表面活性剂强化原位空气扰动修复实验研究影响区域及气流分布变化规律

中国环境科学2018,38(7)：2585~2592ChinaEnvironmentalScience表面活性剂强化原位空气扰动修复实验研究——影响区域及气流分布变化规律常月华,姚猛,赵勇胜*(吉林大学,地下水资源与环境教育部重点实验室,吉林长春130021)摘要：应用一种改进的二维气流可视化装置来研究影响区域(ZOI)内不同介质(粗砂和砾石)和表面活性剂(SDBS)的添加对影响区域以及气流分布规律的影响.结果表明:相同曝气流量下,同种介质中表面活性剂的投加会增大曝气压力.表面活性剂的添加极大地提高了空气饱和度,但在不同介质中作用机理不同.当曝气流量为1000L/h时,表面活性剂的添加使得粗砂介质(孔道流)和砾石介质(鼓泡流)ZOI的面积分别增大了21.8%和5.2%.这说明在一定粒径范围内,介质粒径越细,表面活性剂的添加对ZOI面积的增加越明显.相同曝气流量下,表面活性剂的添加使粗砂介质中气流分布范围变大且气流分布曲线相对平缓,而砾石介质中气流分布范围不变且气流分布曲线相对陡峭;不同曝气流量下ZOI内气流分布表现出明显的相似性.关键词：原位空气扰动；表面活性剂；影响区域(ZOI)；气流分布中图分类号：X523文献标识码：A文章编号：1000-6923(2018)07-2585-08Laboratorystudyofsurfactant-enhancedairspargingremediation—Thevariationruleoftheinfluenceofzoneandairflowdistribution.CHANGYue-hua,YAOMeng,ZHAOYong-sheng*(KeyLaboratoryofGroundwaterResourcesandEnvironment,MinistryofEducation,JilinUniversity,Changchun130021,China).ChinaEnvironmentalScience,2018,38(7)：2585~2592Abstract：Animprovedtwo-dimensionalvisualizationdevicewasusedtostudythezoneofinfluence(ZOI)andtheairflowdistributionwhenthesurfactant(SDBS)wasaddedtotheaquifer.Theexperimentalresultsindicatedthattheadditionofsurfactantwouldincreasethespargingpressureinthesamemediaunderthesameairflowrate.Theadditionofsurfactantgreatlyimprovedtheairsaturation,however,themechanismwasdifferentunderdifferentmedium.Whenairflowratewas1000L/h,thespargingareaofcoarsesand(channelflow)andgravel(bubblyflow)increased21.8%and5.2%respectivelybyaddingthesurfactanttotheaquifer.Thisshowedthatthesmallermediumsizewas,themoreobvioussprgingareaincreased.Undersameairflowrate,theairflowdistributionrangeofcoarsemediabecamelargerandtheairflowdistributioncurvewasrelativelyflatgently,whiletheairflowdistributionrangeofgravelmediawaslittlechangedandtheairflowdistributioncurvewasrelativelyabruptwhenSDBSwasaddedintheaquifer.Underdifferentairflowrate,theairflowdistributionshowedsignificantlysimilarrulewithintheZOI.Keywords：airsparging；surfactant；thezoneofinfluence(ZOI)；airflowdistribution随着社会经济的快速发展,土壤和地下水中的有机物污染问题日益严重[1-3].原位空气扰动技术(AS)被认为是去除挥发性有机污染物(VOCs)最有效的技术之一[4-5].该技术因其操作简单、高效率和低成本等优点而受到广泛关注[6-7].其原理主要是通过向地下环境注入新鲜空气,将溶解相和水相污染物转移为气相,在这个过程中挥发性有机污染物将大量被去除[4,7-8].在此期间,污染物的去除效率受到曝气流量、空气饱和度、气流运移方式、影响区域(ZOI)面积和气流分布等因素的影响[6,8,10].胡黎明等研究发现曝气压力和曝气流量呈线性关系[6,11].Reddy等[12]和Ji等[13]研究表明当介质粒径0.75mm时为孔道流,2mm时为过渡流,4mm时为鼓泡流.Neriah等[14]和Nyer等[15]报道称AS过程中ZOI形状为锥形[6,8,10,14-15],但其他学者报道称ZOI形状为抛物线形[12-13,16-17].Reddy等[17]报道称在计算ZOI面积时,可以认为影响区域形状为锥形.气体流量是污染物去除效率的重要影响因素之一.目前为止,大多数研究者认为气流分布是不均匀的:曝气井附近的气体流量明显大于影响区域边缘的气体流量[13,17].在装填砾石介质的模拟柱中气泡的流速已经可以通过测量得到,然而气流以孔道流运移时流速还是未知的[17-18].最近,Kim通过研究发现一种改进的PFM实验室方法定量描述ZOI内气流分布规律[19],Song等[8]和Yao等[10]报道称ZOI内气流分布是不均匀的,呈现高斯分布.近几年,一种新的改进AS修复地下水污染物的方法已经被广泛研究并应用在实际场地,即表面活性剂强化原位空气扰动修复技术(SEAS).该技术有效地减小了曝气压力以及增大了AS修复影响区域面积,并且增大了ZOI内气流流速[3,20-24].KIM通过研究发现表面活性剂的添加增大了空气饱和度和影响区域收稿日期：2017-12-11基金项目：国家自然科学基金资助项目(41530636)*责任作者,教授,[e-mail]2586中国环境科学38卷面积(河砂直接观测气流),与传统AS修复技术相比,在曝气流量为400cm3/min时,ZOI面积增大了5.2倍,同时表面活性剂采用点投至二维模拟槽中,发现气流向表面张力较低的区域运移[24-26];秦传玉团队研究表明表面活性剂的添加,增大了空气饱和度和影响区域面积(通过测量溶解氧DO),进而提高了污染物去除速率[20-23].上述研究主要集中在:(1)AS曝气过程中影响区域形状和面积以及影响区域内气流分布的定量描述;(2)表面活性剂的投加对于AS曝气过程中影响区域面积、污染物的去除效率及气流运移的影响.但是对于表面活性剂的投加对影响区域的影响并未找到合适的方法去描述,河砂直接观测以及测量DO并不能准确地定量描述ZOI的变化规律;另外采用点投的方式验证表面张力的降低对气流路径的改变,但在真实场地中,表面活性剂更容易形成区域(面)而非点.因此本实验选取透明熔融石英砂模拟含水层介质,采用光透射的方法,准确形象地描述出表面活性剂的添加,对于传统AS曝气过程中ZOI的影响,同时将ZOI内气流分布进行定量描述,并对ZOI内气流分布规律进行探讨,为SEAS修复技术提供理论指导.1材料与方法1.1实验材料自然的含水层不透明性使它很难观测到气流运移,因此实验分别选取了蒸馏水(72.1mN/m)和配置好的200mg/L的表面活性剂溶液(61.3mN/m)模拟不同表面张力地下水,选取透明熔融石英砂模拟含水层介质.实验选取粗砂(0.8~1.0mm)和砾石(3~4mm),如表1所示.表1实验介质理化性质Table1Propertiesofsandsusedinexperiment介质粒径(mm)有效粒径D10(mm)堆积密度(g/cm3)孔隙度粗砂0.8~1.00.821.3670.39砾石3.0~4.03.21.3030.37实验选用十二烷基苯磺酸钠(SDBS,化学纯)作为阴离子型表面活性剂;表面张力通过QBZY-1型全自动表面张力仪测量得到(上海方瑞仪器有限公司).1.2实验装置AS系统的原理图如图1(a)所示.AS系统包含了空气泵(AP-003;0.027MPa;65L/min);气体流量计(LZB-6,0.06~0.6m3/h,中国余姚公司)和压力传感器(0~0.1MPa,中国Asmilk集团).实验选取了一个内部尺寸为0.7m(长)×0.5m(高)×0.03m(宽)的二维有机玻璃模拟槽.在槽子底部中间设计了一个曝气头:一个矩形腔体和顶部的狭缝组成(长2cm;宽3cm;高2cm;孔隙直径5mm).狭缝上部覆盖了一层铁丝网,防止石英砂进入曝气头.整个系统通过PVC管连接.二维有机玻璃槽的细节和气体收集装置如图1(b)所示[8,10].在模拟槽上部设计了有机玻璃板将槽子分成不同单元.每个单元是5cm长,3cm宽,18cm高.一个带有出气口的盖子被紧紧地用螺丝固定在槽子顶部.气密袋与出气口相连,并被用来收集气体.气密袋的体积可以通过排水法测量.实验中可以通过在模拟槽后面放置一个平行光源,继而用相机抓拍气流路径.密封盖70cm溢流口空气泵流量计压力传感器0~50kPa石英砂介质铅珠量筒35cm50cm密封盖模拟槽俯视图1铁丝网5mm2cm气流隔板5cm2溢流口螺栓集气袋图1装置结构系统Fig.1Schematicdiagramoftheexperimentalsetup1.3实验方法石英砂装填的高度为35cm,在石英砂上层装填5cm高的铅珠(D=3cm,ρ=6.7g/cm3),防止曝气压力过大压裂介质.将配置好的200mg/L表面活性剂溶液通过蠕动泵(流量:0.12L/min)从模拟槽左侧1号溢流口7期常月华等：表面活性剂强化原位空气扰动修复实验研究2587注入介质中,并由右侧2号溢流口流出,并记录此时的饱水体积,即为孔隙体积.待模拟槽内表面活性剂浓度分布均匀,而后停止注入.此过程可以计算得到模拟槽装填介质的孔隙度.孔隙度的计算公式:100%100%VVVVφ=×=×孔饱总总(1)式中:φ为介质孔隙度;V孔为装填介质孔隙的体积;V饱为模拟槽饱水的体积;V总为装填介质占的总体积.在有机玻璃槽中设计两组实验:(1)选取介质粒径为0.8~1.0mm的石英砂进行实验,分别考虑未投加SDBS和投加浓度为200mg/L的情况;(2)选取介质粒径为3~4mm的石英砂进行实验,分别考虑未投加SDBS和投加浓度为200mg/L的情况.开始曝气实验,缓慢调整流量计直到有机玻璃槽中出现气体,此时的曝气压力即是实验最小曝气压力;继续缓慢增大曝气压力并保持5min使AS系统达到平衡此时用相机拍摄实验现象以及进行气体收集测量,实验中气体收集过程重复了3次.ZOI内每个单元的气体平均流量计算公式如下所示[8,10]:VQTS=×(2)式中:Q为单位面积下的气流流量,cm3/(cm2⋅s);V为集气袋收集到的气体体积cm3;T为气体收集时间s;S为集气单元面积cm2.2结果与分析2.1曝气压力、曝气流量和空气饱和度之间关系的研究2.1.1曝气压力和曝气流量之间的关系相同介质中不同表面活性剂浓度下的曝气流量和曝气压力关系如图2所示.对曝气压力与曝气流量关系进行线性拟合,拟合参数如表2所示.由表2可知,拟合的相关系数均大于0.9,说明AS曝气过程中