空气曝气技术修复石油类污染地下水的影响因素

孟庆玲 马桂科 张力文 张凤君

摘要

[目的]研究空气曝气（AS）技术修复石油类污染地下水的影响因素。[方法]选择二甲苯和萘作为典型的石油烃污染物，砾砂、粗砂和中砂作为模拟含水层介质，通过土柱模拟试验研究了不同影响因素下（如曝气量、介质渗透性、曝气方式）空气曝气技术对石油类污染地下水的修复效果。[结果]曝气量和介质渗透性对AS的修复效果有较大影响，污染物的去除效率随着曝气量的增加而增大，但曝气量超过300 ml/min，污染物的去除率不再随曝气量的增加而增加;介质渗透性越强，污染物的去除率越高。对于渗透系数较小的中砂，间歇曝气较连续曝气效果好;对于砾砂和粗砂，2种曝气方式效果相仿。AS在去除污染物的过程中存在明显的拖尾现象。污染物萘不适合采用AS技术去除。[结论]该研究可为AS技术应用提供数据支持。

关键词 空气曝气;石油污染;地下水;影响因素

中图分类号 S181.3;X523  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2014）34-12222-03

Influence Factors of Remediation of Petroleum Contaminated Groundwater by Air Sparging

MENG Qingling1，2， MA Guike3， ZHANG Liwen2 et al

（1. Key Laboratory of Songliao Aquatic Environment， Ministry of Education， Jilin Jinzhu University， Changchun， Jilin 130018; 2. Key Laboratory of Groundwater Resources and Environment， Ministry of Education， Jilin University， Changchun， Jilin 130018; 3. Jilin Design Institute of PetroChina Northeast Refining & Petrochemical Engineering Co.， Ltd.， Jilin， Jilin 132000）

Abstract [Objective] The research aimed to study influence factors of remediation of petroleum contaminated groundwater by air sparging （AS）. [Method] Selecting xylene and naphthalene as typical petroleum hydrocarbon pollutants， gravel sand， coarse sand and medium sand as the simulated aquifer media， remediation effects of AS on petroleum contaminated groundwater under different impact factors （such as aeration rate， medium permeability and air injection mode） were studied by soil column experiment. [Result] Aeration rate and medium permeability had larger impacts on remediation effect of AS. Removal rate of pollutant increased with aeration rate increase but changed little when the aeration rate exceeded 300 ml/min. The bigger the hydraulic conductivity was， the higher the removal rate of pollutant was. Under the same operation condition， intermittent air injection had advantages over continuous air injection for pollutant remediation in sand medium with low hydraulic conductivity， while the effects of two kinds of air injection modes were similar for coarse sand and gravel sand. It was apparent that there was tailing phenomenon when AS remediation performed. Naphthalene was not suitable using AS for remediation. [Conclusion] The research could provide data support for AS application.

Key words  Air sparging; Petroleum pollution; Groundwater; Influence factors

隨着石油工业的飞速发展，一些大中型油田区在石油勘探开发中，从钻井工程施工到采油、工艺处理、输油、储油等各个环节，都不同程度地造成了石油的泄漏，引起了地下水的严重污染[1-3]。国内外的调查显示，受到石油烃污染的地下水，即使在污染源受到控制后，一般几十年也难以在自然状态下复原[4-6]。

空气曝气（air sparging，AS）是一种原位修复技术，被认为是去除土壤和地下水中挥发和半挥发性有机物的最有效的方法之一[7-9]。AS是与气相抽提（soil vapor extraction，SVE）互补的一种技术[10-11]，其目的是去除地下水中的挥发性有机化学物质。通过将新鲜空气喷射进含水层介质中，由于气液间存在浓度差，污染物通过挥发作用进入气相，通过浮力的作用，空气携带污染物逐步上升，到达地下水位以上的非饱和区域。在抽提的作用下，这些含污染物的空气被抽出地下，并于地上处理，从而达到修复的目的。同时，喷入的空气还能为含水层中的好氧生物提供足够的氧气，促进了污染物的生物降解[12-13]。该技术以其低成本、易安装操作、设备用量少以及高效处理等特点，在发达国家已广泛应用于石油污染实际场地修复中。

笔者选择0#柴油为石油基底，二甲苯和萘作为典型的污染物，其中二甲苯为LNaples，萘为DNaples，选择砾砂、粗砂和中砂作为模拟含水层介质。通过静态吸附试验考察了污染物在介质中的吸附时间和吸附特性，通过土柱模拟试验研究了曝气量、介质渗透性、曝气方式等因素对空气曝气技术修复石油类污染地下水的效果，并进行AS拖尾现象的探讨，以期为AS技术应用提供数据支持。

1  材料和方法

1.1 试验材料

试验介质选自长春某采砂场，砂土的颗粒级配及物性参数如表1。

1.2 试验装置

试验所用装置如图1所示，一维土柱的材质为透明有机玻璃，以利于观察曝气过程。土柱尺寸为Φ80 mm×1 000 mm （内径×高度），土柱底部采用150目不锈钢丝网衬底。

1.3 试验方法

介质从柱顶均匀装入柱中，装填高度为90 cm。污染液由地下水加入一定量的污染物配制而成，通过旋转摇床旋转24 h使之混合均匀并溶解，然后污染物经过蠕动泵从柱底慢速注入模拟介质中，直至饱和，静置48 h。后由底部吹入空气进行曝气。选择砾砂、粗砂和中砂3种介质考察介质渗透性对AS去除效果影响以及不同曝气方式（连续曝气，间歇曝气T=100 min，50 min曝气，50 min停止）对AS效果的影响;考察不同曝气量（100、200、300、400 ml/min）对AS效果的影响。尾气通过活性炭吸收后放空，防止对空气产生二次污染。

表1 砂土的颗粒级配和物性参数

图1 试验装置

1.4 色谱条件

气相色谱仪为美国安捷伦公司的6890型， GB1毛细管柱：30 m×0.53 mm×0.26 μm（膜厚）。色谱用氮气做载气。二甲苯和萘的浓度用FID检测器分析。

试验色谱条件：柱温220 ℃恒定，FID检测器温度250 ℃，空气流量350 ml/min，H2流量ml/min，载气（N2）流量ml/min，分流比20∶1。试验采用程序升温：100 ℃停留3 min，30 ℃/min升温到180 ℃，然后180 ℃停留6 min。色谱用外标法峰面积定量。

2  结果与分析

2.1 曝气量对去除效果的影响

曝气量是AS过程中影响污染物去除效率的关键因素，笔者就4种曝气量进行了曝气试验研究，结果如图2，其中横坐标是时间，纵坐标为任意时刻污染物浓度与初始浓度的比值。

如图2所示，在不同曝气量下，前500 min内污染物的去除率较高，500 min后污染物的去除率随时间变化不大。曝气量为100和200 ml/min时，曝气进行500 min后，各污染物的浓度下降了约70%;曝气量为300 ml/min时，各污染物的去除率达到最大，各污染物的浓度降低了82%左右;曝气量为400 ml/min时，在相同时间内，各污染物的浓度降低了73%左右。污染物的去除率随曝气量的增加而增大，这是因为随着曝气量的提高，增加了砂土中空气孔道的数量，其与污染物的接触面积增大，去除率逐渐提高。但当曝气量超过300 ml/min时，污染物的去除效果改善不大，这说明曝气效率已达到了极限水平，柱内的孔道数量已接近饱和，继续增加曝气量新形成的空气孔道会和原有孔道交叉而产生优先流，导致气体在柱内的停留时间减少。

图2 不同曝气量下污染物浓度随时间变化

2.2 介质渗透性对去除效果影响

图3为AS过程中各介质中污染物的去除情况。

由图3可知，污染物的去除效率随着介质渗透性的增加而增大。在曝气流量一定时，介质粒径越小，气体上升过程中所受阻力越大，气体在介质中形成的空气通道数量较少，分布不均匀，气体停留时间短，通道附近的污染物去除速度较快，这是由于这部分污染物相对容易运移到通道附近并随空气流被带出饱和污染区。另一部分污染物距离通道较远，运移到通道历时较长，运移过程所受阻力大，难以到达通道附近，通过扩散和挥发作用不易去除，因而就降低了污染物的去除效率。此時，污染物的扩散过程成为污染物去除的限制性因素。在介质粒径较大时，空气在介质中运移时受到的阻力小，气体在介质中形成的空气通道数量增多，污染物的扩散距离大大缩短，同时空气的迁移速率加快，单位时间内去除污染物浓度也随之增加[14]。

图3 各介质中污染物浓度随时间变化

2.3 曝气方式对去除效果影响

试验中曝气方式选择连续曝气和间歇曝气方式（T=100 min，50 min曝气，50 min停止），结果如图4所示。由图4可知，对于渗透系数为7.49×10-4和2.28×10-4 cm/s的砾砂和粗砂，连续曝气和间歇曝气效果并没有明显区别;对于渗透系数相对较低的中砂，间歇曝气效果明显好于连续曝气。这主要是由于在中砂中，气体在介质中形成的孔道较少，与污染物接触面积小，大部分污染物只能通过扩散的方式到达孔道，不能直接通过挥发作用去除，限制了修复效率。采用间歇曝气时，在停止曝气一定时间，由于曝气作用使得柱内污染物浓度分布不均，高浓度区的污染物向低浓度区扩散;再次开始曝气后，污染物从较远处运移扩散到原来空气通道附近，通过扩散溶解和挥发作用继续得到去除，另外再次曝气时可能会形成部分新的通道，从而去除新生成通道区域附近的污染物，两种作用使得污染物的去除效率得到进一步提高。而对于粗砂和砾砂而言，曝气初期就形成了广阔的空气孔道，没有必要通过间歇曝气来增加空气孔道的密度。

图4 不同曝气方式下砾砂（a）、粗砂（b）、中砂（c）中污染物浓度随时间变化

2.4 萘

土柱试验进行过程中，在大部分取样口检测不到萘，分析其原因可能是主要由于萘进水浓度较低，而其在水中的溶解度也偏低，没有向水相大量溶解扩散，可能被含水层介质吸附。在空气曝气试验结束后对土柱中介质进行萃取分析，在各介质底部取到大部分的萘，由于萘的密度大于水，故萘吸附在含水层介质的下部。萘的溶解度为31.7 mg/L，蒸汽压为0.085 mm Hg （25 ℃），亨利常数为1.88×10-5atm·m3/mol。一般认为，污染物的蒸汽压>0.5 mm Hg是使用AS技术的一个必要条件，同时还要对它的亨利常数进行考察，通常认为亨利常数>10-5atm· m3/mol，則认为是可挥发去除的，适用于AS去除[15]。可见，萘不适宜采用空气曝气技术去除，而更适合用其他技术例如生物曝气技术去除。

3 结论

（1）曝气量和介质渗透性对AS的修复效果影响较大。污染物的去除效率随着曝气量的增加而增大，但曝气量超过300 ml/min，再增加曝气量，不会提高曝气效果;介质渗透性越强，去除率越高。

（2）在曝气时间相同的情况下，对于渗透系数较小的中砂，脉冲曝气较连续曝气去除效果好，对于砾砂和粗砂，2种曝气方式效果相仿。

（3）在水相中溶解度较低的Dnapls污染物不适合采用空气曝气技术去除。

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