土壤气体中挥发性有机污染物的监测技术与应用研究

土壤气体中挥发性有机污染物的监测技术与应用研究

任艳艳1,2盛文龙1曹兴涛1王教凯1

1中国海洋石油集团有限公司节能减排监测中心

2天津北海油人力资源咨询服务有限公司

摘要：

挥发性有机污染物对环境和健康构成了显著威胁，这些化合物通过土壤气体释放进入大气，对空气质量和生态系统产生不利影响。土壤气体中的VOCs主要来源于工业用地污染、废弃物填埋场、化学品泄漏及地下水污染等，造成广泛的环境污染和潜在的健康风险。本文探讨了土壤气体中VOCs的几种主要监测技术，包括气相色谱法、激光吸收光谱法、气体传感器和质谱分析，应用这些技术能够有效识别和量化土壤气体中的VOCs，为环境监测、污染源追踪、污染物分布评估以及修复过程的实时监控提供数据支持，从而实现有效的环境治理和污染控制。

关键词：土壤；气体；挥发性有机污染物；监测技术

引言：

土壤气体中挥发性有机污染物（VOCs）的监测技术近年来成为环境科学研究中的关键领域。然而，传统的监测方法在面对土壤气体中VOCs的复杂混合物和低浓度时，往往存在灵敏度不足、分析时间长等问题。随着技术的进步，新的监测技术不断被引入，气相色谱法、激光吸收光谱法、气体传感器和质谱分析等现代技术，提供了更加灵敏、实时和高效的监测手段。这些技术的应用不仅能够精确识别和量化VOCs，还能够实时跟踪其分布和扩散，为环境管理和污染治理提供科学依据。

一、土壤气体中挥发性有机污染物的主要来源

（一）地下水污染

地下水，作为自然界水循环的重要组成部分，不仅滋养着大地上的生灵，还承载着地表水与土壤之间的物质交换，但是在人类活动的干预下，特别是工业化进程中，地下水常常受到各种污染物的侵袭。其中，挥发性有机污染物因其易挥发和迁移的特性，极易从地下水系统逸散至土壤气体中。这些挥发性有机污染物主要来源于工业废水、农业排放和城市污水等不当处理。工业废水中含有的有机溶剂、油漆、清洁剂等成分，在未经充分处理排入地下水后，会逐渐挥发并渗透到土壤中。农业活动中使用的农药和化肥，也可能含有挥发性有机物，它们随着灌溉和雨水渗透进入地下水，进而挥发至土壤气体中。同时，城市污水中含有的生活污水和工业废水残留物，如果不经过有效处理，同样会成为地下水乃至土壤气体的污染源。这些挥发性有机污染物不仅会对土壤生态系统造成破坏，还会通过土壤气体进入大气层，对大气环境构成威胁。更为严重的是，这些污染物可能通过食物链进入人体，对人体健康产生潜在危害[1]。

（二）废弃物填埋场

在填埋场中，堆积的有机废弃物在分解过程中会释放大量的气体，这些气体主要包括甲烷、二氧化碳和挥发性有机化合物。当垃圾在填埋场内发生厌氧分解时，复杂的有机物质被微生物降解，产生了多种挥发性有机污染物。由于填埋场通常覆盖有土壤或其他封闭材料，这些挥发性有机污染物会逐渐积累，并通过土壤气体向上迁移。填埋场气体中的VOCs包括氯代烃、苯系物和其他有机化合物，它们可能对环境和健康产生不利影响。这些挥发性物质在填埋场内部存在的时间可能非常长，并且其浓度随着填埋场的老化和废弃物的进一步分解而增加。污染物的释放不仅影响填埋场周围的土壤和地下水，还可能通过气体迁移影响更广泛的区域。控制和管理填埋场气体释放，减少挥发性有机污染物的排放，对保护环境和公共健康至关重要，有效的气体收集和处理系统可以显著降低这些污染物对周围环境的潜在影响。

（三）化学品泄漏

当化学品在储存、运输或使用过程中发生泄漏时，这些有机化合物会渗透到土壤中。泄漏的化学品包括各种溶剂、燃料和工业化学品，它们往往含有大量的挥发性有机污染物[2]。泄漏后的化学品在土壤中迁移，并通过直接的挥发作用或间接的吸附解吸等作用释放到土壤气体中，污染土壤气体的成分。这些挥发性有机物不仅能够在土壤中迁移，还能随着气体扩散进入地下水或向大气中释放，导致更广泛的环境污染。化学品泄漏的影响可能是长期且广泛的，因为一些挥发性有机物具有持久性和低降解速率，这使得它们能够在环境中存在很长时间并不断释放，对植物、动物和人类健康构成威胁。

（四）工业用地污染

土壤气体中的挥发性有机污染物，其另一主要来源是工业用地污染。工业用地，作为现代工业生产的核心区域，聚集了大量的工厂、车间以及存储设备。这些区域在生产过程中会使用和储存大量的有机化学物质，如溶剂、油漆、清洁剂和其他处理剂，由于操作不当、设备老化或意外事故等原因，这些有机化学物质有可能泄漏到土壤和地下水中。在工业区域，挥发性有机污染物的泄漏是土壤和地下水污染的常见原因。这些污染物具有高度的挥发性，一旦泄漏，它们可以迅速地从土壤和地下水中挥发到土壤气体中。随着时间的推移，这些污染物会在土壤中积累，并逐渐向周围环境扩散，导致土壤气体的污染。此外，工业生产过程中产生的废气，如果不经过适当的处理直接排放，也会将挥发性有机污染物带入大气中。这些污染物随后可能与大气中的水分子结合，以酸雨的形式返回地面，进而渗透到土壤中，增加土壤气体中的污染物浓度。

二、土壤气体中挥发性有机污染物的监测技术

（一）气相色谱法

气相色谱法（GC）是一种广泛用于监测土壤气体中挥发性有机污染物（VOCs）的技术。该方法通过将气体样品引入色谱柱中，利用气相色谱仪将不同的挥发性有机化合物分离开来。气体样品在进样后，首先经过前处理阶段，通过注射器将其注入色谱仪中，然后被载气（通常是氦气或氮气）携带进入色谱柱。色谱柱内的固定相根据各组分的挥发性和极性差异，将样品分离为多个成分。每个组分在经过色谱柱后被检测器检测，产生的信号通过数据处理系统转换为色谱图。色谱图显示了各个挥发性有机化合物的保留时间和峰面积，依据这些数据可以定量分析气体中的VOCs含量。此方法的高分辨率和灵敏度使其能够检测低浓度的挥发性有机污染物，并对复杂的气体混合物进行准确分析。

（二）激光吸收光谱法

激光吸收光谱法是一种高灵敏度的技术，用于监测土壤气体中的挥发性有机污染物（VOCs）。该方法依靠激光技术来检测气体中的特定吸收特征。原理是基于挥发性有机化合物对特定波长激光光束的吸收特性，当激光束通过气体样品时，不同的挥发性有机污染物会吸收特定波长的光。激光吸收光谱法通常使用激光光源发射高精度、单色光，通过气体样品的光束路径。气体样品中的VOCs会对激光光束中的特定波长光产生吸收，光束经过气体样品后，检测器记录下剩余的光强度。通过分析光强度的变化，可以确定气体中各挥发性有机化合物的浓度。此技术具有高灵敏度和高选择性，可以检测极低浓度的挥发性有机污染物，并能够在复杂的气体混合物中准确识别出各个成分。此外，激光吸收光谱法还具备快速响应的特点，使得实时监测成为可能。这种技术的优势在于其高分辨率和精确性，能够提供关于VOCs浓度的详细数据，有助于环境监测和污染评估。

（三）气体传感器

气体传感器是一种用于监测土壤气体中挥发性有机污染物（VOCs）的技术，依靠不同类型的传感器来检测气体的浓度和成分。该技术基于多种感测原理，包括电化学、光谱和半导体传感器。电化学传感器通过将气体暴露于电极上引发化学反应，生成电信号来测量挥发性有机化合物的浓度。传感器内部的电解质与气体中的VOCs反应，产生电流变化，电流的强度与VOCs的浓度成正比。光谱传感器利用光的吸收特性来检测气体中的VOCs，光源发射特定波长的光，通过气体样品后，气体中的VOCs会吸收特定波长的光，光强度的变化被探测器记录并转换为浓度数据。半导体传感器则通过气体与半导体材料表面反应，改变材料的电阻，从而检测到气体浓度的变化。这些传感器通常设计为小型化、便携式，适合现场使用，并能够提供实时的监测数据。气体传感器的优势在于其操作简便、响应迅速和实时数据获取能力，能够有效地检测低浓度的挥发性有机污染物，并监测其在土壤气体中的变化。通过将气体传感器布置在监测区域内，可以持续跟踪土壤气体中的VOCs，及时识别污染源并进行环境保护措施。综合运用不同类型的气体传感器可以提高检测的准确性和覆盖范围，为环境监测和污染治理提供重要的数据支持[3]。

（四）质谱分析

质谱分析是一种用于监测土壤气体中挥发性有机污染物（VOCs）的高级技术，主要通过测量气体样品中各成分的质荷比来进行定性和定量分析。该技术首先将气体样品引入质谱仪，通过进样系统将其转化为气态离子。样品经过电离源时，被激发成带电离子，这些离子随后在质谱仪中被加速。离子在电场和磁场的作用下，根据其质荷比的不同被分离，分离后的离子流通过检测器被记录。检测器会产生一个质谱图，其中每个峰对应于样品中某一特定离子的质荷比和相对丰度。通过解析质谱图，可以识别出土壤气体中存在的挥发性有机化合物的种类和浓度。这种方法的高分辨率和高灵敏度使得它能够检测到非常低浓度的VOCs，并能够处理复杂的气体混合物，准确区分其中的不同成分。质谱分析技术的优势在于其精准的定量能力和广泛的应用范围，使其在环境监测、污染物追踪和健康风险评估中都发挥了重要作用。

（五）气体探测器

气体探测器是一种用于监测土壤气体中挥发性有机污染物（VOCs）的便携式设备，广泛应用于现场环境监测。该技术基于多种检测原理，如电化学传感、半导体传感和光学检测。电化学探测器通过将气体样品导入电化学单元，气体中的挥发性有机物与电极上的化学物质反应，产生的电流变化被测量并转换为气体浓度数据。半导体探测器依靠气体与半导体材料的反应来改变材料的电阻，电阻的变化被转化为气体浓度的指示。这种探测器对不同种类的挥发性有机污染物具有一定的选择性，能够实时检测气体中的污染物浓度。光学气体探测器利用激光或红外光源发射特定波长的光，通过气体样品后，根据挥发性有机污染物对光的吸收程度来测量其浓度。气体探测器通常设计为小型、轻便的设备，便于在现场进行操作和数据采集。设备的显示界面通常能够实时显示挥发性有机污染物的浓度，并通过报警系统提示浓度超标。气体探测器的应用使得监测过程更加高效和灵活，尤其适用于需要迅速响应和现场数据采集的环境中。

三、土壤气体中挥发性有机污染物的监测技术的具体应用

（一）建设环境监测网络

建设环境监测网络是有效监测土壤气体中挥发性有机污染物（VOCs）的重要应用路径。通过在污染风险较高的区域，如工业区、填埋场和农业用地，布设多个监测站点，可以实现对土壤气体中VOCs的持续监测[4]。网络中的监测站点配备气体传感器、气相色谱仪和激光吸收光谱仪等先进设备，能够实时采集土壤气体样本并进行分析。这些设备不仅能够检测气体中的具体挥发性有机化合物种类，还能够量化其浓度。监测数据通过无线或有线网络传输到中央数据处理系统，进行集中分析和处理。数据处理系统利用先进的分析软件对数据进行整理、比对和可视化，生成详细的报告和污染地图。这些报告可以帮助识别污染热点、评估污染趋势，并指导污染源的治理和管理。此外，环境监测网络还可以与预警系统联动，在检测到VOCs浓度异常时，自动触发警报，提醒相关部门采取迅速行动。通过建立这样的监测网络，不仅可以实现对土壤气体中挥发性有机污染物的动态监控，还能为环境保护政策的制定和实施提供科学依据，从而有效保障环境质量和公共健康。

（二）污染源追踪与管理

污染源追踪与管理是一种关键的应用路径，用于精准定位和处理土壤气体中的挥发性有机污染物（VOCs）。在污染源追踪过程中，利用高精度的监测技术，如质谱分析和激光吸收光谱法，能够深入识别土壤气体中的VOCs成分，并检测其浓度。这些技术能够分离并分析复杂气体混合物中的各个挥发性有机化合物，提供详细的化学信息[5]。通过对污染源周围土壤气体的详细分析，可以绘制污染物分布图，并确定污染物的具体来源和扩散路径。在发现污染源后，通过实时监测数据，可以持续跟踪污染物的动态变化，评估污染源的活动和影响范围。同时，结合气体探测器和气相色谱法的应用，能够对污染源进行现场评估，优化污染控制措施和修复策略。将这些监测技术与数据分析工具结合使用，可以准确掌握污染源的特征，从而实施有效的污染治理和管理措施。这些措施包括修复污染土壤、优化工业操作或改进废物处理方法，以减少VOCs的释放和扩散。通过系统化的污染源追踪与管理，能够提高污染防控的精确度，减少环境风险，保护生态系统和公共健康。

（三）污染物分布与扩散评估

污染物分布与扩散评估是一种关键的应用路径，用于了解土壤气体中挥发性有机污染物（VOCs）的空间分布和迁移趋势。在这一过程中，利用气体传感器和激光吸收光谱法等技术进行广泛的气体采样，可以实时监测土壤气体中的VOCs浓度。通过在不同位置布设传感器和监测点，采集的气体样本可以反映出污染物在土壤中的分布情况。激光吸收光谱法能够提供高分辨率的污染物数据，帮助识别和量化气体中各类挥发性有机化合物。采集的数据经由数据处理系统进行分析和可视化，生成污染物浓度分布图和扩散模型。这些模型展示了污染物在不同时间和空间的变化规律，有助于识别污染物的迁移路径和扩散区域。在污染物分布与扩散评估的基础上，进一步分析污染物的扩散速度、影响范围以及潜在风险。通过这种综合评估，可以制定针对性的治理策略，如设定污染控制区域、优化土壤修复方案或调整环境管理措施。将监测技术与数据分析结合，能够提供全面的污染状况报告，为环境管理和污染防控提供科学依据。

（四）实时监测修复过程

实时监测修复过程是一种重要的应用路径，用于确保土壤气体中挥发性有机污染物（VOCs）修复工作的有效性。在修复过程中，气体传感器、气相色谱法和激光吸收光谱法等技术被用于连续监测土壤气体中的VOCs浓度。这些技术通过布设在修复区域的监测设备，能够实时采集和分析气体样本，提供即时的污染物浓度数据。气体传感器可以在现场快速响应，提供关于挥发性有机污染物浓度的实时读数；气相色谱法则通过详细的化学分析，揭示修复过程中污染物的去除效果；激光吸收光谱法则凭借其高灵敏度和准确性，能够检测到极低浓度的VOCs。监测数据实时传输至数据处理系统进行分析，以跟踪污染物浓度的变化趋势。这些数据有助于评估修复措施的实际效果，确保污染物浓度逐步降低到安全水平。如果发现VOCs浓度未显著下降或出现异常波动，系统能够自动触发警报，提示修复措施需要调整或优化。实时监测的应用使得修复过程中的每个环节都可以受到严格的控制和评估，从而提高修复工作的效率和效果[6]。

总结：

综上所述，土壤气体中挥发性有机污染物（VOCs）的监测技术在环境保护和污染控制中扮演着至关重要的角色。通过采用气相色谱法、激光吸收光谱法、气体传感器和质谱分析等先进技术，可以实现对VOCs的精准检测和实时监控。气相色谱法凭借其分离和定量能力，适合复杂样品的分析；激光吸收光谱法提供了高灵敏度的实时数据；气体传感器则因其便携性和快速响应优势，适用于现场监测；质谱分析则在分子级别上提供了详细的化学信息。综合运用这些技术，可以有效追踪污染源、评估污染物的分布与扩散、并监控修复过程。这些应用不仅提升了环境监测的精确性，还为制定科学的环境管理策略和优化污染治理措施提供了数据支持。

参考文献：

[1]解卫松.微生物技术在医院废水挥发性有机污染物处方莹,傅雄,徐栋梁.污染场地土壤调查与修复措施研究[J].造纸装备及材料,2024,53(04):134-136.

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[3]张远,强胜.重污染地区土壤调查点位布设方法探讨[J].皮革制作与环保科技,2023,4(15):97-100.

[4]张蕾,陈雅,贾阳等.煤制兰炭过程中挥发性有机污染物和臭氧协同处理机理[J].西安科技大学学报,2024,44(01):135-143.

[5]梁妮,刘凯,孔颖等.碳基材料与挥发性有机污染物相互作用行为和机制研究进展[J].环境工程,2023,41(07):260-270.

[6]王紫莎,刘俊,刘晓庆.挥发性有机污染物光催化降解催化剂的研究进展[J].材料导报,2023,37(02):31-44.