表面活性剂强化技术修复石油类污染土壤

摘要：介绍了表面活性剂强化修复技术（ＳＥＲ）的原理，并开展ＳＥＲ 修复饱和带石油类污染土壤（含油土壤）室内研 究。经过２０ｄ的ＳＥＲ修复，模拟受石油类污染的饱和带土壤，已接近修复终点，土壤中总石油烃（ＴＰＨ）平均浓 度，由初始的１３．２５ｇ／ｋｇ降至４．３０ｇ／ｋｇ，去除率达到６７．５４％。表面活性剂强化修复技术对砂土层中石油污染物去除有显著效果。

关键词 表面活性剂；强化修复技术；石油污染物；原位修复

引 言

石油污染物常表现为非水相液体（Ｎｏｎ－ａｑｕｅｏｕｓ ＰｈａｓｅＬｉｑｕｉｄｓ，ＮＡＰＬｓ），NAPLS一旦泄漏至地下环境，在迁移过程中不可避免地会扩散到地下不饱和区和饱和区。ＮＡＰＬｓ具有较低的水溶度和较高的界面张力，当被截留在土壤小孔隙中或被土壤颗粒吸附后，就达到受力平衡，长期残留在地下环境中。即使完成自由相 ＮＡＰＬｓ移除后，残留的ＮＡＰＬｓ仍留在土壤中［１］。同时通过溶解和挥发作用，有机污染物不 断被释放，造成地下环境二次污染。残留态ＮＡＰＬｓ 的去除，是当前土壤修复过程的重点，也是土壤治理工作的难点［２－３］。因此，本文以饱和带土壤中残留态 ＮＡＰＬｓ为目标，开展表面活性剂强化修复（Ｓｕｒｆａｃ－ ｔａｎｔＥｎｈｅｎｃｅｄＲｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ，ＳＥＲ）研究［４－５］，为现场土壤修复提供科学依据。

1  SER原理

ＳＥＲ修复首先将表面活性剂和助剂（如醇、盐等） 的水溶液注入地下，在表面活性剂水溶液的作用下，土壤中的 ＮＡＰＬｓ转移至地下水中，并通过抽吸井泵送至地面。然后在地面处理装置中，进行表面活性剂和ＮＡＰＬｓ污染物的分离，分离后的表面活性剂经处理后，重新注入地下，实现循环 利用［６－７］。在ＳＥＲ修复技术中，表面活性剂可以通过增溶或增流两种途径提高污染物的去除率。ＳＥＲ是一种很有前景的土壤NAPLs修复技术，可以在短时间内快速有效地清除污染物［８］，但目前仍处于不断改进的阶段。ＳＥＲ 可以 通过参数优化控制水力梯度，完成地下污染物的洗驱［９］。ＳＥＲ修复技术对地质分布均匀且渗透率高的饱和带的污染区域土壤修复效果最佳。

２ 实验方法

２．１ 地下饱和带实验装置

地下饱和带土壤模拟装置是由不锈钢材质制成的长方体槽模型，尺寸为：长×宽×高＝500ｍｍ×150ｍｍ×70ｍｍ。为模拟自然条件下的土壤及地下 水条件，该系统完全避光及密封。在装置顶部，共有36个采样监测孔，分４行设置，其监测点编号情况见 图１。

２．２ 模拟石油类污染土壤（含油土壤）

在未受污染的地下区域，采集饱和带砂土土壤作为本项目研究对象，保证研究用土壤具有最低的石油背景值。首先将土壤在180℃的烘箱中干燥12ｈ，最大限度的去除土壤中残留的挥发性有机物。然后选择柴油作为污染物，在反应装置中均匀填充5.0ｋｇ土壤样品，当土壤样品填充深度达到7.0ｍｍ 后，淋入 10.0ｇ柴油，置换土壤颗粒中的气体，并保证柴油被土壤颗粒充分吸附，后淋入８８．０ｍＬ去离子水，维持装置中模拟地下环境的饱和度；装置填充高度为７０．０ｍｍ， 柴油加入量１００．０ｇ，去离子水使用量８８０ｍＬ。完成 上述工作后，加盖密封，石油类污染饱和带土壤模拟装置制作完成，准备开展ＳＥＲ修复实验［１０］。

２．３ 淋洗液配置

研究人员将增溶和乳化能力强，毒性和临界胶束浓度较小的 Ｔｗｅｅｎ－８０，配制成浓度１５０ｍｇ／Ｌ水溶液作为淋洗液，开展实验研究。

２．４ 工艺流程

ＳＥＲ修复实验的工艺流程如图２所示。

在注入泵作用下，淋洗液由装置右侧泵入，流量 为１００ｍＬ／ｈ；定期测量装置监测点土壤中 ＴＰＨ 含 量，研究ＳＥＲ修复对污染物去除的影响，记录淋出液的流量与累积体积。

３ 结果与讨论

ＳＥＲ修复开始前与研究进行到第５，１０，１５，２０ｄ 时，装置 土 壤 中 ＴＰＨ 浓 度 分 布 如 图 ３～ 图 ６ 所 示。 ＳＥＲ修复开始前，装置土壤的 ＴＰＨ 浓度分布比较平 均，如图３所示，范围在 １２．３６～１４．４８ｇ／ｋｇ，平均浓 度为１３．２５ｇ／ｋｇ。

由图４可知，实 验 进 行５ｄ后，累积使用淋洗液 １２Ｌ，表面活性剂１．８０ｇ；装置内下游至上游的土壤中ＴＰＨ 浓度呈下降趋势。ＴＰＨ浓 度范围缩小在５．１１～１１．８８ｇ／ｋｇ，土壤中ＴＰＨ平均浓度由初始的１３．２５ｇ／ｋｇ 降至 ９．０５ｇ／ｋｇ，ＴＰＨ 平 均 去 除 率 为３１．７０％。监测点 Ｍ０５～Ｍ０８的平均ＴＰＨ去除率为 ５３．９４％，由此可知，表面活性剂已把土壤颗粒中吸附的部分石油污染物淋 出，并一同向装置下游迁移，导致该区域ＴＰＨ平均去除率显著提高。中间区域 Ｍ１３～Ｍ１６、Ｍ２１～Ｍ２４的 ＴＰＨ 平均去除率也达到 了２８．６６％，可以看出，随着淋洗液的持续注入，装置上游的石油污染物会快速通过装置的中间区域。装置出口处监测点 Ｍ２９～Ｍ３２的 ＴＰＨ 平均去除率 为 １４．９４％；可见，表面活性剂具有很强的去除饱和带土壤中石油污染物的能力。

由图５可知，实验进行１０ｄ后，累积使用淋洗液２４Ｌ，表面活性剂3.6０ｇ；装置内土壤中ＴＰＨ的浓度变化趋势与修复初期ＴＰＨ变化规律基本相同，呈从下游至上游逐渐降低趋势。ＴＰＨ 浓度分布范围缩小 至４．７６～１０．３９ｇ／ｋｇ，ＴＰＨ 平均浓度降至７．１２ｇ／ｋｇ， 在 表面活性剂驱动下，ＴＰＨ平均去除率升高至４６．２５％。监测点 Ｍ０５～ Ｍ０８的ＴＰＨ浓度依然最低，平均去除率达到６１．１７％，与图 ４对比可知，其ＴＰＨ去除率的提高幅度明显下降。这表明，虽然表面活性剂有助于污染物在土壤颗粒上的解吸，但解吸效率仍受各种条件的限制，如黏土颗粒的性质、水 的流速、土壤孔隙度与渗透率等，因此，可以判断表面活性剂的淋洗能力存在极限，且无法洗脱土壤中的全部石油污染物。装置中间区域监测点 Ｍ１３～Ｍ１６、Ｍ２１～ Ｍ２４的ＴＰＨ平均去除率上升至４４．２５％，推断原因是装置上游土壤的石油污染物的总量减少，并且表面活性剂继续起作用，导致中间区域的ＴＰＨ平均去除效率继续增加，下游监测点 Ｍ２９～Ｍ３２的ＴＰＨ去除率也随之升高到35.04％。

由图６可知，实验进行２０ｄ后，累积使用淋洗液４８Ｌ，表面活性剂７．２０ｇ；装置内土壤中ＴＰＨ 的浓度分布相对均匀，下游ＴＰＨ浓度略高，但ＴＰＨ去除率相对平均，由此判断本研究过程接近终点。装置各监测点的土壤ＴＰＨ值在２．４３～５．０５ｇ／ｋｇ，平 均 值 为４．３０ｇ／ｋｇ，ＴＰＨ 平均去除率升高至６７．５４％；随着研究的不断进行，装置下游ＴＰＨ浓度下降非常快，出口处监测点Ｍ２９～ Ｍ３２的ＴＰＨ平均去除率已达６４．２２％。 ＳＥＲ修复砂土层的效果较好，吸附较强的石油污染物可以借助表面活性剂的增溶作用被去除，但仍然存在极限值。可见对于现场柴油污染饱和带砂土土壤的修复，ＳＥＲ技术是较好的选择。

４ 结 论

模拟装置中，初始土壤ＴＰＨ平均为１３．２５ｇ／ｋｇ，在室温（２０ ℃）下，经过ＳＥＲ修复２０ｄ后接近修复终点，ＴＰＨ平均为４．３０ｇ／ｋｇ，去除率达到６７．５４％。 ＳＥＲ可使地下环境中的污染物解吸和淋出，对去除砂土层残留态 ＮＡＰＬｓ具有显著效果，适合石油类污染的修复工作；但其解吸效率受土壤颗粒性质、孔隙度与渗透率等因素的限制，助驱能力存在极限，不能完全将土壤中的石油污染物洗脱。 目前，ＳＥＲ技术工程应用还远远落后于实验室研究，要实现其广泛的工程应用，还要解决ＳＥＲ表活剂与污染物接触不充分、运行成本偏高等一系 列问题。 但随着相关研究的逐步深入，ＳＥＲ修复技术一定会向着实用化的方向快速发展。