单井土壤气相抽提修复三氯乙烯污染的性能特征与影响因素数值模拟研究

《Results in Engineering》：Performance analysis of soil vapor extraction through a single vertical well for the remediation of soil Trichloroethylene pollution

本研究针对土壤有机污染修复中SVE技术缺乏系统性能分析的问题，通过构建典型场地条件下的单井SVE概念模型，利用TOUGH2-T2VOC模块进行数值模拟，揭示了TCE污染修复过程中抽提流体饱和度、井底压力、泵功率及能量效率的演化规律。结果表明，修复有效时间约0.05年，土壤孔隙度、渗透率和抽提质量流速对修复性能有显著影响，为SVE技术优化提供了理论依据。

　　

土壤是人类生存不可或缺的物质基础，然而近年来，土壤有机污染已成为威胁我国农业安全的严重问题。据统计，全国受有机物污染的耕地面积高达3.6×10⁷ hm²，其中农药污染面积约1.6×10⁷ hm²，每年因土壤污染造成的粮食损失达1.2×10¹⁰ kg。面对如此严峻的形势，研发安全高效的土壤污染修复技术具有重大现实意义。

在众多修复技术中，土壤气相抽提(Soil Vapor Extraction, SVE)作为一种原位修复技术，因其高效、低成本、对环境干扰小等优点，已成为美国"国家优先清单"污染场地中最常用的修复技术之一，占污染控制项目的25%。然而，SVE技术的修复效果受到大量化学、场地和工艺参数的影响，在技术和场地条件限制下，可能耗时且效率低下。特别是对于三氯乙烯(Trichloroethylene, TCE)这类高毒性有机氯溶剂，我国年使用量高达7万吨，且呈逐年增长趋势，其污染场地的修复需求日益迫切。

尽管SVE技术应用广泛，但针对单井SVE系统的性能特征及其影响因素的系统深入研究仍然缺乏。大多数研究集中在现场规模应用，而针对系统性能因素的数值模拟研究有限。这不利于修复系统的优化设计。为了解决这一问题，研究人员在《Results in Engineering》上发表了最新研究成果，通过数值方法系统分析了单井SVE系统修复土壤TCE污染的性能特征。

本研究采用了几个关键技术方法：首先构建了典型场地条件下的SVE系统概念模型，将含TCE的土壤层概念化为三层模型；然后利用TOUGH2软件中的T2VOC模块建立数值模型，采用积分有限差分法求解多孔介质中水、空气和VOC的非等温渗流方程；设计了15×15×40=9000个网格的计算域，考虑了对称性仅模拟单井控制域的四分之一；使用Stone三相渗透率模型和Parker毛细力模型描述多相流过程；通过参数敏感性分析，系统评估了土壤孔隙度、渗透率、抽提质量流速和初始TCE饱和度对系统性能的影响。

4.1. 参考条件

在参考案例中，模拟区域的抽提流体质量为q=0.1 kg/s，整个生产井的产出流体质量流速为Q=0.4 kg/s。地层初始TCE饱和度为0.3，初始压力为101325 Pa。研究计算了一年修复期内地层中TCE含量的变化特征。

4.2. 抽提流体饱和度的演化

抽提TCE饱和度在0.05年内从初始的0.3降至0，表明SVE系统修复土壤中TCE的有效时间约为0.05年。TCE减少后，土壤孔隙体积迅速被空气补充，土壤层中的气体饱和度从初始的0.3增至0.6。井中部的水饱和度保持在初始值0.4，表明SVE过程对水饱和度影响很小。

4.3. 井底压力和泵功率

井底压力P_pro在抽吸第一天从101.33 kPa降至94.48 kPa，然后缓慢上升，在0.2年时升至94.93 kPa，在1年时升至95.04 kPa。相应地，泵功率从初始值1.08 W增至0.05年时的最大值7.93 W，然后开始缓慢下降，在1年时降至7.83 W。

4.4. 抽提速率和能量效率

TCE的抽提质量速率M_o在开始时最大，为0.21 kg/s，然后在0.05年内逐渐降至0。SVE系统的能量效率η在前0.05年内从194.21 kg/kJ逐渐降至0，之后保持为0。

4.5. 压力分布的变化

在抽气第一天，井周围压力逐渐降低，形成低压区，该区域面积逐渐扩大。第一天后，低压区面积逐渐减小，压力逐渐升高，表明地层压力逐渐恢复。

4.6. TCE饱和度分布的变化

在前期0.05年(18.3天)内，土壤中TCE饱和度迅速下降，同时TCE在重力作用下逐渐向下移动。0.05年后，井壁附近TCE饱和度接近0，形成零饱和度区域并逐渐扩大。

4.7. 气相TCE浓度分布的变化

抽气开始时，土壤气相TCE浓度变化很小，但井壁周围开始形成低浓度区。随着抽气进行，该低浓度区面积逐渐扩大，区内气相TCE浓度逐渐降低。

4.8. 水相TCE浓度分布的变化

在前0.05年内，水相TCE浓度变化很小，井壁附近水相TCE浓度逐渐降低。0.05年后，井壁周围形成低水相TCE浓度区域，随着抽气进行，该区域面积逐渐扩大。

4.9. 气相饱和度分布的变化

在前0.05年内，TCE层中的气体饱和度从0.3逐渐增至约0.6。TCE向下移动并被抽出后，上下层空气迅速补充相应体积，使TCE层气体饱和度快速增加。0.05年后，土壤中气体饱和度基本稳定在0.6左右。

4.10. 水相饱和度分布的变化

抽气第一天，土壤中水饱和度基本保持在0.4，分布变化很小。一天后，随着地层压力上升，部分水蒸气液化，在井壁周围形成高水饱和度区域。随时间推移，该区域面积逐渐扩大，最大水饱和度值逐渐减小，分布逐渐均匀化。

5. 敏感性分析

敏感性分析表明，土壤孔隙度、渗透率和抽提质量流速对SVE系统性能有显著影响。增加孔隙度可提高抽提TCE饱和度和质量速率，对能量效率有显著改善；增加渗透率可显著提高抽提TCE饱和度和质量速率，同时提高井底压力、降低泵功率，显著改善能量效率；增加抽提质量流速会降低抽提TCE饱和度和质量速率，降低井底压力、增加泵功率，显著降低能量效率；而初始TCE饱和度对系统性能影响不显著。

本研究通过系统的数值模拟，深入揭示了单井SVE系统修复土壤TCE污染的性能特征和关键影响因素。研究发现，在参考条件下，SVE系统修复TCE污染的有效时间约为0.05年，此后土壤中基本不再含有游离相TCE。系统能量效率随修复进程逐渐降低，在TCE完全去除后降至零。最重要的是，土壤孔隙度、渗透率和抽提质量流速是影响修复性能的关键因素，而初始TCE饱和度影响较小。

这些发现对实际工程应用具有重要指导意义。优化土壤特性（如通过土壤改良增加孔隙度和渗透率）和合理设计抽提参数（如选择适当的抽提速率），可以显著提高SVE技术的修复效率和能源利用率。此外，本研究建立的数值模型和方法为未来复杂场地条件下SVE技术的优化设计提供了可靠工具。

研究的局限性包括假设三相处于局部化学和热平衡、没有考虑化学反应、土壤层均匀且仅使用单一直井系统。未来的研究方向包括将物理过程与生物降解耦合以增强修复性能、开展现场试验验证模拟结果、考虑非等温渗流影响以及结合土壤力学效应。尽管存在这些限制，本研究为理解和优化SVE技术提供了重要理论基础，对推动土壤污染修复技术的发展具有积极意义。