污染土壤的物理修復

1、第五章第五章 污染土壤的物理修復污染土壤的物理修復主要內(nèi)容主要內(nèi)容物理分離修復技術土壤蒸汽浸提修復技術固定/穩(wěn)定化土壤修復技術玻璃化修復技術熱力學修復技術熱解吸修復技術電動修復技術冰凍修復技術一、物理分離修復技術一、物理分離修復技術 借助物理手段將污染物從土壤膠體上分離開來的技術。1.1 1.1 技術原理與過程技術原理與過程1.1.1 1.1.1 技術原理技術原理 依據(jù)粒徑的大小，采用過濾或微過濾的方法進行分離 依據(jù)分布、密度大小、采用沉淀或離心分離 依據(jù)磁性有無或大小，采用磁分離手段 根據(jù)表面特征，采用浮選法進行分離技術種技術種類類粒徑分離粒徑分離（篩分）（篩分）水動力學分離水動力學分離（分

2、類）（分類）密度分離（重密度分離（重力）力）泡沫浮泡沫浮選分離選分離磁分離磁分離技術優(yōu)技術優(yōu)點點設備簡單，設備簡單，費用低廉，費用低廉，可持續(xù)高可持續(xù)高處理產(chǎn)出處理產(chǎn)出設備簡單，費設備簡單，費用低廉，可持用低廉，可持續(xù)高處理產(chǎn)出續(xù)高處理產(chǎn)出設備簡單，費設備簡單，費用低廉，可持用低廉，可持續(xù)高處理產(chǎn)出續(xù)高處理產(chǎn)出尤其適尤其適合于細合于細粒級的粒級的處理處理如果采用高如果采用高梯度的磁場，梯度的磁場，可以恢復較可以恢復較寬范圍的污寬范圍的污染介質(zhì)染介質(zhì)局限性局限性 篩子易塞、篩子易塞、細格篩易細格篩易損壞、產(chǎn)損壞、產(chǎn)生粉塵生粉塵當土壤中有較當土壤中有較大比例的粘粒、大比例的粘粒、粉粒和腐殖質(zhì)粉粒和

3、腐殖質(zhì)存在時很難操存在時很難操作作當土壤中有較當土壤中有較大比例的粘粒、大比例的粘粒、粉粒和腐殖質(zhì)粉粒和腐殖質(zhì)存在時很難操存在時很難操作作顆粒必顆粒必須以較須以較低的濃低的濃度存在度存在處理費用比處理費用比較高較高所需裝所需裝備備篩子、過篩子、過濾器、礦濾器、礦石篩石篩澄清池、淘析澄清池、淘析器、水力旋風器、水力旋風器器震蕩床、螺旋震蕩床、螺旋濃縮器濃縮器空氣浮空氣浮選室或選室或塔塔電磁裝置、電磁裝置、磁過濾器磁過濾器物理分離技術的主要屬性物理分離技術的主要屬性物理分離技術要考慮的一些因素物理分離技術要考慮的一些因素 要求污染物具有較高濃度并且存在于具有不同物理特征的相介質(zhì)中 篩分干污染物時會

4、產(chǎn)生粉塵 固體基質(zhì)中的細粒徑部分和廢液中的污染物需要進行再處理1.1.2 1.1.2 物理分離過程物理分離過程主要包括：主要包括： 針對不同土壤顆粒土壤顆粒粒級（如粗砂、細砂和粘粒等）、粒徑或形狀，可通過不同大小、形狀網(wǎng)格的篩子進行分離 依據(jù)顆粒水動力學顆粒水動力學原理，將不同密度的顆粒，通過其重力作用導致的不同沉降、沉淀速率進行分離 根據(jù)顆粒表面特征顆粒表面特征的不同，采用浮選法，將其中一些顆粒吸引到目標泡沫上進行分離 一些物質(zhì)具有磁性磁性，或者污染物本身具有磁感應效應，尤其是一些重金屬1.2 1.2 物理分離修復方法物理分離修復方法1.2.1 1.2.1 粒徑分離粒徑分離：根據(jù)顆粒直徑的大

5、小分離固體 干篩分干篩分：能成功處理大或中等的土壤顆粒，處理小于0.060.09m粒級比較難 濕篩分濕篩分：易產(chǎn)生一定量的污水，濕的土壤使下一步的化學處理比較難 摩擦摩擦- -洗滌洗滌：摩擦洗滌器不是真正的顆粒分離設備，但能夠打碎土壤團聚體結構，將氧化物或其它膠膜從土壤膠體上洗下來采用濕分離技術要遵循的原則采用濕分離技術要遵循的原則 當大量重金屬以顆粒狀存在時，特別推薦采用濕篩分方式 如果接下來的化學處理需要水，如采用土壤清洗或土壤淋洗技術，也采用濕篩分 如果處理得到的重金屬可以循環(huán)再利用或廢液不需要很多的化學處理試劑，也采用濕篩分1.2.2 1.2.2 水動力學分離水動力學分離也稱粒度分級，

6、基于顆粒在流體中的移動速度將其分成兩部分或多部分的分離技術。顆粒在流體中的移動速度取決于顆粒大小、密度和形狀?？梢酝ㄟ^強化流體在與顆粒運動方向相反的方向上運動，提高分離效率。主要儀器：淘選機、機械粒度分級機、水力旋風分離器等螺旋分級的工作過程示意圖螺旋分級的工作過程示意圖1.2.3 1.2.3 密度（或重力）分離密度（或重力）分離 基于物質(zhì)密度，采用重力富集方式分離顆粒。在重力和其他一種或多種與重力方向相反的作用力的同時作用下，不同密度的顆粒產(chǎn)生的運動行為也有所不同。重力分離對粗糙顆粒比較有效 主要儀器：振動篩、螺旋富集器、搖床、比目床尾渣進料水振動篩網(wǎng)濃縮物排放水上下運動箱體震動篩設備及其原

7、理示意圖震動篩設備及其原理示意圖1.2.4 1.2.4 脫水分離脫水分離 一般采用的脫水方法有過濾、壓濾、離心和沉淀一般采用的脫水方法有過濾、壓濾、離心和沉淀技術技術過濾過濾壓濾壓濾離心離心沉淀沉淀基本原理基本原理及影響因及影響因素素通過多孔介通過多孔介質(zhì)；取決于質(zhì)；取決于顆粒粒徑顆粒粒徑壓縮液體通過可滲壓縮液體通過可滲透的多孔介質(zhì)；顆透的多孔介質(zhì)；顆粒粒徑粒粒徑人為重力沉降；人為重力沉降；粒徑、形狀、粒徑、形狀、密度以及流體密度以及流體密度密度重力沉降；粒重力沉降；粒徑、形狀、密徑、形狀、密度以及流體密度以及流體密度可以借助浮度可以借助浮選劑選劑技術優(yōu)點技術優(yōu)點 操作簡單，操作簡單，分離可具

8、有分離可具有較高的選擇較高的選擇性性可處理難以泵送的可處理難以泵送的泥漿物質(zhì)，處理過泥漿物質(zhì)，處理過的固體含水量比較的固體含水量比較低低處理能力較大，處理能力較大，速度較快速度較快設備簡單、便設備簡單、便宜，處理能力宜，處理能力較大較大局限性局限性序批式操作序批式操作特征，清洗特征，清洗較為困難較為困難需要高壓力，有時需要高壓力，有時增加流體的阻力增加流體的阻力價格較貴，設價格較貴，設備結構復雜備結構復雜慢慢設備類型設備類型舉例舉例轉(zhuǎn)鼓、轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)鼓、轉(zhuǎn)盤、水平過濾器水平過濾器序批式操作、需要序批式操作、需要持續(xù)壓力持續(xù)壓力固體沉降容器、固體沉降容器、離心多孔筐離心多孔筐圓筒形連續(xù)粒圓筒形連續(xù)粒

9、度分機級度分機級典型的實典型的實驗室規(guī)模驗室規(guī)模設備設備真空過濾器、真空過濾器、壓濾器壓濾器壓濾機、壓力設備壓濾機、壓力設備工作臺或落地工作臺或落地離心分離機離心分離機圓筒形管、有圓筒形管、有傾口容器、浮傾口容器、浮選劑選劑常見脫水分離修復技術的主要技術特點常見脫水分離修復技術的主要技術特點分離過程分離過程粒度范圍（粒度范圍（mm） 粒徑粒徑分離分離干篩分3000濕篩分150水動水動力學力學分離分離淘選機50水力旋風分離器515機械粒度分級機5100密度密度分離分離振動篩150螺旋富集器753000搖床753000比目床5100泡沫浮選泡沫浮選5500采用物理分離技術的適用粒度范圍采用物理分離

10、技術的適用粒度范圍應用實例分析應用實例分析射擊場污染土壤物理分離修復方案射擊場污染土壤物理分離修復方案二、土壤蒸氣浸提修復技術二、土壤蒸氣浸提修復技術2.1 概念概念 土壤蒸氣浸提修復技術（Soil vapour extraction，SVE）是指通過降低土壤空隙的蒸氣壓，把土壤中的污染物轉(zhuǎn)化為蒸氣形式而加以去除的技術，是利用物理方法去除不飽和土壤中揮發(fā)性有機組分（VOCs）污染的一種修復技術，該技術適用于高揮發(fā)性化學污染土壤的修復，如汽油、苯和四氯乙烯等污染的土壤 SVE, also known as soil venting or vacuum extraction, is an in s

11、itu remedial technology that reduces concentrations of volatile constituents in petroleum products adsorbed to soils in the unsaturated (vadose) zone.2.2 2.2 土壤蒸氣浸提修復技術的基本原理土壤蒸氣浸提修復技術的基本原理 在污染土壤內(nèi)引入清潔空氣產(chǎn)生驅(qū)動力，利用土壤固相、液相和氣相之間的濃度梯度，在氣壓降低的情況下，將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的污染物排出土壤外的過程2.3 2.3 土壤蒸汽浸提技術種類土壤蒸汽浸提技術種類原位土壤蒸汽浸提技術異位土壤蒸汽

12、浸提技術多相浸提技術（兩相浸提技術、兩重浸提技術）生物通風技術原位土壤蒸氣浸提技術原位土壤蒸氣浸提技術 利用真空通過布置在不飽和土壤層不飽和土壤層中的提取井向土壤中導入氣流，氣流經(jīng)過土壤時，揮發(fā)性和半揮發(fā)性的有機物揮發(fā)，隨空氣進入真空井，氣流經(jīng)過后，土壤得到了修復。 主要用于揮發(fā)性有機鹵代物或非鹵代物的修復，有時也應用于去除土壤中的油類、重金屬及其有機物、多環(huán)芳烴或二惡英等污染物 氣體抽排井的分布、形狀、深度、口徑大小等需根據(jù)污染區(qū)的地質(zhì)條件、地下水水位、污染范圍等決定 抽氣管道的鋪設基本分兩種情況：豎直和水平豎直和水平項目項目有利條件有利條件不利條件不利條件污污染染物物存在形態(tài)氣態(tài)被土壤強烈

13、吸附或呈固態(tài)水溶解度100mg/L蒸氣壓1.33*104Pa20 10 濕度10%組成均一不均一空氣傳導率10-4cm/s20m1m原位土壤蒸氣浸提技術的應用條件原位土壤蒸氣浸提技術的應用條件固定成本固定成本提取井及鼓風裝置安裝；監(jiān)控點位安裝；提取井及鼓風裝置安裝；監(jiān)控點位安裝；尾氣處理裝置安裝尾氣處理裝置安裝可變成本可變成本運行維護人工費；能源動力費；現(xiàn)場監(jiān)運行維護人工費；能源動力費；現(xiàn)場監(jiān)察；現(xiàn)場衛(wèi)生、安全保障；工藝控制采察；現(xiàn)場衛(wèi)生、安全保障；工藝控制采樣分析樣分析其他管理費用其他管理費用尾氣處理尾氣處理原位土壤蒸氣浸提技術的成本估算項目原位土壤蒸氣浸提技術的成本估算項目異位土壤蒸汽浸提

14、技術異位土壤蒸汽浸提技術 是指利用真空通過布置在堆積著的污染土壤中開有狹縫的管道網(wǎng)絡向土壤中引入氣流，促使揮發(fā)性和半揮發(fā)性的污染物揮發(fā)進入土壤中的清潔空氣流，進而被提取脫離土壤。同時，這項技術還包括尾氣處理系統(tǒng) 主要用于處理揮發(fā)性有機鹵代物和非鹵代污染物污染土壤的修復異位土壤蒸汽浸提技術與原位土壤蒸汽浸提技異位土壤蒸汽浸提技術與原位土壤蒸汽浸提技術相比的優(yōu)點：術相比的優(yōu)點： 挖掘過程可以增加土壤中的氣流通道 淺層地下水位不會影響處理過程 使泄漏收集變得可能 監(jiān)測過程變得容易進行影響該技術發(fā)揮有效性的主要因素影響該技術發(fā)揮有效性的主要因素 挖掘和物料處理過程中容易出現(xiàn)氣體泄漏 運輸過程中有可能導

15、致?lián)]發(fā)性物質(zhì)釋放 占地空間要求較大 處理之前直徑大于60mm的塊狀碎石需提前去除 黏質(zhì)土壤影響修復效率 腐殖質(zhì)含量過高會抑制揮發(fā)過程多相浸提技術多相浸提技術 多相浸提技術（muti-phase extraction）是土壤蒸汽浸提技術進行革新基礎上發(fā)展起來的，是蒸汽浸提技術的強化，可以同時對地下水和土壤蒸汽進行提取。主要用于處理中、低滲透性地層中的VOCs及其他污染物。 多相浸提技術可具體細分為兩相（TPE）和兩重浸提（DPE）兩種方法 兩相浸提技術（two-phase extraction），是指利用蒸汽浸提或者生物通風技術向不飽和土壤輸送氣流，以修復揮發(fā)性有機物和油類污染物污染土壤的過程

16、氣流同時也可以將地下水提到地上進行處理，兩相提取井同時位于土壤飽和層和土壤不飽和層，施以真空后進行提取 兩重浸提技術（dual-phase extraction）既可以在高真空下也可以在低真空條件下使用潛水泵或者空氣泵工作限制因素限制因素 兩相或多相浸提技術修復土壤的時間由6個月至幾年不等，主要決定于以下因素：修復目標要求；原位處理量；污染物濃度及分布；現(xiàn)場特性如滲透性、各項異質(zhì)性；地下水抽取影響半徑；地下水抽取速率項目項目低低/高真空高真空DPETPE優(yōu)點優(yōu)點 不受目標污染物深度影響；不受目標污染物深度影響；提取井內(nèi)的真空損失少提取井內(nèi)的真空損失少不受地下水產(chǎn)生速率影響不受地下水產(chǎn)生速率影響

17、地下水氣提：污染物液相地下水氣提：污染物液相-氣氣相轉(zhuǎn)移速率最高達到相轉(zhuǎn)移速率最高達到98%；井內(nèi)無需泵及其它機械設備；井內(nèi)無需泵及其它機械設備；可用于現(xiàn)有的提取、觀測井可用于現(xiàn)有的提取、觀測井缺點缺點 使用潛水泵，因此需要有使用潛水泵，因此需要有一定的沒過水泵的水位一定的沒過水泵的水位與與TPE相比，需要進行泵相比，需要進行泵的控制的控制深度有限制：最深地下深度有限制：最深地下150米米地下水流速有限制：最大地下水流速有限制：最大5g/min由于需要提水到地面，耗費由于需要提水到地面，耗費較大真空較大真空兩重和兩相浸提技術的優(yōu)缺點兩重和兩相浸提技術的優(yōu)缺點 兩篇文獻Remediation e

18、fficiency of vapour extraction of sandy soils contaminated with cyclohexane: Influence of air flow rate, water and natural organic matter content Environmental Pollution, 2006, 143：146-152Experimental investigation of pneumatic soil vapor extraction Journal of Contaminant Hydrology, 2007, 89：29-47壓裂

19、修復技術壓裂修復技術 壓裂技術（fracture）是指利用某種力量使地下的巖石或者大密度土壤（黏土、膠泥）爆裂的技術，本身不是一種獨立的污染土壤修復技術，它只是用來使地層壓裂促進其他修復技術的修復效果，產(chǎn)生的裂痕，為需要去除或分解的有害化學物質(zhì)提供了逸出的通道主要有主要有 水力壓裂水力壓裂：高壓水注射進入注射井底部，作為壓裂開始點，然后將沙石及濃膠混合物高壓泵入壓裂區(qū)域 氣動壓裂氣動壓裂：利用空氣爆裂土壤、沉積物，將高壓氣體注入密實的污染土壤或沉積物中以擴大、增加裂痕等，增強其滲透性、加速汽提、生物修復和熱處理去除土壤或沉積物中污染物的過程 爆炸強化壓裂爆炸強化壓裂：利用爆炸性物質(zhì)，如炸藥等使

20、土壤、巖石爆裂生物通風生物通風 生物通風(bioventing)即BV法，結合了土壤通風的物理過程和增強的生物降解過程，而成為一種應用廣泛的革新性原位修復技術，是土壤蒸汽浸提技術的衍生滲透性滲透性生物通風系統(tǒng)使用與生物通風系統(tǒng)使用與SVESVE相同的設施，但系統(tǒng)相同的設施，但系統(tǒng)結構與設計目的有很大不同結構與設計目的有很大不同 SVE系統(tǒng)井被放在被污染區(qū)域的中心，而生物通風操作中井放在被污染區(qū)的邊緣往往更有效 SVE在修復污染物時空氣抽提速率一般較大，利用揮發(fā)性去除污染物，生物通風的目的是創(chuàng)造好氧條件來促進原位生物降解，因此生物通風相對較低的空氣速率，以使氣體在土壤中的停留時間增長 生物通風應

21、用范圍較寬生物通風應用范圍較寬，Michael(1995)已經(jīng)通過實施研究證明了，生物通風不僅能成功用于輕組分有機物，如汽油和柴油，還能用于重組分有機物，如燃料油等，另外也可用于其它的揮發(fā)或半揮發(fā)組分。 生物通風的另一個顯著優(yōu)點是，與SVE比較它的操作費用更低操作費用更低。在SVE操作中抽出的廢氣不能直接放入空氣中，需要后續(xù)處理工藝(一般是活性碳吸咐和催化燃燒)，這有時甚至要占整個費用的50左右，生物通風省去了此步驟，因此操作成本下降。生物通風比較其它土壤修復技術，其主要缺點是它的操作時間長，受到土柱微生物種類的限制生物通風影響因素和強化技術的研究生物通風影響因素和強化技術的研究 添加營養(yǎng)物添

22、加營養(yǎng)物：實驗和現(xiàn)場應用都表明，適當添加營養(yǎng)物可以促進生物降解促進生物降解。Lindhardt等在實驗研究中增加了氮和磷酸鹽以有利于生物通風操作，Breedreld等在實驗室土柱及現(xiàn)場規(guī)模下研究了加入營養(yǎng)物對生物通風的影響，證實了添加營養(yǎng)物對生物降解的促進作用。Bulman和Newland在一個柴油污染基地設計了生物通風系統(tǒng)，通風操作6個月，比起始總有機物濃度減少了10-30，去除深度達3m，通風中加入營養(yǎng)物后導致在下面的6個月中，又有30的污染物被去除，去除深度達到了3.5m。 氧源氧源：氧的供應經(jīng)常成為生物通風的限制因素。為解決此問題，土壤治理中，除了用空氣提供氧氣外，還可用H202或純氧

23、作為氧源。 土壤濕度土壤濕度：實驗室中的研究表明，土壤濕度大，則生物轉(zhuǎn)化率高。在生物通風現(xiàn)場卻有兩種不同的結論兩種不同的結論：有的報道說增加濕度使通風現(xiàn)場的生物降解速率增加，但另有結果表明，濕度增加大大效果并不明顯，甚至由于阻止了氧氣的傳遞而使生物通風特性消失 溫度溫度：在寒冷地區(qū)，土壤溫度成為主要限制因素，增加土壤溫度后可提高生物降解的活性可提高生物降解的活性，加熱方法主要有熱空氣注射、蒸汽注射、電加熱和微波加熱 加入優(yōu)勢菌加入優(yōu)勢菌：土壤中石油污染物的生物降解與土壤中可降解菌的含量有密切關系，土壤中加入石油降解優(yōu)勢菌能大大提大大提高生物降解速度高生物降解速度，如白腐真菌對許多有機污染物都有

24、很好的降解效果。Gruiz等將生物通風與高效菌應用相結合，效果十分明顯 電子受體電子受體：Dupont在1993年在文獻中提出限制生物修復成功的最關鍵因素是缺乏合適的電子受體。許多種電子受體都可許多種電子受體都可以被土壤中微生物利用來完成有機污染物的氧化以被土壤中微生物利用來完成有機污染物的氧化，這包括氧、硝酸鹽、硫酸鹽、二氧化碳和有機碳。其中氧能提供給微生物的能量最高，幾乎是硝酸鹽的兩倍，比硫酸鹽、二氧化碳和有機碳所釋放的能量多出一個數(shù)量級，其次，土壤環(huán)境中利用氧的微生物非常普遍，并且，從工程觀點上，加速的生物降解大部分發(fā)生在好氧條件下而非厭氧條件下，因此，氧是最好的電子受體空氣噴射(air

25、 sparging，AS) AS，也有人稱為空氣注射，是去除飽和區(qū)土壤有機污染物的土壤原位修復技術。 AS的目的是去除潛水位以下的地下水中溶解的有機污染物質(zhì)，通過將新鮮空氣噴射進飽和區(qū)土壤中，產(chǎn)生的懸浮羽狀體逐步向原始水位上升，從而達到去除化學物質(zhì)的目的。 噴射進入含水層的空氣能提供氧氣來支持生物降解，也能將揮發(fā)性污染物從地下水轉(zhuǎn)移到不飽和區(qū)，在那里污染物能夠用SVE或BV來進行處理ASAS的影響因素的影響因素土壤的特性土壤的特性： 土壤特性對AS的影響主要包括土壤的類型、土壤的均勻性和土壤粒徑大小。 土壤的非均勻性導致其在各方向都存在不同的粒徑分布和滲透率。Ji等在實驗中觀察到：對于均質(zhì)土壤，無論何種空氣流動方式，其流動區(qū)域都是通過噴射點垂直軸對稱的。而非均質(zhì)土壤，空氣流動不是軸對稱的，這說明空氣通道對土壤的非均勻性很敏感。因此，在AS過程中，噴射空氣可能會沿阻力較小的路徑通過飽和區(qū)土壤，根本就不經(jīng)過滲透率較低的土壤區(qū)域，從而影響污染物的去除效果。Reddy等