表面活性劑強化空氣擾動修復中不同介質曝氣流量作用及變化規律

姚 猛,王賀飛,韓慧慧,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)

表面活性劑強化空氣擾動修復中不同介質曝氣流量作用及變化規律

姚 猛,王賀飛,韓慧慧,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)

采用填裝中砂(0.25～0.5mm)、粗砂#1(0.5～1.0mm)、粗砂#2(1.0～2.0mm)的一維砂柱,研究了氣流在孔道流和鼓泡流運行方式下,原位空氣擾動(AS)技術中曝氣流量與空氣飽和度和曝氣壓力的關系,以及添加表面活性劑后的關系變化,并探討了在中砂介質中表面活性劑的添加對苯污染物去除效率的影響,結果表明:在同一種粒徑中,空氣飽和度隨著曝氣流量的升高而增大,最后趨于平穩;相同的曝氣流量下,AS技術在地下水中空氣飽和度與介質粒徑呈負相關關系,而在表面活性劑(SDBS)濃度為 200mg/L的地下水中空氣飽和度與介質粒徑呈正相關關系;這說明AS技術在地下水的修復過程中較粗的介質往往需要較大的曝氣流量,而表面活性劑的添加,則可以有效的改變這種情況.曝氣壓力隨著氣體流量的上升而線性增加,線性方程的斜率與介質粒徑呈負相關關系.當介質粒徑為0.5～1.0mm時,在一定表面張力范圍內表面張力與空氣飽和度呈反比關系,當表面張力大于49mN/m時空氣飽和度趨于穩定.當介質粒徑為0.25～0.5mm時,表面活性劑的添加可以有效的提高苯污染物的去除效率.

表面活性劑；空氣擾動；飽和度；曝氣流量；曝氣壓力；苯

隨著社會經濟的快速發展,土壤和地下水有機污染日益嚴重[1-2].原位空氣擾動技術(Air Sparging, 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(Volatile organic compounds, VOCs)最有效的方法之一[3-5].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,達到去除污染的目的[6-8].該技術以其成本低、易操作、效率高等特點已被廣泛地應用[9-13].然而介質的滲透性較低時,阻隔作用較強,氣流難以上移而產生橫向擴展,很難有效去除污染物.另外,氣流在介質中可能形成優先流,無法準確作用在目標區域[11,14].表面活性劑的一些優點,能夠改善 AS技術的缺陷.針對以上問題,表面活性劑強化空氣擾動修復技術(Surfactant-enhanced Air Sparging, SEAS)近年來受到學者的關注.

目前,國內外學者在 AS技術重要的工藝運行參數包括曝氣壓力、曝氣流量、影響區域、曝氣方式等研究的基礎上對 SEAS技術也做了一些研究與報道[8-11,15-20].秦傳玉等[9-11,19]研究表明隨著表面活性劑濃度的提高,地下水表面張力的降低,空氣飽和度逐漸提高,并且表面活性劑的加入大大提高了氯苯的去除速率和去除量;胡黎明等[15,17,20]研究表明在AS技術中曝氣壓力與曝氣流量呈線性關系;Kim 等[14,21-24]研究表明在中砂中表面張力的降低并未明顯增加壓力損失,但是明顯增加了空氣飽和度;表面活性劑作用下 AS技術中甲苯以及四氯乙烯的去除效果顯著提高.

上述的研究主要集中在:(1)傳統 AS技術和SEAS技術的曝氣壓力和曝氣流量的關系以及修復效果對比;(2)不同表面活性劑濃度下含水層介質中空氣飽和度的變化.對于 SEAS技術中相同表面活性劑濃度時不同介質巖性對空氣飽和度的影響鮮有研究,曝氣流量與曝氣壓力之間的關系還不夠明確,而且對于苯污染物去除效率的研究相對較少.Ji等[25]研究表明當介質粒徑在0.75mm時為孔道流,在2mm時為過渡流,在4mm時為鼓泡流;Peterson等[26]報道稱當介質有效粒徑 D50(粒徑分布曲線上小于該粒徑的介質質量占總介質質量的 50%的粒徑稱為有效粒徑 D50)在1.1～1.3mm時為孔道流,當D50在1.84,2.61和4.38mm時為鼓泡流,當D50小于0.21mm為腔室流;Reddy等[18,27]研究表明當介質有效粒徑 D10大于2.5mm時是鼓泡流,D10小于0.43mm時是孔道流.最近,Song等[20]研究表明有效粒徑D10小于等于0.22mm時為腔室流,D10處于0.42～1.42mm區間時,為孔道流,D10大于等于2.10mm時為鼓泡流.因此本實驗選取中砂(0.25～0.5mm, D10= 0.3mm)、粗砂#1(0.5～1.0mm, D10=0.6mm)、粗砂#2(1.0～2.0mm, D10=1.2mm)研究氣流在孔道流運移方式下,AS修復技術中曝氣流量與空氣飽和度和曝氣壓力的關系和表面活性劑濃度對空氣飽和度的影響,以及在中砂(0.25～0.5mm, D10= 0.3mm)介質中表面活性劑的添加對苯污染物去除效率的影響;并探究表面活性劑的添加對氣流運移方式的改變,為 SEAS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 5.0cm.柱子側面從下至上設置 1～5號取樣口.從柱子上部分層均勻填裝石英砂,填裝高度為70.0cm(至 4號取樣口).將配置好的不同濃度的表面活性劑溶液分別從各柱底緩慢注入介質中,并由 5號取樣孔流出,柱內表面活性劑濃度分布均勻,而后將柱中液體放至與砂面相平.在苯污染物去除實驗中,選取 0.25～0.5mm的河砂,裝填方式與空氣飽和度實驗相同,將配置好的含有SDBS(200mg/L)的苯溶液(150mg/L)從柱底緩慢注入介質中,并由5號取樣孔流出,直至SDBS和苯濃度分布均勻,而后將柱中液面放至與砂面相平.開始曝氣,通過各取樣孔取樣來分析污染物的去除情況.

1.2 實驗材料

實驗選用粒徑分別為 0.25～0.5mm、0.5～1.0mm和1.0～2.0mm的透明熔融石英砂作為模擬含水層介質,但在進行苯污染物的去除實驗研究時,選用 0.25～0.5mm的河砂介質.不同介質相關理化性質見表1.

pH使用便攜式pH計測量得到;曝氣壓力通過壓力傳感器(MIK-P300,浙江杭州Asmik米科傳感儀器有限公司)測量;表面張力的測量使用的是上海方瑞儀器有限公司的 QBZY-1型全自動表面張力儀.

表1 實驗介質理化性質Table 1 Properties of sands used in experiment

圖1 實驗裝置示意Fig.1 Experimental device diagram

苯污染物通過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℃,檢測波長254nm,流速1.0ml/min,進樣量10μl,流動相:甲醇70%和純水30%.

1.3 實驗方法

記錄不同曝氣流量和曝氣壓力以及對應的自由水面上升高度,利用液面上升高度及柱子的內徑,計算流體上升的體積,以計算空氣飽和度.各柱實驗條件詳見表2.

表2 強化修復實驗方案Table 2 Intensified repair experiment scheme

空氣飽和度的計算公式:

式中: Sa為氣體飽和度; V水為曝氣時柱子中自由水面上升部分的水體積,mL; V孔為柱子中介質的孔隙體積,mL; S表為柱子的表面積,cm2; h水為曝氣時自由水面上升高度,cm.

2 結果與分析

2.1 強化修復過程中曝氣流量與空氣飽和度的關系

至此，我們可以了解到，商星這顆火紅的亮星，其視覺特征及運行規律，是殷人判斷生活中用火活動是否適宜的時間參照。正是由于商星的此一重要作用，使得殷人將其作為主祀崇拜的對象，用以命名本族部落，進而沿用以為國號，以至國土分野。

曝氣過程中曝氣流量與空氣飽和度的關系如圖2所示.由圖2中可知,在同一種介質粒徑中,空氣飽和度隨著曝氣流量的增大而持續升高最后趨于平緩.這主要因為當曝氣流量增加到一定程度時,氣流孔道基本趨于穩定,此時繼續增大曝氣流量,氣體驅替水的過程基本不再發生,空氣飽和度也趨于穩定.在1.0～2.0mm介質粒徑中,當表面張力從72.2mN/m降低到52.5mN/m時,最大空氣飽和度從 23%提高到 52.5%.這主要因為表面活性劑的添加降低了表面張力,極大的減小了介質中的毛細壓力,從而更易氣驅替水.在多孔介質中,毛細壓力Pc和表面張力σ之間的關系,公式如下[28-29]:

式中:Pc為毛細壓力,N/m2;σ為表面張力,mN/m;θ為接觸角;r是等效毛細水力半徑.根據式(2)知,表面張力的下降將導致毛細壓力的下降.

圖2 不同介質粒徑中曝氣流量與空氣飽和度的關系Fig.2 The relationship of airflow rate and air saturation in different particle size of the medium

圖3 粗砂#2中氣流運移Fig.3 The air travelling in coarse sand

從圖2中可以看出,當SDBS濃度為0mg/L時,此時最大空氣飽和度范圍:23%～29%,在不同介質中當空氣飽和度趨于穩定時,空氣飽和度大小為:中砂＞粗砂#1＞粗砂#2;這主要因為在相同的曝氣流量下,不同介質粒徑的對應的曝氣壓力也不同,大小為:中砂＞粗砂#1＞粗砂#2,相對較大的曝氣壓力在較細的介質粒徑中形成的孔道也較多;當SDBS濃度為200mg/L時,此時最大空氣飽和度范圍:47%～53%,在不同介質中當空氣飽和度趨于穩定時,空氣飽和度大小為:粗砂#2＞粗砂#1＞中砂,這與SDBS濃度為0mg/L時的規律相反.這是因為表面活性劑的添加降低了地下水的表面張力,改變了氣流在介質中固有的孔道流運移方式,使得在介質中生成了許多微小氣泡,并且介質粒徑越大,微小氣泡生成的數量越多,因此在介質中原有孔道流,微小氣泡數量生成的越多,空氣飽和度提高的越明顯.如圖3所示.

2.2 強化修復過程中曝氣壓力的變化

曝氣過程中,氣流(Pg)除克服靜水壓力(Pws)和毛細壓力(Pca)之外,還需克服系統中壓力損失[14]:

式(3)中:Pl、Pf、Ps分別是氣流流經管道、曝氣頭和介質中的氣流孔道的阻力.曝氣過程中壓力的變化如圖4所示.

圖4 不同介質粒徑中曝氣壓力的變化Fig.4 Changes of air pressure in different particle size of the medium

由圖 4(a)可知,在相同的曝氣流量時,隨著介質粒徑增加曝氣壓力變小,趨勢為:中砂＞粗砂#1＞粗砂#2;主要因為介質粒徑越小曝氣過程中克服的毛細壓力Pca越大[24];在不同介質粒徑中,曝氣流量與曝氣壓力基本呈線性關系.由圖4(b)可得,在同一曝氣流量下,表面活性劑的添加提高了空氣飽和度的同時卻增大了曝氣壓力 Pg.主要原因是表面活性劑的投加減小了毛細壓力,使氣流孔道數量增加,氣流流經孔道阻力變大;進一步發現表面活性劑的添加增加了曝氣壓力,并且隨曝氣流量的增大,曝氣流量與曝氣壓力呈線性關系,表3為曝氣流量與曝氣壓力的線性擬合方程.

表3 曝氣流量與曝氣壓力線性擬合方程Table 3 Fitted parameters of airflow rate and spargingpressure

2.3 不同表面張力下空氣飽和度的變化

粗砂中表面張力的變化對空氣飽和度的影響以及不同表面張力下的空氣飽和度線性擬合如圖5所示.

由圖 5可知,在一定表面張力范圍內表面張力與空氣飽和度呈反比關系.當表面張力大于49mN/m時,空氣飽和度隨著表面張力的降低而顯著增加.當表面張力從 72.2mN/m 降低至48.9mN/m時,最大空氣飽和度從 26.5%提高到53.9%.這主要因為表面張力從72.2mN/m降低到48.9mN/m使得孔道數量大幅增加,因此空氣飽和度也隨之大幅提高.但當進一步降低表面張力時,空氣飽和度趨于穩定.這主要因為當孔道數量增加至一定數量后,繼續降低表面張力,孔道數量趨于穩定.表面活性劑的添加確實極大的提高了空氣飽和度,同時增加了影響區域.但是,當表面張力在49mN/m時,繼續增大SDBS濃度對空氣飽和度的提高影響不大,反而會增加修復費用,因此當表面張力達到一定值時,更大濃度的 SDBS是不必要的.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,從而出現圖6(a)中 4號取樣孔污染物濃度不降反升的現象.另一方面,是因為表面活性劑的添加,降低了地下水中表面張力,增加了介質中的空氣飽和度,極大提高了污染物的去除效率,因此在30min取樣測量時已經過了圖6(a)中不降反升現象的階段.

圖5 實驗1中空氣飽和度的變化Fig.5 Changes of air saturation in test 1

圖6 實驗3中苯的去除效率Fig.6 The benzene removal efficiency in text 3

如圖 7所示,由于苯揮發性較強,在曝氣30min時,AS技術和SEAS技術對苯的去除效率分別為 46.3%和 56.25%;而在之后去除過程中,表面活性劑的添加明顯加快了苯的去除,在60min處最明顯,AS技術和SEAS技術對苯的去除效率分別為 51.05%和 82.47%.在隨后的時間里,去除效率的差距逐漸縮小,最后趨于平緩.同時可以看出,表面活性劑的添加明顯縮短了修復時間,SEAS技術在600min處,苯的濃度在檢測線以下;而AS技術在840min處,苯的濃度達到檢測線以下.總的來說,表面活性劑的添加明顯加快了苯污染物的去除效率,并且縮短修復時間;苯的去除時間縮短了28.57%.

圖7為AS技術與SEAS技術對苯污染物去除效率隨時間變化的曲線.其中,橫坐標為時間(min),縱坐標為苯的去除效率.苯的去除效率計算為任意時刻1、2、3和4號取樣孔濃度的平均值與初始濃度的差值再比上初始濃度.

圖7 AS技術與SEAS技術對苯去除效率的影響Fig.7 Benzene removal efficiency under the AS

3 結論

3.1 在相同的曝氣流量下,AS技術在地下水中空氣飽和度與介質粒徑呈負相關關系,而在SDBS濃度為200mg/L的地下水中空氣飽和度與介質粒徑呈正相關關系;這說明 AS技術在地下水的修復過程中較粗的介質往往需要較大的曝氣流量,而表面活性劑的添加,則可以有效的改變這種情況.

3.2 曝氣壓力隨著氣體流量的上升而線性增加,線性方程的斜率與介質粒徑呈負相關;這說明與較細的介質相比較粗的介質中,流量的增加對壓力的提升相對較小.

3.3 在AS技術中,曝氣流量與曝氣壓力線性方程斜率為介質在中砂到粗砂#1范圍內,隨著介質粒徑的增加,斜率減少較快,在粗砂#1到粗砂#2時減小較慢;在SDBS濃度為200mg/L時,介質在中砂到粗砂#1范圍內,隨著介質粒徑的增加,斜率減少較慢,在粗砂#1到粗砂#2時減小較快.

3.4 當介質粒徑為0.5～1.0mm時,在一定表面張力范圍內表面張力與空氣飽和度呈反比關系;表面活性劑的添加極大的提高了空氣飽和度,但當表面張力在49mN/m時,繼續增大SDBS濃度對空氣飽和度的提高影響不大.

3.5 當介質粒徑為 0.25～0.5mm時,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.

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YAO Meng, WANG He-fei, HAN Hui-hui, QIN Chuan-yu, ZHAO Yong-sheng*(Key Laboratory of Groundwater Resources and Environment, Ministry of Education Jilin University, Changchun 130000, China). China Environmental Science, 2017,37(9)：3332～3338

A series of one-dimensional column experiments of air sparging remediation with different aquifer media (medium sand, coarse sand) were conducted in this study. The relationships between airflow rate and sparging pressure, air saturation under pore flow and bubbly flow conditions were investigated respectively; the effects of surfactantenhanced air sparging (SEAS) were also discussed. The results demonstrated that the air saturation increased with the increase of the airflow rate and finally tended to be stable in the same medium. The air saturation of the aquifer was negatively related with the medium grain size under the same airflow rate condition. However, the air saturation was positively correlated with the medium grain size when surfactant (SDBS) was added in the aquifer. This showed that the coarser medium often required larger airflow rate, and it could be changed by adding the surfactant to the aquifer. Sparging pressure increased linearly with the increase of airflow rate, and the slope of the linear equation was negatively correlated with the medium grain size. The air saturation of the aquifer was inversely proportional to the surface tension of groundwater, however, the air saturation tended to be stable when the surface tension was greater than 49mN/m in the coarse sand (0.5～1.0mm). The addition of surfactant could effectively improve the removal efficiency of benzene and shorten the remedial time in the medium sand (0.25～0.5mm).

surfactant；air sparging；saturation；airflow rate；sparging pressure；benzene

X523

A

1000-6923(2017)09-3332-07

2017-03-02

國家自然科學基金重點項目(3A215BK01425);北京市教育委員會市屬高校創新能力提升計劃(tjshg201310772028)

* 責任作者,教授, zhaoyongsheng@jlu.edu.cn

姚 猛(1993-),男,江蘇徐州人,吉林大學環境與資源學院碩士研究生,主要從事地下水土污染的控制與修復研究.