场地土壤石油类挥发性气体侵入[PVI]主动式土壤气采样

查看全部 · 发表于 2021-4-7 08:45:03

主动式土壤气采样方法包括采集并分析土壤气体。这些方法提供所关注污染物的浓度数据（μg/ m3），可直接与基于风险的筛查等级进行比较或用于预测建模。最常见的使用土壤气体探针进行室外土壤气体采样的主动式技术包括：驱动式探针和埋式土壤气体采样管。

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驱动式探针

图1：驱动式探针

这种方法包括将一根采样探针插至目标深度，通过探针收集土壤气，然后将探针移除。通常探针为空心铁杆，其外径范围在12.5毫米至50毫米之间。驱动杆的中心有一根更小的惰性、可更换的软管穿过，使吸进采样管的样品气体与外部隔绝。探针可通过手动方式，直推式钻机，或者较大型的落锤式钻机安装。探针在过度固结或粗粒土质为主的土壤中会出现安装困难的状况。通常，需要表面密封措施来切断地表空气与采样深度土壤气之间的流通，但这种密封措施不能防止更深层的混合，因此驱动式探针最适用于相对均匀的中等到高渗透性土壤（通常不在低渗透性土壤中使用）。

埋式土壤气采样管

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图2：巢式采样点典型配置

该方法将一根小直径（通常为1/8英寸至1英寸外径）的惰性管或管道（不锈钢，特氟龙，聚氯乙烯，高密度聚乙烯，聚醚醚酮，Nylaflow或类似物）埋入目标深度，在一段时间后对土壤气进行采样。管材的埋入由手动杆，直推式钻机，便携式螺旋钻，小型电动钻（用于底板）或其他钻机（用于较深土层）首先钻出安装孔，再将采样管线埋入。使用干净的石英砂在进样口区域进行回填。其余钻孔空间通常用膨润土或混凝土浆进行密封。当需要重复采样，或者地质条件对驱动探针不适用时，这种方法具有显著的优势。如果环形空间密封是紧密的，多个采样管线可以“嵌套”在同一个安装钻孔中，通常被称为多层级土壤气监测井。

土壤气采样探针的建造

使用正确的土壤气探针材料并正确构建探针非常重要。以下是土壤气采样探针的推荐材料以及建造方面需要注意的问题。

使用不能吸附或不释放挥发性碳氢化合物的管材。尼龙，特氟龙和不锈钢材质在含有典型的石油碳氢化合物条件下进行了测试。对于较重分子质量的化合物，不锈钢表现出最小的吸附性，但可能不实用。与特氟龙管比较，更推荐使用尼龙，因为尼龙管价格便宜，压缩接头更易于密封。用直推法采集地下水样品常使用聚乙烯管，但不应该用于土壤气样品采集，因为聚乙烯管会吸附碳氢化合物。

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图3：气体采样材料，包括⅛英寸外径的采样管，三种类型的尖头（陶瓷，铝和编织钢丝）和两种类型的地上接口（旋塞阀和Swagelok系列配件）

建议使用⅛英寸或¼英寸外径的管材。不锈钢，铝，陶瓷或塑料（选择取决于项目需求规格）用于探针尖头材料。Swagelok系列接头或塑料阀门（双向塑料阀门或止动阀）最适合密封长期部署的采样管线。地表接口的选项包括地表/表面上的嵌入式安装，地表下终端接口（带或不带锁盖），以及其它各种地表完井部分。

设备空白样

对于所有挥发性气体侵入调查，建议收集设备空白样，特别是使用金属探针时。在现场计划开始实施前，将零级空气或氮气通过探针管道，探针尖端和采样系统，并进行收集。收集的样品应分析与土壤气关注成分相同的化合物，以确认探针在部署之前采样设备无任何污染。

平衡时间

安装探针或任何采样系统时，原位土壤气可能发生移位，土壤气恢复扰动前的分布量需要一段时间。下列平衡时间为土壤气发生位移后恢复至80%的所需时间，假设在细砂质土壤：

手动探针取样：15分钟
直推式探针取样：30分钟
通过埋入式采样管线并使用石英砂完井、密封：8个小时。
对于所需的洗井量过大或收集大量样品体积的采样点而言，通常需要密封采样点周围的表面。如果土壤多孔质程度较高且采样深度接近地表（小于3英尺），即便洗净量少，地表也需要密封。最常见的密封手段是使用水泥灌浆。

洗井与取样系统组件

用于土壤气调查的样品采集设备在安装之前，管路内会含有空气或一些其他惰性气体。采样设备必须完全将这些气体抽走，使管路中充满含有目标采样位置的土壤气，以确保收集到的样品具有代表性。土壤采样点的洗井通常使用配有三通阀的泵或注射器完成。对洗井不超过1升的小体积管路容积而言，注射器是一种廉价、简单的方法。对于较大的洗井容积，具有可调节流量和流量计的泵更有效。在采集样品之前应抽出足够的气体以清除采样系统内不具有代表性的气体（至少1单位管路容积）。

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图4：使用注射器进行采样点管路洗井

采样期间的流量和真空度

为尽量减少土壤中污染物的脱附逃逸，土壤气样品应使用尽可能低的真空度进行收集。较高的真空度增加了取样系统中泄漏的可能性。大多数机构要求采样流量小于200 mL/min。对于相对粗粒的土壤（高渗透性），流量不是土壤气体浓度的重要变量。真空度可以通过拉动注射器柱塞或使用放置在探针和样品容器之间的真空计来测量。

泄漏测试

采样系统中的泄漏或周围空气进入到探针管线中会导致周围空气稀释土壤气样本，并导致低估地下土壤气体中的实际污染物浓度。低孔隙度土壤或高含水率土壤所导致的过度真空条件可能会加剧周围空气进入管线的可能性。建议使用两种泄漏检测方法：（1）对取样过程进行“关闭”测试，并将测漏化合物或水倒在暴露在地表的土壤气探针线路上，或（2）在探针上和整个采样装置中注入示踪气体。

执行关闭测试需要首先将气体探针管线的终端封住，并对采样管线施加真空。保持真空施加至少30秒，记录开始和结束时的真空度。如果施加真空期间，真空度未能保持，则应重新检查所有连接，并重复关闭测试。一旦关闭测试成功完成，将在探头表面添加检漏剂或水。（图6和7）

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图5：关闭测试的简单采样过程：使用注射器作为真空源

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图6：采样布置包括探测管和用浸泡过检漏剂的毛巾包裹的地面探头

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图7：位于气体探针表面上方的气体护罩。系统由护罩（蓝桶）、氦气缸、现场氦探测器和用于净化的真空计注射器组成。

方法2涉及封闭整个取样装置，包括样品容器、所有管道和连接，和罩盖着的气体探头表面，里面填充示踪剂（见图8）。

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图8：用护罩覆盖整个采样系统及探头

上述方法阐述了使用手持式测量仪或现场实验室测量护罩中示踪剂化合物的浓度和现场土壤气样品中示踪剂的浓度。如果使用罐子，则需在净化后和打开罐子之前测量探测管中的示踪剂的浓度。如果探测管中的示踪剂浓度大于护罩中浓度的15倍，则应在打开罐子之前找到泄漏点并校正读数。在罐子装满后，再次测量探测管。如果探测管中的示踪剂浓度大于护罩浓度的15％，罐中的样品则可能会受到影响。在这种情况下，罐中的土壤气样品应该在实验室中对示踪剂进行测量。

收集样品

收集土壤气样品的方法有以下几种。

使用钝化罐收集活性土壤气样品

净化后，在不打开罐的前提下，把探测管和罐链接，再使用检漏剂。使用真空计测量采样前后的罐子真空度。采样之前，保证罐里有足够的真空。实验室通常把罐内的真空度设置到大约28到30英寸汞柱，再把罐运送到现场。在确认泄漏测试结果后，才可以安全地打开罐。

在密封袋中收集活性土壤气样品

净化后，在探测器上使用检漏剂之后，土壤气样品就可以通过注射器轻易地从土壤气探测器中转移到密封袋中（图9）。不宜使用密封袋上游的泵，否则样品之间会发生交叉污染。应装满密封袋，同时注意不要过度充气导致密封袋漏气。

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图9：使用注射器和三通鲁尔阀填充密封袋

使用气密玻璃容器收集活性土壤气样品

带有阀门或活塞的气密玻璃瓶和玻璃容器也可用于样品收集。采样前，应使用电动真空泵或手动真空泵将气密小瓶抽真空至大约-26至-30英寸汞柱的真空度。使用注射器取出土壤气样品，和之前不同的是针头将在三通塑料鲁尔阀的一侧使用。

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图10: 将土壤气样品从密封袋中转移到400ml罐中

将活性土壤气样品收集到吸附剂上

使用相同的注射器和三通塑料阀门，土壤气可以很容易地从土壤气探测器转移到吸附剂上。吸附剂管连接在探针和注射器之间，在注射器的抽取下，土壤气通过并附着在吸附剂上（图11）。

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图11：吸附剂管的取样装置

其他设备如低流量泵也可用于使土壤气通过吸附剂，但不应使用吸附剂上游的泵，因为会导致样品之间的交叉污染。使用前应对泵进行校准，以确保正确测量体积流量。另外，泵的流量可能会随着土壤渗透率变化而发生变化。在紧密地层采样时，采样流速不应超过50 mL / min，而在渗透地层采样时采样流速最大为200 mL / min。

样品容器和存储

对于与燃料相关的化合物（TPH，BTEX）和生物气体（CH4，CO2和O2），允许使用的容器包括密封袋，气密瓶（玻璃或不锈钢）和钝化不锈钢罐。对于卤化化合物（如TCE，TCA和PCE），允许使用的容器必须是气密的，但也需要是深色的，以消除由于光破坏造成的潜在影响。吸附剂适用于大多数VOC和SVOCs。