原位空气扰动技术影响因素研究-基于苯污染非均质含水层

康学赫,姚 猛,秦传玉,赵勇胜 (吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室,吉林 长春 130021)

原位空气扰动技术(AS)作为一种原位修复技术,被认为是去除土壤和地下水中挥发性有机污染物(VOCs)最有效的方法之一[1-3].其原理是通过向饱和地层中注入新鲜空气,由于气液间的浓度差,污染物不断挥发进入气相.气体在浮力的作用下携带污染物逐步上移,达到去除污染物的目的[4-6].同时,注入的气体还能为饱和带和非饱和带的好氧生物提供足够的氧气,有利于污染物的有氧生物降解[7].该技术以其成本低、易操作、效率高等特点已被广泛应用[8-10].

目前,国内外学者在AS技术的AS流型[11-13]和传质规律[14-15]等方面作了大量的研究,以及对工艺运行参数包括曝气压力、曝气流量、影响区域、曝气方式等方面的影响因素进行研究[16-17].此外对于污染物去除效率的影响因素包括介质渗透性、曝气流量和表面活性剂也做了一些的研究和报道,结果表明:介质渗透性极大地影响着AS的效果,渗透性越好,污染物去除效率越高,对于渗透系数为 10-5m/s数量级及其以下的介质应用 AS较为困难.在曝气时间相同的情况下,对于渗透系数为 5.1×10-4m/s的中砂,脉冲曝气较连续曝气效果好[18].苯的去除效率随着曝气流量的增大而增加;但当曝气流量增大到 300mL/min时,苯的去除效率不再增加[1].表面活性剂的添加可以有效的提高苯污染物的去除效率,缩短修复时间[19].对于非均质方面也有一些研究和报道,Waduge等[4]研究了土壤非均质和非水相液体(NAPL)源阻截条件对AS协同 SVE的污染物质量去除效率的影响.Al-Maamari等[20]研究了在非均质含水层应用AS时的流体动力学.上述AS的研究主要集中在:(1)在均匀介质条件下探究介质渗透性、曝气流量、曝气方式以及添加表面活性剂等因素对于污染物去除效率的影响;(2)在非均质介质中探究了不同NAPL源阻截条件下的污染物质量去除效率和含水层中的流体动力学.但是分层非均质是实际场地中较为常见的地层结构,对于在非均质条件下对污染物去除效率的研究相对较少, 缺乏相应实验理论研究与分析,因此本实验在非均质条件下对污染物去除效率的影响因素进行了研究.

本实验以苯为研究对象,通过实验室一维砂柱模拟了分层、不同介质组合条件下,AS对苯去除效率的影响,对比均匀介质中苯的去除效率变化,以期为 AS技术的场地应用提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 实验装置

本次实验装置如图1所示.装置高100.0cm,内径7.3cm,柱子侧面从下至上设置 1～5号取样口.砂柱底部至3号取样口为实验下层,用砂从柱顶均匀装入柱中,装填高度为35cm(即3号取样口位置).3号取样口至5号取样口为实验上层,用砂从柱顶均匀装入柱中,从35cm填装至70cm处(即5号取样口位置).将配置好的苯溶液用蠕动泵从柱底缓慢注入至 75cm 处,而后将柱中液面放至与砂面相平,静置24h使污染物分布均匀,然后由底部吹入空气进行曝气.

图1 实验装置示意Fig.1 Schematic map of experimental device

1.2 实验材料

本实验共选用3种岩性河砂模拟3种含水介质,均经筛分得到.各砂的物理特性见表1.

实验所用污染物为苯(分析纯),苯溶液的配置方法:将0.168mL纯苯加入到1.5L蒸馏水中,用磁力搅拌器搅拌12h使之完全溶解,初始浓度为400mg/L.本实验主要对砂柱水相中的苯进行检测,水样检测时从取样口取 1mL样品.苯溶液用液相色谱仪分析检测.液相色谱为日本岛津公司的高效液相色谱仪(HPLC,SIL-10AF),VWD检测器,柱子型号Agilent-C18,柱温30℃,检测器波长254nm,流速1.0mL/min,进样量10uL,流动相:甲醇70%和纯水30%.

表1 实验介质理化性质Table 1 Physical and chemical properties of experimental medium

1.3 实验方案

本实验选用3种经筛分的砂来考察AS过程中非均质分层情形下不同介质组合对苯去除效率的影响,选择中砂、粗砂、砾石均质作为对比参照.各实验具体方案详见表2.

表2 实验方案一览表Table 2 Experimental plan

每组实验重复3次,苯的去除效率计算为任意时刻1～5号取样口的浓度值C与初始浓度C0的比值.

2 结果与讨论

2.1 中砂粗砂介质组合下苯的去除效率变化

在0.1L/min曝气流量下,上中砂下粗砂苯的去除效率如图 2所示.上粗砂下中砂苯的去除效率如图 3所示.

由图2和图3可知,两种情况下,苯的去除效率相差不大.一维模拟柱渗透系数上层设为k1,下层设为k2,则上中砂下粗砂、上粗砂下中砂中k1/k2分别为0.7、1.43,渗透系数在同一数量级,取样口5在曝气0.5h后的去除效率分别为1.035、1.028.上部取样口均出现污染物浓度不降反升的现象,且浓度上升幅度相差不大.这主要是因为中砂、粗砂的渗透系数在同一数量级,相同曝气流量下,苯污染物在相同气流孔道中的去除效率相差不大.而实验初始阶段,在上部取样孔出现了污染物浓度不降反升的现象.这主要是由于砂柱内部体系上下压力不同造成的;在砂柱下部静水压力较大,导致气流内部的压力也比较大,随着气流的上升,静水压力逐渐减小,气液间压力梯度产生变化,导致气流内部的部分污染物向水中释放,从而使砂柱上部出现较原始浓度增高的现象.

图2 上中砂下粗砂苯的去除效率Fig.2 The benzene removal efficiency with the medium sand-coarse sand aquifer(from the top to the bottom)

图3 上粗砂下中砂苯的去除效率Fig.3 The benzene removal efficiency with the coarse sand-medium sand aquifer(from the top to the bottom)

2.2 中砂砾石介质组合及中砂砾石均质下苯的去除效率变化

在0.1L/min曝气流量下,上中砂下砾石苯的去除效率如图4所示.中砂均质苯的去除效率如图5所示.

由图4和图5可知,上中砂下砾石相比于中砂均质,实验初期,砂柱上部污染物浓度先上升后降低的现象更加明显.一维模拟柱渗透系数上层设为k1,下层设为 k2,则中砂、上中砂下砾石中 k1/k2分别为 1,3.8×10-2.渗透系数不在同一数量级.取样口 5在曝气0.5h后的去除效率由1.03变为1.12.这主要是由于随着气流的上升,气液间压力梯度产生变化,当气流从砾石进入中砂,气流由鼓泡流变为孔道流,气流从下部砾石中携带更多的污染物进入中砂使气流中的污染物更多的转移到了水中,从而使砂柱上部污染物浓度先升高后降低的现象更加明显.

图4 上中砂下砾石苯的去除效率Fig.4 The benzene removal efficiency with the medium sand-gravel aquifer(from the top to the bottom)

图5 中砂均质苯的去除效率Fig.5 The benzene removal efficiency with the uniform medium sand aquifer

曝气过程中,上砾石下中砂苯的去除效率如图 6所示.砾石均质苯的去除效率如图7所示.由图6和图7可知,上砾石下中砂,砂柱上下层苯的去除效率相差不大,曝气1h后1、3、5号取样口苯的去除效率分别达到 80.2%、80.7%、75.7%.这主要是由于新鲜空气由柱底进入,首先和底部污染物接触,气液浓度梯度大,传质快,下部有很好的去除效率,而当气流由中砂进入砾石,气流由孔道流变为鼓泡流,气液间接触面积变大,导致上部同样有很好的去除效率.而砾石均质砂柱下部取样点污染物去除较快,中部和上部稍慢.曝气1h后1、3、5号取样口苯的去除效率分别达到85%、71.6%、58.5%.这主要是由于新鲜空气由柱底进入,首先和底部污染物接触,气液浓度梯度大,传质快,随着气体上升,浓度梯度减小,传质减缓.

图6 上砾石下中砂苯的去除效率Fig.6 Benzene removal efficiency with the gravel-medium sand aquifer(from the top to the bottom)

图7 砾石均质苯的去除效率Fig.7 Benzene removal efficiency with the uniform gravel aquifer

2.3 苯的平均去除效率在中砂砾石介质组合及中砂砾石均质中的变化

在0.1L/min曝气流量下,苯的平均去除效率在中砂砾石介质组合及中砂砾石均质中的变化如图 8所示.苯的平均去除效率计算为任意时刻1～5号取样口浓度的平均值与初始浓度的差值再比上初始浓度.

由图8可知,中砂和上中砂下砾石的污染物平均去除效率曲线基本相同,砾石和上砾石下中砂的污染物平均去除效率曲线基本相同.这说明当较细的介质处于分层非均质上层时,污染物的平均去除效率主要受限于较细粒径的介质,其污染物平均去除效率曲线与较细粒径的均质大致相同.而当较粗的介质处于分层非均质上层时,污染物的平均去除效率曲线与较粗粒径的均质大致相同.因此在分层非均质条件下,污染物的平均去除效率主要取决于分层非均质上层介质粒径,其污染物平均去除效率曲线与分层非均质上层介质粒径均质大致相同.上砾石下中砂比上中砂下砾石苯的去除速率更快.上砾石下中砂、上中砂下砾石,曝气 1h时,苯的平均去除效率分别为 70.6%、52.3%.这主要是因为上砾石下中砂其下部气液间浓度梯度大传质快去除效率高上部渗透系数较高去除速率同样很高,而上中砂下砾石实验初始阶段气流从下部砾石携带更多的污染物进入中砂,使气流中的污染物更多的转移到了水中,使其平均去除效率比上砾石下中砂低,污染物去除速率慢.

图8 四种介质情形下苯的平均去除效率Fig.8 Average benzene removal efficiencies in four kinds of medium

3 结论

3.1 在 0.1L/min的曝气流量下,上中砂下粗砂和上粗砂下中砂的苯的去除效率分析表明,分层非均质其介质渗透系数在同一数量级时,分层情况的改变对污染物去除效率影响不大.

3.2 在 0.1L/min的曝气流量下,上中砂下砾石相比于中砂均质,上砾石下中砂相比于砾石均质的苯的去除效率分析表明,分层非均质其介质渗透系数不在同一数量级时,下层渗透系数变大会使砂柱上部污染物浓度先升高后降低的现象更加明显,下层渗透系数变小则会使砂柱上下层污染物的去除效率相差不大.

3.3 在 0.1L/min的曝气流量下,上砾石下中砂苯的去除速率比上中砂下砾石快.这说明在分层非均质条件下,气流由低渗透介质进入高渗透介质,污染物的去除速率相对更快.

3.4 中砂和上中砂下砾石、砾石和上砾石下中砂的污染物平均去除效率曲线基本相同.这说明在分层非均质条件下,污染物的平均去除效率主要取决于分层非均质上层介质,其污染物平均去除效率曲线与分层非均质上层介质均质大致相同.