地下水曝氣技術氣流模擬實驗研究

王賀飛,宋興龍,趙勇勝*,王曉曼,王 倩,秦傳玉,孫家強(.吉林大學地下水資源與環境教育部重點實驗室,吉林 長春 30000；.東北師范大學計算機科學與信息技術學院,吉林 長春 307)

地下水曝氣技術氣流模擬實驗研究

王賀飛1,宋興龍1,趙勇勝1*,王曉曼2,王 倩1,秦傳玉1,孫家強1(1.吉林大學地下水資源與環境教育部重點實驗室,吉林 長春 130000；2.東北師范大學計算機科學與信息技術學院,吉林 長春 130117)

利用三維模擬槽研究了地下水曝氣技術(AS)使用過程中,含水層介質粒徑、曝氣壓力與影響半徑(ROI)、氣體流量、氣流流型之間的關系.結果表明:曝氣過程中ROI隨曝氣壓力的上升而增大;氣流質量流量隨曝氣壓力的增加而增大,壓力較大時二者呈線性關系;氣流流型由介質粒徑決定,與曝氣壓力無關.介質粒徑為1～2mm時氣流呈倒圓錐形,介質粒徑為4～8mm時氣流呈拋物線形.

地下水曝氣；三維模型；影響半徑；氣流流型

地下水曝氣技術(AS)被認為是去除地下水中揮發性有機污染物最有效的技術之一.新鮮空氣被噴射進飽和土壤后,在浮力作用下逐步上移至污染含水層.由于氣液相濃度梯度的作用,污染物通過揮發作用進入氣相.空氣攜帶污染物在浮力的作用下繼續上升,從而達到去除污染物的目的.曝氣技術憑借原位操作、成本低廉、效率較高的優點在發達國家中已廣泛應用于場地修復中[1].

盡管AS技術已成功應用于受污染含水層的修復,但國內外對于氣體在含水層中的運移規律和修復機理還沒有共識.曝氣井的影響半徑(ROI)一般根據室內試驗結果或場地經驗進行預測,經常出現超量設計或設計不足的情況,導致資源浪費或修復效率不高的問題[2].關于這方面國內外取得了一些很有意義的成果.Marley等[3]和Ahfeld等[4]研究表明影響半徑隨著曝氣壓力的增大而上升.Hu等[5]研究表明影響區域隨著壓力的增加而增大,但達到臨界曝氣壓力后,影響區域邊界與曝氣井的夾角就不再增大.在氣流流型方面,Ji等[6]和Peterson等[7]認為其為拋物線形,這與Adams等[8]的觀點一致;而Nyer等[9]以及Lundegard等[10]在通過曝氣試驗研究后,得到曝氣影響區域為圓錐面形的結論,與Hu等[5]通過離心模型得出的結論一致.張英等[11]的研究表明影響區域的形狀為U形.姜林等[12]采用現場預試驗的方法確定某一場地AS技術的ROI.

由于介質的存在,很難對AS過程中氣流的流型進行觀察.國內外學者的研究主要集中在利用填裝玻璃珠的透明二維模型來直接觀測氣流的演變,然而二維模型可能會由于邊壁效應使得觀測到的影響區域與實際有差別.作者利用三維模擬槽研究了介質粒徑、曝氣壓力等對影響半徑,氣流的流型和流量的影響規律,為AS設計運行提供依據.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示.模擬箱是底面直徑為500mm,高為500mm的透明圓柱形槽體.空氣由空壓機經減壓閥從模擬槽底部中心注入.曝氣頭直徑20mm,安裝高度距槽底部80mm.

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental setup

1.2 實驗材料與方法

采用兩種石英砂來模擬含水層介質,含水層孔隙流體為蒸餾水.介質物理性質的表1.

表1 實驗介質物理性質Table 1 Properties of sands used in experiment

每種介質分別裝填100,150,200,250,300, 350,400mm共7種不同高度,水位恒定為420mm,以觀測不同深度下的影響半徑大小.填裝完畢后,按選定的壓力從曝氣頭鼓入空氣,待系統穩定10min后,記錄壓力表和流量計的讀數,測量氣流在某一高度土體中不同壓力下的ROI.以同種粒徑相同壓力下不同高度時的ROI作圖即求出氣流流型.

2 結果與討論

2.1 最小曝氣壓力的校核

曝氣壓力是地下水曝氣修復系統重要的設計參數之一.曝氣壓力必須超過最小曝氣壓力才能鼓入地下環境.有研究指出理論最小曝氣壓力主要取決于曝氣點處的靜水壓力和毛細壓力[5].計算見式(1).

式中:Pmin為理論最小曝氣壓力;Ph為靜水壓力;Pc為毛細壓力;ρ為孔隙流體密度,取1000kg/m3; h為曝氣點以上的液面高度;σ為空氣-水兩相的表面張力系數,在20℃時,水氣間表面張力為0.074N/m; θ為水和固體顆粒之間的接觸角,一般取0～4o;D為孔隙的平均直徑,一般取顆粒有效直徑的1/5.

粒徑為1～2mm的介質中, 理論最小曝氣壓力和實際最小曝氣壓力分別為4.46kPa和5.05kPa;粒徑為4～8mm介質中分別為4.27kPa和4.65kPa.實測值與理論值大致相等,可見式(1)能較好地預測最小曝氣壓力.在兩種粒徑中毛細壓力分別為0.26,0.07kPa,與靜水壓力4.2kPa相比,毛細壓力相對較小.因此在場地含水層介質較大時,可以利用靜水壓力來估計所需最小曝氣壓力.

2.2 曝氣壓力與影響半徑的關系

由圖2可見,ROI隨著曝氣壓力的增大而增加,二者增幅不成比例.當影響半徑較小時,壓力增大導致影響半徑快速增加,影響半徑較大時,繼續提高曝氣壓力影響半徑增加緩慢.然而實驗中沒有發現ROI隨曝氣壓力的最大值,可能是曝氣壓力還較小,沒有達到最大ROI所要求的壓力.曝氣壓力相同時,曝氣位置越深,ROI越大.

圖2 影響半徑與曝氣壓力關系Fig.2 Relationship between influence radius and sparging pressure

2.3 曝氣壓力與質量流量的關系

由圖3可見,質量流量隨著曝氣壓力的上升而增加,但增加的速率不同.壓力較小時,質量流量增加緩慢,當壓力超過某個值時,質量流量增加迅速,并且二者的增長呈線性關系.原因可能是曝氣壓力較大時介質顆粒發生遷移,孔隙變大,滲氣性變好.在同一壓力下填裝高度小的氣體流量較大,這是由于含水層較厚時氣流所受到的阻力大,氣流需要更大的壓力以通過介質.比較圖3(a)和圖3(b)可見,相同曝氣深度條件下,4～8mm介質中質量流量隨曝氣壓力的曲線斜率大于1～2mm的介質.研究表明曲線的斜率與多孔介質的滲氣性有關,曲線的斜率越大,滲氣性越好.這與Hu等[6]在二維模型中得出的結論一致.

2.4 氣流的流型

曝氣過程氣流流型如圖4所示,擬合方程如表2所示.從圖4和表2中可知,在不同曝氣壓力下,粒徑為1～2mm介質中氣流呈錐形;粒徑為4～8mm介質中呈拋物線形,且擬合方程相關系數均大于0.97,可見氣流流型由介質粒徑決定,與曝氣壓力無關.另外,由表2還可以看出,粒徑為1～2mm介質中,壓力越小,擬合方程斜率越大;粒徑為4～8mm介質中,壓力越小,擬合方程二次項系數越大.這說明曝氣壓力影響氣流形狀開口大小,曝氣壓力越小,氣流形狀開口越小,曝氣壓力升高,氣流形狀開口越大.

圖3 質量流量與曝氣壓力關系Fig.3 Relationship between mass flow rate and sparging pressure

表2 擬合方程及相關系數Table 2 Fitting equations and the correlation coefficients

圖4 氣流流型Fig.4 Air flow patterns

3 結論

3.1 實測最小曝氣壓力與理論預測值大致相等,二者都略大于靜水壓力.在粒徑較大的實際場地中可以利用靜水壓力開展AS技術曝氣壓力的設計.

3.2 提高曝氣壓力,影響半徑和氣流流量均增加,但二者規律不同.曝氣壓力較小時,壓力上升導致影響半徑快速增加,但氣流流量增加緩慢;曝氣壓力較大時,壓力上升導致氣流流量快速增加,而影響半徑增加緩慢.

3.3 氣流流型由介質粒徑決定,介質粒徑為1～2mm時,氣流為倒圓錐形;4-8mm時為拋物線形.曝氣壓力影響氣流形狀開口大小,壓力越小,氣流形狀開口越小,顯得越“尖銳”.

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[11] 張 英,姜 斌,黃國強,等.地下水曝氣過程中氣體流型的實驗研究 [J]. 化工進展, 2003,22.

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Laboratory study for air flow during air sparging.

WANG He-fei1, SONG Xing-long1, ZHAO Yong-sheng1*, WANG Xiao-man2, WANG Qian1, QIN Chuan-yu1, SUN Jia-qiang1(1.Key Laboratory of Groundwater Resources and Environment, Ministry of Education Jilin University, Changchun 130000, China；2. School of Computer Science and Information Technology, Northeast Normal University, Changchun, Jilin 130117, China). China Environmental Science, 2014,34(11)：2813～2816

This paper presented the results of a series of laboratory studies on air sparging (AS) within a three-dimensional aquifer simulation tank. The study investigated the effects of particle size and air injection pressure on influence radius (ROI), gas flow rate and patterns during air sparging. The test results showed that improving injection pressure could increase ROI during AS. Air mass flow rate increased linearly with the increase of injection pressure after exceeding a certain sparging pressure. The air flow patterns were determined by the sizes of porous media regardless of the injection pressure. The shape of air flow was conical when particle size was 1-2mm, and parabolic when particle size was 4-8mm.

air sparging；three-dimensional model；radius of influence；gas flow patterns

X703

A

1000-6923(2014)11-2813-04

王賀飛(1988-),男,甘肅蘭州人,吉林大學碩士研究生,主要從事地下水土污染的控制與修復研究.發表論文4篇.

2014-02-17

國家自然科學基金資助項目(41272256);北京市教育委員會市屬高校創新能力提升計劃項目(TJSHG201310772028);吉林大學研究生創新基金資助項目(2014098)

* 責任作者, 教授, zhaoyongsheng@jlu.edu.cn