正版 污染场地地下水的原位化学氧化修复技术

第1章原位化学氧化：技术描述和现状1

1.1污染场地和原位修复2

1.1.1引言2

1.1.2污染场地刻画2

1.1.3场地修复方法4

1.1.4本书结构6

1.2ISCO修复技术7

1.3ISCO的发展10

1.3.1研究和发展10

1.3.2场地应用13

1.4系统选择、设计和实施14

1.5项目实施和成本17

1.6总结18

参考文献20

第2章过氧化氢原位化学氧化的基础29

2.1简介30

2.2化学原理31

2.2.1物理化学特性31

2.2.2氧化反应31

2.2.3过氧化氢的催化35

2.2.4过氧化氢催化反应动力学41

2.2.5影响氧化剂效率和有效性的因素46

2.3地下的氧化剂交互反应52

2.3.1氧化剂持久性对氧化剂传输的影响53

2.3.2对金属移动性的影响55

2.4污染物可处理性56

2.4.1卤代脂肪族化合物56

2.4.2氯代芳香族化合物60

2.4.3碳氢化合物燃料63

2.4.4多环芳烃65

2.4.5烈性、硝基和氨基有机化合物66

2.4.6农药66

2.4.7吸附性或非水相液体污染物67

2.5总结69

参考文献70

第3章高锰酸盐原位化学氧化的基础79

3.1前言80

3.2化学原理80

3.2.1物理和化学性质81

3.2.2氧化反应82

3.2.3反应机制和途径83

3.2.4高锰酸盐反应动力学84

3.2.5二氧化锰的生成87

3.2.6二氧化碳气体的产生91

3.2.7天然有机质的氧化91

3.3地下环境中氧化剂的交互作用92

3.3.1天然氧化剂需要量92

3.3.2高锰酸盐对地下传输过程的影响99

3.4污染物可处理性111

3.4.1氯乙烯111

3.4.2氯乙烷和氯甲烷114

3.4.3BTEX、MTBE和饱和脂肪族化合物115

3.4.4苯酚116

3.4.5多环芳烃116

3.4.6爆炸物及相关的化合物119

3.4.7农药120

3.5总结120

参考文献121

第4章过硫酸盐原位化学氧化的基础129

4.1引言131

4.2化学原理131

4.2.1物理化学特性131

4.2.2氧化反应132

4.2.3过硫酸盐的活化和传播反应135

4.2.4过硫酸盐反应动力学142

4.2.5影响氧化效率和有效性的因素145

4.3过硫酸盐在地下的交互作用149

4.3.1对地下传输过程的影响149

4.3.2对金属移动性的影响153

4.4污染物的可处理性153

4.4.1卤代脂肪族化合物154

4.4.2氯代芳香族化合物157

4.4.3碳氢燃料158

4.4.4多环芳烃159

4.4.5硝基芳香族化合物160

4.4.6农药161

4.5总结162

参考文献162

第5章臭氧原位化学氧化的基础169

5.1简介170

5.2化学原理171

5.2.1物理化学特性171

5.2.2氧化反应172

5.2.3臭氧反应动力学178

5.3臭氧在地下的交互作用179

5.3.1影响臭氧化学反应的交互作用179

5.3.2影响臭氧传输的交互作用180

5.3.3臭氧传输过程183

5.3.4臭氧原位化学氧化建模186

5.3.5臭氧对金属移动性的影响187

5.4污染物的可处理性188

5.4.1氯代脂肪族化合物189

5.4.2氯代芳香族化合物190

5.4.3燃料烃和总石油烃191

5.4.4煤焦油、杂酚油和碳氢废物193

5.4.5硝基芳香化合物和硝酸铵爆炸物195

5.4.6农药196

5.5总结196

参考文献197

第6章原位化学氧化相关的地下传输原理和模型205

6.1简介206

6.2源区架构206

6.3污染物的传质过程208

6.3.1NAPL的溶解208

6.3.2污染物的吸附/解吸211

6.4主要的试剂传输过程212

6.4.1平流212

6.4.2分散过程213

6.4.3扩散过程214

6.4.4密度驱动流215

6.4.5吸附215

6.4.6注气法215

6.5影响水力条件的过程216

6.5.1稳定组分引起的渗透减弱216

6.5.2气体产物219

6.6氧化剂/污染物的动力学反应公式219

6.6.1高锰酸盐反应220

6.6.2臭氧反应221

6.6.3过氧化氢反应221

6.6.4过硫酸盐反应221

6.7非生产性反应的氧化剂用量222

6.7.1高锰酸盐非生产性氧化剂需求223

6.7.2臭氧非生产性氧化剂需求223

6.7.3过氧化氢非生产性氧化剂需求223

6.7.4过硫酸盐非生产性氧化剂需求224

6.8已发表的ISCO模型研究224

6.8.1臭氧模型224

6.8.2高锰酸盐模型225

6.9ISCO建模工具的实用性229

6.9.1模型维度（一维、二维、三维）229

6.9.2解析解229

6.9.3ISCO的概念设计231

6.9.4三维化学氧化反应运移234

6.10总结240

参考文献240

第7章原位化学氧化与其他原位修复方法结合原理251

7.1简介252

7.2原位生物方法253

7.2.1氧化剂对地球化学和生物过程的影响254

7.2.2预氧化强化污染物的生物降解256

7.2.3监测自然衰减260

7.2.4强化原位生物修复技术（EISB）264

7.3表面活性剂/助溶剂淋洗方法267

7.3.1表面活性剂/助溶剂存在时的氧化作用267

7.3.2助溶剂对氧化机制的影响268

7.3.3表面活性剂和助溶剂与氧化剂的兼容性269

7.3.4氧化反应产生的表面活性剂270

7.4非生物还原方法270

7.4.1零价铁270

7.4.2其他原位化学还原技术271

7.5空气喷射方法272

7.6热修复方法272

7.7联合方法的现场应用273

7.8总结274

参考文献274

第8章原位化学氧化现场应用与性能评估281

8.1简介282

8.2以往案例研究综述282

8.3ISCO案例研究数据库的发展历程283

8.3.1关键数据库参数的定义283

8.3.2案例研究数据库的开发建设289

8.3.3潜在局限性290

8.4ISCO案例研究数据库内容的概况291

8.5影响原位化学氧化设计的条件分析295

8.5.1处理的COCs295

8.5.2水文地质条件296

8.5.3氧化剂298

8.6影响ISCO修复效果的场地因素分析300

8.6.1修复性能标准300

8.6.2设计条件和环境条件的性能经验和影响301

8.7原位化学氧化的二次影响304

8.8关键发现的总结304

8.9总结306

参考文献307

第9章特定场地原位化学氧化工程的系统方法309

9.1引言310

9.2筛选ISCO适用性311

9.2.1简介311

9.2.2场地概念模型（CSM）所需的数据及ISCO的开发和筛选313

9.2.3筛选特定场地ISCO污染物、场地条件和治理目标313

9.2.4ISCO筛选的场地概念模型319

9.2.5前ISCO修复的思考319

9.2.6ISCO技术的详细筛选321

9.2.7原位化学氧化方法耦合327

9.2.8原位化学氧化方法的筛选结果329

9.3原位化学氧化系统的概念设计330

9.3.1简介330

9.3.2目标修复区331

9.3.3一级概念设计331

9.3.4概念设计方案的可行性335

9.3.5氧化剂和传递方法选择的排序336

9.3.6二级概念设计337

9.4ISCO系统的具体设计及规划341

9.4.1引言341

9.4.2初级设计阶段342

9.4.3最终设计阶段344

9.4.4计划阶段346

9.5安装启用和性能监测349

9.5.1简介349

9.5.2实施监测阶段350

9.5.3传输性能监测阶段352

9.5.4修复性能监测阶段353

9.6总结353

参考文献354

第10章场地特征描述和ISCO处理目标355

10.1简介356

10.2场地概念模型356

10.2.1一般描述356

10.2.2构建ISCO所需的场地概念模型358

10.3场地特征描述的策略和方法359

10.3.1介绍359

10.3.2三维一体法概述359

10.4场地特征描述的方法和技术361

10.4.1场地特征和土地使用属性361

10.4.2污染物的性质和范围362

10.4.3水文地质条件368

10.4.4地球化学条件369

10.4.5归趋和传输过程370

10.4.6场地特征描述数据的分析和可视化371

10.5ISCO需要的场地特征数据373

10.6ISCO处理的目标375

10.7场地特征描述和ISCO376

10.8总结380

参考文献380

第11章氧化剂传输方法和应急计划385

11.1引言386

11.2液态氧化剂的传输机制386

11.2.1液态氧化剂注入过程中的平流386

11.2.2液态氧化剂注入后的平流387

11.2.3通过平流进入地下后氧化剂的扩散388

11.3氧化剂传输方法388

11.3.1直推探针法的液态氧化剂注入390

11.3.2建井式液体注入393

11.3.3建井式气体喷射395

11.3.4液体的再循环395

11.3.5利用沟或渠投加氧化剂396

11.3.6氧化剂和土壤机械混合396

11.3.7用于氧化剂投加的压裂技术397

11.3.8地表应用或渗透廊方法398

11.4氧化剂传输的一般考虑399

11.4.1含水层非均质性399

11.4.2污染物分布400

11.4.3地下设施及其他优先通道401

11.4.4污染物迁移401

11.4.5氧化剂活化的需要402

11.5氧化剂的地上处理和混合402

11.6观察法和应急计划405

11.6.1观察法405

11.6.2应急计划406

11.7总结407

参考文献408

第12章原位化学氧化性能监测411

12.1引言412

12.2一般考虑413

12.2.1目标的建立413

12.2.2地下ISCO交互作用的解释414

12.2.3特定场地条件下的性能监测415

12.3基线条件的监测417

12.3.1目的和范围417

12.3.2方式与方法418

12.4氧化剂传输过程中的监测422

12.4.1目的和范围422

12.4.2方式与方法423

12.5处理性能的监测427

12.5.1目的和范围427

12.5.2方式与方法428

12.5.3数据评价432

12.6总结435

参考文献435

第13章项目成本和可持续发展方面的考虑437

13.1引言438

13.2成本估算方法438

13.2.1成本估算等级划分和细节水平438

13.2.2成本估算方法概述439

13.3主要成本构成440

13.4历史和说明性的成本估算442

13.4.1基于案例研究数据的ISCO项目费用442

13.4.2基于说明性案例的ISCO项目费用443

13.4.3ISCO项目成本的比较453

13.5持久性考虑453

13.5.1持久性的概念和定义453

13.5.2使技术更具可持续性454

13.6总结456

参考文献456

第14章原位化学氧化现状与发展方向459

14.1引言460

14.2原位化学氧化很优应用研究460

14.3新兴的方法和技术462

14.3.1原位化学氧化技术与其他技术联用463

14.3.2强化原位化学氧化的给药途径463

14.3.3提高原位化学氧化的监测与评估464

14.4研究需求和突破领域464

14.4.1原位化学氧化化学工艺研究465

14.4.2原位化学氧化传输研究466

14.4.3原位化学氧化系统设计研究467

14.4.4原位化学氧化过程控制与评估研究467

14.5总结467

参考文献468

附录A专业名词缩略语及符号469

附录B化学式474

附录C专业术语476

附录D特定场地原位化学氧化的辅助材料495

D.1用于天然氧化剂需要量及氧化剂持久性测定的检测程序495

D.1.1引言495

D.1.2样品采集、保存和存储496

D.1.3氧化剂持久性测定步骤496

D.1.4举例说明测试程序和数据分析499

D.1.5参考文献503

D.2污染物可处理性和反应产物评估的测试过程503

D.2.1前言503

D.2.2优化化学氧化的测试方法504

D.2.3探索附加系统化学条件的测试方法506

D.2.4总则508

D.2.5预防措施的解释和结果的应用508

D.3氧化剂浓度的分析方法509

D.3.1已有方法509

D.3.2参考文献510

D.4场地条件下ISCO中试的注意事项510

D.4.1中试目标511

D.4.2注入探针和井间距与氧化剂的体积/质量512

D.4.3设备513

D.4.4监测513

D.4.5案例513

D.5直接注入高锰酸钾的原位化学氧化的初步设计报告提纲513

D.6ISCO实施操作方案的典型组成部分515

D.6.1操作指标515

D.6.2ISCO处理里程碑516

D.7ISCO的性能规格和/或详细图纸和设计规范的发展516

D.7.1性能指标516

D.7.2详细设计规范和图纸517

D.8质量保证项目计划（QAPP）目录519

D.9ISCO工程的潜在施工前活动描述520

D.9.1注入允许520

D.9.2效用清除521

D.9.3潜在受体调查522

D.9.4ISCO实施的工程控制522

D.9.5行政活动522

D.9.6健康和安全准备工作523

D.9.7参考文献523

D.10构建和传输有效性质量保证和质量控制（QA/QC）指南524

附录E案例研究与应用说明526

E.1案例研究：臭氧的试点测试526

E.1.1摘要526

E.1.2区域特征概要526

E.1.3试点测试的特征和结果概要527

E.1.4参考文献531

E.2案例研究：过硫酸盐试点测试531

E.2.1摘要531

E.2.2区域特征概要532

E.2.3试点测试的特征和结果概要532

E.2.4参考文献538

E.3案例研究：过氧化氢的试点测试538

E.3.1摘要538

E.3.2区域特征概要538

E.3.3试点测试的特征和结果概要539

E.3.4参考文献547

E.4例证性的应用：联合方法547

E.4.1高锰酸钾对厌氧微生物群落修复氯化溶剂的影响547

E.4.2在一个废旧的气体制造厂场地利用催化过氧化氢和相关的放热性来进行PAH的修复550

E.4.3在一个PCE污染场地使用催化过氧化氢和高锰酸钠结合的原位化学氧化技术联合土壤挖掘的方法以达到优选的污染去除水平551

E.4.4参考文献552

廖晓勇，中国科学院地理科学与资源研究所研究员（二级），国家杰出青年科学基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才。多年来专门从事污染土壤修复研究工作，是我国土壤环境保护领域较早且较有影响力的学者之一。先后承担国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目等重要项目60余项。廖晓勇研究员带领团队围绕污染土壤修复的“方法机理→技术研发→装备研制→工程应用”主体科研思路开展原创性研究工作，自主研发土壤修复装备5台套，发表学术论文160余篇，授权国家发明专利29项，出版著/译作3部，主持或参与编制标准规范9项。研究成果获北京市科学技术奖一等奖（排名第一）、中国科学院科技促进发展奖（排名第一）等省部级重要科技奖励11项。廖晓勇研究员在土壤污染防治领域不断耕耘、开拓创新，多年来致力于受污染耕地与工业场地安全再利用研究，以实际问题为导向，让污染治理效果落到实处，为打赢污染防治攻坚战提供科技支撑。

随着我国城市发展和产业结构调整，工业企业遗留场地地下水污染问题逐渐暴露。由于其对人类健康的危害和水资源安全的威胁，其引起了政府的高度重视和民众的广泛关注。原位化学氧化技术具有修复效率高、反应速度快、操作简便等优点，已成为污染场地地下水修复的重要工程技术之一，在国际上广泛应用于有机污染地下水修复。国内也开始有部分工程案例尝试采用化学氧化修复方案，但技术水平有较大的发展空间。本书系统阐述了地下水原位化学氧化修复这一新兴技术，提供了全面的关于地下水原位化学氧化修复原理和应用，可作为地下水原位化学氧化修复的技术实践手册供环境修复技术人员使用。