侯 盾，徐青松，張志強(qiáng)，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(kāi)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(jì)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(lèi)有機(jī)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(lèi)化合物具有“三致”效應(yīng)，美國(guó)、歐盟及我國(guó)均將該物質(zhì)標(biāo)定為需優(yōu)先控制的有毒有害有機(jī)污染物〔1〕。近些年隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的推進(jìn)，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(xiǎn)的大量工業(yè)企業(yè)遺留場(chǎng)地的地下水污染形勢(shì)十分嚴(yán)峻〔2〕。氯代烴污染的地下水處理難度大，運(yùn)行成本高〔3〕，亟需使用高效且運(yùn)行經(jīng)濟(jì)的技術(shù)對(duì)氯代烴污染地下水進(jìn)行處理。

1 工程概況

某地環(huán)保局聯(lián)合相關(guān)部門(mén)對(duì)一廢棄小型化工廠(chǎng)進(jìn)行勘察，發(fā)現(xiàn)該工廠(chǎng)地面有明顯的污染物泄露痕跡，空氣充滿(mǎn)刺鼻氣味；廠(chǎng)區(qū)院外正南方向15 m處有一疑似用于排污的滲坑，廠(chǎng)區(qū)排水管下約1 m處有一直徑約10 cm的暗管與廠(chǎng)外滲坑相連，暗管十分隱蔽。該工廠(chǎng)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(chǎng)生產(chǎn)期間的廢水量應(yīng)在418 t以上。

該污染場(chǎng)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(duì)于尚無(wú)適用或適合要求的目標(biāo)污染物，則基于風(fēng)險(xiǎn)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(jì)可行性。

根據(jù)《某氯代烴污染場(chǎng)地地下水污染調(diào)查評(píng)估報(bào)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(kāi)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(hù)區(qū)進(jìn)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(yùn)行約50 d，累計(jì)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(xiàn)水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 37∕599—2006），對(duì)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)、《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)、《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB∕T 14848—2017）Ⅳ類(lèi)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(kāi)展地下水抽出處理工作，現(xiàn)場(chǎng)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(duì)象主要針對(duì)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(shí)施過(guò)程中通過(guò)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(shí)，利用獲取的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，優(yōu)化抽水方案并進(jìn)行試抽水，確定最優(yōu)方案，最后對(duì)抽出的地下水進(jìn)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(duì)地下水中的顆粒物進(jìn)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(xiàng)處理單元

3.1 抽提井系統(tǒng)

基于場(chǎng)地水文地質(zhì)特征、場(chǎng)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(jì)抽提井6眼。

第一層地下水設(shè)計(jì)抽提井1眼，孔徑110 mm，井深17 m，監(jiān)測(cè)井4眼；第二層地下水設(shè)計(jì)抽提井2眼，孔徑110 mm，井深23 m，監(jiān)測(cè)井8眼；基巖裂隙含水層設(shè)計(jì)抽提井3眼，孔徑110 mm，井深30 m，監(jiān)測(cè)井12眼，如圖3所示。鑒于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)構(gòu)造的特殊性，抽提井的布置可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)勘結(jié)果和建井時(shí)地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果等進(jìn)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(jià)鐵、二價(jià)錳等）及無(wú)機(jī)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(jìn)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(xiàng)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(tái)，單臺(tái)流量30 m3∕h，揚(yáng)程為10 m，功率為2.2 kW；超聲波液位計(jì)1臺(tái)，量程0～5 m。水泵運(yùn)行狀態(tài)根據(jù)泵坑內(nèi)液位信號(hào)自動(dòng)控制，即坑內(nèi)液位處于高液位（又稱(chēng)超高液位）時(shí)，2臺(tái)泵啟動(dòng)；坑內(nèi)液位處于中液位（又稱(chēng)運(yùn)行液位）時(shí)，1臺(tái)泵啟動(dòng)；坑內(nèi)液位處于低液位（又稱(chēng)警報(bào)液位）時(shí)，水泵停止運(yùn)行。

3.3 核心處理系統(tǒng)

國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)地下水中的鹵代烴開(kāi)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(guò)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(shí)間長(zhǎng)且能耗高〔5〕；堿活化過(guò)硫酸鹽氧化技術(shù)短時(shí)間內(nèi)可造成地下水硫酸鹽激增，存在二次污染風(fēng)險(xiǎn)〔6〕；曝氣吹脫技術(shù)為美國(guó)環(huán)保署（EPA）推薦的去除揮發(fā)性有機(jī)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(xiàng)目要求在50 d內(nèi)抽出處理超過(guò)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(xiàng)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(jìn)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(jī)2臺(tái)，變頻調(diào)節(jié)，出風(fēng)量600～1 500 Nm3∕h；離心式進(jìn)水泵2臺(tái)，流量15 m3∕h，揚(yáng)程10 m；處理出水輸送泵2臺(tái)，離心式，流量15 m3∕h，揚(yáng)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(jī)物（VOCs）隨氣體帶出，尾氣中的VOCs經(jīng)2級(jí)串聯(lián)氣相活性炭吸附裝置去除，最后通過(guò)煙囪達(dá)標(biāo)排放。

氣相活性炭吸附裝置配置2臺(tái)，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(tái)活性炭罐總裝填量4 t。每臺(tái)罐底部設(shè)電動(dòng)卸料器1臺(tái)，功率0.75 k W，頂部裝料設(shè)速開(kāi)∕閉密封蓋1個(gè)。

3.4 深度處理系統(tǒng)

鑒于時(shí)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(cè)，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(guò)濾料對(duì)沉淀池出水中的細(xì)小SS、膠體等進(jìn)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?，F(xiàn)場(chǎng)配置1臺(tái)砂濾罐，外形尺寸D1 800 mm，主體材質(zhì)為碳鋼防腐，水流方向?yàn)橄铝魇剑瑸V料為砂子、卵石，直段高度1.5 m，總高3 250 mm。

配套進(jìn)水泵為2臺(tái)立式管道泵，分別對(duì)應(yīng)1套高效吹脫裝置，單泵流量15 m3∕h，揚(yáng)程20 m，電機(jī)功率2.2 k W；配置1臺(tái)立式管道泵作為反沖洗泵，流量110 m3∕h，揚(yáng)程25 m，電機(jī)功率15 kW。

3.4.2 液相活性炭吸附罐

用活性炭對(duì)水體中殘留的有機(jī)物和金屬離子進(jìn)行深度處理?，F(xiàn)場(chǎng)配置1臺(tái)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(jìn)水泵為1臺(tái)立式管道泵，流量30 m3∕h，揚(yáng)程20 m，電機(jī)功率4 k W；反沖洗泵與砂濾罐共用。

3.4.3 清水池

現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(tái)立式管道泵（1用1備）同時(shí)兼顧事故泵和輸送泵雙重作用，流量30 m3∕h，揚(yáng)程20 m，電機(jī)功率4 kW。

4 工程特點(diǎn)與運(yùn)行效果

4.1 工程特點(diǎn)

（1）高效吹脫裝置設(shè)計(jì)。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(shí)，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(jì)有效的方法為采用填料型和板式型裝置進(jìn)行高效吹脫處理。

填料型吹脫裝置具有氣液兩相接觸時(shí)間較長(zhǎng)、氣液比可在較大范圍內(nèi)變動(dòng)、氣相壓降較低、操作彈性好的特點(diǎn)，但存在填料層易堵、液體停留時(shí)間短、填料清洗困難等問(wèn)題。因此，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施時(shí)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(duì)復(fù)雜，操作管理要求高。

該項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)實(shí)運(yùn)塔層數(shù)改變。與國(guó)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(jī)設(shè)計(jì)，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(jí)塔層的吹脫時(shí)間可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，根據(jù)運(yùn)行工況調(diào)節(jié)吹脫時(shí)間，提高吹脫效率；上下塔層水流的連接設(shè)計(jì)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(jī)設(shè)計(jì)，可方便調(diào)節(jié)氣水比，實(shí)現(xiàn)不同工藝目的。

（2）氣相活性炭吸附裝置設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)活性炭吸附塔的進(jìn)氣管設(shè)置在罐體底面，缺少配氣裝置，氣場(chǎng)分布不勻，無(wú)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(shí)需將吸附塔上部的未飽和填料及下部飽和填料同時(shí)卸出，一次全部更換，造成一定程度的浪費(fèi)。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了氣相活性炭吸附裝置，增加布?xì)庹?，通過(guò)對(duì)配氣的設(shè)計(jì)優(yōu)化氣體流場(chǎng)，提高對(duì)VOCs的吸附效率；卸料管處設(shè)有順序性手動(dòng)和電動(dòng)卸料閥，實(shí)現(xiàn)定量、連續(xù)卸料，省時(shí)省力，同時(shí)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_(kāi)封蓋，方便快速開(kāi)合，實(shí)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〕?？刂苹钚蕴砍叽鐬?.42～2.05 mm（40目～10目），測(cè)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(duì)比Table 2 Performance of activated carbon

由表2可見(jiàn)，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(yùn)行效果

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際日平均處理量為250 m3，運(yùn)行53 d，累計(jì)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(jiàn)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(xiàn)水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 37∕599—2006）一般保護(hù)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(lèi)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(xiàng)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(jìn)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(jì)效益評(píng)價(jià)

地下水抽出處理部分總投資約140萬(wàn)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(fèi)、藥劑費(fèi)（混凝劑、助凝劑）、活性炭費(fèi)用、危廢處置、設(shè)備折舊費(fèi)、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)、易損易耗品和其他費(fèi)用等，各部分費(fèi)用比例如表3所示。

表3 工藝運(yùn)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(duì)某氯代烴污染場(chǎng)地地下水進(jìn)行工程修復(fù)，現(xiàn)場(chǎng)日平均處理量250 m3，運(yùn)行53 d，累計(jì)處理13 250 m3氯代烴重度污染地下水?？偮却鸁N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(xiàn)水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 37∕599—2006）一般保護(hù)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(lèi)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(shí)施有效改善了該區(qū)域地下水的水質(zhì)，同時(shí)可為高效吹脫技術(shù)處理其他揮發(fā)性污染物地下水項(xiàng)目提供技術(shù)借鑒和工程示范。