原位空氣擾動(dòng)技術(shù)在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

白 靜, 趙勇勝, 秦傳玉

(吉林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,長春 130021)

原位空氣擾動(dòng)技術(shù)在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

白 靜, 趙勇勝, 秦傳玉

(吉林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,長春 130021)

按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在一維有機(jī)玻璃模擬柱中填裝一定高度固定粒徑的石英砂，利用蠕動(dòng)泵從柱體底部的進(jìn)樣口泵入一定濃度的甲苯溶液，靜置一段時(shí)間后，在土柱底部利用空氣泵曝氣，在不同曝氣時(shí)間下于柱體側(cè)面的取樣口取水樣，分析甲苯的濃度變化。實(shí)驗(yàn)分組進(jìn)行，主要考察了曝氣、介質(zhì)粒徑和曝氣方式對(duì)甲苯修復(fù)效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于0.25～0.5 mm的中砂介質(zhì)，最佳曝氣量為500 mL/min，曝氣初期，距離曝氣點(diǎn)最遠(yuǎn)的上部取樣口處甲苯的相對(duì)濃度有短暫上升趨勢，但隨著曝氣時(shí)間延長，所有取樣口甲苯濃度均逐漸下降；相同曝氣量條件下，介質(zhì)粒徑越大，修復(fù)效果越好；對(duì)于0.1～0.25 mm的細(xì)砂介質(zhì)來說，間歇曝氣方式優(yōu)于連續(xù)曝氣。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，原位空氣擾動(dòng)修復(fù)技術(shù)能有效去除地下水中揮發(fā)性的甲苯，同時(shí)修復(fù)效果受曝氣量、介質(zhì)粒徑和曝氣方式影響。

空氣擾動(dòng)； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 實(shí)驗(yàn)方案； 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

0 引 言

隨著工業(yè)化和城市化的發(fā)展，地下水受到了嚴(yán)重污染[1-2],污染帶來的危害已經(jīng)引起了國家的高度重視。針對(duì)上述嚴(yán)峻問題，除了從法律法規(guī)等方面進(jìn)行制約外[3]，對(duì)于已經(jīng)被污染的地下水的修復(fù)治理也迫在眉睫。

吉林大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)依托科研成果轉(zhuǎn)化[4-14]，針對(duì)地下水中揮發(fā)和半揮發(fā)性有機(jī)污染物的修復(fù)治理，將原位空氣擾動(dòng)修復(fù)技術(shù)引入本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)。同時(shí)針對(duì)目前實(shí)驗(yàn)課教學(xué)存在的問題[15-16]，在教學(xué)模式上進(jìn)行了相應(yīng)改革[17]。通過學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)施操作，提升學(xué)生在環(huán)境污染場地修復(fù)領(lǐng)域的專業(yè)技能，鍛煉學(xué)生科學(xué)的思維方法。本文僅以2015年本科生原位空氣擾動(dòng)修復(fù)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)課為例，詳細(xì)說明該技術(shù)在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

1.1實(shí)驗(yàn)材料

選取石英砂模擬含水層介質(zhì)，篩取0.1～0.25、0.25～0.5和0.5～1.0 mm 3種粒徑的石英砂陰干備用。目標(biāo)污染物選擇揮發(fā)性的有機(jī)物甲苯。

1.2實(shí)驗(yàn)儀器

有機(jī)玻璃柱、氣相色譜儀、千分之一電子天平、移液槍、曝氣泵、蠕動(dòng)泵、流量計(jì)、壓力表等。

2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)選擇曝氣量、介質(zhì)粒徑和曝氣方式3種因素，分析其對(duì)甲苯修復(fù)效果的影響，實(shí)驗(yàn)總計(jì)分為7組，每組3或4人，具體實(shí)驗(yàn)方案見表1。實(shí)驗(yàn)具體操作過程為：選用內(nèi)徑50 mm、高1 000 mm的有機(jī)玻璃模擬柱，柱體上分布3個(gè)取樣口，3個(gè)取樣口距離底部布水隔板的距離分別為50、350和650 mm，在每個(gè)取樣口內(nèi)填充濾布，防止取樣時(shí)石英砂流出。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)一覽表

在土柱底部布水隔板上鋪設(shè)單層濾布，防止石英砂阻塞布水孔。在柱的頂端少量多次加入石英砂并夯實(shí)，避免形成大的空隙和斷層，填裝高度為800 mm，填裝完畢后，將土柱密封，由底部的進(jìn)樣口泵入一定濃度的甲苯溶液，靜置一段時(shí)間后，在3個(gè)取樣口取樣分析甲苯的初始濃度，然后利用曝氣泵由柱的底部進(jìn)行曝氣，在不同累積曝氣時(shí)間下于各取樣口取水樣。

曝氣開始階段，曝氣量必須非常緩慢地由小逐漸調(diào)大，待達(dá)到規(guī)定曝氣量后，記錄曝氣時(shí)間。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見圖1。

1-污染物溶液,2-蠕動(dòng)泵,3-止水夾,4-下部取樣口,5-中部取樣口,6-上部取樣口,7-維土柱,8-流量計(jì),9-壓力表,10-曝氣泵,11-活性炭柱

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3 結(jié)果與分析

3.1曝氣量影響

實(shí)驗(yàn)介質(zhì)選用0.25～0.50 mm的石英砂，曝氣量選擇分別為300、400、500和600 mL/min，甲苯的去除效率見圖2。由圖可知：對(duì)于中砂介質(zhì)來說，隨著曝氣量的增加，甲苯的去除率逐漸增加，但是曝氣量增大到600 mL/min時(shí)，較500 mL/min的去除率提高不大，從能耗角度考慮，實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：500 mL/min為最佳曝氣量。

圖2 不同曝氣量對(duì)甲苯修復(fù)效率的影響

在500 mL/min曝氣量條件下，以曝氣前各個(gè)取樣口處水樣中甲苯的初始濃度為C0，不同曝氣時(shí)間下水樣中甲苯的濃度為C，則甲苯相對(duì)濃度C/C0變化如圖3所示。由圖3可知：在整個(gè)曝氣期間，下部和中部取樣口處甲苯的相對(duì)濃度隨著曝氣時(shí)間延長逐漸下降，但在曝氣初期，上部取樣口處水樣中甲苯的相對(duì)濃度有短暫上升，隨著曝氣時(shí)間延長，相對(duì)濃度逐漸下降。

圖3 不同取樣口處水中甲苯濃度變化

曝氣結(jié)束后(曝氣時(shí)間1 400 min)，可以發(fā)現(xiàn)在3個(gè)取樣口處均能檢測到低濃度的甲苯，此時(shí)修復(fù)進(jìn)入拖尾階段，在該階段，甲苯由固相吸附態(tài)解吸進(jìn)入水中成為限制修復(fù)效果的主要因素。

3.2介質(zhì)粒徑影響

圖4是曝氣量500 mL/min條件下，不同含水層介質(zhì)中甲苯的修復(fù)效果。由圖可知：甲苯在細(xì)砂介質(zhì)中的去除率為83%，在中砂和粗砂介質(zhì)中則達(dá)到99%以上。由圖4還可以發(fā)現(xiàn)，粗砂和中砂介質(zhì)中甲苯的修復(fù)效果相當(dāng)，但是在曝氣200 min左右，粗砂介質(zhì)中甲苯的修復(fù)效果就已經(jīng)達(dá)到95%以上，修復(fù)效率優(yōu)于在中砂中的修復(fù)效果。

圖4 不同介質(zhì)粒徑對(duì)甲苯修復(fù)效果的影響

3.3曝氣方式影響

圖5所示為0.10～0.25 mm介質(zhì)中不同曝氣方式下甲苯的去除率。由圖5可知：在曝氣初期的100 min內(nèi)，兩種曝氣方式的修復(fù)效果差距不大，這主要是水中甲苯濃度較高，甲苯由液相向氣相的傳質(zhì)為主要影響因素，但隨著曝氣時(shí)間延續(xù)，間歇曝氣方式的修復(fù)效果要優(yōu)于連續(xù)曝氣，這可能是水相中甲苯濃度逐漸減小，甲苯由固相的吸附態(tài)解吸進(jìn)入液相成為了修復(fù)的限制因素。間歇曝氣方式在反復(fù)的停止和開始曝氣過程中，可能會(huì)形成一些新的空氣孔道，增加了氣液兩相的接觸面積，縮短了甲苯在固相-液相之間的傳質(zhì)距離，從而提高了修復(fù)效果。

圖5 不同曝氣方式對(duì)甲苯修復(fù)效果的影響

以上研究內(nèi)容為2015年度環(huán)境工程專業(yè)本科生原位空氣擾動(dòng)修復(fù)技術(shù)的主要研究內(nèi)容，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過歸納整理后，基本上每位學(xué)生都可以得到類似上述的圖表。為便于學(xué)生處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以上實(shí)驗(yàn)內(nèi)容各組既相對(duì)獨(dú)立又有所關(guān)聯(lián)，比如各組的影響因素不同，但污染物甲苯的濃度、曝氣時(shí)間、取樣時(shí)間等基本一致。按照得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生可根據(jù)已有知識(shí)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。

作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的后續(xù)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的編寫則采取較為開放的方式。各組學(xué)生根據(jù)共享的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以個(gè)人為單位編寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，允許學(xué)生就自己感興趣的部分重點(diǎn)論述，力求所有學(xué)生都有所思考，避免實(shí)驗(yàn)報(bào)告千篇一律。

4 結(jié) 語

污染場地控制與修復(fù)課程是吉林大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)的特色課程，依托科研成果轉(zhuǎn)化，很多原理、技術(shù)成熟的原位修復(fù)技術(shù)被引入到本科生實(shí)踐教學(xué)，為國內(nèi)污染場地控制與修復(fù)領(lǐng)域提供了大量技術(shù)人才。本文涉及的原位空氣擾動(dòng)修復(fù)技術(shù)，修復(fù)原理清晰、技術(shù)操作具有相關(guān)規(guī)范，并且引入該技術(shù)的科研團(tuán)隊(duì)具有實(shí)際場地修復(fù)的成功案例，保證了為本科生開課的相關(guān)要求。

污染場地控制與修復(fù)實(shí)驗(yàn)課關(guān)注學(xué)生的主體地位，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，鼓勵(lì)學(xué)生和教師的互動(dòng)。通過教師理論課傳授理論知識(shí)，學(xué)生課下自主查閱技術(shù)最新發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)教師歸納整合，就共同關(guān)心科研問題對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，學(xué)生動(dòng)手實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案，科學(xué)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)匯總并分析對(duì)比等一系列的教師與學(xué)生互動(dòng)，最終完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)。除此外，學(xué)生還可以就感興趣的其他方面，利用大學(xué)生開放性實(shí)驗(yàn)、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃、科研項(xiàng)目等多種形式，直接進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)研究，全面培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題的能力。

[1] 呂 倩, 魏潔云. 中國地下水污染現(xiàn)狀及治理[J]. 生態(tài)經(jīng)濟(jì), 2016, 32(10): 9-13.

[2] 賀亞雪, 代朝猛, 蘇益明, 等. 地下水重金屬污染修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 水處理技術(shù), 2016, 42(2): 1-4.

[3] 井柳新, 劉偉江, 王 東, 等. 我國地下水污染整治制度構(gòu)建與探討[J]. 綠色科技, 2014(11): 146-147.

[4] 白 靜, 張鳳君, 王天野, 等. 空氣曝氣法去除地下水中石油類污染物的室內(nèi)模擬[J]. 土木建筑與環(huán)境工程, 2012, 34(1)：91-95.

[5] 秦傳玉, 趙勇勝, 鄭 葦, 等. 空氣擾動(dòng)技術(shù)對(duì)地下水中氯苯污染暈的控制及去除效果[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版), 2010, 40(1): 164-168.

[6] 秦傳玉, 趙勇勝, 李雨松, 等. 空氣擾動(dòng)技術(shù)修復(fù)氯苯污染地下水的影響因素研究[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2009, 36(6): 99-103.

[7] 王賀飛, 宋興龍, 趙勇勝, 等. 地下水曝氣技術(shù)氣流模擬實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2014, 34(11):2813-2816.

[8] 宋興龍. 地下水污染原位空氣擾動(dòng)修復(fù)技術(shù)模擬實(shí)驗(yàn)研究[D]. 長春：吉林大學(xué)，2015.

[9] Song X L, Zhao Y S, Wang H F,etal. Predictive models and airflow distribution associated with the zone of influence (ZOI) during air sparging remediation [J]. Science of the Total Environment, 2015, 537:1-8.

[10] Qin C Y, Zhao Y S, S Y,etal. Remediation of no aqueous phase liquid polluted sites using surfactant-enhanced air sparging and soil vapor extraction [J]. Water Environment Research, 2013, 85(2):133-140.

[11] Qin C Y, Zhao Y S, Li L L,etal. Mechanisms of surfactant-enhanced air sparging in different media [J]. Journal of Environmental Science and Health. Part A, Toxic/hazardous Substances & Environmental Engineering, 2013, 48(9):1047-55.

[12] Qin C Y, Zhao Y S, Zheng W. The influence zone of surfactant-enhanced air sparging in different media [J]. Environmental Technology, 2014, 35(10): 1190-1198.

[13] Qin C Y, Zhao Y S, Zheng W. Study on pollution plume control and removal efficiency of chlorobenzene in groundwater by air sparging[C]//ISWREP2011-Proceedings of International Symposium on Water Resource and Environmental Protection, 2011: 5.

[14] Zheng W, Zhao Y S, Qin C Y,etal. Study on mechanisms and effect of surfactant-enhanced air sparging [J]. Water Environment Research, 2010, 82(11): 2258-64.

[15] 楊聲海, 唐麗霞.本科教學(xué)改革:制度缺失與調(diào)適[J]. 中國農(nóng)業(yè)教育, 2010, 93(1): 4-6.

[16] 敦 榮.大學(xué)教學(xué)方法創(chuàng)新與提高高等教育質(zhì)量[J].清華大學(xué)教育研究，2009(4): 95-101.

[17] 秦傳玉, 趙勇勝, 董 軍, 等. 污染場地控制與修復(fù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào), 2014(3): 160-161.

ApplicationofAirSpargingintheExperimentalTeachingofUndergraduateCourse

BAIJing,ZHAOYongsheng,QINChuanyu

(College of Environment and Resources, Jilin University, Changchun 130021, China)

According to the experimental design, silica sand was filled into an organic glass simulation column with certain height, toluene solution was injected into the column by peristaltic pump from the bottom. After a period of time, aeration by air pump was carried out in the bottom injection port of the soil column. Toluene concentration was analyzed in different aeration time and different sample connection. Experimental group tested the influences of aeration rate, medium size and aeration patterns on the remediation effect. The experimental results indicate that the optimal aeration rate is 500 mL/min for 0.25—0.5 mm sand size. Toluene concentration in the upper sample point has a brief rise trend in the early aeration, but with extended aeration time, all sampling mouth toluene concentration gradually decreases. The bigger of the medium size, the better of toluene remediation effect. For 0.1—0.25 mm of the fine sand medium, intermittent aeration mode is better than that of continuous aeration. The above experimental results show that air sparging is an effective mrthod in situ remediation technology to remove toluene from ground water, and the remediation effect was affected by aeration rate, medium size and aeration patterns.

air sparging; experimental teaching; experimental program; experimental design

G 642.423

A

1006-7167(2017)09-0145-04

2016-11-24

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(3A412S251425)

白 靜(1983-)，女，河北唐山人，實(shí)驗(yàn)師，主要從事污染場地控制與修復(fù)方面研究。Tel.: 0431-8499792; E-mail: baijing927@jlu.edu.cn

趙勇勝(1961-)，男，內(nèi)蒙古達(dá)茂旗人,教授，博士生導(dǎo)師，主要從事污染場地控制與修復(fù)、地下水污染的模擬預(yù)測等研究。Tel.: 0431-8502608; E-mail: zhaoyongsheng@jlu.edu.cn