第十章 氣相抽提技術(shù)03.ppt

1、第10章，蒸汽提取(VEC)技術(shù)是使用真空泵在污染區(qū)域誘導(dǎo)氣流，將吸附的、溶解的或游離的相污染物轉(zhuǎn)化為氣相(氣化)，然后將它們泵送到地面，然后收集和處理它們。典型的氣相萃取系統(tǒng)包括：萃取井、真空泵、氣水分離裝置、集氣管路、氣體凈化處理設(shè)備及輔助設(shè)備等。(見下圖10-1)，第一節(jié)技術(shù)原理和適用條件，圖10-1典型瓦斯抽采系統(tǒng)組成。萃取技術(shù)的主要優(yōu)點包括：能夠就地操作，相對簡單，對周圍環(huán)境的干擾盡可能小；非常有效地去除揮發(fā)性有機(jī)化合物；在可接受的成本限度內(nèi)盡可能多地處理污染土壤；該系統(tǒng)易于安裝和轉(zhuǎn)移；易于與其他技術(shù)結(jié)合。在美國，提取技術(shù)幾乎已經(jīng)成為修復(fù)被加油站污染的土壤和地下水的“標(biāo)準(zhǔn)”技術(shù)。提取

2、技術(shù)基于土壤污染物的揮發(fā)特性。當(dāng)空氣流過孔隙時，土壤中的污染物不斷揮發(fā)，形成的蒸汽隨空氣流遷移到提取井，集中收集提取，然后進(jìn)行表面凈化處理。因此，萃取技術(shù)的可行性取決于污染物的揮發(fā)特性和空氣在土壤層中的滲透特性。萃取技術(shù)適用于非飽和帶，具有良好的均勻性和滲透性。污染物在地表以下的分布與污染物的物理性質(zhì)有關(guān)(包括蒸氣壓、溶解度等)。)和土壤性質(zhì)(包括孔隙度、含水量、場地特征等。)。污染物在地下相(孔隙水、空氣和土壤)的分布稱為污染物的分布。2.1蒸汽壓蒸汽壓表示化合物揮發(fā)并轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嗟内厔?，氣相定義為化合物的氣體和液體在特定溫度下達(dá)到平衡時的蒸汽壓。表10-1列出了一些常見環(huán)境污染物的蒸氣壓。當(dāng)

3、化學(xué)物質(zhì)以純態(tài)存在時，污染物的蒸氣壓是影響萃取效率的重要因素之一。蒸汽壓越高，越適合氣相萃取。相反，污染物的蒸汽壓越低，就越難揮發(fā)。第二節(jié)，污染物特性與分布的關(guān)系，表10-1，污染物的蒸氣壓，蒸氣壓大于66.661133.322帕(3 . 51.0毫微克)的化合物，如苯和三氯乙烯(TCE)，可通過萃取技術(shù)有效去除。對于混合污染物(如汽油)，蒸氣壓與各種組分的比例有關(guān)，其中：組分一的分壓；組分的摩爾分?jǐn)?shù)；組分一的活度系數(shù)；組分一純物質(zhì)的飽和蒸氣壓。如果土壤中沒有NAPL的蒸氣壓，就不能準(zhǔn)確反映VEC的效率。這時，受其他因素的影響(如土壤吸附和含水量等。)變得更加重要。然而，應(yīng)該指出的是，即使在沒

4、有NAPL的情況下，該化合物也必須經(jīng)歷充分的揮發(fā)過程，然后才能被VEC移除。蒸汽提取成功的先決條件是它有足夠的蒸汽壓。所謂的足夠大的蒸汽壓是主觀確定的，通?；?毫米汞柱。低蒸汽壓化合物的去除效率通常較低，并且它們更依賴于原位生物降解。2.2溶解度表示化合物在水中的溶解程度，是影響污染物分離、遷移和最終修復(fù)的重要因素之一。溶解度是指在特定溫度下，一種成分在純水中能夠溶解的最大量。溶解度低的化合物容易揮發(fā)，而溶解度高的化合物可能隨著水的滲透而遷移到更遠(yuǎn)的范圍。對于混合污染物和某一組分的溶解度，其表達(dá)式類似于蒸汽分壓。其中：有機(jī)混合物組分一的平衡濃度；有機(jī)物中組分的摩爾分?jǐn)?shù)；有機(jī)物中組分的活度系數(shù)

5、；當(dāng)組分是純化合物時，平衡溶解濃度。在大多數(shù)氣相萃取的情況下，滲流區(qū)的土壤相對濕潤(含水量為1014)，污染物溶解的污染物容易被生物吸收，這將促進(jìn)生物降解過程。因此，溶解性是生物通風(fēng)處理污染物的關(guān)鍵因素。一般來說，充分的生物通風(fēng)處理要求土壤含水量約為12。2.3 .污染物的分布關(guān)系。有機(jī)污染物在土壤中以不同的狀態(tài)存在(如圖10-2所示)，包括：吸附相以膜狀吸附在土壤顆粒表面；土壤空隙中的自由相呈乳白色。土壤孔隙中氣態(tài)的氣相；溶解在土壤水或地下水中的溶解相。污染物在各相中的遷移能力與污染物與各相之間的親和力有關(guān)，這可以通過各相中物質(zhì)的分布系數(shù)來衡量。在很大程度上，分布關(guān)系決定了物質(zhì)在各相之間的遷

6、移。然而，有效的補救是創(chuàng)造條件，推動各階段向補救目標(biāo)遷移。對于提取技術(shù)，它是將污染物遷移到氣相，使它們被系統(tǒng)提取到地面，然后收集和處理。當(dāng)土壤中存在揮發(fā)性NAPL時，氣體提取系統(tǒng)去除的大量污染物來自NAPL的直接揮發(fā)。其中：污染物總濃度；單位質(zhì)量土壤吸附的污染物質(zhì)量；液相中污染物的含量；氣相污染物濃度；土壤密度；土壤體積含水量；土壤中的氣體含量。污染物在地下的分布可以通過公式定量計算，可以預(yù)測氣相萃取的修復(fù)過程。在土壤濕潤的條件下，滲流區(qū)(無NAPL相)污染物的分布可用以下公式表示：氣相污染物濃度與其液相濃度之間的平衡關(guān)系可用亨利定律表示；其中：KH亨利常數(shù)；CG化合物在氣相中的平衡濃度；水相

7、中氯化合物的濃度。KH表示化合物在水相和氣相中的分布程度。在潮濕的土壤條件下，從氣相中提取水蒸氣類似于從水中去除揮發(fā)性有機(jī)化合物，這受到化合物亨利常數(shù)的影響。同樣，溶液中污染物濃度與土壤吸附濃度之間的平衡關(guān)系是吸附在土壤表面的Kd污染物的分布系數(shù)。在公式中，土壤中有機(jī)質(zhì)的比例一般為1%8%，而砂的比例小于1%；這種污染物在土壤相中的分配系數(shù)可由以下公式獲得：辛醇分配系數(shù)。污染物的其他一些分子特性也會影響氣相萃取。盡管這些性質(zhì)不如蒸氣壓、溶解度和亨利常數(shù)重要，但它們有時是影響修復(fù)部位的限制因素?；衔锏姆肿哟笮?、相對分子質(zhì)量、電負(fù)性和極性也影響其對土壤顆粒的吸附和在土壤孔隙中的遷移速率。其中，更

8、大更復(fù)雜的分子(帶有支鏈)在土壤孔隙中緩慢移動，容易吸附在土壤表面。一旦最容易去除的污染物被去除，大分子的最終去除率通常是有限的。極性和電負(fù)性會影響化合物的有效電荷以及化合物與土壤表面電荷的關(guān)系。第三節(jié)，影響因素，3.1土壤密度和孔隙度單位體積的土壤質(zhì)量稱為土壤密度。土壤中孔隙體積與總體積之比稱為土壤孔隙度，它在一定程度上反映了土壤的滲透性。土壤滲透性影響土壤中的空氣速度和氣相運動，因此土壤滲透性的降低會削弱氣相萃取的效果。同樣，增加氣體遷移路徑的長度和減小氣流的橫截面積也將降低氣相萃取的效果。滲透性差的土壤需要高真空度來保持相同的氣流速度。同時，受影響的區(qū)域?qū)⑹艿接绊懀枰嗟木畞韽浹a。土

9、壤吸附有機(jī)污染物有兩種方式：一種是通過土壤的有機(jī)成分，另一種是通過其表面的礦物吸附點。將污染物吸附在土壤有機(jī)質(zhì)或礦物粘土表面不僅會增加土壤中污染物的含量，還會降低氣相萃取的效率。因此，在旱地條件下，土壤的吸附變得尤為重要。粘土能吸水，但水的輸送能力差。土壤中孔隙水的存在會縮小氣體運移的空間，使氣體運移的路徑變長，從而降低氣體提取的效率。粘土表面通常帶負(fù)電荷，在某些情況下，它還會影響某些化合物的吸附。粘土是帶正電荷的有機(jī)化合物(如重金屬)或極性有機(jī)化合物的良好吸附劑。3.2土壤吸附和污染物吸附與土壤顆粒的特性和所含的有機(jī)成分有關(guān)，有機(jī)成分可以用總有機(jī)碳表示，也可以用。當(dāng)土壤中有機(jī)成分含量高時，系

10、數(shù)也會增加，這將增加土壤的吸附能力。土壤中水的質(zhì)量與相應(yīng)土壤的質(zhì)量之比稱為土壤的質(zhì)量含水量。土壤含水量是影響氣相萃取效果的一個重要參數(shù)。因為過高的土壤含水量會占據(jù)大量空隙，從而限制空氣流動路徑，所以過高的土壤含水量會降低擴(kuò)散速度。揮發(fā)性有機(jī)物在氣相中的遷移速率高于液相，因此降低土壤濕度可以提高揮發(fā)性有機(jī)物的去除率。同時，土壤含水量的降低會使污染物更容易吸附在土壤表面。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤吸附能力較強時，一定量的水分子可以將吸附在土壤表面的有機(jī)物驅(qū)出，因此潮濕的環(huán)境可以在一定程度上提高氣相萃取的操作效果，如圖10-3所示。如果土壤吸附能力弱，相對干燥條件下的氣相萃取效果會更好。3.3含水量，對于給定

11、的污染物，基于其亨利常數(shù)和土壤吸附，必須有一個最佳含水量，而氣相萃取可以通過調(diào)節(jié)土壤含水量達(dá)到最佳效果。然而，由于掌握污染場地分配系數(shù)的局限性，這種方法在實踐中很少應(yīng)用。實際上，在實踐中很難控制土壤的含水量，而且成本很高。3.4現(xiàn)場地形現(xiàn)場表面的地形將對氣相萃取的處理效果產(chǎn)生非常重要的影響。在理想條件下，場地表面應(yīng)覆蓋一層不透水材料(如公路或混凝土)，這樣空氣可以在更大范圍內(nèi)擴(kuò)散，有限的空氣可以通過更多的土壤。覆蓋層有兩個功能：它可以最大限度地減少雨水滲入土壤，從而在一定程度上控制土壤的含水量；可以避免抽油井發(fā)生垂直短路的可能性(圖10-4)。當(dāng)發(fā)生垂直短路時，抽出的氣體主要來自抽出井附近，而

12、遠(yuǎn)離井的區(qū)域較少。抽汽的設(shè)計前提是通過污染區(qū)域形成氣流，而垂直短路違反了這一前提。如果在容易發(fā)生垂直短路的區(qū)域進(jìn)行抽汽，需要布置更多的抽油井來產(chǎn)生更多的氣流，這將不可避免地增加氣體處理設(shè)備的成本。為了盡量減小垂直短路效應(yīng)，表面覆蓋層的直徑應(yīng)不小于1.5m。如果不能實現(xiàn)表面密封，可以用塑料薄膜代替。為了提高系統(tǒng)的處理效果，最好將其埋在地面以上0.3m以下。3.5地下水位埋深當(dāng)抽汽井浸入地下水并抽真空時，井內(nèi)水位會在真空度的作用下上升，水位的上升會阻礙過濾器的正常使用，這往往是由于水位淺或井的設(shè)計不合理造成的。當(dāng)水位較大且較淺時，為了避免上述情況，可以使用水平井來增加過濾器的長度；同時，井口真空度

13、降低，地下水位上升減少。在工藝設(shè)計中，抽汽井底部應(yīng)至少離水面1米，以防止上述情況發(fā)生。3.6介質(zhì)均勻性現(xiàn)場的均勻性是確保氣流到達(dá)所有維修區(qū)域的重要因素?？諝饬鞅仨毻ㄟ^污染物并進(jìn)行質(zhì)量傳遞，以去除污染物。土壤結(jié)構(gòu)和分層會影響流動程度設(shè)計中可采取以下措施降低場地不均勻性的影響：在低滲透地區(qū)增加抽油井，在高滲透地區(qū)減少抽油井，以保證污染區(qū)的氣流遷移；高滲透區(qū)的井可連接中等強度的引風(fēng)機(jī)，低滲透區(qū)的井可連接高真空液體循環(huán)泵。如果存在高滲透性氣流通道，如市政溝渠(通常由高滲透性材料制成)，蒸汽抽取場中的垂直短路會增加過濾深度和抽取井的數(shù)量。在第四節(jié)中，設(shè)計抽汽系統(tǒng)有兩種方法：一種是精度較高的模型法。另一種

14、是基于低可信度實驗的經(jīng)驗方法。這一部分著重于實證方法。在設(shè)計之前，最好進(jìn)行中試，以獲得項目現(xiàn)場的第一手設(shè)計數(shù)據(jù)和參數(shù)，因此也稱現(xiàn)場設(shè)計試驗。中試實驗的主要內(nèi)容包括：土壤的透氣性、氣相萃取的影響半徑、萃取氣體的濃度和組成、所需的空氣流量、真空度、真空泵的功率、預(yù)計的修復(fù)時間和成本等。因此，中試實驗系統(tǒng)應(yīng)包括：氣相萃取實驗井、真空萃取泵、至少三個觀察點、蒸汽凈化系統(tǒng)、流量計、皮托管、真空計、取樣裝置、分析儀器(如氣相色譜儀)等。4.1系統(tǒng)設(shè)計目的(1)選擇系統(tǒng)各部分的規(guī)格，如真空泵、抽油井的數(shù)量和位置、井結(jié)構(gòu)(包括過濾器之間的深度和間隙)、抽取處理單元、氣水分離器、管件、檢測和控制儀表等。(2)選

15、擇合適的操作條件，如真空度、空氣流速、萃取影響半徑、蒸汽中的污染物濃度等。(3)估計補救的程度和效率、所需時間、殘留污染物的濃度等。(4)評估項目投資或成本等。4.2井設(shè)計根據(jù)現(xiàn)場先導(dǎo)試驗的結(jié)果，可以確定一定氣流或真空度產(chǎn)生的有效抽采半徑，進(jìn)而確定修復(fù)整個污染區(qū)域所需的抽采井?dāng)?shù)量。因此，在實驗中，有必要測量抽油井周圍的真空度，并根據(jù)距離畫出一幅圖，如圖10-5所示(1mmH2O9.80665Pa)。根據(jù)所需的真空水平(例如，初始水平的1或10等。)，可以確定有效半徑范圍。使用確定的半徑，在要修復(fù)的區(qū)域內(nèi)繪制重疊的圓。根據(jù)圈數(shù)，可以確定抽油井的數(shù)量和位置，如圖10-6所示。抽油井的數(shù)量也可以根據(jù)

16、以下公式估算：其中：n為所需抽油井的數(shù)量，a為待修復(fù)污染區(qū)域的面積，R1為單個抽油井的作用半徑；1.2考慮抽油井之間相互部分重疊后的修正系數(shù)。另一種方法是根據(jù)單個采油井的產(chǎn)能和總的修復(fù)要求進(jìn)行估算，其中：ra在預(yù)期或規(guī)定的修復(fù)時間t內(nèi)應(yīng)達(dá)到的采油速度；要清除的污染物數(shù)量；R1單一抽油井對污染物的實際去除率；所需抽取井的數(shù)量。抽油井的實際數(shù)量應(yīng)大于上述兩種方法所得的數(shù)量，并應(yīng)考慮工程投資和成本。4.3氣流決定了抽取井的數(shù)量和位置。根據(jù)所需的真空度和待修復(fù)土壤的滲透系數(shù)，所需的空氣流量可根據(jù)圖10-7確定。不考慮污染物在土壤中遷移的限制，空氣流速與凈化率成正比。因為空氣流量的增加會增加設(shè)備的功率和功耗以及氣體排放的控制成本，所以空氣流量越高越好。因此，設(shè)計中通常采用最小地下瓦斯流量作為修復(fù)措施。根據(jù)空氣流量，可選擇真空泵等設(shè)備和儀器。4.4提取率污染物的提取率可根據(jù)空氣流速和污染物濃度估算；其中：r為污染物提取率；污染物濃度；空氣流量。4.5修復(fù)時間通過提取技術(shù)完成修復(fù)所需的時間可根據(jù)以下公式估算：其中：t為