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有机污染土壤修复技术及案例研究

  来源:环境工程 刘惠等 | 发布时间:2019-04-02

  北斗智库环保管家网讯:伴随着大量工业场地的迁移与重建,土壤的有机污染问题开始逐渐浮出水面,有机污染土壤的修复成了人们关注的问题。美国有机污染土壤修复工作开展较早,目前已有大量成功的修复案例。列举了目前国内外有机污染土壤修复的常用技术,并比较了各项技术的优缺点。同时,介绍了美国超级基金污染场地修复的四个典型案例,以期为我国有机污染土壤修复工作提供借鉴。
 
  土壤的有机污染问题是全世界范围内广泛关注的环境问题之一。土壤中有机污染物的来源包括工业泄露和溢出,石油库和化学品库泄露,农药滥用,清洁剂、油、防冻液随意处置,生活垃圾不当处置,垃圾填埋场和垃圾堆场等。
 
  每年有大量的有机物释放到土壤环境中,包括芳香化合物、多氯代有机物、农药、石油等,其中大部分的污染物是难溶的、有毒的、致突变的,甚至是致癌的,对人类健康和生态系统有着巨大的危害。近年来,我国开始逐渐关注有机污染物造成的土壤污染问题,并进行有机污染土壤修复技术的研究。
 
  美国自20世纪80年代起建立了土壤修复超级基金制度,截止2010年,已累计清理有害土壤、废弃物和沉淀物1亿多m3,涉及有机污染物的场地超过总场地的60%。近年来,我国开始逐渐意识到有机污染土壤的危害,大力发展有机土壤修复技术,开展有机污染土壤修复示范工程是十分必要的。本文介绍了目前有机物污染土壤修复的常用技术,和美国有机污染土壤修复的典型案例,为我国有机污染土壤修复工作提供借鉴。
 
  1 有机污染土壤修复技术
 
  有机污染土壤修复技术种类较多,表1中总结了国内外常用的几种修复技术。目前,土壤气相抽提(SVE)和热解吸技术是应用最广泛的有机土壤修复技术,其处理效果、成本和周期都符合城市对土壤修复的要求。其中,SVE技术多应用于卤代和非卤代挥发性和半挥发性有机物的降解中,其对低挥发性有机物和有机农药等物质的处理效果较差。
 
  而热解吸技术对于处理卤代有机物、非卤代的半挥发性有机物、多氯联苯(PCBs)、以及高浓度的疏水性液体等污染物有优势,但这项技术会破坏土壤结构和生物系统。土壤淋洗有浓缩污染物的能力,因此可以作为其他技术的预处理,减少待处理的土壤体积,降低总费用。
 
  微生物修复技术最常用于降解土壤中的石油烃,这项技术是环境友好的,但是修复周期过长。此外,在选择具体的土壤修复技术时,应根据污染物和土壤性质、处理时间、成本等因素进行全面比较。
 
  表1 常用有机污染土壤修复技术
  
 
  2 有机污染土壤修复案例
 
  2.1 土壤气相抽提项目——落基山兵工厂18单元污染修复工程

       落基山兵工厂是美国的一个化学武器制造中心,位于科罗拉多州的科默斯市。这一兵工厂由美国陆军于20世纪末设立,生产常规兵器和化学兵器,其中包括白磷、凝固汽油弹、芥子气、路易氏剂和氯气。1984年,美国陆军对落基山兵工厂的污染情况进行了详细调查,发现场地内存在多种污染物,包括有机氯农药、有机磷农药、氨基甲酸酯类杀虫剂、有机溶剂、氯化苯、重金属等。
 
  1991年,在落基山兵工厂超级基金污染场地的18号单元进行了土壤气相抽提处理。这一区域在过去主要用以清洗维修设备和车辆,并储存柴油、汽油和各种石油产品。在这一区域的土壤和地下水中发现了大量的VOCs,其中大多为三氯乙烯,其在土壤蒸汽中的体积浓度高达65×10-6。这些VOCs主要来自于清洗过程中使用的含氯溶剂。SVE系统安装在了土壤蒸汽中三氯乙烯浓度最高的区域。
 
  该SVE系统包括一个较浅的气相抽提井和一个较深的气相抽提井。浅井位于黏土层以上,地下13~28尺;深井位于黏土层以下,地下43~58尺。设立两个抽提井是为了研究黏土层对VOCs移除的影响。在气相抽提井周边围绕着4个蒸汽监测井,用于评估SVE系统的性能。
 
  蒸汽从气相抽提井中抽提出之后,进入气液分离罐中分离掉其中的凝结水,随后进入沉淀过滤器和再生鼓风机。鼓风机排出的烟气通过两组串联的颗粒活性炭系统进行处理,每组活性炭处理单元中有三个装有颗粒活性炭的容器。一级活性炭处理单元可以去除掉气体中90%的三氯乙烯,二级活性炭处理单位则用于处理残余的三氯乙烯。图1为该SVE系统的工艺流程。
 
 
  图1 SVE系统的工艺流程
 
  该系统的运营过程从1991年7月持续到12月,总共处理了约70磅的三氯乙烯,总处理土方量约为26 000 m3。SVE系统处理后的三氯乙烯的体积浓度小于1×10-6。整个SVE系统的筹备、建立和运行费用为182 800美元。
 
  2.2 热解吸修复项目——沃林顿乳胶厂环境修复工程

       沃林顿乳胶厂位于美国新泽西州卑尔根县的居住-工业混合区,面积为9.67英亩。从1951年至1983年,该厂曾生产天然和合成橡胶产品以及化学粘合剂。生产过程中使用了大量的有机溶剂,包括挥发性有机物(VOCs),如丙酮、庚烷、正己烷、甲乙酮、二氯甲烷,以及多氯联苯(PCBs)。
 
  1989年3月,沃林顿乳胶厂场址被添加到超级基金优先修复场地名单中,1988年9月至1992年6月这一场地进行了修复调查。调查结果显示:场地中的污染土方量为24 500 m3,排水渠中的污染土和污泥量为2 060 m3。PCBs最高含量为4 000 mg/kg,半挥发有机物为双黄原酸乙基酯邻苯二甲酸盐(BEHP)、3,3’-二氯联苯胺和PAHs,重金属污染物为锑和砷。
 
  1999年3月,该场地开始使用热解吸法清除土壤中的有机污染物。系统热解吸单元是一个三重壳回转窑,图2为这一系统的工艺流程。该系统每天大约处理225吨土壤,土壤出口温度为482℃。在污染土壤进入到回转窑之前,首先要对其进行筛滤,将直径大于两英寸的杂质筛除。处理后的土壤进行压实之后回填到挖掘区域。
 
  
  图2 热解吸系统的工艺流程
 
  烟气使用洗涤器、文丘里管、喷雾塔依次进行处理,随后进入到颗粒活性炭过滤单元和高效空气微粒过滤器中进行清洁。处理后的烟气再次回收进入炉膛。洗涤用水通过澄清池和压滤机分离掉油和固体残渣,随后使用活性炭吸附掉污染物,清洁水用于进行清洁土壤的调理。压滤器中的滤饼在场外的危险废物填埋场地进行填埋。
 
  这一项目一直实施到2000年6月,共修复41 045 m3有机污染土壤,修复费用总计15 700 000美元,平均每立方米土壤花费382美元,其中有机污染物的处理效果见表2。
 
  表2 热解吸系统处理效果
 
 
 
  2.3 土壤淋洗项目——勒琼营88号地块土壤含水层修复项目

       海军陆战队勒琼营位于美国北卡罗来纳州,是美国海军陆战队一所规模庞大的训练和调度基地。这一基地建立于1942年,面积为640 km2。1989年,美国环保署将这一场地添加到国家优先修复场地名单中。勒琼营场地中的土壤、污泥、地下水和地表水中都含有大量污染物,威胁着该区域居民的健康。场地中的污染物包括VOCs、重金属、农药、PAHs和PCBs。从1994年起,美国海军开始对勒琼营地块进行修复,直到现在修复工程仍在继续。
 
  1999年4-8月,在勒琼营的88号地块设立了表面活性剂加强的原位土壤淋洗系统,进行土壤含水层修复示范项目。88号地块受到四氯乙烯和烃类溶剂的污染。四氯乙烯属于重质非水相液体,主要位于88号地块深度大约为16~20英尺的土壤浅层含水层中,其中大部分的重质非水相液体污染物位于浅层含水层底部低透水性的淤泥层中。烃类溶剂属于轻质非水相液体,位于浅层含水层的上部。在本项目中,目标污染物为四氯乙烯,但也有少部分的烃类溶剂在处理过程中被附带脱除。
 
  在勒琼营88号地块示范工程中,设立了原位土壤淋洗系统(图3)进行重质非水相液体污染物的去除,同时设立表面活性剂回收系统进行表面活性剂的回收利用。土壤淋洗系统包括3个注射井、6个提取井和2个液压控制井。系统中使用的表面活性剂(Alfoterra 145-4PO sulfateTM)是专门为勒琼营88号地块示范工程设计的。这一表面活性剂满足两个要求:首先能够尽可能溶解重质非水相液体,其次可以保证表面活性剂回收过程的性能。
 
  携带污染物的表面活性剂液流在地上部分进行处理,处理单元包括一个渗透蒸发系统和一个超滤单元。渗透蒸发系统用于移除液流中的污染物,胶束强化超滤单元用于去除过量的水分。经过回收净化的表面活性剂液流再次投入到注射井。
 
 
  图3 土壤淋洗系统的工艺流程
 
  88号地块的面积大约为11 m×29 m,在4个月的处理周期中,该示范工程总共处理了288 L四氯乙烯,总花费3 074 500美元。
 
  2.4 微生物修复项目——法国有限公司污染场地修复工程

       法国有限公司污染场地位于美国德克萨斯州的克罗斯比,面积为22.5英亩。这一场地在1966-1971年是一个工业废物处置中心,每年大约有7×107加仑(265 000 m3)的石油化学废弃物倾倒在一个7.3英亩,没有防渗层的盐水湖中。倾倒的垃圾包括罐底、酸洗用酸、精炼厂和石油化工厂的不合格产品。1983年成立法国有限公司任务团队,来领导进行这一场地的修复,主要修复目标为湖底的焦油状污泥和底层土。场地中的主要污染物有苯并[a]芘、氯乙烯和苯、此外还有砷和PCBs。污染物浓度高达400~5 000 mg/kg。
 
  该项目选用了原位悬浮床生物修复技术,系统中主要包括一个MixFlo曝气系统,一个液态氧供应系统,一个化学物料供料系统,挖泥和混合设备。该系统中包括两个周围安装了板桩墙的处理单元,每个处理单元可以处理1.7×107加仑(64 000 m3)的污染土壤。其中Mixflo曝气系统通过使用纯氧和一系列的喷射器来氧化混合料液,因此可以减少处理过程中空气的排量,并将系统中溶解氧的浓度维持在2 mg/L。图4为这一系统的工艺流程。
 
 
  图4 悬浮床生物修复系统的工艺流程
 
  该系统在清理完土壤和污泥后,使用反渗透系统来处理盐水湖中的表层水。这一工程大约处理了150 000 m3的表层水,处理后的表层水排入到辛拓河中。当盐水湖完成脱水后,回填入清洁的土壤。残余固体与卵石石灰以5∶1的比例混合进行稳定化处理。随后,在场地上种植草坪和原生植被。
 
  这项工程从1992年1月进行到1993年11月,修复了大约30万吨的污染土壤和污泥,修复后污染物的浓度为7~43 mg/kg。工程总共花费为49 000 000美元,其中处理相关的费用为26 900 000美元。
 
  3 结束语
 
  目前,我国有机污染土壤修复技术还处于初期,有待进一步的研究和发展。而发达国家对于有机污染土壤的研究起步较早,已经有较为成熟的技术和大量的工程案例。特别是美国从1980年开始实施的超级基金制度,已经对大量的有机污染场地进行了修复,这些修复案例对我国有机污染土壤修复工作有重要的参考价值。
 
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关键词: 土壤修复   环保技术   环保管家  

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