萬(wàn) 鵬 楊鶴峰 周四喜 魏寶瑩 肖 滿(mǎn) 張石磊 鐘茂生

(1.中節(jié)能大地環(huán)境修復(fù)有限公司，北京 100083；2.北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，北京 100037)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，化工、煉焦等重污染企業(yè)逐步被搬遷至城郊工業(yè)園區(qū)，原遺留場(chǎng)地可能存在土壤和地下水污染的問(wèn)題，影響再開(kāi)發(fā)利用?！蛾P(guān)于加強(qiáng)工業(yè)企業(yè)關(guān)停、搬遷及原址場(chǎng)地再開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中污染防治工作的通知》(環(huán)發(fā)〔2014〕66號(hào))要求，污染場(chǎng)地必須經(jīng)管控或修復(fù)合格后才能開(kāi)發(fā)利用，以保障工業(yè)企業(yè)場(chǎng)地再開(kāi)發(fā)利用環(huán)境安全。苯是化工、煉焦等企業(yè)遺留場(chǎng)地中常見(jiàn)的一種揮發(fā)性有機(jī)污染物，可經(jīng)呼吸道、皮膚、消化道吸收進(jìn)入人體，引起各種急、慢性中毒[1]。目前，國(guó)內(nèi)存在大量苯污染場(chǎng)地，且有不少場(chǎng)地污染范圍廣、污染深度深。

苯污染場(chǎng)地的修復(fù)通常是采用物理、化學(xué)、生物等技術(shù)對(duì)整個(gè)污染區(qū)域進(jìn)行修復(fù)[2-5]。實(shí)際上，對(duì)于規(guī)劃為物流倉(cāng)儲(chǔ)、綠地公園等用地類(lèi)型的污染場(chǎng)地，并不需要對(duì)整個(gè)污染區(qū)域進(jìn)行修復(fù)，而只需要對(duì)苯進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管控[6]，保證風(fēng)險(xiǎn)管控區(qū)域的土壤氣中苯含量不超過(guò)《污染場(chǎng)地?fù)]發(fā)性有機(jī)物調(diào)查與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》(DB11/T 1278—2015)土壤氣篩選值(3.95 mg/m3)即可。

因此，本研究從規(guī)劃為物流倉(cāng)儲(chǔ)、綠地公園等用地類(lèi)型的污染場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)管控要求出發(fā)，開(kāi)發(fā)了一種微曝氣阻隔技術(shù)，以北京某焦化廠苯精制車(chē)間廢棄場(chǎng)地為研究對(duì)象，用清潔土壤對(duì)風(fēng)險(xiǎn)管控區(qū)域的污染土壤進(jìn)行置換，同時(shí)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)管控區(qū)域四壁進(jìn)行阻隔，并向清潔土壤和污染土壤交界層進(jìn)行微曝氣，促進(jìn)好氧微生物的生長(zhǎng)和繁殖，從而將苯阻隔在曝氣層以下。微曝氣阻隔技術(shù)作為一種半原位的污染場(chǎng)地修復(fù)技術(shù)，只對(duì)風(fēng)險(xiǎn)管控區(qū)域污染土壤進(jìn)行置換，能夠極大程度降低工程量和成本，是一種局部修復(fù)與總體管控耦合的治理方式。

1 材料與方法

1.1 風(fēng)險(xiǎn)管控區(qū)域進(jìn)行微曝氣阻隔

根據(jù)前期調(diào)查，北京某焦化廠苯精制車(chē)間廢棄場(chǎng)地土壤氣中苯質(zhì)量濃度最高達(dá)到108μg/m3數(shù)量級(jí)，污染深度最深達(dá)42 m。本研究設(shè)定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域大小為10 m×10 m×4 m，將風(fēng)險(xiǎn)管控區(qū)域的土壤挖空作為基坑，基坑側(cè)壁先用土工布覆蓋，然后鋪設(shè)1.5 mm厚的高密度聚乙烯膜(HDPE)進(jìn)行基坑邊界阻隔，基坑底部鋪設(shè)15 cm厚的石英砂(粒徑2～4 mm)濾料層，同時(shí)在石英砂層中平行鋪設(shè)4根聚氯乙烯(PVC)割縫管(內(nèi)徑63 mm)，一端與地表曝氣系統(tǒng)相連接，最后用無(wú)苯污染的潔凈粉土進(jìn)行回填。地表曝氣系統(tǒng)主要由高壓風(fēng)機(jī)(XGB-1500)、渦街流量計(jì)(PFT-LUGB-2305-N)、膜盒壓力表(YE75)組成。

回填后，挖出9口土壤氣監(jiān)測(cè)井(SG1～SG9)。每口土壤氣監(jiān)測(cè)井分別在距離地表1.5、2.5、3.5、5.0 m處設(shè)置土壤氣探頭進(jìn)行土壤氣樣品采集，每次取樣每個(gè)深度處9口土壤氣監(jiān)測(cè)井的數(shù)據(jù)取平均值。監(jiān)測(cè)井中除探頭安裝處填充石英砂外，其他空間均用膨潤(rùn)土填滿(mǎn)?；悠矫娓┮晥D如圖1所示。

圖1 基坑平面俯視圖Fig.1 Top view of the foundation pit

由于土壤氣的擴(kuò)散及降解需要較長(zhǎng)時(shí)間，第1次取樣在回填2個(gè)月后進(jìn)行，每月取樣1次，共取樣5次。前3次土壤氣取樣均未曝氣，以了解苯的自然降解趨勢(shì)。第3次取樣完成后進(jìn)行曝氣1次，以初步了解曝氣的影響，第4次取樣完成后共進(jìn)行曝氣3次，以快速實(shí)現(xiàn)對(duì)深層土壤氣中苯向上遷移途徑的阻隔。設(shè)定每次曝氣量為20 m3，曝氣流量為75 m3/h，曝氣時(shí)間16 min。

1.2 土壤氣檢測(cè)

每次土壤氣取樣時(shí)，首先將便攜式沼氣分析儀(BIOGAS 5000)與土壤氣探頭連接，現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)O2、CO2、CH4、H2S(以體積分?jǐn)?shù)計(jì))，待數(shù)值穩(wěn)定后進(jìn)行記錄；然后設(shè)置氣泵流量200 mL/min，洗井10 min，空氣采樣器(SKC air check-2000)與土壤氣探頭連接，采集土壤氣10 min，送往實(shí)驗(yàn)室按《環(huán)境空氣 苯系物的測(cè)定 活性炭吸附/二氧化硫解吸-氣相色譜法》(HJ 584—2010)檢測(cè)土壤氣中苯含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤氣中O2含量

土壤氣中O2體積分?jǐn)?shù)隨取樣時(shí)間的變化如圖2所示。不進(jìn)行曝氣，土壤中微生物主要為厭氧微生物。越靠近上層的土壤受大氣的影響越大。位于污染土層的5.0 m深度處前3次取樣O2含量都極低。潔凈粉土回填的土層中隨深度變淺O2含量增加，并且隨時(shí)間的延長(zhǎng)O2含量也增加。曝氣1次后，第4次取樣發(fā)現(xiàn)，3.5、5.0 m深度處O2含量與第3次相比無(wú)明顯變化，而1.5、2.5 m深度處反而降低，說(shuō)明1次曝氣不足以改變深層土壤的厭氧狀態(tài)，對(duì)淺層土壤而言可能僅能激活好氧微生物，使其消耗O2，而無(wú)法積累O2。再曝氣3次后，第5次取樣發(fā)現(xiàn)，各土層O2含量均大幅增加。

圖2 土壤氣中O2體積分?jǐn)?shù)隨取樣時(shí)間的變化Fig.2 Change of oxygen volume fraction in soil gas with sampling time

O2含量是好氧微生物生長(zhǎng)的重要條件，只有O2積累了，好氧微生物才能以土壤氣中的苯作為碳源將其分解為CO2和H2O。因此，O2含量與苯降解過(guò)程密切相關(guān)，是評(píng)價(jià)阻隔效果的重要指標(biāo)[7]。

2.2 土壤氣中CO2含量

土壤氣中CO2體積分?jǐn)?shù)隨取樣時(shí)間的變化如圖3所示。與O2含量不同，CO2含量隨深度變深而呈增加趨勢(shì)，阻隔起到了一定的作用。CO2來(lái)源比較復(fù)雜，既有大氣補(bǔ)給來(lái)源，也有微生物好氧呼吸作用的來(lái)源，還可能來(lái)源于苯的化學(xué)降解。苯、O2和CO2含量是一種動(dòng)態(tài)關(guān)系。

2.3 土壤氣中CH4含量

土壤氣中CH4體積分?jǐn)?shù)隨取樣時(shí)間的變化如圖4所示。與CO2含量相似，CH4含量隨深度變深而呈增加趨勢(shì)。曝氣對(duì)1.5～3.5 m深度處的CH4基本沒(méi)有影響，CH4基本被阻隔在了清潔土壤和污染土壤交界層以下。

圖4 土壤氣中CH4體積分?jǐn)?shù)隨取樣時(shí)間的變化Fig.4 Change of methane volume fraction in soil gas with sampling time

CH4是苯厭氧發(fā)酵的產(chǎn)物，其含量主要表征了厭氧發(fā)酵作用的強(qiáng)弱。

2.4 土壤氣中H2S含量

土壤氣中H2S含量隨取樣時(shí)間的變化如圖5所示。H2S也是厭氧微生物發(fā)酵的產(chǎn)物。清潔土壤和污染土壤交界層以上未檢出H2S，而交界層以下檢測(cè)到的H2S體積分?jǐn)?shù)也在10-6以下，證明了微曝氣對(duì)有機(jī)污染物厭氧發(fā)酵的抑制作用，也進(jìn)一步證明了阻隔作用的有效性。

2.5 土壤氣中苯含量

土壤氣中苯含量隨取樣時(shí)間的變化如圖6所示。5.0 m深度處，前3次取樣土壤氣中苯濃度不斷衰減，說(shuō)明厭氧情況苯也能有一定程度的降解。曝氣1次后，第4次取樣發(fā)現(xiàn)，苯濃度不但沒(méi)有減少反而增加，這可能是曝氣抑制了厭氧微生物降解苯，但曝氣量還無(wú)法達(dá)到好氧微生物所需的O2，因此反而抑制了苯的降解，而曝氣的擾動(dòng)作用又加速了苯的逸出。再曝氣3次后，第5次取樣發(fā)現(xiàn)，在好氧微生物作用下，土壤氣中苯被迅速降解。這一結(jié)果與O2含量變化的結(jié)果分析相吻合。而且，阻隔作用使得1.5～3.5 m深度處的苯含量始終保持在較低水平。

圖5 土壤氣中H2S體積分?jǐn)?shù)隨取樣時(shí)間的變化Fig.5 Change of hydrogen sulfide volume fraction in soil gas with sampling time

第5次取樣結(jié)果顯示，5.0 m深度處苯質(zhì)量濃度已經(jīng)降至0.79 mg/m3，而清潔土層中苯質(zhì)量濃度全部降到了0.22 mg/m3以下，能夠滿(mǎn)足DB11/T 1278—2015土壤氣中苯的篩選值(3.95 mg/m3)。

由此可見(jiàn)，微曝氣阻隔技術(shù)作為一種揮發(fā)性有機(jī)物污染場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)管控技術(shù)具有可行性。

3 結(jié) 論

不曝氣時(shí)，土壤中微生物主要為厭氧微生物。

曝氣1次不足以改變深層土壤的厭氧狀態(tài)，對(duì)淺層土壤而言無(wú)法達(dá)到好氧微生物所需的足夠O2，使得苯既不能被厭氧降解也不能被好氧降解，反而因擾動(dòng)作用加速了苯的逸出，使得苯含量不減反增。再曝氣3次后，各土層O2含量均大幅增加，5.0 m深度處苯質(zhì)量濃度降至0.79 mg/m3，而清潔土層中苯質(zhì)量濃度全部降到了0.22 mg/m3以下，能夠滿(mǎn)足DB11/T 1278—2015土壤氣中苯的篩選值(3.95 mg/m3)。