设计成水平式[7]。固定井的一个明显缺点，即井管一旦安装就位，就很难根据现场实际情况对注射点位再进行优化调整。就设计参数而言，首先要考虑影响半径（radius of influence,ROI），它表示在注射点周围氧化剂可以输送到达的半径，它的影响因素及计算方法将在3.1节中进行介绍。

在实际应用中，固定井的点位往往设置成网格状，网格点的大小是由相邻两注射点的设计ROI决定，为了避免出现注射盲区，还需同时考虑一个重叠率（图1）。井网一般垂直于地下水流方向布设。如果地下水的自然流速足够大，而且选用的氧化剂具有较好的稳定性，氧化剂会在设计ROI之外沿水流方向出现一段距离的“漂移”。充分利用这个“漂移”距离，就可以将相邻两网格点沿地下水流方向的距离设置得略大于垂直于地下水流方向的距离，以达到减少注射井的目的（图2）。

图1 固定井井网布设示意图

图2 受“漂移”影响的固定井井网布设示意图

设计好的固定注射井需要充分考虑井对大体积液体输送的适应性以及是否可以为井和目标污染区域提供一个良好的水力通道。为了达到以上两个目的，固定注射井经常采用连续槽筛管并且采用相对较粗的砂子来封井。连续槽筛管具有较大的开口面积，因此可以带来较大的注射速率和较少的管堵。筛管的长度和直径也是重要的设计参数。在注射过程中，为了可以有效控制氧化剂离开注射井的位置，筛管的长度不宜设置过长，一般在3.0～4.5m之间，但如果含水介质的均匀性较好，该长度可适当增加。过长的筛管带来的后果就是氧化剂可能会沿着阻力最小，也就是渗透性最好的区段射出，而这个区段并不一定是污染物最多的区域。筛管的直径将会对注射速率带来影响，一般来说，直径在100～150mm之间最为合理。

从输送的动力源来看，固定注射井主要有重力注入和加压注射两种。如果注射段（筛管）的深度较大而且可以持续提供一个稳定的压力水头，重力注入是比较合适的；如果想要获得较大的水平输送范围，就需采用加压注射。但是施加的压力也不宜过大，过大的压力会造成井壁及外部介质的破裂（除非破裂是注射的目的）。加压注射井需要采用耐高压的特殊材料制作的管材（耐高压PVC、不锈钢等）。

1.2 直接推送

直接推送就是先将带小孔或小槽的空心杆钻入至目标修复区域，然后通过提供一个合适的压力将氧化剂溶液通过杆前端的孔或槽注入地下。空心杆前端具有孔或槽的长度一般在0.3～1.5m。在一次注射完成后，可以根据需要调整空心杆的深度，再用同样的方法进行第二次注射。这一过程可以反复进行，直到将氧化剂溶液输送至覆盖整个目标污染区域所处的深度范围。

相比安装固定注射井而言，直推注射在注射点位的选择上具有更大的灵活性。在现场注射氧化剂的时候，一旦发现污染热点的位置随着注射的进行有了偏移后，可以根据实际情况立即对注射点位进行调整。而且当污染物分布在不同的深度段，或者其所在的位置不适合安装注射井，或者一次注射即可满足污染物去除要求，亦或者节约工程投资是首要考虑因素的时候，直接推送都是优先考虑应用的氧化剂输送方法。因为结构上的差异，直接推送的注射速率和注射体积都较固定注射井偏低，因此ROI也偏小。

和固定井一样，直接推送的注射点一般也设置成网格状，而且在注射过程中，为了防止污染范围的扩大，应该选择从下游往上游，从四周往中间的顺序进行注射。如果同时对一个以上的点位进行注射，为了避免相邻点位引起的水力扰动相互冲抵而影响了影响半径的大小，注射时应考虑隔点注射。

在需要向目标污染区域多次注射氧化剂的时候，直接推送的成本优势就可能没有了。而且当注射深度超过30m，并且当有岩石等坚硬层出现的时候，直接推送氧化剂就可能变得不可行了。这时需要考虑采用其他输送方法。

在实际应用中，固定注射井也常常布置成网格状，其布置原则与直接推送类似。

1.3 循环井系统

循环井系统是一套通过抽提井将地下水抽出并利用氧化剂修复后，再通过注射井重新注入地下的连续处理系统。如果是沿着地下水流方向设置，抽提井一般设在下游，注射井设在上游，这样可以充分利用自然流场对氧化剂分布的促进作用；循环井系统也可以垂直于地下水流方向设置。根据地下水污染程度及氧化剂注射要求，可以设置一套地面处理系统，但是在加强修复效果的同时，该系统也会相应增加工程实施的复杂性（管道、设备等的增加、需要维护）及成本。

在一些特殊的情况下，利用循环井注射氧化剂具有明显的优势：①需要将氧化剂输送至低渗透性含水层；②需要通过连续补充氧化剂的量来增加其与目标修复区域的接触范围（向低渗透性区域扩散）与停留时间；③目标污染区域较大，但是将注射井点布置成网格状又不可行（现场条件不允许或者受投资所限）；④需要通过水力控制的措施防止氧化剂或者污染物扩散至目标修复区域以外的区域。

因为受到复杂程度和成本的限制，循环井到目前为止并不是一项应用很广泛的氧化剂输送方法，但是随着研究的深入和可以解决上述问题的方法的出现，循环井系统还是一项很有前景的氧化剂输送方法。

2 氧化剂输送相关参数

根据氧化剂特性和现场条件选定了输送方法后，接下来还需要对相关的输送参数进行精心设置才能达到预定的修复目标。

2.1 影响半径

影响ROI大小的因素除了环境介质本身的岩性外，还有氧化剂的特性、输送方法及注射压力。ROI随岩性的不同变化很大，可以从致密黏土层的0.75m变化到透水性砂土层的7.5m。氧化剂在地下水中的反应速率也会对其传输距离产生很大影响。反应快速的氧化剂（如CHP）将会很快在传输过程中消耗殆尽，因此此类氧化剂的ROI往往设计的比较保守。

设计ROI（r）的大小可以通过单井注射影响范围A（图1）确定，而A又可以通过注射氧化剂体积V（3.3节）、孔隙率θ和目标修复区域的厚度t进行计算：

由式（1）可推导出设计ROI的计算公式为：

2.2 注射压力

加压注射方式中的注射压力是设计氧化剂输送方法的重要参数之一，该数值不宜设计过大，过大的压力会带来井管的破裂（氧化剂在非目标修复区域泄漏）和环境介质的水力破裂，这种现象是应该避免的；该数值也不宜过小，因为在过小的压力下，氧化剂的输送距离有限，造成注射点位的增多，成本也会相应增加。合适的注射压力应该是在充分利用筑井材料和周围环境介质的抗压特性的基础上，采用尽可能大的压力（获得较大的影响半径）。该压力通常通过中试试验确定。如果选用重力注入方式，则输送压力一般较小，但如果地质和水文地质条件有利的话，仍可以获得较大的ROI，只是这种条件下注射速率一般较低，注射周期也会相应较长。

利用高压注射氧化剂的过程中，需要对注射压力进行实时监测，并在条件允许的情况下安置自动关闭系统以防止过高压力的出现。

2.3 注射浓度与体积

氧化剂的注射浓度与体积通常根据以下三个因素确定：①分解地下水中所有污染物（包括吸附态、溶解态和非水相态）以及与NOD反应所消耗的氧化剂总量；②氧化剂与上述物质的反应速率；③输送氧化剂的影响半径。

氧化剂的注射体积通常用孔隙体积（pore volume，PV）来表示。PV是指地下水修复过程中注入目标修复区域的孔隙空间中的氧化剂体积，它是一个无量纲参数，可以用以下方程式进行计算：

利用式（3）计算注射体积时需要确定污染物没有因为注射的扰动而迁移出事先确定的目标污染区域。一般来说，注射至地下水中的氧化剂会将孔隙体积中原有的液体等体积置换出来。至于到底需要注射多少个单位PV的氧化剂溶液才能达到预期的修复目的并没有一个统一的标准，因为这取决于修复周期、输送方法、注射频率、氧化剂的弥散与扩散以及其他场地特有的参数。

氧化剂的注射浓度是和氧化剂的特性，含水层中的可氧化态物质以及注射体积紧密相关的。修复所需的氧化剂的总质量一方面是通过实验室试验确定，另一方面是通过对场地污染特征的准确把握而确定的。这个质量溶解到修复所需的注射体积中来就可以得到氧化剂的注射浓度。

3 ISCO与其他修复技术的联用

由于ISCO本身的缺陷以及污染场地的复杂性，该技术常常需要与其他修复技术联合使用，才能对污染的地下水实施效果更好、效率更高的修复。通过对美国135个运用ISCO技术进行地下水修复的场地进行统计后发现，其中有76%的场地采用了联合修复方案。这种联合修复可以是同时进行的，也可以是时间和空间上分开进行的。时间上分开进行主要是指在ISCO技术修复前对目标修复区域实施的“预修复技术”和ISCO技术修复后对目标修复区域实施的“补充修复技术”。空间上分开进行主要是指联合修复技术分别应用于不同的污染区段，比如说利用ISCO技术来修复污染源区域，而在下游采用Fe0充填的PRB对污染羽实施原位化学还原修复。