原位空氣擾動(dòng)技術(shù)影響因素研究-基于苯污染非均質(zhì)含水層

康學(xué)赫,姚 猛,秦傳玉,趙勇勝 (吉林大學(xué)地下水資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長(zhǎng)春 130021)

原位空氣擾動(dòng)技術(shù)(AS)作為一種原位修復(fù)技術(shù),被認(rèn)為是去除土壤和地下水中揮發(fā)性有機(jī)污染物(VOCs)最有效的方法之一[1-3].其原理是通過(guò)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(fā)進(jìn)入氣相.氣體在浮力的作用下攜帶污染物逐步上移,達(dá)到去除污染物的目的[4-6].同時(shí),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(shù)以其成本低、易操作、效率高等特點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用[8-10].

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在AS技術(shù)的AS流型[11-13]和傳質(zhì)規(guī)律[14-15]等方面作了大量的研究,以及對(duì)工藝運(yùn)行參數(shù)包括曝氣壓力、曝氣流量、影響區(qū)域、曝氣方式等方面的影響因素進(jìn)行研究[16-17].此外對(duì)于污染物去除效率的影響因素包括介質(zhì)滲透性、曝氣流量和表面活性劑也做了一些的研究和報(bào)道,結(jié)果表明:介質(zhì)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(duì)于滲透系數(shù)為 10-5m/s數(shù)量級(jí)及其以下的介質(zhì)應(yīng)用 AS較為困難.在曝氣時(shí)間相同的情況下,對(duì)于滲透系數(shù)為 5.1×10-4m/s的中砂,脈沖曝氣較連續(xù)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(dāng)曝氣流量增大到 300mL/min時(shí),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(fù)時(shí)間[19].對(duì)于非均質(zhì)方面也有一些研究和報(bào)道,Waduge等[4]研究了土壤非均質(zhì)和非水相液體(NAPL)源阻截條件對(duì)AS協(xié)同 SVE的污染物質(zhì)量去除效率的影響.Al-Maamari等[20]研究了在非均質(zhì)含水層應(yīng)用AS時(shí)的流體動(dòng)力學(xué).上述AS的研究主要集中在:(1)在均勻介質(zhì)條件下探究介質(zhì)滲透性、曝氣流量、曝氣方式以及添加表面活性劑等因素對(duì)于污染物去除效率的影響;(2)在非均質(zhì)介質(zhì)中探究了不同NAPL源阻截條件下的污染物質(zhì)量去除效率和含水層中的流體動(dòng)力學(xué).但是分層非均質(zhì)是實(shí)際場(chǎng)地中較為常見的地層結(jié)構(gòu),對(duì)于在非均質(zhì)條件下對(duì)污染物去除效率的研究相對(duì)較少, 缺乏相應(yīng)實(shí)驗(yàn)理論研究與分析,因此本實(shí)驗(yàn)在非均質(zhì)條件下對(duì)污染物去除效率的影響因素進(jìn)行了研究.

本實(shí)驗(yàn)以苯為研究對(duì)象,通過(guò)實(shí)驗(yàn)室一維砂柱模擬了分層、不同介質(zhì)組合條件下,AS對(duì)苯去除效率的影響,對(duì)比均勻介質(zhì)中苯的去除效率變化,以期為 AS技術(shù)的場(chǎng)地應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本次實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.裝置高100.0cm,內(nèi)徑7.3cm,柱子側(cè)面從下至上設(shè)置 1～5號(hào)取樣口.砂柱底部至3號(hào)取樣口為實(shí)驗(yàn)下層,用砂從柱頂均勻裝入柱中,裝填高度為35cm(即3號(hào)取樣口位置).3號(hào)取樣口至5號(hào)取樣口為實(shí)驗(yàn)上層,用砂從柱頂均勻裝入柱中,從35cm填裝至70cm處(即5號(hào)取樣口位置).將配置好的苯溶液用蠕動(dòng)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(jìn)行曝氣.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic map of experimental device

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)共選用3種巖性河砂模擬3種含水介質(zhì),均經(jīng)篩分得到.各砂的物理特性見表1.

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)主要對(duì)砂柱水相中的苯進(jìn)行檢測(cè),水樣檢測(cè)時(shí)從取樣口取 1mL樣品.苯溶液用液相色譜儀分析檢測(cè).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(cè)器,柱子型號(hào)Agilent-C18,柱溫30℃,檢測(cè)器波長(zhǎng)254nm,流速1.0mL/min,進(jìn)樣量10uL,流動(dòng)相:甲醇70%和純水30%.

表1 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of experimental medium

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)選用3種經(jīng)篩分的砂來(lái)考察AS過(guò)程中非均質(zhì)分層情形下不同介質(zhì)組合對(duì)苯去除效率的影響,選擇中砂、粗砂、礫石均質(zhì)作為對(duì)比參照.各實(shí)驗(yàn)具體方案詳見表2.

表2 實(shí)驗(yàn)方案一覽表Table 2 Experimental plan

每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,苯的去除效率計(jì)算為任意時(shí)刻1～5號(hào)取樣口的濃度值C與初始濃度C0的比值.

2 結(jié)果與討論

2.1 中砂粗砂介質(zhì)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(shù)上層設(shè)為k1,下層設(shè)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(shù)在同一數(shù)量級(jí),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(xiàn)污染物濃度不降反升的現(xiàn)象,且濃度上升幅度相差不大.這主要是因?yàn)橹猩啊⒋稚暗臐B透系數(shù)在同一數(shù)量級(jí),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(shí)驗(yàn)初始階段,在上部取樣孔出現(xiàn)了污染物濃度不降反升的現(xiàn)象.這主要是由于砂柱內(nèi)部體系上下壓力不同造成的;在砂柱下部靜水壓力較大,導(dǎo)致氣流內(nèi)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(chǎn)生變化,導(dǎo)致氣流內(nèi)部的部分污染物向水中釋放,從而使砂柱上部出現(xiàn)較原始濃度增高的現(xiàn)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(zhì)組合及中砂礫石均質(zhì)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(zhì)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(zhì),實(shí)驗(yàn)初期,砂柱上部污染物濃度先上升后降低的現(xiàn)象更加明顯.一維模擬柱滲透系數(shù)上層設(shè)為k1,下層設(shè)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(shù)不在同一數(shù)量級(jí).取樣口 5在曝氣0.5h后的去除效率由1.03變?yōu)?.12.這主要是由于隨著氣流的上升,氣液間壓力梯度產(chǎn)生變化,當(dāng)氣流從礫石進(jìn)入中砂,氣流由鼓泡流變?yōu)榭椎懒?氣流從下部礫石中攜帶更多的污染物進(jìn)入中砂使氣流中的污染物更多的轉(zhuǎn)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(xiàn)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(zhì)苯的去除效率Fig.5 The benzene removal efficiency with the uniform medium sand aquifer

曝氣過(guò)程中,上礫石下中砂苯的去除效率如圖 6所示.礫石均質(zhì)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(hào)取樣口苯的去除效率分別達(dá)到 80.2%、80.7%、75.7%.這主要是由于新鮮空氣由柱底進(jìn)入,首先和底部污染物接觸,氣液濃度梯度大,傳質(zhì)快,下部有很好的去除效率,而當(dāng)氣流由中砂進(jìn)入礫石,氣流由孔道流變?yōu)楣呐萘?氣液間接觸面積變大,導(dǎo)致上部同樣有很好的去除效率.而礫石均質(zhì)砂柱下部取樣點(diǎn)污染物去除較快,中部和上部稍慢.曝氣1h后1、3、5號(hào)取樣口苯的去除效率分別達(dá)到85%、71.6%、58.5%.這主要是由于新鮮空氣由柱底進(jìn)入,首先和底部污染物接觸,氣液濃度梯度大,傳質(zhì)快,隨著氣體上升,濃度梯度減小,傳質(zhì)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(zhì)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(zhì)組合及中砂礫石均質(zhì)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(zhì)組合及中砂礫石均質(zhì)中的變化如圖 8所示.苯的平均去除效率計(jì)算為任意時(shí)刻1～5號(hào)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(shuō)明當(dāng)較細(xì)的介質(zhì)處于分層非均質(zhì)上層時(shí),污染物的平均去除效率主要受限于較細(xì)粒徑的介質(zhì),其污染物平均去除效率曲線與較細(xì)粒徑的均質(zhì)大致相同.而當(dāng)較粗的介質(zhì)處于分層非均質(zhì)上層時(shí),污染物的平均去除效率曲線與較粗粒徑的均質(zhì)大致相同.因此在分層非均質(zhì)條件下,污染物的平均去除效率主要取決于分層非均質(zhì)上層介質(zhì)粒徑,其污染物平均去除效率曲線與分層非均質(zhì)上層介質(zhì)粒徑均質(zhì)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(shí),苯的平均去除效率分別為 70.6%、52.3%.這主要是因?yàn)樯系[石下中砂其下部氣液間濃度梯度大傳質(zhì)快去除效率高上部滲透系數(shù)較高去除速率同樣很高,而上中砂下礫石實(shí)驗(yàn)初始階段氣流從下部礫石攜帶更多的污染物進(jìn)入中砂,使氣流中的污染物更多的轉(zhuǎn)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(zhì)情形下苯的平均去除效率Fig.8 Average benzene removal efficiencies in four kinds of medium

3 結(jié)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(zhì)其介質(zhì)滲透系數(shù)在同一數(shù)量級(jí)時(shí),分層情況的改變對(duì)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(zhì),上礫石下中砂相比于礫石均質(zhì)的苯的去除效率分析表明,分層非均質(zhì)其介質(zhì)滲透系數(shù)不在同一數(shù)量級(jí)時(shí),下層滲透系數(shù)變大會(huì)使砂柱上部污染物濃度先升高后降低的現(xiàn)象更加明顯,下層滲透系數(shù)變小則會(huì)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(shuō)明在分層非均質(zhì)條件下,氣流由低滲透介質(zhì)進(jìn)入高滲透介質(zhì),污染物的去除速率相對(duì)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(shuō)明在分層非均質(zhì)條件下,污染物的平均去除效率主要取決于分層非均質(zhì)上層介質(zhì),其污染物平均去除效率曲線與分層非均質(zhì)上層介質(zhì)均質(zhì)大致相同.