第三章-污染土壤的物理修复课件.ppt

1、2021/3/241第三章第三章 污染土壤的物理修复污染土壤的物理修复2021/3/242主要内容主要内容物理分离修复技术土壤蒸汽浸提修复技术固定/稳定化土壤修复技术玻璃化修复技术热力学修复技术热解吸修复技术电动修复技术冰冻修复技术2021/3/243一、物理分离修复技术一、物理分离修复技术 借助物理手段将污染物从土壤胶体上分离开来的技术。1.1 1.1 技术原理与过程技术原理与过程1.1.1 1.1.1 技术原理技术原理 依据粒径的大小,采用过滤或微过滤的方法进行分离 依据分布、密度大小、采用沉淀或离心分离 依据磁性有无或大小,采用磁分离手段 根据表面特征,采用浮选法进行分离2021/3/2

2、44技术种技术种类类粒径分离粒径分离（筛分）（筛分）水动力学分离水动力学分离（分类）（分类）密度分离（重密度分离（重力）力）泡沫浮泡沫浮选分离选分离磁分离磁分离技术优技术优点点设备简单设备简单,费用低廉费用低廉,可持续高可持续高处理产出处理产出设备简单设备简单,费费用低廉用低廉,可持可持续高处理产出续高处理产出设备简单设备简单,费费用低廉用低廉,可持可持续高处理产出续高处理产出尤其适尤其适合于细合于细粒级的粒级的处理处理如果采用高如果采用高梯度的磁场梯度的磁场,可以恢复较可以恢复较宽范围的污宽范围的污染介质染介质局限性局限性 筛子易塞、筛子易塞、细格筛易细格筛易损坏、产损坏、产生粉尘生粉尘当土

3、壤中有较当土壤中有较大比例的粘粒、大比例的粘粒、粉粒和腐殖质粉粒和腐殖质存在时很难操存在时很难操作作当土壤中有较当土壤中有较大比例的粘粒、大比例的粘粒、粉粒和腐殖质粉粒和腐殖质存在时很难操存在时很难操作作颗粒必颗粒必须以较须以较低的浓低的浓度存在度存在处理费用比处理费用比较高较高所需装所需装备备筛子、过筛子、过滤器、矿滤器、矿石筛石筛澄清池、淘析澄清池、淘析器、水力旋风器、水力旋风器器震荡床、螺旋震荡床、螺旋浓缩器浓缩器空气浮空气浮选室或选室或塔塔电磁装置、电磁装置、磁过滤器磁过滤器物理分离技术的主要属性物理分离技术的主要属性2021/3/245物理分离技术要考虑的一些因素物理分离技术要考虑的

4、一些因素 要求污染物具有较高浓度并且存在于具有不同物理特征的相介质中 筛分干污染物时会产生粉尘 固体基质中的细粒径部分和废液中的污染物需要进行再处理2021/3/2461.1.2 1.1.2 物理分离过程物理分离过程主要包括主要包括:针对不同土壤颗粒土壤颗粒粒级（如粗砂、细砂和粘粒等）、粒径或形状,可通过不同大小、形状网格的筛子进行分离 依据颗粒水动力学颗粒水动力学原理,将不同密度的颗粒,通过其重力作用导致的不同沉降、沉淀速率进行分离 根据颗粒表面特征颗粒表面特征的不同,采用浮选法,将其中一些颗粒吸引到目标泡沫上进行分离 一些物质具有磁性磁性,或者污染物本身具有磁感应效应,尤其是一些重金属20

5、21/3/2472021/3/2481.2 1.2 物理分离修复方法物理分离修复方法1.2.1 1.2.1 粒径分离粒径分离:根据颗粒直径的大小分离固体 干筛分干筛分:能成功处理大或中等的土壤颗粒,处理小于0.060.09m粒级比较难 湿筛分湿筛分:易产生一定量的污水,湿的土壤使下一步的化学处理比较难 摩擦摩擦-洗涤洗涤:摩擦洗涤器不是真正的颗粒分离设备,但能够打碎土壤团聚体结构,将氧化物或其它胶膜从土壤胶体上洗下来2021/3/249采用湿分离技术要遵循的原则采用湿分离技术要遵循的原则 当大量重金属以颗粒状存在时,特别推荐采用湿筛分方式 如果接下来的化学处理需要水,如采用土壤清洗或土壤淋洗技

6、术,也采用湿筛分 如果处理得到的重金属可以循环再利用或废液不需要很多的化学处理试剂,也采用湿筛分2021/3/24101.2.2 1.2.2 水动力学分离水动力学分离也称粒度分级,基于颗粒在流体中的移动速度将其分成两部分或多部分的分离技术。颗粒在流体中的移动速度取决于颗粒大小、密度和形状。可以通过强化流体在与颗粒运动方向相反的方向上运动,提高分离效率。主要仪器:淘选机、机械粒度分级机、水力旋风分离器等2021/3/24112021/3/2412螺旋分级的工作过程示意图螺旋分级的工作过程示意图2021/3/24131.2.3 1.2.3 密度（或重力）分离密度（或重力）分离 基于物质密度,采用重

7、力富集方式分离颗粒。在重力和其他一种或多种与重力方向相反的作用力的同时作用下,不同密度的颗粒产生的运动行为也有所不同。重力分离对粗糙颗粒比较有效 主要仪器:振动筛、螺旋富集器、摇床、比目床2021/3/2414尾渣进料水振动筛网浓缩物排放水上下运动箱体震动筛设备及其原理示意图震动筛设备及其原理示意图2021/3/24152021/3/24162021/3/24171.2.4 1.2.4 脱水分离脱水分离 一般采用的脱水方法有过滤、压滤、离心和沉淀一般采用的脱水方法有过滤、压滤、离心和沉淀2021/3/2418技术技术过滤过滤压滤压滤离心离心沉淀沉淀基本原理基本原理及影响因及影响因素素通过多孔介

8、通过多孔介质质;取决于取决于颗粒粒径颗粒粒径压缩液体通过可渗压缩液体通过可渗透的多孔介质透的多孔介质;颗颗粒粒径粒粒径人为重力沉降人为重力沉降;粒径、形状、粒径、形状、密度以及流体密度以及流体密度密度重力沉降重力沉降;粒径、粒径、形状、密度以形状、密度以及流体密度可及流体密度可以借助浮选剂以借助浮选剂技术优点技术优点 操作简单操作简单,分分离可具有较离可具有较高的选择性高的选择性可处理难以泵送的可处理难以泵送的泥浆物质泥浆物质,处理过处理过的固体含水量比较的固体含水量比较低低处理能力较大处理能力较大,速度较快速度较快设备简单、便设备简单、便宜宜,处理能力较处理能力较大大局限性局限性序批式操作序

9、批式操作特征特征,清洗较清洗较为困难为困难需要高压力需要高压力,有时有时增加流体的阻力增加流体的阻力价格较贵价格较贵,设设备结构复杂备结构复杂慢慢设备类型设备类型举例举例转鼓、转盘、转鼓、转盘、水平过滤器水平过滤器序批式操作、需要序批式操作、需要持续压力持续压力固体沉降容器、固体沉降容器、离心多孔筐离心多孔筐圆筒形连续粒圆筒形连续粒度分机级度分机级典型的实典型的实验室规模验室规模设备设备真空过滤器、真空过滤器、压滤器压滤器压滤机、压力设备压滤机、压力设备工作台或落地工作台或落地离心分离机离心分离机圆筒形管、有圆筒形管、有倾口容器、浮倾口容器、浮选剂选剂常见脱水分离修复技术的主要技术特点常见脱水

10、分离修复技术的主要技术特点2021/3/2419分离过程分离过程粒度范围（粒度范围（mm）粒径粒径分离分离干筛分3000湿筛分150水动水动力学力学分离分离淘选机50水力旋风分离器515机械粒度分级机5100密度密度分离分离振动筛150螺旋富集器753000摇床753000比目床5100泡沫浮选泡沫浮选5500采用物理分离技术的适用粒度范围采用物理分离技术的适用粒度范围2021/3/2420应用实例分析应用实例分析2021/3/2421射击场污染土壤物理分离修复方案射击场污染土壤物理分离修复方案2021/3/2422二、土壤蒸气浸提修复技术二、土壤蒸气浸提修复技术2.1 概念概念 土壤蒸气浸提

11、修复技术（Soil vapour extraction,SVE）是指通过降低土壤空隙的蒸气压,把土壤中的污染物转化为蒸气形式而加以去除的技术,是利用物理方法去除不饱和土壤中挥发性有机组分（VOCs）污染的一种修复技术,该技术适用于高挥发性化学污染土壤的修复,如汽油、苯和四氯乙烯等污染的土壤 SVE,also known as soil venting or vacuum extraction,is an in situ remedial technology that reduces concentrations of volatile constituents in petroleum pr

12、oducts adsorbed to soils in the unsaturated(vadose)zone.2021/3/24232.2 2.2 土壤蒸气浸提修复技术的基本原理土壤蒸气浸提修复技术的基本原理 在污染土壤内引入清洁空气产生驱动力,利用土壤固相、液相和气相之间的浓度梯度,在气压降低的情况下,将其转化为气态的污染物排出土壤外的过程2021/3/24242021/3/24252021/3/24262021/3/24272.3 2.3 土壤蒸汽浸提技术种类土壤蒸汽浸提技术种类原位土壤蒸汽浸提技术异位土壤蒸汽浸提技术多相浸提技术（两相浸提技术、两重浸提技术）生物通风技术2021/3/2

13、428原位土壤蒸气浸提技术原位土壤蒸气浸提技术 利用真空通过布置在不饱和土壤层不饱和土壤层中的提取井向土壤中导入气流,气流经过土壤时,挥发性和半挥发性的有机物挥发,随空气进入真空井,气流经过后,土壤得到了修复。主要用于挥发性有机卤代物或非卤代物的修复,有时也应用于去除土壤中的油类、重金属及其有机物、多环芳烃或二恶英等污染物2021/3/24292021/3/24302021/3/2431 气体抽排井的分布、形状、深度、口径大小等需根据污染区的地质条件、地下水水位、污染范围等决定 抽气管道的铺设基本分两种情况:竖直和水平竖直和水平2021/3/24322021/3/24332021/3/2434

14、项目项目有利条件有利条件不利条件不利条件污污染染物物存在形态气态被土壤强烈吸附或呈固态水溶解度100mg/L蒸气压1.33*104Pa20 10 湿度10%组成均一不均一空气传导率10-4cm/s20m1m原位土壤蒸气浸提技术的应用条件原位土壤蒸气浸提技术的应用条件2021/3/24352021/3/2436固定成本固定成本提取井及鼓风装置安装提取井及鼓风装置安装;监控点位安装监控点位安装;尾气处理装置安装尾气处理装置安装可变成本可变成本运行维护人工费运行维护人工费;能源动力费能源动力费;现场监察现场监察;现场卫生、安全保障现场卫生、安全保障;工艺控制采样分工艺控制采样分析析其他管理费用其他管

15、理费用尾气处理尾气处理原位土壤蒸气浸提技术的成本估算项目原位土壤蒸气浸提技术的成本估算项目2021/3/2437异位土壤蒸汽浸提技术异位土壤蒸汽浸提技术 是指利用真空通过布置在堆积着的污染土壤中开有狭缝的管道网络向土壤中引入气流,促使挥发性和半挥发性的污染物挥发进入土壤中的清洁空气流,进而被提取脱离土壤。同时,这项技术还包括尾气处理系统 主要用于处理挥发性有机卤代物和非卤代污染物污染土壤的修复2021/3/24382021/3/2439异位土壤蒸汽浸提技术与原位土壤蒸汽浸提技异位土壤蒸汽浸提技术与原位土壤蒸汽浸提技术相比的优点术相比的优点:挖掘过程可以增加土壤中的气流通道 浅层地下水位不会影响

16、处理过程 使泄漏收集变得可能 监测过程变得容易进行2021/3/2440影响该技术发挥有效性的主要因素影响该技术发挥有效性的主要因素 挖掘和物料处理过程中容易出现气体泄漏 运输过程中有可能导致挥发性物质释放 占地空间要求较大 处理之前直径大于60mm的块状碎石需提前去除 黏质土壤影响修复效率 腐殖质含量过高会抑制挥发过程2021/3/2441多相浸提技术多相浸提技术 多相浸提技术（muti-phase extraction）是土壤蒸汽浸提技术进行革新基础上发展起来的,是蒸汽浸提技术的强化,可以同时对地下水和土壤蒸汽进行提取。主要用于处理中、低渗透性地层中的VOCs及其他污染物。多相浸提技术可具

17、体细分为两相（TPE）和两重浸提（DPE）两种方法2021/3/24422021/3/24432021/3/2444 两相浸提技术（two-phase extraction）,是指利用蒸汽浸提或者生物通风技术向不饱和土壤输送气流,以修复挥发性有机物和油类污染物污染土壤的过程 气流同时也可以将地下水提到地上进行处理,两相提取井同时位于土壤饱和层和土壤不饱和层,施以真空后进行提取2021/3/24452021/3/24462021/3/24472021/3/2448 两重浸提技术（dual-phase extraction）既可以在高真空下也可以在低真空条件下使用潜水泵或者空气泵工作2021/3/

18、24492021/3/24502021/3/2451限制因素限制因素 两相或多相浸提技术修复土壤的时间由6个月至几年不等,主要决定于以下因素:修复目标要求;原位处理量;污染物浓度及分布;现场特性如渗透性、各项异质性;地下水抽取影响半径;地下水抽取速率2021/3/2452项目项目低低/高真空高真空DPETPE优点优点 不受目标污染物深度影响不受目标污染物深度影响;提取井内的真空损失少提取井内的真空损失少不受地下水产生速率影响不受地下水产生速率影响地下水气提地下水气提:污染物液相污染物液相-气相气相转移速率最高达到转移速率最高达到98%;井内井内无需泵及其它机械设备无需泵及其它机械设备;可用可用

19、于现有的提取、观测井于现有的提取、观测井缺点缺点 使用潜水泵使用潜水泵,因此需要有因此需要有一定的没过水泵的水位一定的没过水泵的水位与与TPE相比相比,需要进行泵需要进行泵的控制的控制深度有限制深度有限制:最深地下最深地下150米米地下水流速有限制地下水流速有限制:最大最大5g/min由于需要提水到地面由于需要提水到地面,耗费较耗费较大真空大真空两重和两相浸提技术的优缺点两重和两相浸提技术的优缺点2021/3/2453 两篇文献Remediation efficiency of vapour extraction of sandy soils contaminated with cyclohe

20、xane:Influence of air flow rate,water and natural organic matter content Environmental Pollution,2006,143:146-152Experimental investigation of pneumatic soil vapor extraction Journal of Contaminant Hydrology,2007,89:29-472021/3/24542021/3/2455压裂修复技术压裂修复技术 压裂技术（fracture）是指利用某种力量使地下的岩石或者大密度土壤（黏土、胶泥）爆裂

21、的技术,本身不是一种独立的污染土壤修复技术,它只是用来使地层压裂促进其他修复技术的修复效果,产生的裂痕,为需要去除或分解的有害化学物质提供了逸出的通道2021/3/2456主要有主要有 水力压裂水力压裂:高压水注射进入注射井底部,作为压裂开始点,然后将沙石及浓胶混合物高压泵入压裂区域 气动压裂气动压裂:利用空气爆裂土壤、沉积物,将高压气体注入密实的污染土壤或沉积物中以扩大、增加裂痕等,增强其渗透性、加速汽提、生物修复和热处理去除土壤或沉积物中污染物的过程 爆炸强化压裂爆炸强化压裂:利用爆炸性物质,如炸药等使土壤、岩石爆裂2021/3/24572021/3/2458生物通风生物通风 生物通风(b

22、ioventing)即BV法,结合了土壤通风的物理过程和增强的生物降解过程,而成为一种应用广泛的革新性原位修复技术,是土壤蒸汽浸提技术的衍生2021/3/24592021/3/24602021/3/2461渗透性渗透性2021/3/24622021/3/2463生物通风系统使用与生物通风系统使用与SVESVE相同的设施相同的设施,但系统结但系统结构与设计目的有很大不同构与设计目的有很大不同 SVE系统井被放在被污染区域的中心,而生物通风操作中井放在被污染区的边缘往往更有效 SVE在修复污染物时空气抽提速率一般较大,利用挥发性去除污染物,生物通风的目的是创造好氧条件来促进原位生物降解,因此生物通

23、风相对较低的空气速率,以使气体在土壤中的停留时间增长2021/3/2464 生物通风应用范围较宽生物通风应用范围较宽,Michael(1995)已经通过实施研究证明了,生物通风不仅能成功用于轻组分有机物,如汽油和柴油,还能用于重组分有机物,如燃料油等,另外也可用于其它的挥发或半挥发组分。生物通风的另一个显著优点是,与SVE比较它的操作费用更低操作费用更低。在SVE操作中抽出的废气不能直接放入空气中,需要后续处理工艺(一般是活性碳吸咐和催化燃烧),这有时甚至要占整个费用的50左右,生物通风省去了此步骤,因此操作成本下降。生物通风比较其它土壤修复技术,其主要缺点是它的操作时间长,受到土柱微生物种类

24、的限制2021/3/2465生物通风影响因素和强化技术的研究生物通风影响因素和强化技术的研究 添加营养物添加营养物:实验和现场应用都表明,适当添加营养物可以促进生物降解促进生物降解。Lindhardt等在实验研究中增加了氮和磷酸盐以有利于生物通风操作,Breedreld等在实验室土柱及现场规模下研究了加入营养物对生物通风的影响,证实了添加营养物对生物降解的促进作用。Bulman和Newland在一个柴油污染基地设计了生物通风系统,通风操作6个月,比起始总有机物浓度减少了10-30,去除深度达3m,通风中加入营养物后导致在下面的6个月中,又有30的污染物被去除,去除深度达到了3.5m。2021/

25、3/2466 氧源氧源:氧的供应经常成为生物通风的限制因素。为解决此问题,土壤治理中,除了用空气提供氧气外,还可用H202或纯氧作为氧源。土壤湿度土壤湿度:实验室中的研究表明,土壤湿度大,则生物转化率高。在生物通风现场却有两种不同的结论两种不同的结论:有的报道说增加湿度使通风现场的生物降解速率增加,但另有结果表明,湿度增加大大效果并不明显,甚至由于阻止了氧气的传递而使生物通风特性消失2021/3/2467 温度温度:在寒冷地区,土壤温度成为主要限制因素,增加土壤温度后可提高生物降解的活性可提高生物降解的活性,加热方法主要有热空气注射、蒸汽注射、电加热和微波加热 加入优势菌加入优势菌:土壤中石油

26、污染物的生物降解与土壤中可降解菌的含量有密切关系,土壤中加入石油降解优势菌能大大提大大提高生物降解速度高生物降解速度,如白腐真菌对许多有机污染物都有很好的降解效果。Gruiz等将生物通风与高效菌应用相结合,效果十分明显2021/3/2468 电子受体电子受体:Dupont在1993年在文献中提出限制生物修复成功的最关键因素是缺乏合适的电子受体。许多种电子受体都可许多种电子受体都可以被土壤中微生物利用来完成有机污染物的氧化以被土壤中微生物利用来完成有机污染物的氧化,这包括氧、硝酸盐、硫酸盐、二氧化碳和有机碳。其中氧能提供给微生物的能量最高,几乎是硝酸盐的两倍,比硫酸盐、二氧化碳和有机碳所释放的能

27、量多出一个数量级,其次,土壤环境中利用氧的微生物非常普遍,并且,从工程观点上,加速的生物降解大部分发生在好氧条件下而非厌氧条件下,因此,氧是最好的电子受体2021/3/24692021/3/24702021/3/24712021/3/2472空气喷射(air sparging,AS)AS,也有人称为空气注射,是去除饱和区土壤有机污染物的土壤原位修复技术。AS的目的是去除潜水位以下的地下水中溶解的有机污染物质,通过将新鲜空气喷射进饱和区土壤中,产生的悬浮羽状体逐步向原始水位上升,从而达到去除化学物质的目的。喷射进入含水层的空气能提供氧气来支持生物降解,也能将挥发性污染物从地下水转移到不饱和区,在

28、那里污染物能够用SVE或BV来进行处理2021/3/24732021/3/24742021/3/24752021/3/2476ASAS的影响因素的影响因素土壤的特性土壤的特性:土壤特性对AS的影响主要包括土壤的类型、土壤的均匀性和土壤粒径大小。土壤的非均匀性导致其在各方向都存在不同的粒径分布和渗透率。Ji等在实验中观察到:对于均质土壤,无论何种空气流动方式,其流动区域都是通过喷射点垂直轴对称的。而非均质土壤,空气流动不是轴对称的,这说明空气通道对土壤的非均匀性很敏感。因此,在AS过程中,喷射空气可能会沿阻力较小的路径通过饱和区土壤,根本就不经过渗透率较低的土壤区域,从而影响污染物的去除效果。R

29、eddy等实验研究发现,土壤粒径极大地影响AS去除有机污染物的效率。当有效粒径超过边界值0.2mm时,AS去除有机物的效率和粒径为线性关系;当有效粒径低于0.2mm时,AS去除有机物所需的时间将大大增加。2021/3/2477 空气的流量和压力空气的流量和压力:空气喷入土壤中需要一定的压力,压力的大小对于AS去除有机污染物的效率有一定程度的影响。空气喷射压力越大,所形成的空气通道就越密。一方面,空气流量的大小将直接影响土壤中水和空气的饱和度,影响气液两相间的传质,从而影响土壤中有机污染物的去除。另一方面,空气流量的大小决定了可向土壤提供的氧含量,决定了有机物的有氧生物降解过程。空气流量的增加将

30、有助于增加有机物和氧的扩散梯度,有利于有机物的去除。2021/3/2478地下水的流动地下水的流动:在渗透率较高的土壤中,如粗砂和砂砾,地下水的流率一般较高,影响空气的流动,从而破坏污染物羽状体的形状和大小。反之,空气喷人土壤中不仅造成有机污染物的挥发,而且影响通过羽状体的地下水的流动。这两种流体(空气和水)的相互作用可能对AS过程不利。2021/3/2479 生物注射法生物注射法:Biosparging(BS)is an in-situ remediation technology that uses indigenous microorganisms to biodegrade organ

31、ic constituents in the saturated zone.生物通气法生物通气法:Bioventing is an in-situ remediation technology that uses indigenous microorganisms to biodegrade organic constituents adsorbed to soils in the unsaturated zone.2021/3/24802021/3/24812021/3/24822021/3/2483小结小结土壤蒸汽浸提技术及衍生技术土壤蒸汽浸提技术及衍生技术 不饱和区土壤原位修复技术（SVE,BV）饱和区土壤原位修复技术（AS,BS）