原位空氣擾動技術影響因素研究-基于苯污染非均質含水層

康學赫,姚 猛,秦傳玉,趙勇勝 (吉林大學地下水資源與環境教育部重點實驗室,吉林 長春 130021)

原位空氣擾動技術(AS)作為一種原位修復技術,被認為是去除土壤和地下水中揮發性有機污染物(VOCs)最有效的方法之一[1-3].其原理是通過向飽和地層中注入新鮮空氣,由于氣液間的濃度差,污染物不斷揮發進入氣相.氣體在浮力的作用下攜帶污染物逐步上移,達到去除污染物的目的[4-6].同時,注入的氣體還能為飽和帶和非飽和帶的好氧生物提供足夠的氧氣,有利于污染物的有氧生物降解[7].該技術以其成本低、易操作、效率高等特點已被廣泛應用[8-10].

目前,國內外學者在AS技術的AS流型[11-13]和傳質規律[14-15]等方面作了大量的研究,以及對工藝運行參數包括曝氣壓力、曝氣流量、影響區域、曝氣方式等方面的影響因素進行研究[16-17].此外對于污染物去除效率的影響因素包括介質滲透性、曝氣流量和表面活性劑也做了一些的研究和報道,結果表明:介質滲透性極大地影響著AS的效果,滲透性越好,污染物去除效率越高,對于滲透系數為 10-5m/s數量級及其以下的介質應用 AS較為困難.在曝氣時間相同的情況下,對于滲透系數為 5.1×10-4m/s的中砂,脈沖曝氣較連續曝氣效果好[18].苯的去除效率隨著曝氣流量的增大而增加;但當曝氣流量增大到 300mL/min時,苯的去除效率不再增加[1].表面活性劑的添加可以有效的提高苯污染物的去除效率,縮短修復時間[19].對于非均質方面也有一些研究和報道,Waduge等[4]研究了土壤非均質和非水相液體(NAPL)源阻截條件對AS協同 SVE的污染物質量去除效率的影響.Al-Maamari等[20]研究了在非均質含水層應用AS時的流體動力學.上述AS的研究主要集中在:(1)在均勻介質條件下探究介質滲透性、曝氣流量、曝氣方式以及添加表面活性劑等因素對于污染物去除效率的影響;(2)在非均質介質中探究了不同NAPL源阻截條件下的污染物質量去除效率和含水層中的流體動力學.但是分層非均質是實際場地中較為常見的地層結構,對于在非均質條件下對污染物去除效率的研究相對較少, 缺乏相應實驗理論研究與分析,因此本實驗在非均質條件下對污染物去除效率的影響因素進行了研究.

本實驗以苯為研究對象,通過實驗室一維砂柱模擬了分層、不同介質組合條件下,AS對苯去除效率的影響,對比均勻介質中苯的去除效率變化,以期為 AS技術的場地應用提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

本次實驗裝置如圖1所示.裝置高100.0cm,內徑7.3cm,柱子側面從下至上設置 1～5號取樣口.砂柱底部至3號取樣口為實驗下層,用砂從柱頂均勻裝入柱中,裝填高度為35cm(即3號取樣口位置).3號取樣口至5號取樣口為實驗上層,用砂從柱頂均勻裝入柱中,從35cm填裝至70cm處(即5號取樣口位置).將配置好的苯溶液用蠕動泵從柱底緩慢注入至 75cm 處,而后將柱中液面放至與砂面相平,靜置24h使污染物分布均勻,然后由底部吹入空氣進行曝氣.

圖1 實驗裝置示意Fig.1 Schematic map of experimental device

1.2 實驗材料

本實驗共選用3種巖性河砂模擬3種含水介質,均經篩分得到.各砂的物理特性見表1.

實驗所用污染物為苯(分析純),苯溶液的配置方法:將0.168mL純苯加入到1.5L蒸餾水中,用磁力攪拌器攪拌12h使之完全溶解,初始濃度為400mg/L.本實驗主要對砂柱水相中的苯進行檢測,水樣檢測時從取樣口取 1mL樣品.苯溶液用液相色譜儀分析檢測.液相色譜為日本島津公司的高效液相色譜儀(HPLC,SIL-10AF),VWD檢測器,柱子型號Agilent-C18,柱溫30℃,檢測器波長254nm,流速1.0mL/min,進樣量10uL,流動相:甲醇70%和純水30%.

表1 實驗介質理化性質Table 1 Physical and chemical properties of experimental medium

1.3 實驗方案

本實驗選用3種經篩分的砂來考察AS過程中非均質分層情形下不同介質組合對苯去除效率的影響,選擇中砂、粗砂、礫石均質作為對比參照.各實驗具體方案詳見表2.

表2 實驗方案一覽表Table 2 Experimental plan

每組實驗重復3次,苯的去除效率計算為任意時刻1～5號取樣口的濃度值C與初始濃度C0的比值.

2 結果與討論

2.1 中砂粗砂介質組合下苯的去除效率變化

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

由圖2和圖3可知,兩種情況下,苯的去除效率相差不大.一維模擬柱滲透系數上層設為k1,下層設為k2,則上中砂下粗砂、上粗砂下中砂中k1/k2分別為0.7、1.43,滲透系數在同一數量級,取樣口5在曝氣0.5h后的去除效率分別為1.035、1.028.上部取樣口均出現污染物濃度不降反升的現象,且濃度上升幅度相差不大.這主要是因為中砂、粗砂的滲透系數在同一數量級,相同曝氣流量下,苯污染物在相同氣流孔道中的去除效率相差不大.而實驗初始階段,在上部取樣孔出現了污染物濃度不降反升的現象.這主要是由于砂柱內部體系上下壓力不同造成的;在砂柱下部靜水壓力較大,導致氣流內部的壓力也比較大,隨著氣流的上升,靜水壓力逐漸減小,氣液間壓力梯度產生變化,導致氣流內部的部分污染物向水中釋放,從而使砂柱上部出現較原始濃度增高的現象.

圖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)

圖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 中砂礫石介質組合及中砂礫石均質下苯的去除效率變化

在0.1L/min曝氣流量下,上中砂下礫石苯的去除效率如圖4所示.中砂均質苯的去除效率如圖5所示.

由圖4和圖5可知,上中砂下礫石相比于中砂均質,實驗初期,砂柱上部污染物濃度先上升后降低的現象更加明顯.一維模擬柱滲透系數上層設為k1,下層設為 k2,則中砂、上中砂下礫石中 k1/k2分別為 1,3.8×10-2.滲透系數不在同一數量級.取樣口 5在曝氣0.5h后的去除效率由1.03變為1.12.這主要是由于隨著氣流的上升,氣液間壓力梯度產生變化,當氣流從礫石進入中砂,氣流由鼓泡流變為孔道流,氣流從下部礫石中攜帶更多的污染物進入中砂使氣流中的污染物更多的轉移到了水中,從而使砂柱上部污染物濃度先升高后降低的現象更加明顯.

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

圖5 中砂均質苯的去除效率Fig.5 The benzene removal efficiency with the uniform medium sand aquifer

曝氣過程中,上礫石下中砂苯的去除效率如圖 6所示.礫石均質苯的去除效率如圖7所示.由圖6和圖7可知,上礫石下中砂,砂柱上下層苯的去除效率相差不大,曝氣1h后1、3、5號取樣口苯的去除效率分別達到 80.2%、80.7%、75.7%.這主要是由于新鮮空氣由柱底進入,首先和底部污染物接觸,氣液濃度梯度大,傳質快,下部有很好的去除效率,而當氣流由中砂進入礫石,氣流由孔道流變為鼓泡流,氣液間接觸面積變大,導致上部同樣有很好的去除效率.而礫石均質砂柱下部取樣點污染物去除較快,中部和上部稍慢.曝氣1h后1、3、5號取樣口苯的去除效率分別達到85%、71.6%、58.5%.這主要是由于新鮮空氣由柱底進入,首先和底部污染物接觸,氣液濃度梯度大,傳質快,隨著氣體上升,濃度梯度減小,傳質減緩.

圖6 上礫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)

圖7 礫石均質苯的去除效率Fig.7 Benzene removal efficiency with the uniform gravel aquifer

2.3 苯的平均去除效率在中砂礫石介質組合及中砂礫石均質中的變化

在0.1L/min曝氣流量下,苯的平均去除效率在中砂礫石介質組合及中砂礫石均質中的變化如圖 8所示.苯的平均去除效率計算為任意時刻1～5號取樣口濃度的平均值與初始濃度的差值再比上初始濃度.

由圖8可知,中砂和上中砂下礫石的污染物平均去除效率曲線基本相同,礫石和上礫石下中砂的污染物平均去除效率曲線基本相同.這說明當較細的介質處于分層非均質上層時,污染物的平均去除效率主要受限于較細粒徑的介質,其污染物平均去除效率曲線與較細粒徑的均質大致相同.而當較粗的介質處于分層非均質上層時,污染物的平均去除效率曲線與較粗粒徑的均質大致相同.因此在分層非均質條件下,污染物的平均去除效率主要取決于分層非均質上層介質粒徑,其污染物平均去除效率曲線與分層非均質上層介質粒徑均質大致相同.上礫石下中砂比上中砂下礫石苯的去除速率更快.上礫石下中砂、上中砂下礫石,曝氣 1h時,苯的平均去除效率分別為 70.6%、52.3%.這主要是因為上礫石下中砂其下部氣液間濃度梯度大傳質快去除效率高上部滲透系數較高去除速率同樣很高,而上中砂下礫石實驗初始階段氣流從下部礫石攜帶更多的污染物進入中砂,使氣流中的污染物更多的轉移到了水中,使其平均去除效率比上礫石下中砂低,污染物去除速率慢.

圖8 四種介質情形下苯的平均去除效率Fig.8 Average benzene removal efficiencies in four kinds of medium

3 結論

3.1 在 0.1L/min的曝氣流量下,上中砂下粗砂和上粗砂下中砂的苯的去除效率分析表明,分層非均質其介質滲透系數在同一數量級時,分層情況的改變對污染物去除效率影響不大.

3.2 在 0.1L/min的曝氣流量下,上中砂下礫石相比于中砂均質,上礫石下中砂相比于礫石均質的苯的去除效率分析表明,分層非均質其介質滲透系數不在同一數量級時,下層滲透系數變大會使砂柱上部污染物濃度先升高后降低的現象更加明顯,下層滲透系數變小則會使砂柱上下層污染物的去除效率相差不大.

3.3 在 0.1L/min的曝氣流量下,上礫石下中砂苯的去除速率比上中砂下礫石快.這說明在分層非均質條件下,氣流由低滲透介質進入高滲透介質,污染物的去除速率相對更快.

3.4 中砂和上中砂下礫石、礫石和上礫石下中砂的污染物平均去除效率曲線基本相同.這說明在分層非均質條件下,污染物的平均去除效率主要取決于分層非均質上層介質,其污染物平均去除效率曲線與分層非均質上層介質均質大致相同.