SVE在污染场地土壤修复中的应用

董艳萍，张爱军，王立晖

（1.联合泰泽环境科技发展有限公司，天津 300042；2.浙江博世华环保科技有限公司，浙江杭州 310000；3.天津现代职业技术学院 环境工程学院，天津 300350）

我国土壤污染情况十分严重，耕地土壤和工矿业废弃地土壤环境问题尤其突出。2014年中华人民共和国环境保护部和中华人民共和国国土资源部联合发布《全国土壤污染状况调查公告》中指出，目前全国范围内面临着非常严重的土壤污染，工矿业废弃土壤污染表现得尤为突出，其实际的超标率甚至能够高出总点位的16.1%，而在所有的超标点位中无机污染物超标点位的占比能够达到82.8%[1]。土壤气相抽提技术（Soil Vapor Extraction简称SVE），在一些情况下也被称为是“真空抽提”或“土壤通风”，该技术作为一种土壤原位修复技术首次出现在20世纪80年代，并快速在修复挥发性有机污染场地过程中实现了普及应用，该技术操作简单、效率高，而且具有成本低、对周边环境影响小等优势[2]。

1 SVE技术概况

从基本技术原理的角度来看，SVE主要借助的是真空泵的抽提作用来实现土壤孔隙内部有机污染物蒸汽压的有效控制，通过这种方式让其逐步经过转化后形成气态之后与新鲜空气一起被抽出，在此情况下就能够将污染物进行有效清除，SVE技术原理图见图1。早期SVE法主要用于汽油等非水相液体，目前该技术在有机污染物充分发挥以及挥发性农药污染等不含有NAPL土壤体系中得到了广泛推广[3，5]。

图1 SVE技术原理图

2 SVE修复效果的影响因素

土壤自身的含水率、结构分布以及渗透性等会对SVE修复效果产生一定影响[4]。

与此同时土壤本身的粒径分布、空间异向性以及孔隙度等相关因素在共同作用后直接决定了土壤的渗透性，土壤的渗透性表征了气体穿过土层难易程度。SVE目前主要是在具有较高渗透性的土壤中进行利用，而且非常适合于渗透率超过10-6cm/min的沙土类土壤为适用。Frank等应用气压或水压装置改善土壤内部结构，以提高土壤渗透性。土壤渗透性质一般可以通过实验室土柱实验和现场中试抽气实验获得[7]。

土壤的含水率也是影响SVE修复的重要因素。土壤孔隙的通道容易被土壤内部含有的水分所填充，导致土壤的透气性受到影响，污染物不能够得到充分挥发；与此同时，由于VOCs极性要小于水分子，因此土壤中的有机质更容易与水分子结合，随着土壤含水率的不断增加，其中微粒吸收有机分子的能力也会逐步降低，促进其挥发过程。另一方面，对于整个SVE在修复过程中NAPL的气相转化过程会受到含水率的显著影响，一旦含水率超过60%的情况下土壤中的液气传质过程受到非常大的限制，容易导致提前出现拖尾现象。因此，在SVE修复中土壤含水率的调查，特别是其纵向分布情况的调查尤为重要。

在抽吸条件下土壤基质中气象的流动程度以及流动方向都会受到土壤结构和分层等相关因素的影响，土壤的具体结构特征会使得优先流出现，如果不能够对整个污染区域中的气体流动方向正确的引导，必然会导致其最终的修复效率受到影响，而且修复时间也将更长。

抽提设备参数中的抽提速率对于VOCs去除率会产生非常明显影响。通常情况下 SVE修复效率可以通过加大抽气速率进行有效提升，在这种情况下修复时间也能有效缩减，但在整个过程中的设备投资和能耗更大，在土壤中存在的优先流也可能在抽气速率较大的情况下会产生一定的“拖尾”效应。Albergaria等研究发现，沙土的SVE去污过程受到抽气速率的影响较大，在研究过程中也确定了最佳的抽气速率值，而且经过实验后发现在超过该速率极限值之后去污效率并不会产生明显变化。Darcy定律的相关描述可以发现，在现场的抽取压力梯度与土壤中气相渗流速度之间呈现出正比例关系，真空度对其并不造成直接影响。在实际操作过程中SVE本身属于一个多维度的体系，现场设计过程中的压力场以及流场的空间效应在实验室内无法得到有效模拟，故最佳抽提流量必须通过现场试验获得[5]。

3 SVE的适用性

有机污染物蒸气压会对SVE技术的实际应用产生较大影响，而且该修复技术并不适用在挥发性较低的有机污染物场所。在汽油等易挥发性石油轻产品的清除过程中SVE技术可以得到有效应用，但是如柴油、煤油等一些重组分难挥发物质并不适用该技术，SVE的应用就会受到很大的限制。土壤孔隙不断变小的过程中会体现出更强的毛细作用，在此情况下土壤的气相与有机物之间的界面张力会逐步降低，最终导致产生蒸汽压。而提高环境温度能显著增加碳氢化合物的蒸汽压，增强SVE去除效果。理论计算中，温度对纯有机物蒸汽压影响可由Antoine方程决定[6]。

综合上述描述可以发现，在具备较强挥发性的有机污染物修复过程中SVE具有较强的适用性，与此同时也可以知道如果土壤能够保持质地均一，且具有较大孔隙率和渗透性，较小的含水量等相关条件也是重要的影响因素。SVE技术应用的适用场合见表1[8]。

表1 土壤气相抽提技术（SVE）的适用场合

4 SVE强化技术和装备

在很多工程实例中，SVE的适用性还会受到污染物的挥发性、土壤的种类结构等因素限制，针对此技术在实际应用中所遇到的各类难题，人们在SVE技术基础上改进结合了其他修复原理强化了抽提修复效果。比较常见的有空气喷射（Air Sparging，AS）、原 位 热 修 复 技 术（Thermal Enhancement，TE）、风力及水力压裂（Pneumatic and Hydraulic Fracturing， PHF）等众多的修复技术进行交叉利用。在这种情况下也逐步推动了SVE强化技术的完善发展。

SVE技术在实际应用过程中经常会与空气喷射（Air Sparging，AS）[3]进行结合利用，作为一种针对饱和区域土壤污染物进行原位强化修复的技术，其主要是出现在20世纪80年代。该方法在实际利用过程中首先需要设置一个空气注入井，利用高压压缩设备将空气注入受污染的土壤中，通过这种方式将其中的有机污染物进行紧急挥发后将其带至不饱和区域，此后充分利用常规的SVE系统就可以将其中的污染物进行有效去除。另外，针对不饱和区域，可以充分利用空气注射技术来实现生物降解。

原位热修复技术（Thermal Enhancement，TE）是使用加热强化了SVE技术从而起到更好的土壤修复效果。该技术在利用过程中主要是将热量输入土壤中后让土壤的温度得到提升，在此情况下重质非水相液体组分的去除效果能得到进一步强化。根据其加热方式的不同可以将原位修复技术进一步划分为电阻加热、蒸汽/热空气注射、电磁波加热和热传导加热等，热传导加热技术在实际利用过程中可以按照超过沸点的温度来对土壤进行加热，甚至及加热温度是能够达到500摄氏度，其他几种加热技术仅仅能够达到水沸点左右。

水力和高压气体压裂（Pneumatic and Hydraulic Fracturing，PHF）技术针对土壤的致密结构导致造成SVE抽提效果不佳等问题，将高压水或者气用注射剂进行注射后就能够在土壤中形成新的气体通道，从而让土壤透气性得到提升，也能够使污染物与载体气体之间的接触概率进一步增加，并实现抽题效率的全面提升。天津现代职业技术学院、浙江博世华环保科技有限公司、联合泰泽环境科技发展有限公司共同开展的陆家村民居点地块土壤挥发性有机污染的物理-化学修复工程示范中主要利用了此项强化技术，针对致密土壤渗透性差传质效率低下等难点，构建了基于水裂压力系统的“气提-氧化”联合修复技术及一体化装备。利用水力压裂系统进行高压水力生成网状裂隙带，提高污染物与载体气体的接触概率，减少设井数量，降低开挖土方成本。研制“气提-氧化”信息化装备单元，整体实现可移动化。在工程操作中，高压压裂后，为了防止所开辟的通路网络在压裂结束后自动恢复，还需要在压裂的同时，向裂缝中注入由水、砂石和瓜尔胶组成的混合凝胶体作为支撑剂，保持裂缝网络完好。以砂石支撑的裂隙网络系统具有高渗透性，直径最大可达20m，其中的凝胶可生物降解，避免了二次污染（图2）。

图2 水力压裂技术应用原理说明

5 SVE展望

SVE因其对石油类污染土壤及地下水治理的高效性、低成本和操作性强等优势，美国环保局将该项土壤修复技术定义为“革命性”的一种技术。

SVE在积极地利用过程中逐步向着地下水修复和生物修复等领域实现渗透，因此也具有非常广阔的应用前景。虽然从地面角度来看SVE技术的实际应用相对比较简单，但是在应用过程中会涉及多种复杂因素的影响，在理论研究方面也存在一定的不足，尤其是针对SVE过程中流体的运营机制、现场尺寸放大效应、污染物传质机理等方面的研究仍然有待进一步加深。