适用广西地区新型多相抽提技术的研究与应用

王 静

（上海格林曼环境技术有限公司，上海 200001）

0 引言

近年来，随着我国城市化进程的加速和“退二进三”产业结构的调整，大、中城市的农药、化工等工业企业被关停或搬离市区，遗留下大量有机物污染场地。 污染场地的土壤和地下水中典型有机污染物主要包括苯系物、石油烃类、有机卤化物、多环芳烃类、农药和多氯联苯等。

自“十二五”以来，广西省的环境质量状况尽管得到一定改善，但其土壤环境污染状况仍不容乐观，具体表现：①广西地区整体土壤污染状况不清楚，其土壤中金属背景值偏高，现有的评价方法和结论难以科学、准确地反映整体土壤质量状况；②部分地区土壤污染较为严重，直接影响到农产品安全，导致农产品存在镉、铬、汞等重金属污染，其中镉污染最严重； ③部分地区历史遗留的高环境风险场地或土壤污染问题比较突出。 广西地区土壤污染综合防治建设存在的重大问题主要包括技术和管理2 方面，尤其技术层面急需开展针对该地区特点的有机物污染土壤和地下水的原位修复技术重点研究及开发成套修复设备，并在此基础上进行中试或示范应用。

1 广西地区地质和水文状况

1.1 地质特征

广西地区北部大片变质岩组成的基岩出露，东部为下石岩炭系沉积覆盖层，中部及其它地区为中石炭系沉积盖层，该地区岩性主要包括灰岩、白云质灰岩、页岩、泥岩、碳岩、砂岩、泥灰岩等，其拥有广泛分布的岩溶区域。 第四系河流冲积层具有明显的二元结构，上部为黏土和粉质黏土，下部为砂砾石层。

1.2 水文地质状况

该地区地下水主要为岩溶水、裂隙水、孔隙水和孔隙裂隙水4 种类型，其中以岩溶水最具特色。岩溶地下水污染特点如下：

（1）岩溶地下水污染的隐蔽性[1]。 岩溶地区地表落水洞众多，天然防渗过滤层过薄，许多地区将岩溶洼地、落水洞作为垃圾堆放场或排污口，甚至部分企业和矿山将废液直接排入落水洞，污染物在岩溶地下水系统中运移和传输，可影响到数百千米外的下游。由于岩溶介质水埋深于地下，其地下水污染具有隐蔽性，故预防和治理难度较大。

（2）岩溶地下水污染的埋深性[2-3]。由于浅部岩溶通道强烈发育，加之土层薄、植被少，造成浅部涵水调节能力差，降水迅速转入地下。南方岩溶区地表切割深，除峰林平原区外，其它地区地下水埋深一般大于50 m，峰丛山区地下水位埋深甚至达300 m 以上。 故在岩溶地下水系统中位置相对较高的补给区和径流区，通过拦蓄调节地下水流和采取生态工程措施以提高浅部涵水调蓄能力显得十分重要。

1.3 土壤

该地区土壤特征以较多的岩土体 （包括一般性土和特殊土）类型为主，一般性土主要包括粘性土、砂土、碎石土，特殊土主要包括软土、膨胀土、红粘土。

1.4 污染现状

由于人类活动和自然引力作用，使自然环境发生变化，出现地下水水位下降、水质污染、水土流失、河流淤积、 水库渗漏及部分地区形成土洞、 岩溶塌陷、滑坡与崩塌等环境地质问题，甚至局部地区发生少数地震、泥石流和旱涝等地质灾害[4]。

广西地区化学污染类型主要包括无机化合物、重金属、农药及化肥等污染[5]。无机化合物多以氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐氮为主，地下水受生活污水及其它有机物质的污染较为明显；总硬度呈逐年升高趋势；局部地区氯离子含量较高。 生物污染类型主要包括病毒、寄生虫、虫卵等病原微生物等污染，桂林市调查资料显示，该市地下水中细菌总数和大肠菌群数均超标。 重金属污染主要包括镉、砷、铅、锑、铊等污染[6]，主要影响因素包括天然原因与人为活动：①有色金属成矿带是导致土壤金属背景值偏高的天然原因； ②有色金属采选冶等人为活动是重金属污染的主要来源。

广西地区土壤的有机污染主要来源： ①工业生产造成的有机污染，其特点为污染面积相对较小，但污染程度较为严重； ②大范围不当施用农药造成大面积耕地受到不同程度污染； ③非法倾倒危险废物造成土壤有机污染；④随着广西地区社会经济发展，工业“三废”、生活污水及垃圾等废物处理不当及农药、化肥的大量使用，使得地下水直接或间接遭到不同程度污染；⑤岩溶地区防污性能的脆弱，大气干湿沉降，草、木、煤燃烧等也是地下水中多环芳烃等污染物的主要来源之一。

2 多相抽提技术

市场上多种土壤和地下水修复技术主要包括原位修复技术与异位修复技术2 大类[7]。原位修复技术是指在不破坏土壤基本结构的基础上，不搅动或移动污染土壤，在原位和易残留部位进行的修复技术。该方法无需开挖、移运土方，操作灵活简便，二次污染风险低，修复成本相对低廉。 其中，多相抽提（multi-phase extraction,MPE）技术[8]是一种环境友好型的原位修复技术，它具有投资低、扰动小、修复效率高、修复范围大、占地面积小以及可适用于高浓度的污染土壤等优点，且可同时处理污染区域的土壤气体、 地下水、 非水相液态污染物 （non-aqueous phase liquid,NAPL）等[9]。 尽管MPE 技术具有广阔的应用前景，但国内关于MPE 技术的创新理论研究、影响因素及中试或工程应用不多，起步较晚，仅有少数中试研究，尚无大规模的工程应用及自主研发设备。对此，通过研究探索开发出一种新型多相抽提技术及其成套修复装备，同时结合广西地区环境特征和污染特点，对该技术进行优化设计，提高地下受污染地下水和非水相流体以及土壤气体的抽提效率，以期为类似污染地块修复工作提供借鉴意义。

MPE 技术是通过向安装在地下的抽提井施加真空，同时将地下包气带及饱和带中的土壤气体、污染地下水和非水相液体抽提至地面，经地面处理设施集中处理后排放或做下一步处置。 MPE 系统主要由中央控制系统、多相抽提系统、多相分离系统和污染物处理系统4 部分组成。

与传统的抽提处理方式相比，MPE 技术最突出的特征是采用真空或真空辅助的方式，实现污染物从地下环境向地表以上迁移。 与土壤气相抽提（SVE）技术相比，MPE 技术扩大了修复范围，同时减少了含水层土壤被地下水再次污染的风险[10]。

3 新型多相抽提系统

基于传统多相抽提工艺开发的用于污染场地土壤地下水原位修复的新型多相抽提系统，主要由多相抽提井、潜水泵系统（用于抽提地下水液体）、潜水泵出水驱动的文丘里管式地面真空系统（用于抽提土壤气体）以及配套的气、水混合盘管与气、水分离器等组成。 该系统充分吸收传统单泵式与双泵式多相抽提系统的优点，在保持原系统简单配置的同时，可适应较深污染场地的多相抽提应用场景，实现更加高效的多相抽提效果。 新型多相抽提系统工艺示意见图1。

图1 新型多相抽提系统工艺示意

由图1 可以看出，抽提井内的潜水泵将地下水抽提至地面系统时，在文丘里管内产生真空，从而将抽提井内土壤气体抽吸出； 在文丘里管扩散段及气水混合盘管中抽提出的土壤气体与地下水充分混合接触并保证一定的停留时间，最大程度将液相中污染物质转移至气相中，实现污染物质吹脱预处理的目的；土壤气体与地下水混合物进入后续的气、水分离器，将地下水与土壤气体分离，分离的废气通过废气管路排入后续废气处理系统，分离的地下水经吹脱预处理，检测合格后纳管排放。

（1）抽提井及潜水泵系统。地下水抽提系统主要包含设置于抽提井内的潜水泵与出水管。 系统运行时，地下水通过抽提井内潜水泵经由出水管抽提至地面，出水管与地面真空系统入口段相连。

（2）地面真空系统。地面真空系统主要包含文丘里管和吸气管。系统运行时，抽提出的地下水流经文丘里管的收缩管和喉道时，动压增加、静压减少，在该处产生真空，将土壤气体通过文丘里管喉道处的吸气管连接抽提井上端抽提出来，在文丘里管扩散段与同时抽提出的地下水混合后一起排出。

（3）配套系统：配套系统主要包括气水混合盘管、气水分离器、废水回流系统、新风补充系统及自控系统。

3.1 新型多相抽提系统关键技术

3.1.1 文丘里射流器

新型多相抽提系统的关键技术之一： 采用文丘里管代替真空泵。 文丘里管[11]设有入口段、喉道和扩散段，出水管和该管入口段相连，被抽提出的地下水流经该管的收缩段和喉道时，该区域产生真空，抽提井内的土壤气体被抽提至吸气管，并与抽提的地下水在文丘里扩散段进行混合同步排出。

文丘里射流器主要由导管、喷口、喉管、引流管、吸气管等关键结构组成，其核心结构是喷口和喉管[12]。工作时，水流从喷口处高速喷出，在其周围气室内形成负压吸入大量空气，水柱周围裹携着大量空气高速冲进喉管，在喉管前半段内空气和水剧烈混合被切割成微气泡，在喉管后半段内空气接近于雾化，随后在引流管内被雾化的空气随着水压增大而高效、快速溶入水里完成溶解过程，形成超饱和的溶气水。

3.1.2 气、水混合盘管

吹脱法是利用水中溶解物质的实际浓度与平衡浓度之间的差异，将水中溶解的挥发性化合物由液相扩散到气相，达到驱除水中挥发性组分的目的[11]。因其具有简单、高效、投资省、易操作等诸多优点，被美国环境保护局指定为去除挥发性有机污染物最可行的技术。在气、液接触过程中，水中挥发性组分（如挥发性低碳油类物质） 及氨等不断由液相转移至气相，而空气中氧不断由气相进入液相，使水中污染物得以去除而溶解氧含量升高。 影响吹脱效果因素[13]主要包括物质浓度、气水比、吹脱时间、温度等。

新型多相抽提系统的关键技术之二：增设气、水混合盘管。该系统中气、水混合盘管（为蛇形盘管）于文丘里管后端并与其连接。 抽提出的土壤气体与地下水在文丘里管扩散段和气、 水混合盘管中充分混合并停留一定时间，使有机物类污染物经吹脱从液相转移至气相再行处理，达到吹脱污染地下水中气体目的。

3.2 新型多相抽提技术优势与适用性

（1）优势：①对于低渗透性场地具有较好的修复效果；②可以同时处理液相、气相、残留物及非水相的污染物；③降低地下水位，使更多的含水层暴露于气相中；④提高自由相污染物的去除率；⑤抽提半径更大，修复范围更广，减少抽提井的数量；⑥有效修复毛细管带中污染物；⑦缩短修复时间[11]。

（2）适用性：①水文地质条件。 新型多相抽提技术适用于土壤为砂土、砂质粉土、砾石的场地，该种场地土壤的渗透性较好，有利于污染物的流动，具有较好的抽提效果，有利于后续污染物分离与处理[14]。而广西地区污染场地土壤属于此类土壤，该地区土层上部为粘土和粉质黏土，下部为砂砾石层（部分地区的土壤渗透系数范围为2.30 × 10-5～ 8.64 × 10-5m/d[15]），故该地区适宜采用新型多相抽提技术。②污染物性质。 新型多相抽提技术适用于存在明显LNAPL 污染物（LNAPL 厚度大于15 cm）的场地，在真空压力作用下，有机污染物加快挥发进入土壤环境，继而被抽提出土壤；在气体流动的同时，增加了土壤环境中的氧气，有利于污染物分解；该修复技术对此类有机污染场地的去除率高达90%以上[16-17]。而广西地区的岩溶洞穴尽管相对封闭，人为干扰较少，但因大气传输、雨水淋滤等作用导致其受到多环芳烃类物质的污染，此类物质广泛存在于环境中且毒害持久性长，故新型多相抽提技术适宜应用于广西地区污染场地。

4 中试应用

4.1 选址与设备配置

中试选址位于广西省桂林市某基地，该基地属于山地丘陵地区，地势由西北向东南倾斜，与广西整体地形地貌相似，气候温和，年平均气温维持在18℃左右，年均降雨量为1 950 mm，雨量充沛。 中试场地所在地貌比较单一，粉质黏土（包含粒径不一的黏土砾石）属于尧山中泥盆统砂岩。该系统设计抽提流量为5 m3/h。 中试区域设置1 组单泵多相抽提井（配潜水泵、真空表、文丘里管、气水混合盘管、管路阀门和连接件及后续地面处理单元），同时周边设置4 座地下水监测井（编号分别为W1，W2，W3，W4）。 中试主要设备设计参数详见表1。

表1 中试主体设备设计参数

新型多相抽提系统工艺流程见图2。

图2 新型多相抽提系统工艺流程

抽提井筛管通常采用UPVC 材质或其他类似材质管材，安装深度和地下水污染深度匹配（深度约6～10 m），筛管从地下1.2 m 处安装至底部（筛管以上为实管）。井管外壁与井壁之间从下至上依次填充石英砂和水泥浆，石英砂高出筛管约20 cm，石英砂上部采用厚约100 cm 的粘土封口。安装土孔径一般不小于100 mm，以确保填充足够厚度的石英砂滤料，筛缝宽度应不超过0.2 mm，同时应尽量减少抽提泥砂含量，以降低后续处置工作量。

深井潜水泵为采用电机（为充水式三相异步电动机）与水泵直联一体潜入水中工作的提水机具，适用于从深井抽提地下水，拥有上、下2 个吸水口。 该泵的泵头应设置于井壁管位置，不可位于过滤管位置，否则抽水时易涌砂不止或毁坏水井。应根据抽提井和临近水源井的水文地质条件（含水层的埋深、含水层厚度、含水层岩性）及水泵运转情况决定该井的成井结构（井径、过滤管、井壁管位置）、成井深度和选择水泵，避免在运转过程中出现意外。

配套系统包括气水混合盘管、气水分离器、废水回流系统、新风补充系统及自控系统。

2021年4月～6月对新型多相抽提系统进行中试试验验证。

4.2 试验结果与分析

中试试验结果表明，真空系统压力、抽提水量与抽提流量关系密切，真空系统压力和抽提水量随着抽提流量的提高随之增加，详见图3。 由图3 可以看出，当抽提流量为3.0 m3/h 时，抽水量达到最大，为1.5 m3，真空系统压力最大可达0.042 MPa。但地下水水量随着抽提次数的增多随之减少，相应的抽提时间随着抽提流量的下降也随之延长，从0.5 h 延长至1 h。

图3 抽提流量与抽提水量、真空系统压力的变化关系

4.2.1 抽提流量

抽提流量与抽提真空度等因素相关，真空度越大，抽提流量相对越大。由于泵的抽提速率影响抽提井周边范围内污染物向抽提井内汇集的速率，最终对有机污染物的去除效果产生影响。 当抽提流量增大至一定程度时，继续增大抽提流量也无法提升抽提效果，这是由于此时污染物抽提去除率主要受限于污染物在不同介质间的交换过程，即污染物从土壤颗粒内向气相或液相中迁移的能力，而非气相和液相被抽提出的速率，污染物的挥发性相比土壤的透气性更影响抽提效果。 只有污染物经过足够长时间、界面间充足的交换过程后，才有足够多的污染物迁移至气相、液相中，从而被抽提系统抽提至地面进行后续处理，达到较好的修复效果。

4.2.2 气相污染物

相对于土壤中气相污染物，抽提系统中液相可裹挟更多污染物或含污染物的土壤小颗粒，通过抽提系统将污染物转移至地面。 抽提出气相部分比例随抽提流量加大而增加，随抽提出地下水部分比例则减小，使得地下水裹挟带出污染物的能力下降，当抽提至一定程度时，则抽提效果提升有限，但抽提运行成本却随之增加。 因此，在实际修复施工过程中，通过监测抽提出气、 水流量及其含有的污染物浓度高、低，及时调整抽提流量，在可接受运行成本条件下，取得最佳修复效果。

4.2.3 修复效果

前期调查发现，该基地土壤曾受到有机物（主要包括多环芳烃、苯系物和氯代烃）污染，污染深度为地下0.5 ～3.0 m，并且存在明显的非水溶性流体（LNAPL）。根据场地情况和污染物特征，单纯应用多相抽提技术进行修复存在一定局限性，因此，中试试验采用新型多相抽提结合原位化学氧化的联合修复技术，该技术可最大限度地抽出高浓度污染地下水及可能存在的自由相，也可降低区域的地下水位，随后进行原位化学氧化有利于增大注射井的影响半径[18]。

污染物的修复目标值由通过人体健康风险评估计算出风险控制值与GB 14848—2017《地下水质量标准》Ⅳ类标准比对综合确定。经过新型多相抽提和原位化学氧化技术联合修复后，对中试基地设置的4 口地下水监测井进行采样监测。 结果显示，该基地地下水中目标污染物均达到修复目标值。 监测结果见表2。

表2 地下水污染物监测结果μg·L-1

由表2 可以看出，联合修复工艺非常适用存在LNAPL 自由相的污染场地，修复效果显著。 新型多相抽提技术可大幅抽提LNAPL 自由相，将污染物浓度降至较低水平，辅以原位化学氧化作用可将污染物浓度进一步降低，达到修复目的。该中试试验对同类型的修复项目，特别是广西地区提供了一定借鉴，值得推广。

5 结论

新型多相抽提修复设备较传统的双泵多相抽提系统，采用文丘里管取代了传统的真空泵，该技术在常规潜水泵对液相进行抽出处理的同时，以文丘里射流器作为地面真空系统对土壤气体进行抽出处理，同时采用预吹脱手段强化挥发性有机物分离，降低废水处理的负荷。 基于中试规模的地下水抽提流量，可节约设备投资1～2 万元，节约运行电费约2～3 元/m3。 由此看出，新型多相抽提修复设备适用于广西地区的地质和水文地质条件及该地区常见的土壤及地下水同步污染的修复，作为国内领先的修复技术，可实现污染场地再利用，减少大量受污染场地存在的环境风险，解决我国场地再开发利用的急切需求。

目前新型多相抽提技术在研发及应用过程中尚存在一些问题（如当抽提的地下水流量降至2.7×10-4m3/s 后，因系统无法连续稳定运行，导致系统抽出土壤气体的真空度则显著下降，其流量也将明显变小），故针对优化系统和运行效率，提出以下建议：

（1）针对不同场地的水文特征，确定优化经济的最大抽提水量及设备选型，平衡回流水量，以保障多相抽提系统长期稳定运行。

（2）进一步加强气、水比及温度影响的动力学研究，以强化吹脱效果。

（3）增设自动化仪表用以实时监测反馈控制调整系统的运行，实现系统运行的全部自动化。

（4）进一步验证与优化多种修复技术联动工艺，以保证最佳修复效果。