场地土壤石油类挥发性气体侵入[PVI]调查方法与分析工具

查看全部 · 发表于 2021-4-7 08:30:14

挥发性气体侵入调查中的重要考虑因素

许多本领域的从业人员（包括立法人员，股东，咨询顾问和承建商）对挥发性气体和挥发性气体入侵并不太熟悉。从业人员在处理土壤挥发性气体项目和数据时普遍存在以下三类错误：计量单位，筛查或目标污染物浓度水平，以及项目目标。

规划工具能确保所收集数据的质量，类型和数量是合理的，如美国环保署提出的数据质量目标规划法（DQO）。该规划方法包括以下七个步骤：

阐述需要研究的问题并定义总体的研究目标
列出为实现研究目标而需解决的详细问题清单
明确所需样品、数据和其他信息的类别
定义研究的范围（空间和时间尺度），包括在所有介质中横向与纵向的污染程度，以及可能存在于场地内的多个暴露区域
根据调查结果的不同形成一系列不同的决策
指定能容忍的决策误差，以及分析方法的数据质量目标
优化取样设计，在进入现场之前思考最适当的取样方法

数据质量的确定方式在DQO规划法中的测量数据目标部分里有详细的描述，主要包括以下几点：

明确关注污染物和筛查水平
选择具有合适检测限的取样方法和分析方法
完成预取样建筑物调查（内部取样）
确定适当的取样条件，样品数目，和取样时长
明确并采集用于质量控制的样品（场地空白，样品备份）

地下水

一般来说，使用地下水数据会高估石油挥发性气体侵入的风险，因为通常人们提出的地下水筛查值并没有考虑污染物在包气带中的生物降解。评估石油挥发性气体侵入路径所需的数据可以通过三种方式获取，使用已有的地下水数据、对附近场地数据进行插值计算、或取样分析以得新的地下水数据。

已有的地下水数据应当从设有地下水筛网段的地下水位区域获取。如果无法取得构筑物位置上游（离污染源最近）的地下水数据，则可以用周边的数据点构建污染物等浓度线地图。为了收集适用于挥发性气体侵入评价的地下水数据，应当正确地设计和实施井筛间隔、井筛长度，以及井的安装、建造、清洗和取样。

地下水样品采集点应尽可能在水平和垂直方向上靠近构筑物，这是由于污染源区和地下介质的不均一性，污染羽内的浓度并不总是一致的。经过初步的挥发性气体侵入调查后，当某处地下水污染物浓度超过筛查水平并靠近某受体建筑物，但尚未进入垂直或横向筛查距离内时，进行长期的地下水监测以重新评价挥发性气体侵入路径较为妥当。

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图1：使用地下水蠕动泵进行低流速采样

其他可应用于挥发性气体侵入调查的地下水取样方法包括被动取样器和低流量洗井取样法（产品1，产品2，产品3）。被动扩散袋式取样器（PDBS）可能是最常用的用于采集挥发性有机物（VOCs）的工具。为确保PDBS与周围井水达到扩散平衡，需将其置于井内水位下方至少两个星期。在采样期间显著的地下水位波动会影响取样器合理的放置深度区间。任何情况下，在安装和移除PDBS时都应当测量井内水深，在PDBS取样数据的报告里也应当详细描述取样器距离水位的相对位置。

如果评估挥发性气体侵入路径是唯一的取样目标，那么应当对典型的低流量洗井取样法进行以下两个改进：

在保证没有显著的水位下降从而导致水位降至泵入口以下的风险情况下，应尽量使泵入口水平靠近水位。对处于一般或高渗透率土层的井来说，静态水位以下1.5-2英尺是比较适当的放置泵入口位置。

洗井的目标是用取样设备（如管道和泵）将井管两倍体积的地下水洗出监测井，以确保将对水质中的过量杂质去除，提高样品的可代表性。洗井过程中需要测量出水水质是否达到稳定，同时需要考虑洗井时造成的水位下降，并确保不过度。

土壤

由于分配方程计算的不确定性以及采样过程中可能产生损失挥发性有机物的情况，土壤数据一般不被用来评估挥发性气体侵入路径。为了更好地利用土壤数据计算挥发性气体侵入风险，土壤中污染物浓度必须转化为土壤气体浓度。这种转化建立在土壤污染物已分配进入气相的假设上。当污染物是PHC（石油烃）时，将土壤数据代入分配方程计算出的土壤气体浓度，通常会比实际土壤气体浓度高。

取VOCs土样时，必须严格遵守为减小挥发损失而设计的特定取样步骤。现有的土壤数据则应该作为辅助性依据。总的来说，不建议单独使用土壤基质数据作为挥发性气体侵入调查的筛查工具。

特定场地的土壤特性（例如：土壤容重、颗粒密度、总孔隙度、含水率以及有机碳组分）可以通过测量土样获得。这些数据可以作为参数，代替默认值输入模型来模拟挥发性气体侵入的情况。包气带的透气性可以通过现场测量或实验室测量来确定。相较于实验室测量而言，原位测量技术可以测量更大范围的样区，因此更适合土样数据采集。

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图2：对土芯样品使用光离子检测器进行筛查

室内空气测量

一般在其他环境样品（例如：地下水样品或土样）的分析结果表明需要继续进行室内评估后，才需要采集室内空气样品。其分析列表应至少包括地下样品中发现的高于筛查水平浓度的污染物、他们的分解产物、以及潜在的标记化合物。

不同样品来源的采样周期是不同的，例如：居住环境的室内空气采样周期通常在24小时以上、商业和工业环境的通常是8小时以上、而工作时间超过8小时的商业受体的工作环境则需多个空气样品进行分析。

积时式采样方式一般用于与挥发性气体侵入相关的室内空气暴露评估。连续取样法所得的样品数据代表在一段固定时间内，对取样对象按照固定的取样频率采样后分析所得的数据均值。常见的室内取样方式有两种：使用真空采气罐或使用吸附介质。

使用真空采样罐

真空采样罐是一种有钝化层或特殊涂层保护的惰性容器（例如：Summa罐或Silco罐），一般内部清洁无泄漏，抽真空后再运输至场地使用。采气方法如下：使用实验室内已校准并设置好的流量控制器，在一个预设的时间段内以固定的空气流量填充采气罐。最新的采样瓶可以达到7天的采样时长。

使用真空采样罐最大的两个优点，同一采样罐能进行多个样品的分析，采样罐易于部署和收回。真空采样罐在北美使用最普遍的空气采样方法。

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图3：不锈钢质真空采样罐

吸附介质取样法

吸附介质取样法可以主动亦可被动进行。VOC样品采集可以使用吸附法或其它方法，但SVOC的样品采集，就必须使用这一采样方法。主动采样需要在固定时间内，让空气按校准流速通过装有吸附介质的管道。采样所使用的空气流速和样品容量取决于使用的吸附介质种类、关注污染物种类和管道中吸附介质的质量。随后样品会被送往实验室进行热/化学脱附和后续分析。在取样开始和结束阶段，需要使用校准过的流量计，验证并且记录采样泵内的空气流速。

室内空气的被动取样法与主动取样法相似，都是通过吸附介质采集蒸气污染物成分，但被动采样的原理是基于污染物的自主扩散，而不是依靠采样泵。

任何采样方法都需要考虑建筑物内不同的暴露情景（例如：日托所或医疗设施）以及任何可能接触到蒸气污染物的敏感人群。

环境（室外）空气采样

在进行挥发性气体侵入研究时，如果使用了室内空气样品，那么同时也应当采集室外样品进行分析。环境空气样品用以表征特定场地的室外空气的污染物背景值。室外空气样品采集地点应具代表性，最好是在上风处，并且远离树木和建筑物等障碍物。采样口应离地面大约3到5英尺（约半层楼高）、离建筑物大约5到15英尺。室外环境空气采样至少需在室内空气监测开始前一个小时（最好是两个小时）进行，并且至少持续到室内监测完成前三十分钟。

调查挥发性气体侵入的辅助工具与采集数据

排放通量箱法

该方法将通量箱放置在在地面或地板上一段时间，随后测量箱中的污染物浓度。通量箱最适合用于裸土测量的情况，同时也可作为定性工具来定位挥发性有机物的地表通量和进入构筑物的点位。

示踪剂测定特定地点衰减因子

特定地点的衰减因子可通过保守型示踪剂显示的构筑物中和楼板下土壤气体浓度数据计算得出。计算得出的衰减因子可在之后用来估算其他关注污染物的室内空气浓度，其计算方法是将测量得到的底板下土壤气体浓度乘以示踪剂（或“标记化合物”）的衰减因子。

示踪剂测定房间通风率

室内污染物浓度与房间通风率成反比：通风率每增加两倍可使室内污染物浓度降低两倍。美国环保署和许多其他机构使用的默认通风率较为保守：一般住宅换气率是每一到四小时一次，商业建筑则是每小时一次。美国材料和试验协会方法E 741描述了使用气态示踪剂（如氦或六氟化硫）测量通风率的技术。

差压测量

测量构筑物和室外环境间的压力梯度有助于理解室内污染物浓度的测量值。室内污染物浓度和相对压力之间的关联可以提供污染源的信息。

即时（实时）连续分析仪

即时分析仪可用于收集多个数据，这些数据可用于定位问题构筑物、蒸气进入构筑物的迁移路径，以及构筑物内的挥发性有机物污染源，一些分析设备还可以对污染物组分进行定性和定量。另外，即时分析仪也具有采集不同地下深度样品的功能。

鉴识数据采集与分析

鉴识数据采集分析法通过对可能成为潜在污染源的污染物性质进行详细研究，制成证据链，来确定挥发性有机物的污染源。鉴定数据采集法可用于确定楼板下污染物的来源（上方结构物或包气带）。

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图4：使用便携式气相色谱进行土壤气体的现场即时分析

气象资料

天气状况会影响土壤气体或室内污染物浓度。就土壤气体而言，采样点越靠近地表，气象条件的影响就越大；而在地表以下或结构地基下大于3至5英尺深度的地方，气象条件的影响则不太重要。室内空气更容易受气象条件的影响，因此气象资料的收集有助于评估挥发性气体侵入的风险。

气动试验

在某些情况下，地质层中有部分或完全的阻隔屏障，阻挡蒸气向上迁移至土壤上方之建筑物。要辨识这种地质屏障的存在，可以使用气动试验──类似于地下水抽提试验──其中一个井用于抽取，而其他的井用于监测真空响应。

调控压差

将地下源导致的挥发性气体侵入与地表的背景污染源区分开的其中一种方法是在自然情况和人为控制压差（地下和室内之间）时，分别采集室内空气样品。这种方法可以通过对建筑物加压或对楼板下的区域进行减压来实现。