CN112599203A - 一种土壤化学氧化修复技术中氧化剂选择方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种土壤化学氧化修复技术中氧化剂选择方法，包含：(1)确定污染物及污染场地、(2)评价指标体系的构建、(3)指标权重的确定、(4)指标的标准化及分级、(5)氧化剂选择指数的确定、(6)氧化剂选择结果分析。通过理论分析法和层次分析法制定各准侧层及其所含评价指标的权重，进行标准分级和赋分确定各指标分值，运用多目标加权法得出目标层的综合评价指数，并对综合评价指数的分析，判定修复效果评估等级。本发明具有科学、直观、可操作性强的优点，在一定程度上弥补了我国土壤化学氧化修复技术中氧化剂选择体系构建方面的不足之处，可对当前的土壤化学氧化修复技术中氧化剂选择方法提供参考和借鉴。
Description
技术领域
本发明属于土壤修复技术领域，具体涉及一种土壤化学氧化修复技术中氧化剂的选择方法。
背景技术
化学氧化修复技术具有修复速度快、药剂投放方式多样、治理方案灵活性高、二次污染小、节约成本等优势，因此在有机物污染土壤修复领域被广泛使用。
目前化学氧化修复常用的氧化剂有高锰酸钾、芬顿试剂、过硫酸盐、臭氧等，但氧化剂的氧化效果受场地内污染物种类、浓度和水文地质情况所影响，因此选择合适的氧化剂是化学氧化修复技术的关键点之一。
污染场地内土壤的理化性质不同，污染物种类和特征存在差异，以及化学氧化药剂自身适用条件不同，导致选择合适的氧化剂及其配比的过程比较繁琐。通常情况下，在化学氧化修复施工前往往需要进行大量的小试实验来确定最适合本场地的氧化剂。然而，虽然小试试验结果具有可靠性，但是工作量大、试验周期长等缺点也导致其无法满足快速提供理论和数据支持的要求。
目前，虽然国外已经有了一些氧化剂筛选方法，比如荷兰土壤品质管理与技术转让中心组织(SKB)提供几种常用氧化剂的氧化能力和适用性(见表1)，并提出了小型至中型场地污染源区和污染羽氧化剂选择的一般原则(如图1和图 2)。通过ITRC和USEPA等机构发布的相关工程数据，Crimi等分析和总结出不同土壤理化性质和污染物下氧化剂的实用性和使用效果(见表2和表3)，为后续研究氧化剂选择方法提供了一定量的数据支持。
然而，我国土壤类型众多、结构复杂，以及各地区土壤性质差异性较大，仅单单借鉴国外的方法选择氧化剂是不合理的。同时，国内尚未有系统的氧化剂选择方法或者原则，大多数是通过针对特定场地的药剂筛选实验和以往研究结果、工程经验来确定最佳修复药剂。
因此，制定一种能够有效快速地选择氧化剂的方法是必不可少的。本发明详细阐述了一种土壤化学氧化修复技术中氧化剂的选择方法，可对当前土壤化学氧化修复技术提供指导和帮助。
表1不同氧化物的相对氧化强度
表2不同氧化剂对不同污染物的适用性
表3土壤理化性质对各种氧化剂的使用效果影响
表3土壤理化性质对各种氧化剂的使用效果影响
发明内容
本发明涉及一种土壤化学氧化修复技术中氧化剂选择方法，对于确定污染场地土壤性质和目标污染物之后，一种土壤化学氧化修复技术中氧化剂选择方法。
本发明根据理论分析法构建氧化剂选择指标层次结构模型。运用层次分析法确定评价指标和指标层的权重。通过对氧化剂选择综合评价指数分级，评估其适用性。
附图说明
图1污染源区氧化剂选择流程图。
图2污染羽区域氧化剂选择流程。
图3为本发明的流程框示图。
图4为本发明的氧化剂选择方法指标框示图。
具体实施方式
为了更好地阐述本发明的实施步骤，下面将结合说明图和具体实施案例详细讲解本发明的具体实施步骤。
步骤(1)构建氧化药剂选择体系：将选择体系划分为3各层次：目标层A、准则层B和要素层C。
目标层A是层次结构的最高级别，反映氧化剂选择的综合评价指数。
准侧层B是表示氧化剂选择的主要系统层次，从多个方面反映氧化剂选择的适用性，主要包括氧化剂与污染物的适用性B1、氧化剂与污染场地的适用性 B2和其他因素B3。
指标层C是最基本的层次结构，直接反映氧化剂选择的匹配性，主要包括指标C1-C6。
氧化剂与污染物的适用性B1对应的指标层C为氧化剂氧化能力C1、C2污染物种类，氧化剂与污染场地的适用性B2对应指标层C为pHC3、有机碳含量 C4和污染物浓度C5，其他因素B3包括投加方式C6和时间周期C7。
步骤(2)确定个评价指标权重：采用层次分析法结合主成分分析法进行权重分配，分别确定准侧层氧化剂与污染物的适用性B1、氧化剂与污染场地的适用性B2和其他因素B3的权重、氧化剂氧化能力C1和C2污染物种类的权重、 pHC3、有机碳含量C4和污染物浓度C5的权重、投加方式C6和时间周期C7的权重。
对同一层次各单元关于上一层次中某一准则的重要性进行两两比较，构造各因素之间的判断矩阵，评估指标各因素之间的关系。本发明中共构建矩阵4个， A＝{B1，B2，B3}(矩阵1-1)，B1＝{C1，C2}(矩阵2-1)，B2＝{C3，C4，C5} (矩阵3-1)，B3＝{C6，C7}(矩阵4-1)。
采用T.L.Satty1-9比例标度，矩阵标度及含义见表4。
表4判断矩阵的标度及含义
根据表4获得各判断矩阵中的相应数值，将判断矩阵进行归一化运算，得到准侧层和指标层所对应的权重。
根据表4获得各矩阵中的数值，判断矩阵1-1如下：
判断矩阵2-1如下：
判断矩阵3-1如下：
判断矩阵4-1如下：
| 其他因素(B3) | 投加方式(C6) | 时间周期(C7) |
| 投加方式(C6) | 1 | 3 |
| 时间周期(C7) | 1/3 | 1 |
将上述矩阵进行归一化运算，得到准侧层和目标层所对应的权重，结果如下：
(1)对应目标层A准则层的权重，WB1＝0.669，WB2＝0.217，WB3＝0.114；
(2)对应准则层B1指标层的权重，WC1＝0.500，WC2＝0.500；
(3)对应准则层B2指标层的权重，WC3＝0.238，WC4＝0.121，WC5＝0.641；
(4)对应准则层B3指标层的权重，WC6＝0.75，WC7＝0.25。
步骤(3)制定氧化剂选择标准：
根据表2和表3，结合实际情况，对指标层的评价指标进行分级，并对各级赋分，构建评估标准体系。根据各指标属性，将评价标准划分三级或者四级。分级设定中，一级标准的评价值设定为1.0，评价值设为1.0；最末级标准的评价值设定为0，评价值设为0；中间级的评价值根据分级的级数和实际情况而设定，若分级级数为三级，则一级赋分1.0，二级赋分0.5或0.7，末级赋分0；若设定为四级，则一级赋分1.0，二级赋分0.67，三级赋分0.33，末级赋分0。
根据指标权重和指标的分值，得到修复后效果评估的综合评价指数。计算方式如下：
1)准则层-氧化剂对污染物的适用性B1的评价指数
式中，其中E1为目标污染物指标B1评价指数值，Wi为目标污染物指标对应指标层Ci的权重，Ci为指标i的标准分值。
2)准则层-氧化剂对污染场地的适用性B2的评价指数
式中，其中E2为其他因素指标评价指数值，Wi为其他因素指标对应指标层 Ci的权重，Ci为指标i的标准分值。
3)准则层-经济成本B3的评价指数
式中，其中E3为修复可持续性评价指数值，Wi为修复可持续性对应指标层 Ci的权重，Ci为指标i的标准分值。
4)目标层综合评价指数
式中，其中E为目标层评价指数值，Si为准侧层Bi的权重，Ei为准侧层Bi 评价指数值。
按照目标层综合评价指数E大小排序，输出最佳氧化剂。
实施例一
1、确定污染物及污染场地
某化工厂搬迁后遗留场地的主要污染物为氯乙烯，进行实例说明：
该场地土壤中氯乙烯污染严重，土壤pH为6左右，土壤的有机碳含量为 0.58％，氯乙烯的污染浓度为1.81mg/kg，通过化学氧化技术进行修复，达到修复目标值0.43mg/kg，拟选用高锰酸钾、碱活化过硫酸钠、铁离子活化H2O2。
2、评价指标体系的构建
确定准侧层氧化剂与污染物的适用性B1、氧化剂与污染场地的适用性B2和其他因素B3的权重、氧化剂氧化能力C1和C2污染物种类的权重、pHC3、有机碳含量C4和污染物浓度C5的权重、投加方式C6和时间周期C7的权重。
3、指标权重的确定
对同一层次各单元关于上一层次中某一准则的重要性进行两两比较，构造各因素之间的判断矩阵，评估指标各因素之间的关系。本发明中共构建矩阵4个， A＝{B1，B2，B3}(矩阵1-1)，B1＝{C1，C2}(矩阵2-1)，B2＝{C3，C4，C5} (矩阵3-1)，B3＝{C6，C7}(矩阵4-1)。
采用T.L.Satty1-9比例标度，矩阵标度及含义见表3-1。
表3-1判断矩阵的标度及含义
根据表3-1获得各判断矩阵中的相应数值，将判断矩阵进行归一化运算，得到准侧层和指标层所对应的权重。
根据表3-1获得各矩阵中的数值，判断矩阵3-1如下：
判断矩阵3-2如下：
| 氧化剂与污染物的适用性(B1) | 氧化剂氧化能力(C1) | 污染物种类(C2) |
| 氧化剂氧化能力(C1) | 1 | 1 |
| 污染物种类(C2) | 1 | 1 |
判断矩阵3-3如下：
判断矩阵3-4如下：
| 其他因素(B3) | 投加方式(C6) | 时间周期(C7) |
| 投加方式(C6) | 1 | 3 |
| 时间周期(C7) | 1/3 | 1 |
将上述矩阵进行归一化运算，得到准侧层和目标层所对应的权重，结果如下：
(1)对应目标层A准则层的权重，WB1＝0.669，WB2＝0.217，WB3＝0.114；
(2)对应准则层B1指标层的权重，WC1＝0.500，WC2＝0.500；
(3)对应准则层B2指标层的权重，WC3＝0.238，WC4＝0.121，WC5＝0.641；
(4)对应准则层B3指标层的权重，WC6＝0.75，WC7＝0.25。
4、指标的标准化及分级
将评估体系中各指标的评价标准进行分级，并对各级赋分，各指标的设定标准及分值如下：
氧化剂氧化能力C1和C2污染物种类的权重、pHC3、有机碳含量C4和污染物浓度C5的权重、投加方式C6和时间周期C7的权重。
1)氧化能力C1
| 等级 | 标准 | 分值 |
| 一级 | 非常强 | 1 |
| 二级 | 强 | 0.75 |
| 三级 | 一般 | 0.5 |
| 四级 | 差 | 0.25 |
| 五级 | 弱 | 0 |
2)污染物种类C2
| 等级 | 标准 | 分值 |
| 一级 | 极好 | 1 |
| 二级 | 好 | 0.75 |
| 三级 | 一般 | 0.5 |
| 四级 | 差 | 0.25 |
| 五级 | 不推荐 | 0 |
3)土壤pH C3
| 等级 | 标准 | 分值 |
| 一级 | 极好 | 1 |
| 二级 | 好 | 0.75 |
| 三级 | 一般 | 0.5 |
| 四级 | 差 | 0.25 |
| 五级 | 不推荐 | 0 |
4)有机碳含量C4
| 等级 | 标准 | 分值 |
| 一级 | 极好 | 1 |
| 二级 | 好 | 0.75 |
| 三级 | 一般 | 0.5 |
| 四级 | 差 | 0.25 |
| 五级 | 不推荐 | 0 |
5)污染物浓度C5
| 等级 | 标准 | 分值 |
| 一级 | 极好 | 1 |
| 二级 | 好 | 0.75 |
| 三级 | 一般 | 0.5 |
| 四级 | 差 | 0.25 |
| 五级 | 不推荐 | 0 |
6)投加方式C6
| 等级 | 标准 | 分值 |
| 一级 | 液态 | 0.9 |
| 二级 | 固液混合 | 0.5 |
| 三级 | 固态 | 0.1 |
7)时间周期C7
| 等级 | 标准 | 分值 |
| 一级 | 一周以内 | 0.9 |
| 二级 | 1-2周 | 0.5 |
| 三级 | 2周以上 | 0.1 |
5、氧化剂选择指数的确定
该实例中修复前污染土壤中氯乙烯含量为1.81mg/kg，经过化学氧化处理后，土壤中的氯乙烯含量需低于0.43mg/kg。
根据实际情况，依次确定氧化剂选择指数。
(1)高锰酸钾
E高锰酸钾＝E1S1+E2S2+E3S3
＝0.75*0.669+0.81*0.217+0.5*0.114
＝0.734
(2)碱活化过硫酸钠
E碱活化过硫酸钠＝E1S1+E2S2+E3S3
＝0.88*0.669+0.69*0.217+0.9*0.114
＝0.838
(3)铁离子活化双氧水
E铁离子活化双氧水＝E1S1+E2S2+E3S3
＝0.75*0.669+0.91*0.217+0.80*0.114
＝0.790
6、氧化剂选择结果分析。
根据E高锰酸钾<E铁离子活化双氧水<E碱活化过硫酸钠，故选择碱活化过硫酸钠作为该场地化学氧化的氧化剂。
Claims (4)
1.一种土壤化学氧化修复技术中氧化剂选择方法，包含：(1)确定污染物及污染场地、(2)评价指标体系的构建、(3)指标权重的确定、(4)指标的标准化及分级、(5)氧化剂选择指数的确定、(6)氧化剂选择结果分析；
所述步骤(1)构建氧化药剂选择体系：将选择体系划分为3各层次：目标层A、准则层B和要素层C；
目标层A是层次结构的最高级别，反映氧化剂选择的综合评价指数；
准侧层B是表示氧化剂选择的主要系统层次，从多个方面反映氧化剂选择的适用性，主要包括氧化剂与污染物的适用性B1、氧化剂与污染场地的适用性B2和其他因素B3；
指标层C是最基本的层次结构，直接反映氧化剂选择的匹配性，包括指标C1-C6；
氧化剂与污染物的适用性B1对应的指标层C为氧化剂氧化能力C1、C2污染物种类，氧化剂与污染场地的适用性B2对应指标层C为pHC3、有机碳含量C4和污染物浓度C5，其他因素B3包括投加方式C6和时间周期C7；
所述步骤(2)确定个评价指标权重：采用层次分析法结合主成分分析法进行权重分配，分别确定准侧层氧化剂与污染物的适用性B1、氧化剂与污染场地的适用性B2和其他因素B3的权重、氧化剂氧化能力C1和C2污染物种类的权重、pHC3、有机碳含量C4和污染物浓度C5的权重、投加方式C6和时间周期C7的权重；
对同一层次各单元关于上一层次中某一准则的重要性进行两两比较，构造各因素之间的判断矩阵，评估指标各因素之间的关系。
2.根据权利要求1所述的一种土壤化学氧化修复技术中氧化剂选择方法，其特征在于，构建矩阵4个，A＝{B1，B2，B3}(矩阵1-1)，B1＝{C1，C2}(矩阵2-1)，B2＝{C3，C4，C5}(矩阵3-1)，B3＝{C6，C7}(矩阵4-1)；
采用T.L.Satty1-9比例标度，矩阵标度及含义如下：
根据获得各判断矩阵中的相应数值，将判断矩阵进行归一化运算，得到准侧层和指标层所对应的权重。
3.根据权利要求2所述的一种土壤化学氧化修复技术中氧化剂选择方法，其特征在于，
根据所获得各矩阵中的数值，判断矩阵1-1如下：
判断矩阵2-1如下：
判断矩阵3-1如下：
判断矩阵4-1如下：
将上述矩阵进行归一化运算，得到准侧层和目标层所对应的权重，结果如下：
(1)对应目标层A准则层的权重，WB1＝0.669，WB2＝0.217，WB3＝0.114；
(2)对应准则层B1指标层的权重，WC1＝0.500，WC2＝0.500；
(3)对应准则层B2指标层的权重，WC3＝0.238，WC4＝0.121，WC5＝0.641；
(4)对应准则层B3指标层的权重，WC6＝0.75，WC7＝0.25。
4.根据权利要求1所述的一种土壤化学氧化修复技术中氧化剂选择方法，其特征在于，步骤(3)制定氧化剂选择标准：
对各级赋分，构建评估标准体系；根据各指标属性，将评价标准划分三级或者四级；分级设定中，一级标准的评价值设定为1.0，评价值设为1.0；最末级标准的评价值设定为0，评价值设为0；中间级的评价值根据分级的级数和实际情况而设定，若分级级数为三级，则一级赋分1.0，二级赋分0.5或0.7，末级赋分0；若设定为四级，则一级赋分1.0，二级赋分0.67，三级赋分0.33，末级赋分0；
根据指标权重和指标的分值，得到修复后效果评估的综合评价指数：计算方式如下：
1)准则层-氧化剂对污染物的适用性B1的评价指数
式中，其中E1为目标污染物指标B1评价指数值，Wi为目标污染物指标对应指标层Ci的权重，Ci为指标i的标准分值；
2)准则层-氧化剂对污染场地的适用性B2的评价指数
式中，其中E2为其他因素指标评价指数值，Wi为其他因素指标对应指标层Ci的权重，Ci为指标i的标准分值；
3)准则层-经济成本B3的评价指数
式中，其中E3为修复可持续性评价指数值，Wi为修复可持续性对应指标层Ci的权重，Ci为指标i的标准分值；
5)目标层综合评价指数
式中，其中E为目标层评价指数值，Si为准侧层Bi的权重，Ei为准侧层Bi评价指数值；
按照目标层综合评价指数E大小排序，输出最佳氧化剂。
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