李乃營,王 瑜*,孔令镕,岳昌盛,張治暉,呂建國
(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京),北京100083;2.自然資源部深部地質(zhì)鉆探技術(shù)重點實驗室,北京100083;3.中冶建筑研究總院有限公司,北京100088;4.中國水利水電科學(xué)研究院,北京100044)
由于各類污染物的不合理處置以及因事故發(fā)生的泄露等因素,我國的地下水出現(xiàn)了嚴重的污染,而且在不斷加重,《全國城市飲用水安全保障規(guī)劃(2006-2020年)》顯示,全國近20%的城市集中式地下水水源水質(zhì)劣于Ⅲ類,部分城市的地下水甚至還檢出了致癌、致突變、致畸污染物。地下水污染已經(jīng)成為備受關(guān)注的環(huán)境問題和研究熱點。生態(tài)環(huán)境部、自然資源部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、水利部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部五部門于2019年3月28日印發(fā)的《地下水污染防治實施方案》,提出我國地下水污染防治的近期目標是“一保、二建、三協(xié)同、四落實”。其中“三協(xié)同”即協(xié)同地表水與地下水、土壤與地下水、區(qū)域與場地污染防治。
當(dāng)前地下水修復(fù)技術(shù)主要有抽取處理技術(shù)、生物降解技術(shù)、原位化學(xué)氧化技術(shù)、地下水曝氣技術(shù)、可滲透反應(yīng)屏障技術(shù)等[1]。相對于以上修復(fù)處理技術(shù),地下水循環(huán)井技術(shù)(Groundwater Circulation Wells,簡稱GCW)綜合利用物理、化學(xué)和生物過程來實現(xiàn)對地下水的原位修復(fù),并可以和其他修復(fù)技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)對地下水的綜合治理,修復(fù)效果好,修復(fù)效率高。
本文通過對目前公布的循環(huán)井修復(fù)技術(shù)相關(guān)文獻和應(yīng)用實例進行調(diào)研,重點介紹循環(huán)井修復(fù)技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,總結(jié)循環(huán)井的技術(shù)特點,并提出該技術(shù)亟待解決的重點問題,展望該技術(shù)未來的發(fā)展方向。
GCW的工作原理是通過在循環(huán)井周圍區(qū)域形成三維循環(huán)流場,循環(huán)流沖刷并帶動污染物進入井內(nèi),通過曝氣吹脫和抽提來去除掉易揮發(fā)或者氣相有機物,同時曝氣過程可以提高地下水中的含氧量,強化土著微生物對有機污染物的降解作用,從而實現(xiàn)對地下水和土體中有機污染物的去除[2]。
循環(huán)井井體結(jié)構(gòu)主要由井管、上部濾水管和下部濾水管組成。為維持循環(huán)井周圍的三維循環(huán)流,需要在循環(huán)井內(nèi)外形成水位差。形成水位差的方式有2種:一種是機械泵法,利用在井內(nèi)安裝提升泵,通過泵的抽提作用為地下水循環(huán)流提供動力;另一種是空氣提升泵法,使用氣泵在井內(nèi)進行曝氣,由于曝氣形成的井內(nèi)外密度差使得井內(nèi)外形成水位差,實現(xiàn)地下水的三維循環(huán)。泵提法可以很好地控制循環(huán)流的速度,但是由于需要在井內(nèi)安裝提升泵,使得循環(huán)井的內(nèi)徑較大,能耗也比較高;井內(nèi)曝氣法可以把氣泵等設(shè)備放置在地面,對內(nèi)井徑?jīng)]有太高要求,而且相對節(jié)能[3]。
循環(huán)井的循環(huán)模式按照內(nèi)井中地下水流方向,可分為正向流模式和逆向流模式,目前常用的是正向流模式。正向流模式下,井內(nèi)的地下水從下部往上流動,最終由井上端的濾水管排出,此時修復(fù)區(qū)的地下水是從上往下流動的,正向流循環(huán)井適用于處理比水重的污染物;逆向流模式中地下水流動方向和正向流模式下相反,適用于處理比水輕的污染物。正向流循環(huán)井可以使用機械泵法和空氣提升泵法為地下水的三維循環(huán)提供動力,而逆向流循環(huán)井只能使用機械泵法[3]。
GCW技術(shù)在早期被稱為“井中曝氣”,德國的IEG Technologies Gmbh對早期的循環(huán)井修復(fù)技術(shù)進行了大量的研究和實踐,1980年,該公司開發(fā)的真空氣化井系統(tǒng)(德語:Unterdruck Verdampfer Brunnen,UVB)首 次 投 入 了 商 業(yè) 應(yīng) 用[4]。1986年后,GCW技術(shù)在歐洲得到了廣泛的應(yīng)用[5]。20世紀90年代后期,GCW技術(shù)已經(jīng)趨于成熟而且獲得了廣泛的應(yīng)用,美國的EPA使用GCW技術(shù)修復(fù)了許多包含VOCs(揮發(fā)性有機物)、殺蟲劑、無機物等污染物的場地,這些應(yīng)用實例證明了GCW技術(shù)可與生物修復(fù)、井中氣提、表面活性劑、化學(xué)氧化、土壤氣相抽提等修復(fù)技術(shù)結(jié)合在一起實現(xiàn)更廣泛的適應(yīng)性。1997年,美國國防部[6]建立了循環(huán)井技術(shù)修復(fù)地下水的場地應(yīng)用認證系統(tǒng),該系統(tǒng)包括循環(huán)井技術(shù)詳細的技術(shù)原理、技術(shù)的評估方法和實施的具體步驟、循環(huán)井運行時的監(jiān)測方法以及對運行效果的評價方法,為循環(huán)井技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用提供了詳盡的指導(dǎo)。
2.1.1 歐美循環(huán)井3種主要類型及其應(yīng)用
地下水循環(huán)井修復(fù)技術(shù)在歐美幾十年的應(yīng)用過程中,形成了3種主要類型。
(1)真空氣化井系統(tǒng)(UVB)。UVB是一個整體系統(tǒng)(見圖1),包括地下的循環(huán)井系統(tǒng)、地表的抽提與空氣凈化系統(tǒng)。循環(huán)井井體由單井管和上下濾水管組成,循環(huán)井上下濾水管用封隔器隔開,無直接的水力聯(lián)系。井內(nèi)設(shè)置提升泵,被提升的地下水中的污染物在脫附反應(yīng)器中被吹脫出,并被抽提到地面進行處理,通過將上部濾水管設(shè)置在水位線處,可以同時修復(fù)包氣帶的污染。該方法由于使用泵提法,可以應(yīng)用于一些滲透性不是很好的場地[7]。
圖1 真空氣化井工作原理示意Fig.1 Schematic diagram of UVB operation
美國加州的March空軍基地應(yīng)用UVB修復(fù)地下水的三氯乙烯(Trichloroethylene,TCE)污染,12個月后,場地地下水中的TCE質(zhì)量濃度下降了90%。此外,在Massachusetts空軍基地和Porthueneme基 地[8]應(yīng) 用UVB修 復(fù) 被TCE和 苯 系 物(BTEX)污染的地下水均取得了良好的效果。
Fayaz S.Lakhwala等[9]在紐約的一個場地聯(lián)合應(yīng)用井內(nèi)生物反應(yīng)器和UVB(圖2)修復(fù)地下水。該系統(tǒng)從循環(huán)井下部濾水管處泵取地下水通過泵上部連接的生物反應(yīng)器,殘余污染物在脫附反應(yīng)器被吹脫后,進入地表的氣相生物反應(yīng)器進一步處理,難揮發(fā)性污染物隨地下水返回含水層。運行了15個月后,該場地中土壤和地下水中的目標污染物總量下降了75%,其中生物修復(fù)去除的量占35%~56%;含氯有機物質(zhì)量濃度平均下降52%,不含氯有機物質(zhì)量濃度平均下降88%。
圖2 循環(huán)井聯(lián)合井內(nèi)生物反應(yīng)器技術(shù)Fig.2 Schematic diagram of GCW-BS operation
(2)氣流提升井處理系統(tǒng)。1992年美國斯坦福大學(xué)Gvirtzman等[10]發(fā)明了循環(huán)井中氣提處理地下水中有機物的技術(shù),而第一個氣流提升井中處理系統(tǒng)即NOVOCs?在美國能源部Hanford WA實驗室實驗成功。該系統(tǒng)主體由內(nèi)井管和外井管組成,并設(shè)置鏤空濾水管(見圖3)。NOVOCs?通過向含水層注入高壓空氣產(chǎn)生地下水循環(huán)流,并吹出揮發(fā)性污染物,通過真空抽提把污染物抽到地面進行處理。
圖3 氣流提升井工作原理示意Fig.3 Schematic diagram of NOVOCs?operation
1995—1996年,在美國加州的Edward空軍基地[11]成功應(yīng)用NOVOCs?進行了修復(fù)實驗。NOVOCs?運行191 d后,場地內(nèi)TCE濃度降低了90%。實驗顯示TCE去除率和地下水深度有關(guān),地下水上部的區(qū)域內(nèi),循環(huán)井的影響區(qū)域達到15 m,TCE質(zhì)量濃度從160 μg/L下降到了5 μg/L,而靠近隔水層的地下水區(qū)域內(nèi),循環(huán)井影響區(qū)域不到9 m,TCE質(zhì)量濃度保持在173~270 μg/L之間,這是該系統(tǒng)用于場地修復(fù)的第一個案例。
1995—1997年,應(yīng)用NOVOCs?井和土壤氣相抽提技術(shù)(Soil Vapor Extraction,SVE)相結(jié)合對密西西比州一個地下水受到BTEX污染的場地進行了修復(fù),使BTEX質(zhì)量濃度平均降低了91%。
(3)密度驅(qū)動對流系統(tǒng)(Density Driven Convection Wells,DDC)(見圖4)。由德國的Wasatch Environmental Inc..開發(fā),DDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,由井管和注氣管構(gòu)成,和NOVOCs?的地下水循環(huán)方式一致,但是DDC強調(diào)把吹脫出的污染物引入包氣帶以進行微生物的降解,無氣體地表處理系統(tǒng)。該技術(shù)對場地包氣帶的厚度、滲透性以及土著微生物的類型要求較高,應(yīng)用受到限制[7]。
圖4 密度驅(qū)動對流井工作原理示意Fig.4 Schematic diagram of DDC operation
1995—1997年,應(yīng) 用DDC聯(lián) 合SVE對keesler空軍基地[12]進行了為期18個月地下水修復(fù)實驗,場地地下水中的總石油烴(total petroleum hydrocarbon,TPH)去除率高達98%,但實驗顯示循環(huán)井影響區(qū)域外的地下水中TPH存在累積現(xiàn)象,濃度升高為修復(fù)前濃度的2倍。
2.1.2 循環(huán)井和清潔能源技術(shù)結(jié)合的研究
使用風(fēng)力發(fā)電機供應(yīng)能量的循環(huán)井修復(fù)系統(tǒng)在2004年被應(yīng)用于修復(fù)前內(nèi)布拉斯加州軍械廠地下水的TCE污染問題。這是首次使用風(fēng)力發(fā)電機為地下水修復(fù)系統(tǒng)提供動力,風(fēng)力發(fā)電機不會對生態(tài)環(huán)境造成負面影響,該系統(tǒng)受到了公眾的歡迎[13]。
2003年加州大學(xué)戴維斯分校的Sutton P[14]開發(fā)出一種使用太陽能供電的循環(huán)井系統(tǒng),用來修復(fù)干洗店泄露的含氯溶劑造成的地下水污染問題。他和中央山谷地區(qū)水質(zhì)控制委員會(Regional Water Board)合作,在加利福尼亞州索諾拉市的前Sierra Launderers干洗店進行了一項試點研究,以評估該系統(tǒng)的可靠性,顯示出該技術(shù)可以大大降低修復(fù)成本。
2.1.3 雙循環(huán)井系統(tǒng)和多重濾水管循環(huán)井
Jeffrey A.Cunningham等在2004年驗證了由一個“正向流”循環(huán)井和一個“逆向流”循環(huán)井組成的雙循環(huán)井系統(tǒng)對污染地下水進行修復(fù)[15]。雙循環(huán)井結(jié)構(gòu)如圖5所示,該設(shè)計可用來應(yīng)對含水層中存在隔水層的情況。
圖5 雙循環(huán)井運行原理示意Fig.5 Schematic diagram of double GCW operation
Mark N.Goltz等[16]也 在2005年 應(yīng) 用“正 向 流井”結(jié)合井中氣提和“逆向流井”結(jié)合生物修復(fù)的雙循環(huán)井系統(tǒng)修復(fù)50 m×60 m的TCE污染場地。修復(fù)后發(fā)現(xiàn)TCE質(zhì)量濃度從3000 μg/L降低到平均250 μg/L,累計去除8.1 kg TCE,在雙循環(huán)井停止運行后,含水層中TCE質(zhì)量濃度出現(xiàn)回升。
具有2個以上濾水管部分的循環(huán)井可以為厚含水層創(chuàng)建多個三維橢圓流場,這些厚含水層在整個深度上或多或少地分布著污染物,使用多重濾水管可創(chuàng)建更小的循環(huán)單元,加強原位沖洗并縮短循環(huán)時間。圖6描述了具有3個濾水管段的GCW,在含水層中,創(chuàng)建了2個三維橢圓流場,被污染的水通過中間濾水管段部分進入,通過上下篩管部分重新回到含水層[17]。
圖6 三濾水管段循環(huán)井示意Fig.6 Groundwater circulation wells with the three screen section pipe
國內(nèi)循環(huán)井修復(fù)技術(shù)的研究起步較晚,相關(guān)研究和實際工程應(yīng)用還不是太多,詳情見表1。
表1 國內(nèi)從事相關(guān)研究的主要機構(gòu)及其主要成果Table 1 Major institutions engaged in GCW research in China
目前國內(nèi)修復(fù)市場空間已經(jīng)超過200億元,未來5年修復(fù)行業(yè)復(fù)合增速預(yù)計在40%左右,市場前景廣闊,使用GCW來治理地下水污染問題成為一項很有前景的技術(shù),GCW本身的優(yōu)點可以推動此技術(shù)的發(fā)展。
(1)國內(nèi)原位修復(fù)技術(shù)常常修復(fù)不徹底,“拖尾”現(xiàn)象嚴重,而GCW對污染物濃度高的場地有機去除效率最高可達98%[12],而且還可以同時對含水層和包氣帶的污染物進行修復(fù),修復(fù)效率高。GCW運行過程中不會給含水層帶來二次污染,而且不會產(chǎn)生橫向水壓,避免了污染物的擴散。
(2)目前國內(nèi)地下水原位修復(fù)技術(shù)以抽提為主,而GCW不需要把污染地下水抽取至地表,相比于原位抽提降低了修復(fù)過程中的潛在風(fēng)險,保護了場地土體的地層結(jié)構(gòu)和原有微生物,且不會對地表建筑物造成不良影響。GCW不需要吹脫塔和儲存設(shè)施,所需空間小,而且可以在現(xiàn)有曝氣井的基礎(chǔ)上改造而來,故GCW運行和維護成本較低。
(3)GCW為其他原位修復(fù)技術(shù)提供了地表下運行的空間,易于和其他原位修復(fù)技術(shù)相結(jié)合,而且循環(huán)井可以作為向被污染含水層中加入各種藥劑的通道,例如表面活性劑、化學(xué)氧化藥劑以及微生物營養(yǎng)物質(zhì),強化循環(huán)井的修復(fù)效果。
(4)安裝簡便,操作人員容易掌握。
目前GCW技術(shù)在我國僅有2個工程實例,這不僅僅是由于我國開展此項技術(shù)研究比較晚,還和循環(huán)井自身存在的一些缺點有關(guān)?,F(xiàn)階段的GCW并不能很好地滿足國內(nèi)的要求。
(1)國外的目標污染物大部分情況下比較單一,而國內(nèi)復(fù)雜多相共存居多,適用于國外的GCW技術(shù)往往不適用于國內(nèi)情況,還需要和其他原位修復(fù)技術(shù)相結(jié)合才可以取得比較好的修復(fù)效果。
(2)目前GCW單井的影響范圍僅為20~45 m,無法實現(xiàn)大范圍的水力調(diào)控。
(3)GCW對場地水文地質(zhì)條件要求高,各向異性強的地層修復(fù)效果不好,而且當(dāng)場地中存在隔水層、含水層厚度不足時,影響修復(fù)效率甚至可能導(dǎo)致循環(huán)井不運行。GCW技術(shù)對污染物在地下水中的賦存形態(tài)有所要求,多相同步修復(fù)難,當(dāng)存在自由相時,需要提前去除,增加了成本。
(4)目前國內(nèi)的地下水修復(fù)普遍要求工期短,而循環(huán)井修復(fù)技術(shù)的修復(fù)和凈化周期比較長。
(5)普通井型的抽注不平衡,進入循環(huán)井內(nèi)部的地下水并不能全部注入含水層。
(6)循環(huán)井運行時會使地下水中CO2的含量減少,導(dǎo)致pH值升高,當(dāng)?shù)叵滤需F、鎂、鈣離子含量比較高時,會產(chǎn)生礦物沉淀,堵塞濾水管;當(dāng)補給到包氣帶的地下水中的一些成分和土壤中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致土壤發(fā)生膠溶作用或者膨脹,也有可能堵塞濾水管,影響循環(huán)井的運行[7]。
(7)目前GCW技術(shù)還沒有很好地解決循環(huán)與凈化的協(xié)同問題。
(8)目前由于國內(nèi)尚處于研究階段,成套設(shè)備處于空白,這嚴重限制了循環(huán)井修復(fù)技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。
當(dāng)前的GCW技術(shù)相較于其他原位修復(fù)技術(shù)對場地的條件要求較高,并不能用來修復(fù)所有類型的污染場地,故選擇GCW技術(shù)時需要對場地進行詳細的勘察,根據(jù)場地條件和污染物類型選擇合適的循環(huán)井類型、設(shè)計地上污染物處理系統(tǒng)以及設(shè)置各類運行參數(shù),以達到最佳的去除效率和最優(yōu)經(jīng)濟性。
3.3.1 場地條件的影響
表2 列出了不同場地條件GCW的適用性。
表2 不同場地條件GCW的適用性評價[3]Table 2 Site suitability evaluation for the GCW method
3.3.2 設(shè)置監(jiān)測井
隨時觀察地下水污染物動態(tài),調(diào)整循環(huán)井的各類運行參數(shù),降低成本。
3.3.3 GCW兩濾水管之間的距離和兩井間距
適當(dāng)增加上下濾水管距離,擴大循環(huán)區(qū)域,可增大地下水循環(huán)流強度,提高效率。當(dāng)合理設(shè)計兩井間距的時候,兩循環(huán)井的循環(huán)區(qū)域會發(fā)生重疊,形成強烈的地下水垂直流動,這對于嚴重污染區(qū)域的修復(fù)是十分有利的[27]。
3.3.4 運行參數(shù)的影響
抽提速率過小,污染物未被徹底清除,再次隨地下水循環(huán)進入含水層;抽提速率過高,則能耗過大,增加運行成本。因此需要設(shè)定一個合適的抽提速率。在一定的范圍內(nèi)增加曝氣量可以提高地下水循環(huán)的強度,強化水流對土壤的沖刷作用,使污染物解吸或溶解在地下水中,通過曝氣去除;但是曝氣量超過一定值后,不再起到加強地下水循環(huán)強度的作用,造成了能量的浪費[28]。
隨著國家對地下水污染治理問題的重視,為了適合我國對地下水修復(fù)工作日益提高的技術(shù)要求和越來越嚴格的驗收標準,GCW需要滿足水力調(diào)控半徑大、同步修復(fù)協(xié)同高效、長期運行不堵塞、封堵材料抗污防腐、井內(nèi)組件一體化和成套設(shè)備智能化等一系列要求,應(yīng)開展以下幾方面的研究工作。
(1)為了不斷進行循環(huán)井系統(tǒng)設(shè)計的創(chuàng)新和提高修復(fù)效率,需要對循環(huán)井修復(fù)機理開展進一步的研究,包括有機物在氣水兩相間的傳質(zhì)、有機物在土壤和沉積物上的吸附/解吸、有機物在水相的溶解及其在含水層中的遷移過程。建立循環(huán)井技術(shù)修復(fù)地下水時三維流場模型,預(yù)測循環(huán)井單井影響區(qū)域,以及多循環(huán)井聯(lián)合使用時地下水循環(huán)的流場情況。
(2)針對GCW修復(fù)半徑小、對場地要求高的缺陷,急需開發(fā)新型的循環(huán)井井型,需要做到增大水動力調(diào)控區(qū)域,解決傳統(tǒng)循環(huán)井抽注不平衡的問題,拓寬含水層修復(fù)條件,提高污染物的去除效率。在推進循環(huán)井新井型研究的同時,設(shè)計出配套的監(jiān)測井。
(3)研發(fā)凝結(jié)時間可控、力學(xué)性能良好、抗污染、耐腐蝕、環(huán)保、低成本的封隔材料和耐疲勞、疏水、環(huán)保的循環(huán)井內(nèi)單元封隔器,實現(xiàn)長效穩(wěn)固封隔;研發(fā)強化原位微生物降解的預(yù)處理劑、功能菌劑、激活劑、流場調(diào)驅(qū)劑以及其載體等修復(fù)材料,提高原位生物降解的效率,提高有機污染物的整體去除率。
(4)針對GCW處理含自由相地下水流程復(fù)雜、成本高的問題,需要研究可分離多組分多相污染物的井內(nèi)分離設(shè)備,實現(xiàn)多相組分高效分離。國內(nèi)污染物成分比較復(fù)雜,復(fù)雜污染物又存在生物降解有機物和不可生物降解有機物2類,研究井內(nèi)生物濾池技術(shù)、內(nèi)電解的化學(xué)增強反應(yīng)器等,促使不可生物降解有機物轉(zhuǎn)化為可生物降解有機物;研究高效的井內(nèi)生物增強反應(yīng)器,以有效提高地下水有機物的去除效果。研發(fā)將旋液分離設(shè)備、氧化/還原增強反應(yīng)器、生物增強反應(yīng)器集成于井內(nèi)有限空間的一體化組件。
(5)地下水修復(fù)是一個復(fù)雜的工程系統(tǒng),在利用GCW技術(shù)和其他技術(shù)進行有效集成的修復(fù)工藝過程中,需要實現(xiàn)抽提、水力循環(huán)、生物降解和高效凈化協(xié)同調(diào)節(jié),因為國內(nèi)缺乏系統(tǒng)化的設(shè)備,這幾者之間的參數(shù)和調(diào)配存在延遲。急需研究抽提-注入單元、多源信息決策系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)與軟件,研制地下水原位同步循環(huán)井修復(fù)成套一體化設(shè)備,實現(xiàn)抽和注的自由切換和抽注平衡,高效節(jié)能,抽提、注入、曝氣和井內(nèi)組件聯(lián)動,可時刻監(jiān)測循環(huán)井系統(tǒng)工作狀態(tài),而且可以實現(xiàn)快捷拆卸和轉(zhuǎn)場。
(6)設(shè)計一套行之可行的循環(huán)井施工工藝流程,制定一套循環(huán)井修復(fù)污染場地效果評價標準,為循環(huán)井技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用提供詳細指導(dǎo)。
地下水循環(huán)井修復(fù)技術(shù)將吹脫、空氣注入、氣相抽提等技術(shù)結(jié)合應(yīng)用在井中,可有效修復(fù)地下水,相比于其他原位修復(fù)技術(shù)有很多優(yōu)點,在未來GCW可能成為地下水修復(fù)的重要研究方向。地下水循環(huán)井修復(fù)技術(shù)在國外已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用,但是由于我國地下水污染物十分復(fù)雜,國外的成果和經(jīng)驗并不能直接應(yīng)用于我國的地下水修復(fù),所以現(xiàn)階段必須加強在循環(huán)井修復(fù)上的投入和研究,開發(fā)出新型循環(huán)井型,加大在水動力調(diào)控、三相原位同步修復(fù)方面的研究,研發(fā)出一體化設(shè)備智能控制技術(shù),發(fā)展出適合我國國情的循環(huán)井修復(fù)技術(shù)體系,實現(xiàn)地下水污染物的高效凈化。