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前沿动态 重质非水相液体[DNAPL]污染场地修复技术 [复制链接]

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京东
目前的修复市场上有许多成熟的污染源及污染羽处理技术,这些技术有各自的优势,也有各自的不足。选择一种合适的处理技术时需要考虑多种因素,包括场地技术特征(如地质学特征,水文地质学特征,以及污染物水平)、相关法规要求、项目可持续性以及当地利益相关群体的诉求。; d8 w; X& L9 B0 R5 S
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5 f5 C) j* A2 X7 z) p过去,人们通常采用单一的修复技术试图实现多种修复目标。而近年来在氯代溶剂污染场地的修复实践中,由于完全恢复这类污染场地非常困难,所以综合修复法得到了更多的青睐。这种综合的修复方法先后采用多种处理技术处理同一污染场地,或分区域采用不同的处理技术。4 _$ E" y: ?  `6 o

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修复目标
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6 r, K9 f5 ?9 b+ u) m/ ?确定现实可行的修复目标是制定重质非水相液体污染场地综合修复策略的关键。 修复目标可以是绝对性的(基于普适社会价值观的目标,如保护公共健康),或者是功能性的(实现绝对性目标的措施,如向受影响的居民提供瓶装水)。
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功能性目标是实施绝对性目标的评价指标,然而实践中通常被人们所忽视,难以衡量,甚至无法实现。有意义的功能性目标必须是明确的(specific),可衡量的(measurable),可实现的(attainable),与绝对性目标相关的(relevant),以及有时效的(time-bound)。这是功能性目标的核心理念(SMART)。
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选择符合SMART理念的修复目标能让后续的决策更加合理,同时也能让修复工作更好地完成。针对不同地点,不同修复阶段,不同场地清理接收点应制定相应的符合SMART理念的功能性目标。由于不同利益相关群体存在不同的诉求,以及修复项目存在一些可行性和经济条件上的限制,针对特定的污染场地制定SMART功能性目标需要多方合作,妥协,达成一致。
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氯代溶剂污染场地的完全修复周期比较长(数十年乃至百年不等),但功能性目标应当在一个比较短的时间内完成(十年内),以鼓励项目问责的落实并简化对项目进展的评估。
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02
处理技术
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, D' X$ }  E6 G; ^$ ~* E目前市场上有许多成熟的污染源及污染羽处理技术,这些技术有各自的优势,也有各自的不足。选择一种合适的处理技术时需要考虑多种因素,包括场地技术特征(如地质学特征,水文地质学特征,以及污染物水平)、相关法规要求、项目可持续性以及当地利益相关群体的诉求。# Z. f- {1 Y" X4 ?

. W4 K/ o0 q/ _9 ^- j7 Y$ F针对氯代有机溶剂污染场地的修复技术种类繁多。氯代有机溶剂污染存在于不同相之中,包括重质非水相液体相,土壤吸附相,溶解相和气相。下文根据修复技术针对以上不同相的氯代有机溶剂的主要成效原理对其进行分类。" M1 o6 n7 m: _( g6 {% E, e

8 ?, T0 r+ I* }% e, R! t8 E( [1 c物理去除技术8 z% d0 a% e4 b7 y# ~! K6 z

3 u2 M1 p* ^) W) T0 g9 j' c: K0 a使用物理技术时,污染源区的污染物一般使用挖掘处理/处置技术。通过原位处理(挖掘后现场处置)或管理处置(挖掘后异位处置)进行污染场地的修复。挖掘处理/处置技术对两类污染场地尤为有效。一类是处于污染扩散早期的场地(浓度高),另一类是由于吸附了大量有机污染物,或被弱流动性有机物(如高粘度煤焦油)所污染,近地面污染源区需要大规模移除的场地。: _- y0 c7 O5 q5 d% @4 q' |
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在对118个重质非水相液体污染源场地的修复结果进行调查(Geosyntec公司,2004年)。调查中显示,有11个场地应用了挖掘处理/处置技术,使用率达到9%。常用的异位污染源修复技术有堆肥技术,异位热处理技术,土壤水洗技术,土耕法,以及固化/稳定化技术。无论应用哪种异位修复技术,挖掘处理/处置都是其中不可或缺的一环。2005至2008财年,在230个美国超级基金资助的场地修复项目中,有104个场地应用了异位污染源修复技术,使用率达到了45%)
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! A+ N  k( d( z9 }图1:使用土壤淋洗技术原位处理挖掘出的污染土壤
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多相萃取技术; k: r2 m: @; B4 ^! R, c, d" X

; v# L5 x5 p) z& K. `+ K& }多相抽提技术综合了地下水抽出-处理技术和土壤气相抽提技术。这项技术分为两步,首先抽出被污染的地下水,同时降低水位为下一步处理作铺垫。其次使用土壤气相抽提技术使重质非水相液体和吸附状态下的氯代污染物从污染土壤中挥发,收集并去除。这一技术可以有效地去除各相中的的污染物。但缺点在于处理深层污染以及含水层渗透性过高或过低时,施工难度和成本都会大大增加。多相抽提技术会优先去除高渗透性区域里的污染物,并有可能在低渗透性区域里残留下污染物,残留污染物水平取决于总的系统运行时间。- p# g' \5 N' d: h( {8 Q
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在2004年对118个重质非水相液体污染源场地的修复结果的调查中显示,有13个场地应用了多相抽提技术,使用率达到11%。
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$ Y2 y5 J9 f! j( x图2:抽出的重质非水相液体,水相液体和土壤气体一起进行地上处理" n7 r( `  ^6 C7 T, w; K

+ w3 |( A9 K! y0 [热传导与电阻加热技术. J6 F) q7 f: v/ E/ k9 S4 X* P
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热处理技术也属于物理去除的范畴,其主要通过挥发和气相抽提耦合来去除污染物;在土壤充分加热的情况下,也可通过其他机制,例如热解作用和水解作用,原位去除污染物。
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  K, p- I  b6 F, L+ ]! l5 X: A1 {在重质非水相液体污染场地综合修复策略中,热处理技术热传导加热与电阻加热是两项应用最广泛的热处理技术,最主要的两项热处理技术,另外还有使用率逐渐降低的蒸汽处理。热传导加热技术通过加热元件与土壤的直接接触,将热传导至土壤基质。电阻加热技术的成热原理是利用两极之间的电能和土壤基质中的电阻形成电流并加热。与其他技术相比,热处理技术更适合于处理低渗透性的介质和时间紧迫、污染物浓度高的修复区域。
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: Y+ v9 s5 Y1 i1 L! x5 S0 u! K在2004年对118个重质非水相液体污染源场地的修复结果的调查中显示,有27个场地应用了热处理技术,使用率达到23%。
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% G7 G; Z) X( M+ ~  S' c% H# _  K* O图3:原位热传导加热技术2 c3 c. j" s9 Y& p- o
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图4: 堆土式热传导加热项目
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. Z! X, Q/ j& Y5 ]/ r' \原位化学氧化
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( }: c0 b7 e0 n, t# q) R+ T7 I; o& e原位化学氧化技术主要是将氧化剂和改良剂注入污染源和/或污染羽梯度下游,通过化学反应破坏污染物。氧化剂的种类包括催化过氧化氢 (芬顿试剂或改性芬顿试剂)、臭氧、高锰酸盐和过硫酸盐。在反应过程中,氧化剂与污染物发生反应会产生无害的中间产物与最终产物,例如二氧化碳、羧酸、氯化物,或是铁、硫酸盐以及其他从催化剂改良剂/氧化剂产生的离子。这些无害的中间产物,可能会继续溶解在地下水中,可能会在水中沉淀,或与土壤地下水的天然成分进一步发生反应。2 H  D( R$ C7 s4 `

& Z3 I2 P1 u$ G8 \原位化学氧化技术可应用于处理广泛的污染浓度范围与不同化学相的污染物(溶解相、土壤吸附相和重非水相液体相)。不同的氧化剂有其对应的适用范围,例如催化过氧化氢通常适合处理较高污染浓度的重质非水相液体,而高锰酸盐与臭氧则更适用于较低浓度的溶解性污染羽。自由基氧化剂 (臭氧、催化过氧化氢和活性过硫酸盐) 适用的污染物范围广泛,包括单环及多环芳香族化合物、饱和(乙烷)和不饱和氯代脂肪烃(乙烯),而高锰酸钾是适用于不饱和氯代脂肪烃和其他化合物(如苯酚)。
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在2004年对118个重质非水相液体污染源场地的修复结果的调查中显示,有25个场地应用了原位化学氧化技术,使用率达到21%。其中,15个场地使用高锰酸盐(占原位化学氧化技术应用的60%)、9个场地使用催化过氧化氢(占36%)、1个场地使用臭氧作为氧化剂(占4%)。. `7 {6 }1 i1 z% q- o% |, k
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7 h5 b5 v" j8 D. l  u* V图5: 处理氯代有机溶剂污染场地的化学注射井0 o/ g+ E% {) V# f$ d
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原位化学还原0 W* {& E7 [: ?" i

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1 \) |. {. |* _和原位化学氧化处理一样,原位化学还原有多种方法和处理试剂可以选择。例如在直接利用纳米零价铁处理污染源是近期的一个发展,尽管案例数量或长期效果评估还十分有限。另外一种方法是直接将零价铁和粘土混合在土里,通过和零价铁的化学反应可以达到直接处理,同时粘土可以降低渗透系数以减小污染源对下游的质量通量。原位化学还原也可以作为阻隔技术来实施。/ i! t8 y4 a% m, e
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在118处重质非水相液体污染源处理案件调查中,有6个场地(5%)运用了原位化学还原方法(Geosyntec Consultants 2004)。有4个场地运用了零价铁、粘土混合土壤的方法,其土壤污染物浓度中值水平降低了98% (1.7量级水平)
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& {3 b  j8 P( p; Y1 ]8 ^5 J图6:准备ZVI泥浆用于注入
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' a1 |8 G6 t/ [5 Q$ Z- n原位生物修复' T4 ^* a# L: p

  F% w- X0 p( D$ f& _  s% n原位生物修复通常被称为”工程化生物修复”。涉及污染物的生物转化,理想状况(但并不总是)转化成危害较小的中间产物和最终化合物。微生物可以在多种条件下将污染物作为电子受体或供体。
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$ I' H" |: ?. B4 _4 |9 i$ K1 r7 F原位生物修复包括注射生物修复底物,给细菌提供发酵的碳源和其他营养元素,从而为脱氯菌(生物刺激)能够提供氢给电子受体(氯化物)。或者通过注射非本地微生物(生物强化)对微生物修复进行强化。
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原位生物修复在作为处理污染羽修复技术时, 会与更为有力度的污染源修复技术联用,例如原位化学氧化,热处理,表面活性剂增加提取,和挖掘。原位生物修复也通常可在污染源修复技术后修复残余的污染源。
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) t, b! K. P4 d8 q1 ~) m在对118个含重质非水相液体污染源场地修复调查中,有25个场地运用了原位生物修复方法(Geosyntec Consultants 2004)。
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图7: 将底物注入地下能促进微生物生长,从而能有效降解氯化合物) [' \; d5 g/ {) ~9 x) `
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表面活性剂/共溶剂冲洗& f: l3 I8 r/ B5 j- }) X7 n

9 \+ `* L8 m  |5 Y) }' q表面活性剂/共溶剂冲洗是一种去除重质非水相液体的技术,该技术通过注入和抽提这些化学物质将重质非水相液体溶解或并移动。表面活性剂从注射井中注入含DNAPL的地下水污染源头区域。表面活性剂与被其溶解、解吸或乳化,恢复流动性的DNAPL液体一并通过抽提井去除。抽提出的液体可以处置(通常异地处理)或现场处理去除污染物,并可被重新注入地下来去除更多的重质非水相液体。7 l' D/ ?2 J- d6 A' K

3 I$ l# O6 `- f6 I  a5 k表面活性剂/共溶剂冲洗主要优势为其可以快速去除大部分重质非水相液体的潜力。作为一种原位修复技术,它避免了挖掘、处理、运输污染介质的需要。既可以单独使用也可以作为一系列修复过程中的一个组成部分,取决于场地特定的修复目标。
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1 f! l/ j% ]1 {. Z成功运用表面活性剂//共溶剂冲洗的技术难点是定位与表征含重质非水相液体的污染源,并对初始重质非水相液体的质量和空间分布得出准确的估计。除此之外,技术使用的成功需要表征地下水介质的水力性质,将试剂注入并分布到目标区域,并针对重质非水相液体的成分和土壤类别选用最优化的表面活性剂。该项技术的可行性取决于场地地质条件和场地中存在的重质非水相液体的类别。" V& L) m2 C% k
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9 V& A- H. m  X0 ?图8:注入地下用于恢复DNAPL移动性的表面活性剂
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监测自然衰减
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自然衰减包括物理,化学,或生物过程,在无人为介入的前提下导致土壤和地下水中的污染物的质量,毒性,迁移性,体积或浓度降低的过程。这些原位过程包括生物降解,扩散,稀释,吸附,挥发,和污染物的化学或生物稳定化,转化,或者消失。监测自然衰减的定义意味着修复进程需要定期评估以确保修复达到预期的效果,例如污染羽停止扩张,对人体健康和环境没有新的或增加的威胁。主动修复技术很少能达到百分之百去除污染物的目标。因此,监测自然衰减常常被包括在每一个含氯有机溶剂场地修复方案中。9 Q% \9 @7 {4 M8 a3 z2 z7 _

" I; c' b! Z9 T8 ~2005到2008财年间,超级基金627份地下水污染羽处理的决策文件中有116份(19%)包括了监测自然衰减(美国环保署)。
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封固阻隔
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% ^/ b8 s* h# \4 i阻隔技术的目标是为了阻止或减少源头的污染总量排放。阻隔措施应考虑系统下游区域中粉土和粘土带污染物逆向扩散的可能,这会导致一段时间内污染源阻隔区域的下游污染物浓度持续不降。
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主要的阻隔技术包括以下几种:
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* e  ^. c9 }0 j2 ~. Y抽提处理法,通过抽提井泵抽取污染地下水,使用多种地上技术处理(例如:空气吹脱,碳吸附,冷凝或热氧化室)处理废水。抽提处理法一般可以有效的去除水相污染物。因为抽提井位于相较于污染源下游区域,其可以拦截污染羽的进一步迁移和污染物随浓度梯度的扩散,所以该修复方法通常用作污染羽的捕获和阻隔。* o6 L; u% a: W' J5 b

( A; r: p* s2 a+ w' C4 R% x渗透反应墙,通常由可以直接或间接清除溶解污染物的材料制成,污染物随地下水流经反应墙时被去除。渗透反应墙一般包括化学的或者生物活性介质,这也使其被认为是化学或生物技术。渗透反应墙一般由ZVI(零价铁)灌注制成。& {8 B/ P3 u9 h; F' S: F! _1 I
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低渗透屏障墙,该方法用于阻止或控制流体进入或离开阻隔区域。常见对低渗透屏障墙的补充措施是从阻隔的区域内提取地下水,来保持水力梯度指向阻隔区域内部。低渗透性墙可以使用板桩结构屏障和泥浆墙。板桩可以装到地表以下。单块板可以互相合并在一起。泥浆墙是一种沟渠,其中灌入浆状膨润土或水泥土。
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根据调查,全美362个源头修复(包括处理和非处理)中有80个(20%)采用了源头阻隔和垂直工程屏障(2004年)。7 W/ v; H* i* ^
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联合修复合理性
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近些年来,修复范例已经逐渐转变为在修复阶段分别部署多于一种的修复技术,或者在污染源,污染羽内不同区域内分别部署不同修复技术。修复设计人员和含有氯化物污染场地管理者意识到,将不同修复技术有序安排,组合或形成修复系统,可以比使用单一技术更有效的降低污染物的浓度并缩短修复项目工期,尤其对包含重质非水相液体和多种污染物的复杂污染源区域。修复技术组合需要评价每种技术之间的兼容性。" e/ w2 k1 i. V

" q2 h' C( |4 O3 M9 [" k# ^表1:不同修复技术兼容性
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