高效吹脫技術(shù)應(yīng)用于氯代烴污染地下水修復(fù)

侯 盾，徐青松，張志強，劉海濤，陳選平，曲 丹，李佳璐，熊惠磊，6

（1.寶航環(huán)境修復(fù)有限公司，北京 100012；2.西寧湟水環(huán)境資源開發(fā)有限公司，青海西寧 810021；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100125；4.湘南學(xué)院，湖南郴州 423099；5.湖南大自然環(huán)?？萍加邢薰?，湖南郴州 423099；6.北京協(xié)同創(chuàng)新研究院，北京 100094）

氯代烴類有機化合物是一種常用的化工原料， 在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。但該類化合物具有“三致”效應(yīng)，美國、歐盟及我國均將該物質(zhì)標(biāo)定為需優(yōu)先控制的有毒有害有機污染物〔1〕。近些年隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的推進，大批重污染工業(yè)企業(yè)需關(guān)閉或搬遷，而存在氯代烴污染風(fēng)險的大量工業(yè)企業(yè)遺留場地的地下水污染形勢十分嚴(yán)峻〔2〕。氯代烴污染的地下水處理難度大，運行成本高〔3〕，亟需使用高效且運行經(jīng)濟的技術(shù)對氯代烴污染地下水進行處理。

1 工程概況

某地環(huán)保局聯(lián)合相關(guān)部門對一廢棄小型化工廠進行勘察，發(fā)現(xiàn)該工廠地面有明顯的污染物泄露痕跡，空氣充滿刺鼻氣味；廠區(qū)院外正南方向15 m處有一疑似用于排污的滲坑，廠區(qū)排水管下約1 m處有一直徑約10 cm的暗管與廠外滲坑相連，暗管十分隱蔽。該工廠生產(chǎn)期間共生產(chǎn)一氟三氯甲烷1 102 t，消耗四氯化碳約1 300 t、氫氟酸約220 t。根據(jù)物料平衡核算，該工廠生產(chǎn)期間的廢水量應(yīng)在418 t以上。

該污染場地地下水環(huán)境調(diào)查結(jié)果表明，其地下水中的主要污染物是以四氯化碳為主的氯代烴。按照《地下水污染修復(fù)工作指南》，選擇適用或適合的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)作為修復(fù)（防控）目標(biāo)。對于尚無適用或適合要求的目標(biāo)污染物，則基于風(fēng)險制定修復(fù)（防控）目標(biāo)。目標(biāo)的確定需兼顧地下水使用功能和技術(shù)經(jīng)濟可行性。

根據(jù)《某氯代烴污染場地地下水污染調(diào)查評估報告》，在四氯化碳濃度超標(biāo)＞5 000倍即10 mg∕L（部分層位可設(shè)置為＞3 000倍）的區(qū)域分階段開展抽出處理工作，其中第一階段工作要求為：（1）迅速控制或阻止污染羽向下游飲用水源保護區(qū)進一步遷移，即氯代烴重度污染區(qū)域采取抽出處理，日均處理量250 m3，運行約50 d，累計至少處理10 000 m3氯代烴重度污染地下水；（2）抽出處理后水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)先采用《山東省南水北調(diào)沿線水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 37∕599—2006），對于其中未規(guī)定的污染物依次采用《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）二級標(biāo)準(zhǔn)、《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)、《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB∕T 14848—2017）Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，處理達(dá)標(biāo)后納入污水管網(wǎng)排放。

2 修復(fù)目標(biāo)與工藝流程

2.1 地下水修復(fù)目標(biāo)

在四氯化碳重度超標(biāo)區(qū)域開展地下水抽出處理工作，現(xiàn)場布置如圖1所示。

圖1 抽出處理區(qū)域Fig.1 Area of groundwater extraction treatment

抽出處理后水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示，處理達(dá)標(biāo)后的出水排放至附近表溝渠，最終匯入市政管網(wǎng)。

表1 地下水抽出處理修復(fù)目標(biāo)Table 1 Remediation requirements for groundwater extraction treatment

2.2 地下水修復(fù)工藝流程

地下水抽出處理對象主要針對四氯化碳濃度重度超標(biāo)的污染區(qū)。該區(qū)域地下水的總氯代烴污染物在3 000～25 000μg∕L，修復(fù)工藝主要由抽提井系統(tǒng)、調(diào)節(jié)緩沖系統(tǒng)、核心處理系統(tǒng)及深度處理系統(tǒng)構(gòu)成。

實施過程中通過設(shè)置不同抽水方式（抽提井位置、抽水速率、抽水頻次等）獲取不同條件下的抽出處理效率。同時，利用獲取的相關(guān)參數(shù)進行數(shù)值模擬，優(yōu)化抽水方案并進行試抽水，確定最優(yōu)方案，最后對抽出的地下水進行高效吹脫處理。氯代烴重度污染地下水抽出后先集中匯入調(diào)節(jié)池，經(jīng)提升泵輸送至沉淀池，對地下水中的顆粒物進行絮凝沉淀，其中沉淀物采用常溫?zé)峤馕夹g(shù)脫除氯代烴，液相廢水經(jīng)吹脫系統(tǒng)處理達(dá)標(biāo)后排放，吹脫產(chǎn)生的富集污染物的尾氣經(jīng)活性炭吸附后達(dá)標(biāo)排放。工藝流程如圖2所示。

圖2 地下水抽出處理工藝流程Fig.2 Process flow of groundwater extraction treatment

3 分項處理單元

3.1 抽提井系統(tǒng)

基于場地水文地質(zhì)特征、場地污染源分布以及地下水中四氯化碳污染羽現(xiàn)狀分布特征，在抽出處理區(qū)設(shè)計抽提井6眼。

第一層地下水設(shè)計抽提井1眼，孔徑110 mm，井深17 m，監(jiān)測井4眼；第二層地下水設(shè)計抽提井2眼，孔徑110 mm，井深23 m，監(jiān)測井8眼；基巖裂隙含水層設(shè)計抽提井3眼，孔徑110 mm，井深30 m，監(jiān)測井12眼，如圖3所示。鑒于現(xiàn)場地質(zhì)構(gòu)造的特殊性，抽提井的布置可根據(jù)現(xiàn)場復(fù)勘結(jié)果和建井時地質(zhì)勘測結(jié)果等進行適當(dāng)調(diào)整。

圖3 地下水抽水系統(tǒng)布設(shè)圖Fig.3 Layout of groundwater extraction system

3.2 預(yù)處理系統(tǒng)

地下水中含有許多金屬離子（二價鐵、二價錳等）及無機陰離子（氯離子、硫酸根等）〔4〕，被抽出后其氧化還原電位迅速變化，進而引發(fā)金屬離子沉淀，可能導(dǎo)致后續(xù)設(shè)施堵塞，目標(biāo)污染物去除效率下降。

該項目預(yù)處理系統(tǒng)主要包括調(diào)節(jié)池和一體化沉淀裝置，其中調(diào)節(jié)池為利舊的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)池體，尺寸為22.0 m×4.5m×1.0 m；一體化沉淀裝置為模塊化鋼制設(shè)備，其pH調(diào)節(jié)區(qū)和混凝反應(yīng)區(qū)尺寸均為1.1 m×1.0 m×1.0 m，沉 淀 區(qū) 尺 寸 為6.0 m×2.5 m×3.0 m。

預(yù)處理系統(tǒng)配套設(shè)備包括：立式潛污離心泵1臺，單臺流量30 m3∕h，揚程為10 m，功率為2.2 kW；超聲波液位計1臺，量程0～5 m。水泵運行狀態(tài)根據(jù)泵坑內(nèi)液位信號自動控制，即坑內(nèi)液位處于高液位（又稱超高液位）時，2臺泵啟動；坑內(nèi)液位處于中液位（又稱運行液位）時，1臺泵啟動；坑內(nèi)液位處于低液位（又稱警報液位）時，水泵停止運行。

3.3 核心處理系統(tǒng)

國內(nèi)外研究者針對地下水中的鹵代烴開展了多種修復(fù)技術(shù)研究，目前已應(yīng)用的技術(shù)有原位熱脫附技術(shù)、堿活化過硫酸鹽氧化技術(shù)、曝氣吹脫技術(shù)和活性炭吸附技術(shù)。其中，原位熱脫附技術(shù)處理時間長且能耗高〔5〕；堿活化過硫酸鹽氧化技術(shù)短時間內(nèi)可造成地下水硫酸鹽激增，存在二次污染風(fēng)險〔6〕；曝氣吹脫技術(shù)為美國環(huán)保署（EPA）推薦的去除揮發(fā)性有機污染物的最佳技術(shù)〔7〕，但需要與活性炭吸附技術(shù)組合使用〔8〕。

考慮到該項目要求在50 d內(nèi)抽出處理超過10 000 m3的地下水，其中地下水總氯代烴約為3 000～25 000μg∕L，且處理后水中各項污染物濃度需達(dá)到表1所示的標(biāo)準(zhǔn)要求，最終確立了高效吹脫+活性炭吸附組合的核心工藝單元。

3.3.1 高效吹脫裝置

高效吹脫裝置為Baohang-Ⅲ吹脫設(shè)備，共投入2套，單套處理水量10～15 m3∕h。設(shè)備參數(shù)為：進水流量10～15 m3∕h，空氣流量600～1 500 Nm3∕h，氣水比（40～150）∶1。

配套設(shè)備包括：離心式鼓風(fēng)機2臺，變頻調(diào)節(jié)，出風(fēng)量600～1 500 Nm3∕h；離心式進水泵2臺，流量15 m3∕h，揚程10 m；處理出水輸送泵2臺，離心式，流量15 m3∕h，揚程20 m。

3.3.2 氣相活性炭吸附裝置

污染地下水經(jīng)高效吹脫裝置處理后，水中約99%的揮發(fā)性有機物（VOCs）隨氣體帶出，尾氣中的VOCs經(jīng)2級串聯(lián)氣相活性炭吸附裝置去除，最后通過煙囪達(dá)標(biāo)排放。

氣相活性炭吸附裝置配置2臺，串聯(lián)式連接，尺寸D1 800 mm，與介質(zhì)接觸材質(zhì)為SS304，活性炭有效裝填高度2.0 m，2臺活性炭罐總裝填量4 t。每臺罐底部設(shè)電動卸料器1臺，功率0.75 k W，頂部裝料設(shè)速開∕閉密封蓋1個。

3.4 深度處理系統(tǒng)

鑒于時間緊迫且要求出水百分百達(dá)標(biāo)，確定深度處理系統(tǒng)由砂濾罐、液相活性炭吸附罐和清水池組成。清水池定期取樣檢測，確認(rèn)處理達(dá)標(biāo)后排放至附近表溝渠，最終匯入市政管網(wǎng)。

3.4.1 砂濾罐

砂濾罐通過濾料對沉淀池出水中的細(xì)小SS、膠體等進行截留和吸附，以減少后續(xù)液相活性炭吸附罐的處理負(fù)荷。現(xiàn)場配置1臺砂濾罐，外形尺寸D1 800 mm，主體材質(zhì)為碳鋼防腐，水流方向為下流式，濾料為砂子、卵石，直段高度1.5 m，總高3 250 mm。

配套進水泵為2臺立式管道泵，分別對應(yīng)1套高效吹脫裝置，單泵流量15 m3∕h，揚程20 m，電機功率2.2 k W；配置1臺立式管道泵作為反沖洗泵，流量110 m3∕h，揚程25 m，電機功率15 kW。

3.4.2 液相活性炭吸附罐

用活性炭對水體中殘留的有機物和金屬離子進行深度處理?，F(xiàn)場配置1臺液相活性炭吸附罐，外形尺寸D1 800 mm，主體材質(zhì)碳鋼防腐，水流方向下流式，活性炭有效裝填高度1.5 m，約2 t活性炭。

配套的進水泵為1臺立式管道泵，流量30 m3∕h，揚程20 m，電機功率4 k W；反沖洗泵與砂濾罐共用。

3.4.3 清水池

現(xiàn)場清水池一方面可提供砂濾罐和活性炭吸附罐的反沖洗用水，另一方面可暫存工藝出水，待第三方檢測樣品達(dá)標(biāo)后方允許排放。

清水池為新建鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)池體，尺寸為6.5 m×4.5 m×1.5 m；配置2臺立式管道泵（1用1備）同時兼顧事故泵和輸送泵雙重作用，流量30 m3∕h，揚程20 m，電機功率4 kW。

4 工程特點與運行效果

4.1 工程特點

（1）高效吹脫裝置設(shè)計。借鑒和參考石油化工行業(yè)的吹脫塔體設(shè)備，根據(jù)氣液反應(yīng)器的形式，可將吹脫裝置分為填料型、板式型、噴霧型和鼓泡型。處理地下水氯代烴時，考慮到氯代烴如三氯甲烷、四氯化碳、三氯乙烯、四氯乙烯的亨利系數(shù)〔1〕分別為9.09×10-4、3.02×10-2、9.90×10-3、1.46×10-2atm·m3∕mol，較經(jīng)濟有效的方法為采用填料型和板式型裝置進行高效吹脫處理。

填料型吹脫裝置具有氣液兩相接觸時間較長、氣液比可在較大范圍內(nèi)變動、氣相壓降較低、操作彈性好的特點，但存在填料層易堵、液體停留時間短、填料清洗困難等問題。因此，現(xiàn)場實施時采用多層板式型高效吹脫裝置，其液層淺、氣相壓降小、轉(zhuǎn)化率高，但結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，操作管理要求高。

該項目現(xiàn)場使用的Baohang-Ⅲ高效吹脫設(shè)備采用五層塔式結(jié)構(gòu)，塔層間為扣式連接，方便安裝與實現(xiàn)實運塔層數(shù)改變。與國內(nèi)常用的填料型壓力鼓風(fēng)吹脫塔相比，該裝置采用真空引風(fēng)機設(shè)計，裝置內(nèi)處于微負(fù)壓，可防止含VOCs氣體外泄，并杜絕塔層間漏水現(xiàn)象發(fā)生。此外，多級塔層的吹脫時間可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，根據(jù)運行工況調(diào)節(jié)吹脫時間，提高吹脫效率；上下塔層水流的連接設(shè)計也可完全杜絕該處銜接中可能存在的空氣短流。設(shè)備采用變頻風(fēng)機設(shè)計，可方便調(diào)節(jié)氣水比，實現(xiàn)不同工藝目的。

（2）氣相活性炭吸附裝置設(shè)計。傳統(tǒng)活性炭吸附塔的進氣管設(shè)置在罐體底面，缺少配氣裝置，氣場分布不勻，無法完全利用罐體內(nèi)的活性炭，凈化效率低。更換活性炭填料時需將吸附塔上部的未飽和填料及下部飽和填料同時卸出，一次全部更換，造成一定程度的浪費。

項目團隊自主研發(fā)了氣相活性炭吸附裝置，增加布?xì)庹郑ㄟ^對配氣的設(shè)計優(yōu)化氣體流場，提高對VOCs的吸附效率；卸料管處設(shè)有順序性手動和電動卸料閥，實現(xiàn)定量、連續(xù)卸料，省時省力，同時避免污染氣體外泄并可將飽和填料部分輸出，提高了活性炭的利用率；人孔采用鉸鏈?zhǔn)綁毫扉_封蓋，方便快速開合，實現(xiàn)整體裝置填料的快速更換與裝填。

（3）活性炭選擇。碘值和亞甲藍(lán)值可作為衡量活性炭吸附性能的重要指標(biāo)〔9-10〕。控制活性炭尺寸為0.42～2.05 mm（40目～10目），測定煤質(zhì)破碎炭、煤質(zhì)顆粒炭和椰殼破碎炭的碘值和亞甲藍(lán)值，結(jié)果如表2所示。

表2 活性炭性能對比Table 2 Performance of activated carbon

由表2可見，煤質(zhì)破碎炭的碘值和亞甲藍(lán)指標(biāo)均最佳，最終選擇煤質(zhì)破碎炭作為氣相活性炭吸附裝置的吸附材料。

4.2 運行效果

現(xiàn)場實際日平均處理量為250 m3，運行53 d，累計處理13 250 m3重污染地下水?？偮却鸁N污染物質(zhì)量濃度在3 000～25 000μg∕L，平均約為6 565.57 μg∕L，處理后總氯代烴平均約30.27μg∕L（見圖4），去除率約為99.40%。水體中的四氯化碳、1，1，2-三氯乙烷、1，2-二氯乙烷、三氯乙烯和三氯甲烷等污染物濃度均達(dá)到《山東省南水北調(diào)沿線水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 37∕599—2006）一般保護區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)的要求，吹脫后的尾氣經(jīng)氣相活性炭吸附后各項指標(biāo)也達(dá)到《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 16297—1996）的排放要求。

圖4 進出水中氯代烴污染物的變化Fig.4 Changes of chlorinated hydrocarbons in the influent and effluent

4.3 經(jīng)濟效益評價

地下水抽出處理部分總投資約140萬元，占地面積170 m2。經(jīng)核算，每噸污染地下水的處理成本為5.30元，包括電費、藥劑費（混凝劑、助凝劑）、活性炭費用、危廢處置、設(shè)備折舊費、運行維護費、易損易耗品和其他費用等，各部分費用比例如表3所示。

表3 工藝運行成本構(gòu)成Table 3 Cost of process operation

5 結(jié)論與建議

采用高效吹脫技術(shù)對某氯代烴污染場地地下水進行工程修復(fù)，現(xiàn)場日平均處理量250 m3，運行53 d，累計處理13 250 m3氯代烴重度污染地下水。總氯代烴污染物去除率約99.40%，處理后水體中的四氯化碳、1，1，2-三氯乙烷、1，2-二氯乙烷、三氯乙烯和三氯甲烷污染物濃度均達(dá)到《山東省南水北調(diào)沿線水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 37∕599—2006）一般保護區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)的要求，吹脫后尾氣經(jīng)氣相活性炭吸附后達(dá)到《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 16297—1996）的排放要求。

該地下水修復(fù)工程的成功實施有效改善了該區(qū)域地下水的水質(zhì)，同時可為高效吹脫技術(shù)處理其他揮發(fā)性污染物地下水項目提供技術(shù)借鑒和工程示范。