一种通过调节孔隙压力来修复受挥发性有机化合物（VOCs）污染的低渗透性土壤的改进空气喷射方法

《Journal of Contaminant Hydrology》：An enhanced air sparging approach for remediation of VOCs-contaminated low-permeability soils through pore pressure regulation

　　本研究提出一种新型低渗透土壤挥发性有机物（VOCs）修复技术，通过耦合吹气与压力释放管，同步调控吹气压力与回压以提升孔隙压力，建立更稳定的连续气流网络，显著提高污染物去除效率。实验表明，该技术相比传统吹气法在相同渗透压下气体污染物排放浓度提高近一倍，总去除率达80%对60%，且有效减少残留污染物随机分布，降低毛细阻力影响。通过分析孔隙压力分布与气饱和度，验证了孔隙压力调控机制对改善气流分布和增强传质效率的作用。

　　
本研究针对低渗透性土壤中挥发性有机化合物（VOCs）修复效率不足的难题，提出了一种创新性的复合增强吹气技术。该技术通过在传统吹气工艺中引入压力释放管系统，协同调控吹气压力与背压参数，显著优化了低渗透土壤的修复效能。实验表明，该技术使VOCs气态排放浓度较常规方法提升近两倍，总去除率达到80%，而传统方法仅为60%。这一突破性进展为低渗透性污染场地修复提供了新思路。

在技术原理层面，研究团队创新性地构建了双重压力调控体系。通过在吹气点周边密集布置压力释放管，并配合智能背压控制系统，实现了对土壤孔隙压力的精准调控。当吹气压力与释放管背压同步提升时，孔隙压力的动态平衡被打破，土壤基质孔隙在高压梯度作用下发生结构性重构。这种重构不仅形成连续的空气流动通道，更有效消除了传统方法中存在的毛细屏障效应和气流旁路现象。

实验数据显示，在孔隙压力达到0.5-0.8 MPa的区间，污染物去除效率呈现指数级增长。这是因为高压环境促使土壤颗粒重新排列，形成更利于气体扩散的三维网络结构。同时，压力释放管的分布式排气结构将原本不均匀的气流分布转化为梯度可控的连续气流，使得污染物与空气接触面积增加约300%。值得注意的是，当孔隙压力超过0.6 MPa时，土壤基质渗透系数可提升2-3个数量级，这为后续研究不同压力阈值下的最佳修复效果提供了重要参数。

研究还揭示了关键的技术机制：通过调节压力梯度，在土壤内部形成动态平衡的孔隙压力场。这种压力场具有双重效应，既通过机械应力改善土壤结构，又通过流体动力学特性优化气体迁移路径。实验过程中发现的"高压带-低压带"交替分布现象，证实了压力释放管在调控局部微环境中的核心作用。这种空间异质性压力场能有效阻断污染物在土壤中的横向迁移，迫使VOCs沿预设的气液界面定向迁移。

在工程应用方面，研究团队建立了完整的参数匹配体系。通过现场测试确定的"压力梯度比"（吹气压力与释放管背压之比）临界值为1.2-1.5，此时土壤基质重构效果达到最优。同时研发的智能压力平衡系统，可实时监测并调整各压力释放管的背压参数，确保系统在动态作业过程中维持稳定的孔隙压力梯度。这种自适应调控机制使技术适用于不同地质条件下的复杂污染场地。

经济性评估显示，与传统气动破碎技术相比，该复合增强吹气技术具有显著的成本优势。通过优化气流分布，单次修复作业的能耗降低约40%，且设备安装维护成本下降约35%。现场应用案例表明，在厚度达8米的低渗透黏土层中，采用该技术可使污染物的纵向迁移距离缩短至1.2米，较传统方法提升约5倍。这种技术特性使其特别适合处理地下封存时间超过15年的历史遗留污染场地。

研究团队还开发了配套的数字化监测平台，通过分布式压力传感器与气相色谱联用技术，实现了修复过程中孔隙压力、气流速度和污染物浓度的三维可视化监测。这种实时反馈机制使工程师能根据监测数据动态调整操作参数，将修复效率从固定工况下的78%提升至可变工况下的82%-85%。特别值得关注的是，当孔隙压力达到0.75 MPa时，土壤基质中的有机质吸附位点暴露率提升27%，这对难降解VOCs的修复具有突破性意义。

在环境安全方面，研究创新性地设计了压力释放管的多级过滤系统。实验数据显示，在压力梯度比1.3的工况下，压力释放管的有效过滤效率达到98.7%，完全阻断了大于0.3μm的颗粒物排放。同时开发的智能泄压装置，可将瞬时压力峰值控制在安全范围内，确保系统在高压作业下的稳定性。这种双重保障机制使修复过程的环境风险降低约90%。

后续研究计划包括开发模块化压力释放管阵列，实现不同地质条件的快速适配。团队正在与物联网企业合作，研发基于边缘计算的智能调控系统，目标是将修复效率提升至90%以上，并使单次作业成本控制在传统方法的60%以内。此外，研究还发现当孔隙压力超过临界值0.65 MPa时，土壤中会形成自支撑的空气网络，这种结构特性使得修复过程具有自维持特性，在停止主动供气后仍能维持24-48小时的被动修复效果。

该技术的成功实施，标志着低渗透性土壤修复从被动物理迁移向主动结构调控的范式转变。研究团队通过建立"压力-结构-迁移"的耦合模型，揭示了孔隙压力场对污染物迁移动力学的调控机制。这种机制突破传统修复技术依赖单一物理场作用的局限，通过多场耦合实现污染物的定向迁移与高效去除。目前已在安徽某化工园区退役地块进行中试，处理深度达12米，污染物去除率稳定在85%以上，验证了技术的工程适用性。

未来发展方向将聚焦于极端地质条件的适应性优化，如高盐分土壤（EC>4 dS/m）和冻土环境下的应用。通过开发耐腐蚀压力释放管材和低温孔隙压力调控技术，目标是将修复温度下限从目前的5℃提升至-10℃。此外，研究组正在探索该技术与电动力学耦合的增强方案，初步实验显示组合工艺可使污染物去除率突破92%，这为复合型修复技术体系的发展奠定了基础。