【技術(shù)交流】地下水修復(fù)中的液態(tài)修復(fù)劑注入技術(shù)

tiansenlin 2020-09-16

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注入修復(fù)劑是實現(xiàn)地下水修復(fù)的一個主要手段。為配合全國地下水污染防治試點，今日推出液態(tài)修復(fù)劑注入技術(shù)。

許多不同類型的修復(fù)劑可用于土壤和地下水中污染物的修復(fù)。成功修復(fù)的一個關(guān)鍵要求是修復(fù)劑與待處理污染物的接觸。無論修復(fù)劑是促進(jìn)生物降解、化學(xué)還原、化學(xué)氧化，還是改變地球化學(xué)以隔離金屬，有效地分布修復(fù)劑都是必要的。地質(zhì)、水文地質(zhì)和污染物分布都是概念性場地模型的組成部分，而建立準(zhǔn)確的場地概念模型是制定任何涉及修復(fù)劑的修復(fù)方案的關(guān)鍵步驟。液態(tài)修復(fù)劑的注入和分布的一般方法包括：（1）地下水連續(xù)循環(huán)主動注入;（2）地下水周期循環(huán)半被動注入;（3）無地下水循環(huán)的被動注入或直接注入。

介紹

修復(fù)劑可注入和分布到：（a）與污染物直接接觸；（b）在地下水中化學(xué)物質(zhì)遷移的路徑上形成生物或化學(xué)反應(yīng)帶或墻，以便在污染地下水通過反應(yīng)帶或墻時與修復(fù)劑接觸。

設(shè)計一個有效的修復(fù)劑分布方案需要了解污染場地的地質(zhì)和水文地質(zhì)。要知道在何處注入修復(fù)劑，就需要了解污染物的當(dāng)前分布情況，以及如果不采取有效的污染源控制措施，未來可能發(fā)生的情況。

由于地下水流量很低，要注入修復(fù)劑到細(xì)小地質(zhì)材料，如粉砂和粘土中，是很有挑戰(zhàn)性的。幸運(yùn)的是，向粘土注入修復(fù)劑的不同方法中，一項有前景的新技術(shù)——修復(fù)劑電動分布，通過施加直流電場來增強(qiáng)粘土單元中修復(fù)劑的分布。

修復(fù)劑可包括：

可溶于水（如電子供體如醇或糖，化學(xué)氧化劑如高錳酸鈉，或化學(xué)還原劑如硫酸亞鐵或硫化鈉）
水中乳劑（如乳化植物油）
懸浮體中非常細(xì)小的納米級顆粒（如納米級零價鐵）
懸浮液中較大的顆粒（如微米級零價鐵）
大的固體材料（如顆粒狀零價鐵、石灰石或覆蓋物），用挖溝法放置在地下，形成可滲透反應(yīng)性墻

在砂和砂粉單元中，可溶性修復(fù)劑注入容易，在地下分布更廣泛。但如果在注入后它們繼續(xù)隨地下水流遷移，則修復(fù)劑不能長時間停留在目標(biāo)注入?yún)^(qū)域。

乳化液可以注入地下并在一定距離內(nèi)分布，但其流動性往往受到乳化液化學(xué)性質(zhì)及其與地質(zhì)介質(zhì)的相互作用的限制。懸浮中的納米或微米級固體不會像可溶性修復(fù)劑那樣遠(yuǎn)離注入點，因此其分布可能更具挑戰(zhàn)性。然而，懸浮液中的固體在注入后傾向于接近注入位置，這可能有利于長期修復(fù)。懸浮液中的微?？梢允褂镁哂羞M(jìn)取性的高能量方法注入，如液壓或氣動，除非它們分解成可溶成分，否則通常不會從注入點移動。

大顆粒固體物質(zhì)通常不被注入，更多的是被放置在垂直于地下水流動方向的開挖溝槽中，其結(jié)構(gòu)稱為滲透反應(yīng)墻。本文重點介紹了可溶性、乳劑和懸浮液中納米或微米級固體在地質(zhì)物質(zhì)（如砂和砂粉）中的分布情況，可能將移動地下水作為修復(fù)劑注入和分布的一部分。

修復(fù)劑注入和分布方法

在此，將介紹三種修復(fù)劑地下注入和分布方法及其優(yōu)缺點。在每種方法中，井的布設(shè)、注入時間、注入流量、電子供體濃度、循環(huán)時間和其他操作細(xì)節(jié)都有可能不同。方法的選擇、井的布設(shè)和操作細(xì)節(jié)將取決于現(xiàn)場條件、修復(fù)目標(biāo)、合格的操作人員以及其他影響設(shè)計的現(xiàn)場特定因素。作為設(shè)計過程的一部分，有必要制定一個精確的場地概念模型，其中包括地質(zhì)學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、污染物分布和地下水地球化學(xué)。地下水?dāng)?shù)值模擬可以為評價各種方法和設(shè)計細(xì)節(jié)提供一種有價值的工具，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

1）主動修復(fù)劑注入

主動修復(fù)劑注入過程通常涉及地下水的持續(xù)抽提、混合修復(fù)劑以及混合后水的再注入（圖1）。抽提和回注井通常布置成使得注入的混合地下水被抽提向抽提井，以最大限度地控制修復(fù)劑在地下的分布，避免將污染地下水推離處理區(qū)。這一過程允許更好地控制修復(fù)劑的劑量，因為可以將目標(biāo)濃度的修復(fù)劑添加到再注入的水中。這減少了在半被動和被動處理中可能發(fā)生的高濃度修復(fù)劑的負(fù)面影響。主動再循環(huán)系統(tǒng)的缺點是注入井是連續(xù)運(yùn)行的，這種操作更容易導(dǎo)致注入井或井的結(jié)垢。注入井中電子供體的穩(wěn)定供給，促進(jìn)了注入井內(nèi)外生物量的增長，導(dǎo)致了生物淤積的增加。通常需要定期的維護(hù)和防污措施來保持注入井的正常運(yùn)行。

圖1. 主動修復(fù)劑注入過程中電子供體分布的例子。

2）半被動修復(fù)劑注入

半被動修復(fù)劑注入過程包括定期抽取地下水，添加修復(fù)劑到水中，并重新注入混合后的水。地下水定期循環(huán)（例如，每隔幾周到幾個月，圖2左側(cè)），較高濃度修復(fù)劑的分布將提供適當(dāng)劑量的修復(fù)劑，直到下一個注入周期。通常，半被動系統(tǒng)被建在垂直于地下水流方向的直線上來分布修復(fù)劑。

一旦修復(fù)劑分布好，注入和再循環(huán)過程就會停止，地下水的自然流動會將地下水帶過修復(fù)區(qū)（圖2右側(cè)）。流經(jīng)這一區(qū)域的地下水中的污染物在與修正劑接觸時得到處理。

這一過程可能需要向地下添加比主動注入更高劑量的修復(fù)劑，這可能造成修正劑濃度較高的不利影響。然而，由于背景地球化學(xué)條件的重新建立，這些影響往往在注入?yún)^(qū)下游得到緩解。半被動方法的優(yōu)點之一是注入井污垢的可能性較小，因為只需定期添加修復(fù)劑。半被動系統(tǒng)的運(yùn)行成本比主動方法要低，因為避免結(jié)垢所需的維護(hù)較少，而且系統(tǒng)是周期性運(yùn)行，而不是全時間運(yùn)行。

圖2. 定期半被動修正注入過程中的電子供體分布。左側(cè)顯示注入階段，右側(cè)顯示被動階段。

3）被動修復(fù)劑注入

被動修復(fù)劑注入是指在分離點注入，以形成一個不需要地下水再循環(huán)的處理區(qū)。注入點布置通常是在垂直于地下水流動方向的一條直線上設(shè)置一條或多條注入點線（圖3左側(cè)）。注入可定期重復(fù)，并將提供適當(dāng)數(shù)量的修復(fù)劑，直到下一個修復(fù)劑添加周期。分布修復(fù)劑所需的注入點數(shù)量比半被動系統(tǒng)要多，因為地下水沒有循環(huán)來在注入點和抽取點之間分布修復(fù)劑。注入后，地下水的自然流動將地下水帶過修復(fù)劑所在區(qū)（圖3，右側(cè)）。

被動注入系統(tǒng)比主動和半被動系統(tǒng)需要更多的井，通常更適合淺層地下水的處理，在淺層安裝注入井或注入點的成本低于深層地下水。主動和半被動系統(tǒng)需要的井?dāng)?shù)更少，因此在單口井安裝成本更高的情況下，對較深的地下水更經(jīng)濟(jì)有效。相比主動或半被動方法，被動方法需要更高劑量的修復(fù)劑添加到地下，它可以造成高濃度修復(fù)劑的更大負(fù)面影響，比如強(qiáng)還原條件增強(qiáng)原位生物修復(fù)，可能使金屬遷移，如鐵、錳和砷。與半被動注入方法相比，被動注入方法需要更多分離注入點，而且當(dāng)目標(biāo)處理區(qū)間較深時，安裝井或注入點的成本也較高。

圖3. 被動修正注入的電子供體分布。左側(cè)顯示注入階段，右側(cè)顯示被動階段。

不同方法的相對優(yōu)勢

主動和半被動方法需要的井?dāng)?shù)比被動注入方法少，而且往往在安裝單口井成本較高的深層地下水污染上更具成本效益。主動方法保持穩(wěn)定的修復(fù)劑濃度，當(dāng)修復(fù)劑濃度的周期性高峰值對水質(zhì)的影響值得關(guān)注時，主動方法是有利的。主動方法確實有操作成本高的缺點，包括控制生物淤積。與被動注入相比，半被動方法需要的井?dāng)?shù)更少，但通常比主動方法的操作成本更低。與主動或半被動方法相比，被動方法需要更多的井或注入點，但對于單個注入點成本較低的淺層地下水來說，這種方法具有成本效益。在修復(fù)劑濃度大幅升高可能對水質(zhì)產(chǎn)生不利影響的情況下，不贊成采用被動方法。

（編譯于Injection Techniques for Liquid Amendments,Thomas Krug）

文章來源：寶航環(huán)境修復(fù)