稿日期:2006-01-10
者简介:杨乐巍(1972-),男,甘肃兰州人,硕士研究生。
土壤气相抽提(SVE)技术研究进展
Study Progress on Soil Vapor Extraction Technology
杨乐巍1 *　黄国强2　李鑫钢2
(1.天津大学化工学院　天津　300072);(2.天津大学精馏技术国家工程研究中心　天津　300072)
摘要　土壤气相抽提(SVE)是石油类土壤及地下水污染修复工程中广泛采用的原位治理技术。本文主要介绍了SVE
术的影响因素、系统设计、运行机理以及现场监测,阐述了SVE技术及其理论进展。最后展望了该技术的应用前景。
关键词　土壤气相抽提技术　土壤原位修复　现场试验性测试　全面SVE
Abstract　Soil vapor extraction has been widely applied as an in-situ treating technique in practical design of petroleum
ontaminated soil and groundwater remediation.The effect factors ,system design, operation principles, and system monito-
ing of SVE are mainly discussed in the paper. Furthermore,techniques and theoretics of SVE are also reviewed. Application
f SVE technology in the future is foreseen at the end of the paper.
Key words　Soil Vapor Extraction Technology　Soil Remediation In-Situ　Pilot-Test　Full-Scale SVE
　前言
随着工业化的进程,石油类有机物污染跃居首
位,对环境的危害日益严重。环境保护的重点应该
放到防治根本上,污染物经不饱和土壤向饱和区运
移,最终迁移至地下水系统,其治理难度及范围将会
大大增加,因而不饱和区土壤的污染治理尤为重要。
土壤气相抽提(soil vapor extraction,SVE),也称“土
壤通风[1]”或“真空抽提”,是一种新兴的土壤原位修
复技术。因其对石油类污染土壤及地下水的治理的
有效性和广泛性,使之正逐渐发展为一种标准的环
境修复技术,被美国环保局(EPA)列为“革命性技
术”大力倡导应用[2]。近年来,SVE又开始深入到生
物修复与地下水修复等多学科交叉领域。
SVE影响因素复杂,目前对SVE过程中流体
的运移机制、污染物传质机理和现场综合的数学模
拟方面需投入大量基础研究工作。
2　土壤气相运行机理及场址调查
2.1　SVE中土壤气相运行机理
SVE的运行机理是利用物理方法去除不饱和
土壤中挥发性有机物(Volatile Organic Com-
pounds,VOCs),用真空设备产生负压驱使空气流
过土壤孔隙,从而夹带VOCs流向抽取系统,抽提
到地面后收集和处理[4]。由于新鲜空气的引入,同
时可考虑原位生物降解。早期SVE主要用于非水
相液体(non-aqueous phase liquids, NAPLs)污
染物的去除[5],目前也陆续应用于挥发性农药污染
物充分分散等不含NAPL的土壤体系[6]。
2.2　SVE修复效果的影响因素
文献报道中SVE修复效果的影响因素主要有
以下几方面:
土壤的渗透性:土壤的渗透性影响土壤中空气
流速及气相运动。土壤的渗透性越高,气相运动越
快,被抽提的量越大。地下水在土壤中的渗流性质
(水力传导性质)取决于流体(水)的物性与土壤介
质性质(渗透率)。Frank等[7]研究认为,气体在土
壤的通透性为主要因素,是设计SVE装置的标准。
土壤湿度及地下水深度:土壤水分对SVE修
复效果的影响很大,普遍认为增加土壤含水率后会
降低土壤通透性[8],不利于有机污染物的挥发。
Fischer等[9]用砂土箱在不同土壤含水率条件下做
—62—
SVE实验,通过对实验数据和模型计算,讨论了
标准对SVE优化设计的应用。Bohn[10]对此研
究表明:当SVE抽气速率过大时,土壤湿度降低能
降低净化效率。
土壤结构和分层(土壤层结构的多向异性):土
壤结构和分层是影响气相在土壤基质中的流动程
度及路径。其结构特征(如夹层、裂隙的存在)使得
优先流的产生,若不正确引导就会使修复效率降
低。
气相抽提流量和Darcy流速:不考虑污染物由
土壤中迁移过程的限制时,抽提流量将正比于去污
速率。Crow[11]和Fall[12]等在汽油泄漏处设计了
现场去污通风系统,结果表明:随着气流增加,汽油
蒸汽去除速率也增加。根据Darcy定律,土壤气相
渗流速度与抽提的压力梯度成正比。
蒸汽压与环境温度:SVE技术受到有机污染
物蒸汽压影响很大,低挥发性有机污染物不宜使用
SVE修复。而决定气体蒸汽压的主要因素是环境
温度,温度对纯有机物蒸汽压影响可由Antoine方
程决定[13]。
2.3　场址调查及评估
场址特征描述及修复调查是对土壤和地下水
修复项目的必要程序。通常需要经过场址特征描
述及修复调查(RI),才能确定污染的程度或范围。
场址特征描述是确定场地相关有害污染治理的条
件。RI活动由场地修复和额外收集数据组成[14]。
RI活动通常包括以下内容:移除诸如储油罐
泄漏的污染源;安装抽提及地下水监测井;土样及
地下水水样收集和分析;含水层测试。通过以上活
动,收集以下数据:目前污染土壤和地下水的类型;
收集样本中的污染物浓度;自由漂浮产品或重质非
水相液体(DNAPLs)垂直和平面分布范围;土壤
特性包括土壤类型、密度、湿度含量等;地下水位的
提升;收集含水层测试中水位降低数据。
场址调查可获得有关场址的历史及水文地质
条件(判断地下水流向),包括场址计划,钻孔日志,
土壤及地下水品质数据,地下水潜水位。气体调查
可为土壤的污染程度和范围提供依据。
3　SVE系统设计
SVE技术的主要优点之一是体系设计相对简
单。SVE优越于其它如生物处理或土壤冲洗等技
术它不需要复杂的设计或特殊的设备,就会达到体
系最佳的效率及污染物的去除效果。
3.1　决定SVE系统设计因素
决定SVE系统设计的三个主要方面:污染物
的组成和特征;气相流通路径及流动速率;污染物
在流通路径上的位置分布。SVE设计的基本信
息:空气的渗透性:评估土壤特性;现场试验测试。
污染物的特性:DNAPL的组成;挥发性(蒸汽压
亨利常数等)。空气流动:地层构成;所需不透性覆
盖层;地下水水位线及所需泵量。
SVE系统的设计基于气相流通路径与污染区
域交叉点的相互作用过程,其运行应当以提高污染
物的去除效率及减少费用为原则。抽提体系是
SVE设计的核心,抽提体系的选择常见方法有:竖
井;沟壕或水平井;开挖土堆。其中竖井应用最
广泛,抽提具有影响半径大、流场均匀和易于复合
等特点而最为常见,适用于处理污染至地表以下较
深部位的情况。工程应用中根据污染源性质及现
场状况可确定抽提装置的数目、尺寸、形状及分布
并对抽气流量及真空度等操作条件加以控制。
SVE系统中的关键组成部分为抽提系统。其抽提
井及监测井的结构见图1。
图1　典型SVE系统抽提井及监测井的结构
选择抽提井的数量及位置是SVE系统设计的
主要任务之一。影响半径(ROI)[15]被认为是SVE
设计最重要的参数。精确的ROI值由稳态(中试
试验确定。抽提井及监测井的压力降数据可以作
图以确定影响半径。抽提井的设置应使得其影响
半径相互交迭以完全覆盖污染区。
设计SVE系统[16]时也应考虑地下水水位的
波动(如水位随季节变化),因为水位的上升会浸没
一些污染土或井屏的一部分而使得空气流动失效。
这种情况对于水平井尤其重要,因其井屏与水位线
是平行的。地表密封是为了阻止地表水下渗,减少
—63—
土壤气相抽提(SVE)技术研究进展　杨乐巍
相逸出,阻止空气流动的垂直短路,或增加设计
影响半径。
3.2　初步(试验性)研究[17]
试验性研究是SVE设计阶段的极其重要的部
分。它所提供的数据对于设计全面SVE系统是必
要的,同时也为SVE运行早期被抽取的VOCs浓
度提供信息。初步(试验性)研究被推荐来评估任
意场址的SVE修复效果。初步(试验性)研究包括
短期(1到30d)从单个抽提井中抽提气相,同时可
以有监测井的存在。但是长期试验性研究(6个月
以上)常利用多个抽提井,适合于较大场址。应用
不同的抽提速率及井头真空度可以确定最佳操作
条件。气相浓度、气相抽提速率及真空度数据也可
用于设计过程中抽提及治理设备的选择。
在某些场合下,采用如HyperVentilate
(EPA, 1993)的井屏模型可能适合于评估SVE的
潜在修复效果,也可用于确定SVE在场址的可行
性,评估空气的渗透性测试,估计所需的最少井数
目。
现场中试(现场设计试验),以获得工程现场第
一手的设计资料和参数。中试主要内容包括:测定
土壤空气渗透率、气相抽提范围半径、抽提气体的
浓度和成分、所需空气流量、真空水平、真空泵功
率、估计修复时间和成本等。
中试实验系统组成[18]见图2 ,包括气相抽提
井、真空泵、至少三个观察点、气相后净化处理系
统、流量计、真空表、取样点、取样装置、分析仪器
(如气相色谱)等。
图2　中试实验系统组成示意
步(试验性)研究测试数据由以下因素确定:井的
效影响半径;土壤不饱和区的固有渗透性;单位
度井屏的流动速率;土壤污染及流动速率的范
。
4　系统运行及监测
4.1　SVE系统的运行
SVE系统一旦设计、组建、安装完成,要建立
起稳态流需要系统运行几小时到几天,这取决于土
壤构成及空气渗透性。土壤中VOCs的抽提速率
通过尾气或流动中的取样测量单位时间的质量流
量。许多研究显示VOCs的抽提速率开始很高
但由于传质及扩散的限制随时间增加会逐渐减少。
由于扩散速率慢于流动速率,连续操作的去除速率
随时间而下降。
4.2　SVE系统监测
SVE的运行必须监测以保证有效运行及确定
关闭系统的合适时间。推荐测量和记录以下参数
测量日期及时间;每个抽提井及注射井的气相流动
速率;测量仪器可采用不同的流量计,包括皮托管、
转子流量计等;每个抽提井及注射井的压力监测用
压力计或真空表读数;抽提井的气相浓度及组成分
析可采用总石油烃分析仪;土壤及环境空气的温
度;水位提升监测通过安装在监测井内的电子传感
器测量;气象数据,包括气压、蒸发量及相关数据。
4.3　气/水分离装置及排放控制系统的设置
气/水分离装置的设立是为防止气相中的水或
沉泥进入真空泵或引风机而影响系统的运行。排
放控制系统是SVE系统收集的气相中的污染物
在排放到大气之前必须进行处理。用活性炭吸附
是近年来处理含挥发性有机物气相的常用技术。
5　土壤气相抽提技术及其理论的研究进展
SVE工程技术最早由美国Terra Vac公司于
1984年开发成功并获得专利权,逐渐发展成为8
年代最常用的土壤及地下水有机物污染的修复技
术。综合SVE的应用效果,该技术有成本低、可操
作性强、可采用标准设备、处理有机物的范围宽、不
破坏土壤结构、不引起二次污染等优点。早期对
SVE技术的研究集中在现场条件的开发和设计
这主要依赖于场址状况、工程类型、操作参数等与
有机物性质和污染程度的关系。
多孔介质气体流动模型的现场应用。Baeh
等人[19]利用空气流动模型应用于现场抽提条件
下的气相泵吸试验,预测了全面泵吸试验的空气渗
透性。“局部相平衡”(Local Equilibrium)。Baeh
等人采用局部传质模型(包括达西定律)做了实验
室一维土柱实验,为现场多维不饱和区的气相抽提
—64—
环境保护科学　第32卷　第6期　2006年12月
空气流动模型的建立提供了基础。Marley等人
先后提出和发展了所谓“局部相平衡”(Local Equi-
ibrium)思想,采用亨利模型的假定把气相中的有
机物浓度有液相和吸附相中的浓度建立相平衡的
关系,亨利模型在很多场合特别是有机物浓度高时
的去除率计算中与实际情况较吻合,使这一理论成
为了SVE理论的主导思想。
6　结束语
土壤气相抽提技术由于其在环境修复领域具
有有效去除VOCs及易于操作和运行等优点,目
前已被发达国家广泛应用于土壤及地下水修复领
域的实际工程中,并与其它如生物通风、空气喷射、
双相抽提、热强化、生物修复等原位修复技术相结
合及互补形成了SVE增强技术[20],日益成熟完
善。在国外(如美国USEPA及USACE)已成功应
用于工程实际中,积累了不少的经验。国内研究起
步较晚,实验室土柱通风实验的研究目前已做了不
少工作,但对场址调查、现场试验性测试、中试研究
工作做的不够。至于SVE的最终目标-全面修复
我国仅在台湾地区有初步尝试。综上所述,土壤气
相抽提技术有着广阔的应用前景及市场潜力,在进
行基础理论研究的同时需要进一步加强现场技术
应用的研究。
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