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)

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Table 1 Properties of sands used in experiment

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.

图1 装置结构系统Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

1.3 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:

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]:

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曝气过程中曝气压力与曝气流量呈线性关系,并且表面活性剂的投加并没有改变这种关系.

空气注入到含水层中,必须克服静水压力和毛细压力[3,24].因此在试验过程中,开始曝气以后气流刚刚穿透含水层瞬时的曝气压力往往要大于理论最小曝气压力[6].由图2可知,当未投加表面活性剂时,相同的曝气流量下,粗砂的曝气压力要大于砾石;且当曝气流量从100L/h增大至1000L/h时,曝气压力差值的绝对值由开始的0增大为0.7kPa.原因是粗砂相对砾石较细,并且相同曝气流量下粗砂的影响区域面积要大于砾石,造成了曝气过程中粗砂介质中气体所需克服的毛细压力较大,达到相同的曝气流量时粗砂的曝气压力要大于砾石[3],并且随着曝气流量的增大,粗砂相对砾石介质,所需克服的毛细压力越来越大,所需的曝气压力也要越来越大.

图2 曝气流量与曝气压力之间的关系Fig.2 Relationship of the airflow and air sparging pressure

表2 曝气流量与曝气压力线性拟合方程Table 2 Fitted parameters of airflow rate and sparging pressure

当表面活性剂投加浓度为 200mg/L时,在曝气的初始阶段,相同的介质和曝气流量下,表面活性剂的投加对曝气压力的变化影响不大.这是因为当表面张力改变时虽然会对曝气压力产生影响:表面张力减小,毛细压力减小.但是在粗砂中表面张力的降低,极大地增大了粗砂介质中的影响区域面积;在砾石中表面活性剂的投加主要作用为稳泡,极大地增加了含水层中气泡数量.这说明在曝气初始阶段同一曝气流量下,表面活性剂的投加不一定会增加曝气压力,但能明显增大空气饱和度.在砾石介质中随着曝气流量的增大,表面活性剂的投加,使得相同的曝气流量下,需要更大的曝气压力,且当曝气流量从100L/h增大至1000L/h时,曝气压力差值的绝对值由开始的0增大为0.9kPa.原因可能是随着曝气流量的增加,表面活性剂的添加主要起到稳泡的作用,增加了砾石中气泡的数量,从而所需的曝气压力也越来越大.当曝气流量从100L/h增大至1000L/h时,砾石中的曝气压力差值绝对值要大于粗砂介质,说明相比较孔道数量的增加,气泡数量的增加对于曝气压力的影响更显著.

2.1.2 曝气流量和空气饱和度之间的关系 不同表面活性剂浓度下,曝气流量和空气饱和度的关系如图3所示.空气饱和度是影响污染物去除情况重要参数之一,实验过程中记录了溢流孔排水体积、影响区域面积等参数,计算了气体的平均饱和度,公式如下[3]:

式中:V水是饱水体积mL,即在曝气过程中测量的排水体积; V孔是ZOI内的孔隙体积,mL; V影是影响区域体积,mL,由影响区域面积乘模拟槽厚度得到;φ是介质的孔隙度.

从图 3中可以看出,随着曝气流量的增加,空气饱和度呈现增大的趋势.当未投加表面活性剂时,相同的曝气流量下粗砂的空气饱和度要大于砾石:当曝气流量由 200L/h增加至 1000L/h时,粗砂的空气饱和度由25.39%增大到38.68%;砾石的空气饱和度由25.29%增大到35.01%.其中可以看出粗砂的空气饱和度要略大于砾石介质.这是因为相同的曝气流量下,粗砂所需的曝气压力要大于砾石,在粗砂介质中形成的孔道数量也较多.当表面活性剂投加浓度为 200mg/L时,粗砂和砾石的空气饱和度则不一定存在绝对的大小关系:当曝气流量由 200L/h增加至1000L/h时,粗砂的空气饱和度由 39.48%增大到46.45%;砾石的空气饱和度由31.54%增大到46.98%.原因是表面活性剂的添加虽然极大地降低表面张力,减小了毛细压力,增加了粗砂介质中影响区域内气流的孔道数量,从而提高了粗砂介质的空气饱和度;另一方面表面活性剂作为稳泡剂,极大地提高了砾石中气泡的数量,提高了砾石介质中空气饱和度.从图中还发现粗砂介质中当曝气流量为 800L/h的时候,空气饱和度相较 600L/h时的空气饱和度反而降低了.可能的原因是,当曝气流量从 600L/h增加到800L/h的时候,极大增大了影响区域面积,而此时气驱替水的体积相对幅度较小,因此出现空气饱和度不升反降.

图3 不同介质粒径中曝气流量与空气饱和度的关系Fig.3 The relationship of airflow rate and air saturation in different particle size of the medium

2.2 影响区域变化规律研究

在不同表面活性剂浓度下通过相机记录不同曝气流量的影响区域变化情况,如图4所示,图中发现影响区域并不能关于曝气点很好地对称,可能是因为模拟槽介质中应力场很难达到均匀分布,对于气流在含水层的运移影响较大;另外在较小的曝气流量下,气流运移路径存在一定的偶然性,也难以保证气流分布均匀.影响区域的扩大由两方面组成:一是由于气体受到向上的阻力增大导致其水平方向的扩张,二是曝气角变大[6].随着曝气压力的增大,曝气角并不是一直变大,存在一个临界值,大于这个临界值时继续增大曝气压力,曝气角将不再增大[6,10].

图4 不同曝气流量下影响区域照片Fig.4 Photographs of the ZOI under different airflow rate

从图4可知在粗砂介质中,气流以连续的孔道流的形式运移,在砾石中,气流以单独的鼓泡流的形式运移,并且随着曝气流量的增大,影响区域逐渐增大,这与前人的报道相符[10].在粗砂介质中,当曝气流量为200L/h时,从图中可以看出表面活性剂的投加使得影响区域面积增大了8.7%,此时可以明显观察到ZOI内气流分布较密,孔道数量相对较多,并且从上面计算的空气饱和度也可以看出,表面活性剂的添加极大地提高了影响区域内空气饱和度.当曝气流量增加到800L/h时,此时可以明显发现表面活性剂的添加增大了粗砂介质的影响区域面积,影响区域面积增大了20.5%;相较200L/h下影响区域面积增大了75%(未投加表面活性剂)和 94%(表面活性剂投加浓度为200mg/L),这也可以解释在该曝气流量下表面活性剂的投加不但未增大ZOI内的空气饱和度,反而使得空气饱和度减小了.这是因为相同曝气流量下,表面活性剂的添加极大地降低了地下水的表面张力,从而减小了毛细压力,虽然使得粗砂介质影响区域面积增大,增加了孔道数量,但气驱替水的体积比例要远小于相较增大的影响区域面积.当曝气流量为1000L/h时,表面活性剂的添加对ZOI的影响更加明显,影响区域面积增大了21.8%,相比800L/h下影响区域面积增大了8%(未投加表面活性剂)和 9%(表面活性剂投加浓度为200mg/L).这说明,相对传统AS修复技术来说表面活性剂的投加,极大地提高了空气饱和度,增加了影响区域面积,但在同一曝气流量下,可能存在一个影响区域面积快速增加的阶段, 该阶段使得介质中ZOI在增大,但是空气饱和度反而减小.

砾石介质相对粗砂介质,因为是鼓泡流,气流并不是连续运移的,相机照片很难展现出影响区域面积,但是在实验的过程中,肉眼是可以观察到气泡运移范围,因此在原有照片基础上进行处理,如图 4所示.从图 4中可以看出,在曝气的初始阶段,随着曝气流量的增大,影响区域增加.当曝气流量为200L/h时,从图中可以看出表面活性剂的投加使得影响区域面积增大了7%,但当流量大于400L/h后,此时可以明显发现表面活性剂的添加对砾石介质影响区域面积的增幅影响并不大.当曝气流量为800L/h时,表面活性剂的添加使得影响区域面积增大了6.6%;相较200L/h下影响区域面积增大了2.4%(未投加表面活性剂)和2%(表面活性剂投加浓度为200mg/L),并且随着流量的增大,在1000L/h的曝气流量下表面活性剂的添加使得影响区域面积增大了 5.2%;相较 800L/h下影响区域面积增大了2.4%(未投加表面活性剂)和 2%(表面活性剂投加浓度为 200mg/L),可以看出相比粗砂,砾石的影响区域增大非常缓慢.但是表面活性剂的投加,极大地提高了砾石中空气饱和度.这说明此时表面活性剂主要是稳泡的作用,对影响区域面积的影响不大.

图5 不同表面活性剂浓度下ZOI内气流分布规律Fig.5 Airflow rate distribution under different sparging at the different concentration of SDBS

2.3 ZOI内气流分布规律研究

不同表面活性剂浓度下ZOI内气流分布规律如图5所示,发现气流分布并不能关于曝气点很好的对称,可能的原因和影响区域关于曝气点不对称的原因相一致.由图 5可知,当未投加表面活性剂时,在同一曝气流量下相对砾石介质,粗砂介质粒径更小,影响区域相对较大;此时粗砂介质中气流分布范围要大于砾石介质,并且气流分布曲线相对平缓.曝气头正上方的气流流量最大,离曝气头水平距离越远,气流流量越小,呈现高斯分布[8].

图6 不同表面活性剂浓度下ZOI内气流分布无量纲曲线Fig.6 The dimensionless airflow distribution curves in different sparging at the different concentration of SDBS

当表面活性剂投加浓度为200mg/L时,在粗砂介质中表面活性剂的投加,使得相同曝气流量下相较未投加表面活性剂时增大了影响区域面积,气流流量依然呈现高斯分布,但气流分布范围增加,气流分布曲线相对平缓.在砾石介质中表面活性剂的投加,相同曝气流量下并未明显增大影响区域面积,进而气流分布范围很难看出有所增加,但改变了气流分布规律:在相同曝气流量下,表面活性剂的投加,使得曝气头正上方的气流流量增大,而曝气头两边的气流流量相对减小.这可能是因为相对较细的介质,砾石中气流运移方式为鼓泡流,表面活性剂的添加对于砾石介质主要作用为稳泡,而砾石介质中曝气头正上方的气流要远大于两边,因此表面活性剂的效果则体现的更为明显,使得曝气头正上方的气流流量增大,而曝气头两边的气流流量相对减小.这说明在 AS修复过程中当气流运移方式为孔道流时,表面活性剂的投加有助于增大影响区域面积;当气流运移方式为鼓泡流时,表面活性剂的添加对影响区域面积增大并不明显,但改变了介质中气流分布规律.

对上述气流流量分布曲线进行无量纲处理, 将任意位置的气流流量Q和最大流量Qm的比值Q/Qm与距曝气头的距离D和Q=1/2Qm处的横坐标D1/2的比值D/D1/2作图.由图6可知,同一种介质和相同表面张力在不同曝气流量下ZOI内Q/Qm与D/D1/2可以统一到一条曲线上来,气流分布曲线基本上是相同的,这可能由于气流在多孔介质中的运移,类似于一个浮力射流,包含了水和气之间的动量守恒.说明ZOI内的气流分布规律与曝气流量关系并不明显,也就是同一种介质和相同表面张力在不同曝气流量下ZOI内气流分布表现出明显的相似性.

3 结论

3.1 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.

3.2 表面活性剂的添加极大地提高了粗砂和砾石介质中空气饱和度.这说明相对传统AS修复技术,表面活性剂的投加增加了粗砂介质中孔道数量和砾石介质中气泡数量,极大地提高了空气饱和度.

3.3 在曝气流量一定的条件下,相同介质中表面活性剂的投加会增大曝气压力以及影响区域面积.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)ZOI的面积增大了 21.8%,而砾石介质(鼓泡流)中只增加了 5.2%的 ZOI面积,此时表面活性剂主要是稳泡的作用.这说明介质粒径越细,表面活性剂的添加对ZOI面积的增加越明显.

3.4 同一种介质和相同表面张力在不同曝气流量下 ZOI内气流分布表现出明显的相似性.表面活性剂的添加使粗砂介质中气流分布范围变大且曲线相对平缓,而砾石介质中气流分布范围不变但曲线相对陡峭.