一种污染土壤异味高效阻隔系统的开发与应用

沈曙华 马晓宇 孙 华

（1.上海华谊集团资产管理有限公司；2.上海化工院环境工程有限公司；3.上海化工院检测有限公司）

随着城市工业用地转型升级进程的推进，以及“退二进三”、“退城进园”等政策的实施，导致我国城市内出现了大量的工业遗留场地［1，2］，其中多数被污染地块的污染物都涉及到了挥发/半挥发性有机物污染［3］。 对工业场地的修复多以技术成熟、修复效率较高的异位修复为主［4］。在土壤挖掘或者迁移过程中，地表和深层污染物会暴露到空气中，此时挥发性/半挥发性有机物会释放到大气中，对周围环境造成二次污染［5］。 因此，土壤异位修复过程中对挥发性/半挥发性有机物的异味阻隔就显得十分重要。 泡沫阻隔技术作为一种新颖的技术在土壤修复的VOCs/SVOCs阻隔及消防等领域得到了广泛应用［6，7］。异味阻隔设备或系统作为阻隔的核心设备，技术一直被美国RUSMAR等外企垄断，国内发泡系统中，大都是以消防用泡沫发生装置为主。 这些发泡设备尽管发泡速度快、效率高，但泡沫直径较大，且均匀性较差，泡沫容易破裂，难以在土壤修复环境中使用。 为解决上述难题，介绍了一种污染土壤异味高效阻隔系统，可以根据土壤修复场地异味阻隔需要产生大流量的均匀、细腻泡沫，填补了国内相关领域空白。

1 污染土壤异味高效阻隔系统关键部件结构设计和工作原理

污染土壤异味高效阻隔系统的结构及工艺流程如图1所示，系统主要包括泡沫发生器，静态混合器，进料泵，药剂罐，进液槽，发电机、空压机及电控柜， 系统内还包含药剂罐及进液槽等部分，并配套了阀门、流量计、液位计等组件。

图1 污染土壤异味高效阻隔系统工艺流程图

在整套土壤异味高效阻隔系统中，需要特殊设计的是泡沫发生器，需要计算选型的是静态混合器，此外泡沫发生器辅助的仪表也需要特殊选型。

1.1 泡沫发生器

泡沫发生器是污染土壤异味高效阻隔系统的核心设备。 系统中包含两台泡沫发生器，使用过程中，当一台泡沫发生器为发泡状态时，另一台为进料状态，两台泡沫发生器切换使用，保证了发泡过程的连续性。 泡沫发生器主要由发泡罐、发泡装置、仪表及阀门等组成。 发泡罐上开有排气口、进液口、进气口及发泡装置安装口等工艺口，发泡装置进气口朝上并竖直安装于发泡罐内部， 进液的液位不能高于发泡装置进气孔，具体液位控制由液位计与相关开关控制完成。 发泡装置作为泡沫发生器的核心结构直接影响着发泡效果。

设计发泡结构前需要了解泡沫形成的因素，文献［8］中有所介绍，首先需要有两种不同溶液进行混合，其中一种为容易产生泡沫的溶液，同时还需要有空气与混合液体进行再次混合。 目前应用比较广泛的发泡结构主要有机械搅拌发泡、文丘里自吸发泡及压缩空气对筛网造泡等几种方式［9］。 经过现场考察和实验室测试，发现使用这些发泡装置所发的泡沫，存在发泡时间过长、泡沫不稳定及泡沫直径过大等问题。 为此专门设计了一种新型的发泡装置，结构如图2所示，该装置在工作过程中，使两种均匀混合的液体进入泡沫发生装置中，然后混合液体在细小孔道中与空气进行混合发泡，再经多孔介质二次强化，产生质地均匀、性状稳定的泡沫。 具体工作流程为，将液体与空气混合腔体设计成细小孔道结构，发泡管上开有数个孔道，混合发泡液体在空压机提供的气体压力驱动作用下，通入中空孔道中，混合液体经过进气孔时与气体进行均匀混合发泡，混合后的气体和液体再经过多孔介质后对之前所发泡沫产生强化作用，强化后的泡沫通过压盖格栅后从发泡出口排出。 其中发泡管与多介质腔室通过螺纹结构连接，该结构能将混合液体平均分布到若干细小空间内与空气接触后发泡，实现了对发泡过程的二次强化操作。

图2 泡沫发生器内部结构示意图

对设计好的装置进行试验验证可见，该新型发泡结构具有3个优点：单元孔道混合设计，保证了液体与气体混合效果的稳定性；二次泡沫强化结构，将泡沫细化，使得泡沫均匀性得到加强；由于气压作用，泡沫出口的扬程增加，扩大了泡沫的覆盖范围。

1.2 静态混合器

静态混合器为两种与发泡相关的药剂液体均匀混合用装置。 静态混合器的混合过程是由一系列安装在空心管道中的不同规格的混合单元实现的。 由于混合单元的作用，使流体时而左旋、时而右旋，不断改变流动方向，不仅将中心液流推向周边，还将周边流体推向中心，从而造成良好的径向混合效果。 与此同时，流体自身的旋转作用在相邻元件连接处的界面上亦会发生，这种完善的径向环流混合作用，使流体在管道截面上的温度梯度、速度和质量梯度明显减小，促使互不相溶的流体在管道内产生切割、移位、旋转及重叠等运动，从而达到良好的混合效果。 由于静态混合器为常用设备，因此系统中药液混合器仅需进行选型即可。 因进料压力的限制，为保证顺利进料，要求静态混合器压降应小于30 kPa。已知物性方面：1#药剂黏度5cp，密度1.1×103kg/m3，2#药剂黏度0.9cp， 密度103kg/m3，1#、2#药剂的最大配比为1:10，总流量为11 L/min，工作条件为常温、常压。 根据流体黏度和强化混合效果需求，本次计算暂定选用SV型静态混合器，静态混合器选型计算内容如下。

根据GB/T 7660—1995中针对SV型静态混合器的计算公式和选型手册，可计算出静态混合器的压降Δp和流体的雷诺数：

式中 d——水力直径；

f——摩擦系数；

L——静态混合器的长度，m；

u——混合流体的流动速度，m/s；

ε——静态混合器空隙率；

μ——流体黏度，Pa·s；

ρ——连续流体的密度，kg/m3。

选型计算过程如下：

a.首先选用DN 40规格管径， 静态混合器长度选为420 mm； 根据已知1#药剂的体积流量Q1=0.36 m3/h，2#药剂的体积流量Q2=3.6 m3/h，流速u=0.88 m/s，计算出Δp=91.3 kPa；考虑工程许用误差为20%， 压力降为109.5 kPa， 该结果无法满足要求，需调整参数。

b.在直径不变的条件下，将长径比缩小为L/D=8， 即静态混合器长度为340 mm， 经计算此时Δp=73.9 kPa；考虑工程许用误差为20%后，压降为88.7 kPa，该结果依然无法满足要求，需继续调整参数。

c.由于选用DN 40规格管径计算出的压降较大，因此增大静态混合器直径，选用DN 50规格管径，静态混合器长度选为510 mm。 根据已知1#药剂的体积流量Q1=0.36 m3/h，2#药剂的体积流量Q2=3.6 m3/h， 流速u=0.56 m/s等条件， 计算出Δp=19.8 kPa （考虑工程许用误差为20%， 则压降为23.7 kPa），满足使用要求。

综上计算，根据静态混合器选用手册，可使用SV-50-500型静态混合器（图3）。

图3 SV-50-500型静态混合器结构示意图

1.3 特殊仪表选型

为保证泡沫阻隔效果和发泡的连续性， 污染土壤异味高效阻隔系统中液位计仪表的选型也很重要。 除了要关注流量范围、测试精度、温度、压力、腐蚀环境外，还要考虑泡沫对泡沫发生器内的液位传感器带来的影响。 传统的液位计有压力式液位计、磁翻板式液位计及超声波式液位计等。但在本系统工作过程中， 泡沫发生器内压力波动很大，无法用压力式液位计测量；磁翻板式液位计则因泡沫发生器中存在大量泡沫， 而测量准确率不高； 超声波式液位计更因泡沫对超声波干扰性太强，无法应用在本系统中。而音叉液位计具有运行中免受液体流动、湍流、气泡、泡沫影响等特性，抗泡沫干扰性较强，因此成为最佳选择。每个泡沫发生器在液位的高低位置各安装一个音叉液位计，保证了工作过程中发泡的连续性。

1.4 污染土壤异味高效阻隔系统的基本参数

所研发的系统总用电功率约为8 kW·h，发泡流量可在0～30 m3/h范围内调节，两种药剂在流量最大条件下进料量分别为10、100 L/min， 进液比为1:10，进液量由泵对应的变频器调节，每个泡沫发生器罐体内有效容积约为64 L。 系统各部件分别安装在两台推车上（图4），其中推车1（左侧推车）集成了进液槽、进料泵1、空压机及发电机等装置，外部由可开启式不锈钢外壳保护，起到防雨避暑的作用。 推车2（右侧推车）则将两个药剂罐、进料泵2、静态混合器、泡沫发生器和控制系统集成于一体，外部同样有不锈钢可开启式外壳保护。 系统分别安装在两个推车内，目的是为了在条件（具有气源、电源等）准许的情况下，仅使用推车2即可实现快速异味阻隔过程操作，减小运输质量，提高运输速率；当遇到没有电源等条件的应用场地时，则推车1、2两车联用，即可实现快速异味阻隔的操作过程。 需要说明的是，发泡剂经过发泡后，产出的泡沫体积是发泡液的数几十倍甚至上百倍 （增加倍数与发泡药剂种类有关），因此发泡流量的单位采用m3/h，而不同于药剂流量单位L/min，便于工程上的实际应用。

图4 污染土壤异味高效阻隔系统外形图

2 场地异味阻隔应用

2.1 应用过程

研发的系统在工作前需要在实验室进行小试，得出1#和2#两种药剂的最佳配比为1:7。 在污染场地修复现场， 依照实验室得出的药剂配比，并按照实际流量计算后，1#药剂流量为8 L/min，2#药剂流量为56 L/min。 分别设定两个进料泵的流量，开启进料泵时，流量大小会和泵的变频器相关联，将进料流量快速调节为目标流量。 进料泵启动后两种药剂按照比例经过静态混合器混合后进入到泡沫发生器中，当进液完成后（约1 min左右），关闭进液阀，调节进气压力至0.6 MPa，流量30 m3/min，开启进气阀和泡沫出口阀门，开始异味阻隔操作，与此同时另一台泡沫发生器罐体内开始进料操作。 每个泡沫发生器单次发泡时间约为2 min，发泡体积约为1 m3。

2.2 应用效果

系统实际应用效果如下：

a.在泡沫形状方面， 所发泡沫外观如奶油般细腻均匀。后经仪器检测，单位面积（每平方毫米）泡沫数量约为1 000个，泡沫大小均匀，稳定性好。

b.在阻隔效果方面，泡沫结构稳定覆盖土壤时间超过12 h，8 h内对四氯乙烯、甲苯、正庚烷等VOCs的挥发抑制率接近100%。 较好地达到了土壤异位修复过程中对挥发性/半挥发性有机物的异味阻隔目的。

3 结束语

笔者介绍的污染土壤异味高效阻隔系统中集成了发电机、药剂、气源等组件，适合在场地修复中直接使用。 从结构设计和污染场地阻隔需求两方面出发，成功研发出发泡效果稳定，泡沫细腻、均匀的发泡系统。 该系统结构简单、集成度高、操作方便，多药剂罐设计可应对多场景异味阻隔需求。 打破了国外相关技术的垄断局面，解决了场地修复中异味无法快速阻隔的难题，同时通过绿色高效发泡剂的研制，可实现对挥发性有机物气体降解的作用，改善场地修复环境，降低修复成本，提高土壤修复效率，是一种高效、绿色的环保系统。