表面活性劑強化原位空氣擾動修復實驗研究
——影響區域及氣流分布變化規律

常月華,姚 猛,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)

隨著社會經濟的快速發展,土壤和地下水中的有機物污染問題日益嚴重[1-3].原位空氣擾動技術(AS)被認為是去除揮發性有機污染物(VOCs)最有效的技術之一[4-5].該技術因其操作簡單、高效率和低成本等優點而受到廣泛關注[6-7].其原理主要是通過向地下環境注入新鮮空氣,將溶解相和水相污染物轉移為氣相,在這個過程中揮發性有機污染物將大量被去除[4,7-8].在此期間,污染物的去除效率受到曝氣流量、空氣飽和度、氣流運移方式、影響區域(ZOI)面積和氣流分布等因素的影響[6,8,10].

胡黎明等研究發現曝氣壓力和曝氣流量呈線性關系[6,11].Reddy等[12]和 Ji等[13]研究表明當介質粒徑0.75mm時為孔道流,2mm時為過渡流,4mm時為鼓泡流.Neriah等[14]和Nyer等[15]報道稱AS過程中ZOI形狀為錐形[6,8,10,14-15],但其他學者報道稱 ZOI形狀為拋物線形[12-13,16-17].Reddy等[17]報道稱在計算ZOI面積時,可以認為影響區域形狀為錐形.氣體流量是污染物去除效率的重要影響因素之一.目前為止,大多數研究者認為氣流分布是不均勻的:曝氣井附近的氣體流量明顯大于影響區域邊緣的氣體流量[13,17].在裝填礫石介質的模擬柱中氣泡的流速已經可以通過測量得到,然而氣流以孔道流運移時流速還是未知的[17-18].最近,Kim通過研究發現一種改進的PFM實驗室方法定量描述ZOI內氣流分布規律[19],Song等[8]和Yao等[10]報道稱ZOI內氣流分布是不均勻的,呈現高斯分布.

近幾年,一種新的改進 AS修復地下水污染物的方法已經被廣泛研究并應用在實際場地,即表面活性劑強化原位空氣擾動修復技術(SEAS).該技術有效地減小了曝氣壓力以及增大了 AS修復影響區域面積,并且增大了ZOI內氣流流速[3,20-24].KIM通過研究發現表面活性劑的添加增大了空氣飽和度和影響區域面積(河砂直接觀測氣流),與傳統 AS修復技術相比,在曝氣流量為400cm3/min時,ZOI面積增大了5.2倍,同時表面活性劑采用點投至二維模擬槽中,發現氣流向表面張力較低的區域運移[24-26];秦傳玉團隊研究表明表面活性劑的添加,增大了空氣飽和度和影響區域面積(通過測量溶解氧 DO),進而提高了污染物去除速率[20-23].

上述研究主要集中在:(1)AS曝氣過程中影響區域形狀和面積以及影響區域內氣流分布的定量描述;(2)表面活性劑的投加對于 AS曝氣過程中影響區域面積、污染物的去除效率及氣流運移的影響.但是對于表面活性劑的投加對影響區域的影響并未找到合適的方法去描述,河砂直接觀測以及測量DO并不能準確地定量描述ZOI的變化規律;另外采用點投的方式驗證表面張力的降低對氣流路徑的改變,但在真實場地中,表面活性劑更容易形成區域(面)而非點.因此本實驗選取透明熔融石英砂模擬含水層介質,采用光透射的方法,準確形象地描述出表面活性劑的添加,對于傳統 AS曝氣過程中 ZOI的影響,同時將ZOI內氣流分布進行定量描述,并對ZOI內氣流分布規律進行探討,為SEAS修復技術提供理論指導.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

自然的含水層不透明性使它很難觀測到氣流運移,因此實驗分別選取了蒸餾水(72.1mN/m)和配置好的 200mg/L的表面活性劑溶液(61.3mN/m)模擬不同表面張力地下水,選取透明熔融石英砂模擬含水層介質.實驗選取粗砂(0.8～1.0mm)和礫石(3～4mm),如表 1所示.

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

實驗選用十二烷基苯磺酸鈉(SDBS,化學純)作為陰離子型表面活性劑;表面張力通過QBZY-1型全自動表面張力儀測量得到(上海方瑞儀器有限公司).

1.2 實驗裝置

AS系統的原理圖如圖1(a)所示.AS系統包含了空氣泵(AP-003;0.027MPa;65L/min);氣體流量計(LZB-6, 0.06～0.6m3/h,中國余姚公司)和壓力傳感器(0～0.1MPa, 中國 Asmilk 集團).

實驗選取了一個內部尺寸為 0.7m(長)×0.5m(高)×0.03m(寬)的二維有機玻璃模擬槽.在槽子底部中間設計了一個曝氣頭:一個矩形腔體和頂部的狹縫組成(長 2cm;寬 3cm;高 2cm;孔隙直徑 5mm).狹縫上部覆蓋了一層鐵絲網,防止石英砂進入曝氣頭.整個系統通過PVC管連接.

二維有機玻璃槽的細節和氣體收集裝置如圖1(b)所示[8,10].在模擬槽上部設計了有機玻璃板將槽子分成不同單元.每個單元是5cm長, 3cm寬, 18cm高.一個帶有出氣口的蓋子被緊緊地用螺絲固定在槽子頂部.氣密袋與出氣口相連,并被用來收集氣體.氣密袋的體積可以通過排水法測量.實驗中可以通過在模擬槽后面放置一個平行光源,繼而用相機抓拍氣流路徑.

圖1 裝置結構系統Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

1.3 實驗方法

石英砂裝填的高度為 35cm,在石英砂上層裝填5cm 高的鉛珠(D=3cm,ρ=6.7g/cm3),防止曝氣壓力過大壓裂介質.將配置好的200mg/L表面活性劑溶液通過蠕動泵(流量:0.12L/min)從模擬槽左側 1號溢流口注入介質中,并由右側2號溢流口流出,并記錄此時的飽水體積,即為孔隙體積.待模擬槽內表面活性劑濃度分布均勻,而后停止注入.此過程可以計算得到模擬槽裝填介質的孔隙度.孔隙度的計算公式:

式中:φ為介質孔隙度; V孔為裝填介質孔隙的體積; V飽為模擬槽飽水的體積; V總為裝填介質占的總體積.

在有機玻璃槽中設計兩組實驗:(1)選取介質粒徑為 0.8～1.0mm 的石英砂進行實驗,分別考慮未投加SDBS和投加濃度為200mg/L的情況;(2)選取介質粒徑為 3～4mm 的石英砂進行實驗,分別考慮未投加SDBS和投加濃度為200mg/L的情況.開始曝氣實驗,緩慢調整流量計直到有機玻璃槽中出現氣體,此時的曝氣壓力即是實驗最小曝氣壓力;繼續緩慢增大曝氣壓力并保持5min使AS系統達到平衡此時用相機拍攝實驗現象以及進行氣體收集測量,實驗中氣體收集過程重復了3次.ZOI內每個單元的氣體平均流量計算公式如下所示[8,10]:

式中:Q為單位面積下的氣流流量,cm3/(cm2?s); V為集氣袋收集到的氣體體積cm3; T為氣體收集時間s; S為集氣單元面積cm2.

2 結果與分析

2.1 曝氣壓力、曝氣流量和空氣飽和度之間關系的研究

2.1.1 曝氣壓力和曝氣流量之間的關系 相同介質中不同表面活性劑濃度下的曝氣流量和曝氣壓力關系如圖2所示.對曝氣壓力與曝氣流量關系進行線性擬合,擬合參數如表2所示.由表2可知,擬合的相關系數均大于0.9,說明AS曝氣過程中曝氣壓力與曝氣流量呈線性關系,并且表面活性劑的投加并沒有改變這種關系.

空氣注入到含水層中,必須克服靜水壓力和毛細壓力[3,24].因此在試驗過程中,開始曝氣以后氣流剛剛穿透含水層瞬時的曝氣壓力往往要大于理論最小曝氣壓力[6].由圖2可知,當未投加表面活性劑時,相同的曝氣流量下,粗砂的曝氣壓力要大于礫石;且當曝氣流量從100L/h增大至1000L/h時,曝氣壓力差值的絕對值由開始的0增大為0.7kPa.原因是粗砂相對礫石較細,并且相同曝氣流量下粗砂的影響區域面積要大于礫石,造成了曝氣過程中粗砂介質中氣體所需克服的毛細壓力較大,達到相同的曝氣流量時粗砂的曝氣壓力要大于礫石[3],并且隨著曝氣流量的增大,粗砂相對礫石介質,所需克服的毛細壓力越來越大,所需的曝氣壓力也要越來越大.

圖2 曝氣流量與曝氣壓力之間的關系Fig.2 Relationship of the airflow and air sparging pressure

表2 曝氣流量與曝氣壓力線性擬合方程Table 2 Fitted parameters of airflow rate and sparging pressure

當表面活性劑投加濃度為 200mg/L時,在曝氣的初始階段,相同的介質和曝氣流量下,表面活性劑的投加對曝氣壓力的變化影響不大.這是因為當表面張力改變時雖然會對曝氣壓力產生影響:表面張力減小,毛細壓力減小.但是在粗砂中表面張力的降低,極大地增大了粗砂介質中的影響區域面積;在礫石中表面活性劑的投加主要作用為穩泡,極大地增加了含水層中氣泡數量.這說明在曝氣初始階段同一曝氣流量下,表面活性劑的投加不一定會增加曝氣壓力,但能明顯增大空氣飽和度.在礫石介質中隨著曝氣流量的增大,表面活性劑的投加,使得相同的曝氣流量下,需要更大的曝氣壓力,且當曝氣流量從100L/h增大至1000L/h時,曝氣壓力差值的絕對值由開始的0增大為0.9kPa.原因可能是隨著曝氣流量的增加,表面活性劑的添加主要起到穩泡的作用,增加了礫石中氣泡的數量,從而所需的曝氣壓力也越來越大.當曝氣流量從100L/h增大至1000L/h時,礫石中的曝氣壓力差值絕對值要大于粗砂介質,說明相比較孔道數量的增加,氣泡數量的增加對于曝氣壓力的影響更顯著.

2.1.2 曝氣流量和空氣飽和度之間的關系 不同表面活性劑濃度下,曝氣流量和空氣飽和度的關系如圖3所示.空氣飽和度是影響污染物去除情況重要參數之一,實驗過程中記錄了溢流孔排水體積、影響區域面積等參數,計算了氣體的平均飽和度,公式如下[3]:

式中:V水是飽水體積mL,即在曝氣過程中測量的排水體積; V孔是ZOI內的孔隙體積,mL; V影是影響區域體積,mL,由影響區域面積乘模擬槽厚度得到;φ是介質的孔隙度.

從圖 3中可以看出,隨著曝氣流量的增加,空氣飽和度呈現增大的趨勢.當未投加表面活性劑時,相同的曝氣流量下粗砂的空氣飽和度要大于礫石:當曝氣流量由 200L/h增加至 1000L/h時,粗砂的空氣飽和度由25.39%增大到38.68%;礫石的空氣飽和度由25.29%增大到35.01%.其中可以看出粗砂的空氣飽和度要略大于礫石介質.這是因為相同的曝氣流量下,粗砂所需的曝氣壓力要大于礫石,在粗砂介質中形成的孔道數量也較多.當表面活性劑投加濃度為 200mg/L時,粗砂和礫石的空氣飽和度則不一定存在絕對的大小關系:當曝氣流量由 200L/h增加至1000L/h時,粗砂的空氣飽和度由 39.48%增大到46.45%;礫石的空氣飽和度由31.54%增大到46.98%.原因是表面活性劑的添加雖然極大地降低表面張力,減小了毛細壓力,增加了粗砂介質中影響區域內氣流的孔道數量,從而提高了粗砂介質的空氣飽和度;另一方面表面活性劑作為穩泡劑,極大地提高了礫石中氣泡的數量,提高了礫石介質中空氣飽和度.從圖中還發現粗砂介質中當曝氣流量為 800L/h的時候,空氣飽和度相較 600L/h時的空氣飽和度反而降低了.可能的原因是,當曝氣流量從 600L/h增加到800L/h的時候,極大增大了影響區域面積,而此時氣驅替水的體積相對幅度較小,因此出現空氣飽和度不升反降.

圖3 不同介質粒徑中曝氣流量與空氣飽和度的關系Fig.3 The relationship of airflow rate and air saturation in different particle size of the medium

2.2 影響區域變化規律研究

在不同表面活性劑濃度下通過相機記錄不同曝氣流量的影響區域變化情況,如圖4所示,圖中發現影響區域并不能關于曝氣點很好地對稱,可能是因為模擬槽介質中應力場很難達到均勻分布,對于氣流在含水層的運移影響較大;另外在較小的曝氣流量下,氣流運移路徑存在一定的偶然性,也難以保證氣流分布均勻.影響區域的擴大由兩方面組成:一是由于氣體受到向上的阻力增大導致其水平方向的擴張,二是曝氣角變大[6].隨著曝氣壓力的增大,曝氣角并不是一直變大,存在一個臨界值,大于這個臨界值時繼續增大曝氣壓力,曝氣角將不再增大[6,10].

圖4 不同曝氣流量下影響區域照片Fig.4 Photographs of the ZOI under different airflow rate

從圖4可知在粗砂介質中,氣流以連續的孔道流的形式運移,在礫石中,氣流以單獨的鼓泡流的形式運移,并且隨著曝氣流量的增大,影響區域逐漸增大,這與前人的報道相符[10].在粗砂介質中,當曝氣流量為200L/h時,從圖中可以看出表面活性劑的投加使得影響區域面積增大了8.7%,此時可以明顯觀察到ZOI內氣流分布較密,孔道數量相對較多,并且從上面計算的空氣飽和度也可以看出,表面活性劑的添加極大地提高了影響區域內空氣飽和度.當曝氣流量增加到800L/h時,此時可以明顯發現表面活性劑的添加增大了粗砂介質的影響區域面積,影響區域面積增大了20.5%;相較200L/h下影響區域面積增大了75%(未投加表面活性劑)和 94%(表面活性劑投加濃度為200mg/L),這也可以解釋在該曝氣流量下表面活性劑的投加不但未增大ZOI內的空氣飽和度,反而使得空氣飽和度減小了.這是因為相同曝氣流量下,表面活性劑的添加極大地降低了地下水的表面張力,從而減小了毛細壓力,雖然使得粗砂介質影響區域面積增大,增加了孔道數量,但氣驅替水的體積比例要遠小于相較增大的影響區域面積.當曝氣流量為1000L/h時,表面活性劑的添加對ZOI的影響更加明顯,影響區域面積增大了21.8%,相比800L/h下影響區域面積增大了8%(未投加表面活性劑)和 9%(表面活性劑投加濃度為200mg/L).這說明,相對傳統AS修復技術來說表面活性劑的投加,極大地提高了空氣飽和度,增加了影響區域面積,但在同一曝氣流量下,可能存在一個影響區域面積快速增加的階段, 該階段使得介質中ZOI在增大,但是空氣飽和度反而減小.

礫石介質相對粗砂介質,因為是鼓泡流,氣流并不是連續運移的,相機照片很難展現出影響區域面積,但是在實驗的過程中,肉眼是可以觀察到氣泡運移范圍,因此在原有照片基礎上進行處理,如圖 4所示.從圖 4中可以看出,在曝氣的初始階段,隨著曝氣流量的增大,影響區域增加.當曝氣流量為200L/h時,從圖中可以看出表面活性劑的投加使得影響區域面積增大了7%,但當流量大于400L/h后,此時可以明顯發現表面活性劑的添加對礫石介質影響區域面積的增幅影響并不大.當曝氣流量為800L/h時,表面活性劑的添加使得影響區域面積增大了6.6%;相較200L/h下影響區域面積增大了2.4%(未投加表面活性劑)和2%(表面活性劑投加濃度為200mg/L),并且隨著流量的增大,在1000L/h的曝氣流量下表面活性劑的添加使得影響區域面積增大了 5.2%;相較 800L/h下影響區域面積增大了2.4%(未投加表面活性劑)和 2%(表面活性劑投加濃度為 200mg/L),可以看出相比粗砂,礫石的影響區域增大非常緩慢.但是表面活性劑的投加,極大地提高了礫石中空氣飽和度.這說明此時表面活性劑主要是穩泡的作用,對影響區域面積的影響不大.

圖5 不同表面活性劑濃度下ZOI內氣流分布規律Fig.5 Airflow rate distribution under different sparging at the different concentration of SDBS

2.3 ZOI內氣流分布規律研究

不同表面活性劑濃度下ZOI內氣流分布規律如圖5所示,發現氣流分布并不能關于曝氣點很好的對稱,可能的原因和影響區域關于曝氣點不對稱的原因相一致.由圖 5可知,當未投加表面活性劑時,在同一曝氣流量下相對礫石介質,粗砂介質粒徑更小,影響區域相對較大;此時粗砂介質中氣流分布范圍要大于礫石介質,并且氣流分布曲線相對平緩.曝氣頭正上方的氣流流量最大,離曝氣頭水平距離越遠,氣流流量越小,呈現高斯分布[8].

圖6 不同表面活性劑濃度下ZOI內氣流分布無量綱曲線Fig.6 The dimensionless airflow distribution curves in different sparging at the different concentration of SDBS

當表面活性劑投加濃度為200mg/L時,在粗砂介質中表面活性劑的投加,使得相同曝氣流量下相較未投加表面活性劑時增大了影響區域面積,氣流流量依然呈現高斯分布,但氣流分布范圍增加,氣流分布曲線相對平緩.在礫石介質中表面活性劑的投加,相同曝氣流量下并未明顯增大影響區域面積,進而氣流分布范圍很難看出有所增加,但改變了氣流分布規律:在相同曝氣流量下,表面活性劑的投加,使得曝氣頭正上方的氣流流量增大,而曝氣頭兩邊的氣流流量相對減小.這可能是因為相對較細的介質,礫石中氣流運移方式為鼓泡流,表面活性劑的添加對于礫石介質主要作用為穩泡,而礫石介質中曝氣頭正上方的氣流要遠大于兩邊,因此表面活性劑的效果則體現的更為明顯,使得曝氣頭正上方的氣流流量增大,而曝氣頭兩邊的氣流流量相對減小.這說明在 AS修復過程中當氣流運移方式為孔道流時,表面活性劑的投加有助于增大影響區域面積;當氣流運移方式為鼓泡流時,表面活性劑的添加對影響區域面積增大并不明顯,但改變了介質中氣流分布規律.

對上述氣流流量分布曲線進行無量綱處理, 將任意位置的氣流流量Q和最大流量Qm的比值Q/Qm與距曝氣頭的距離D和Q=1/2Qm處的橫坐標D1/2的比值D/D1/2作圖.由圖6可知,同一種介質和相同表面張力在不同曝氣流量下ZOI內Q/Qm與D/D1/2可以統一到一條曲線上來,氣流分布曲線基本上是相同的,這可能由于氣流在多孔介質中的運移,類似于一個浮力射流,包含了水和氣之間的動量守恒.說明ZOI內的氣流分布規律與曝氣流量關系并不明顯,也就是同一種介質和相同表面張力在不同曝氣流量下ZOI內氣流分布表現出明顯的相似性.

3 結論

3.1 相同曝氣流量下,同種介質中表面活性劑的投加會增大曝氣壓力.

3.2 表面活性劑的添加極大地提高了粗砂和礫石介質中空氣飽和度.這說明相對傳統AS修復技術,表面活性劑的投加增加了粗砂介質中孔道數量和礫石介質中氣泡數量,極大地提高了空氣飽和度.

3.3 在曝氣流量一定的條件下,相同介質中表面活性劑的投加會增大曝氣壓力以及影響區域面積.當曝氣流量為 1000L/h時,表面活性劑的添加使得粗砂介質(孔道流)ZOI的面積增大了 21.8%,而礫石介質(鼓泡流)中只增加了 5.2%的 ZOI面積,此時表面活性劑主要是穩泡的作用.這說明介質粒徑越細,表面活性劑的添加對ZOI面積的增加越明顯.

3.4 同一種介質和相同表面張力在不同曝氣流量下 ZOI內氣流分布表現出明顯的相似性.表面活性劑的添加使粗砂介質中氣流分布范圍變大且曲線相對平緩,而礫石介質中氣流分布范圍不變但曲線相對陡峭.