前沿动态原位曝气技术[AS]地下水污染修复技术

查看全部 · 发表于 2021-4-6 17:26:26

地下水污染曝气修复技术(Air Sparging，AS)是一种新兴的去除土壤和地下水中可挥发有机化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）的原位修复技术（图1）。它最早于1985年在德国开始应用，被认为是去除饱和土壤和地下水中可挥发有机化合物的最有效方法，目前备受关注，全美很多地方都采用了该技术来进行地下水的修复，并取得了很好的效果，该技术有良好的应用前景。

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图1 地下水原位曝气技术（AS）示意图

AS技术原理

原位曝气过程可定义为在一定压力条件下，将一定体积的压缩空气注入含水层中，通过吹脱、挥发、溶解、吸附-解吸和生物降解等作用将污染物去除。在相对可渗透的条件下，当饱水带中同时存在挥发性有机污染物和可被好养生物降解的有机污染物，或存在上述一种污染物时，可以应用原位曝气法对被污染水体进行修复治理。

从机理上分析，地下水曝气过程中污染物去除机制包括三个主要方面：一是对可溶挥发性有机污染物的吹脱；二是加速存在于地下水位以下和毛细管边缘的残留态和吸附态有机污染物的挥发；三是氧气的注入使得溶解态和吸附态有机污染物发生好氧生物降解。

AS技术工作过程

地下水曝气技术是从土壤抽气技术（Soil Vapor Extraction，SVE）发展而来的。SVE 技术是利用真空泵产生负压使空气流过受污染的土壤层进入空气井，挥发性有机污染物会随着流动的空气被抽提出来。AS 技术正是在此基础上，将空气井深入含水层饱水带中把负压抽气改为正压曝气，使空气扰动水体而促进有机物的挥发。

通常AS技术与SVE相结合使用，含有污染物的空气上升至包气带后，被SVE系统收集处理(图2)，从而达到去除污染组分的目的。

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图2 地下水污染曝气修复系统(AS+SVE)示意图

AS修复效果的主要影响因素

1、环境地质条件

通常情况下，当土体粒径较小（<0.75 mm）时，气体以微通道方式运动。当粒径较大（>4 mm）时，气体以独立气泡方式运动，由于此方式增大了气-液两相间的接触面积，从而可以获得较高的修复效率。事实上，有效粒径越小气体在土体中的水平运移能力越强，对于粒径特别细小的砂土（<0.21 mm），曝气过程中空气运动甚至表现为槽室流，此时气流覆盖区边界为明显不规则形状。

2、污染物特征

AS过程中首先被去除的是具有高挥发性和高溶解性的非水相流体NAPLs化合物，低挥发性和溶解性的化合物较难去除因而会出现修复“拖尾”现象。NAPLs饱和蒸气压高于0.5 mmHg 时可以初步判定其具有一定挥发性，适于地下水曝气修复处理。污染物的亨利常数越高，污染物越容易通过挥发作用去除，亨利常数越低，所需曝气流量越大，修复时间也越长。

3、曝气压力及曝气量

最小可曝气压力取决于曝气点附近静水压力和毛细管力，谁的粒径越大毛细管阻力越小，最小曝气压力也越小。土体的气相饱和度以及微通道密度会随着曝气压力的增大而增大，AS的影响半径也越大。为避免曝气点附近造成不必要的土体扰动破坏和产生永久性气体通道，曝气压力不宜超过有效上覆应力。曝气流量增加可使气流通道密度增大、水相饱和度降低，影响半径增大，还会提高地下水含氧量，从而强化有机污染物降解去除效果，但提高曝气流量会使气体在土体中的分布不均匀，若形成局部优先流还会降低AS总体修复效果，且易造成原位土体的扰动破坏。

4、曝气井口深度及几何结构

曝气井口宜安装于略深于污染土体，使曝入的空气既可到达整个污染区又不致操作成本过高，AS过程中位于曝气点下方含水层中的溶解态污染物较难挥发去除。曝气井越深，空气向上运动时水平迁移范围越大，这有利于污染物的去除。但随着曝气井深度的增加，饱和土体中气体的相对渗透率不断下降，对污染物的去除不利。此外，通过离心模型试验还发现，曝气井口几何结构对空气流动形态和流速亦有明显影响。

5、曝气方式

曝气方式主要分为连续和脉冲曝气两种类型，连续曝气过程地下水中气流分布相对稳定，脉冲曝气方式包含相态重分配过程，这在一定程度上有利于污染物的去除。

AS技术的优缺点

AS技术通过曝气还能为饱和土壤中的好氧微生物提供氧气，促进了污染物的生物降解，该技术与其他修复技术相比，具有易安装、低成本、高效率和原位操作的显著优势。因此，虽然曝气技术的运用仅仅二十余年，就一定程度上代替了抽出--处理技术，成为地下水有机污染处理技术的首选。

但是AS技术开展应用很大程度上还依赖于工程经验。这就导致了曝气系统设计的主观性较强，修复效率不高，在一定程度上增加了系统运行的成本。

AS技术的适用

1、适用范围

通常，AS应用于挥发性、半挥发性、可生物降解的不挥发性有机物造成地下水和饱和土壤污染的地方，也可应用于脱水作用（在残留受污土壤中的气体提取）不可行的地方，包括高含水层以及厚的玷污带。

2、不适用条件

污染物存在自由基。曝气能够产生地下水丘，有可能导致自由基迁移以及污染的扩散。

附近有地下室、地下管道或其他地下建筑。除非有气体提取系统来控制气体的迁移，否则在这些地方实施AS，很可能会导致潜在的浓度聚集危险。

受污染的地下水位于封闭的含水层里。AS不能用于处理封闭含水层，是因为注入的空气会被该层截留，不能扩散到不饱和带。

AS系统的设计

1、设计时应考虑的因素

场地的地质以及水文地质条件；污染物的类型及分布；空气流动速率和注射压力；注射方式（水平或垂直）；影响微生物生存能力以及它们对污染物生物降解能力的参数；曝气所带来的潜在的健康和安全隐患，比如气体释放到地表，地下水位涨高等。

为了防止这些隐患，AS系统应该对空气注射的速度进行监测和控制，并采用气体提取系统，如果必要，还可以实施收集地下水项目。比如受污区的注射井稍微设计成有一定的斜度以防污染的地下水迁移到其他地方。

2、AS系统的设计

（1）井的方向

空气注射系统既可采用垂直井，也可采用水平井，具体采用哪种要根据该处理点的具体需要和条件（图3）。比如，当需要10个以上注射或提取点，或者受污染的地方位于一个正在运行的工厂下面时，那么选择水平井是比较恰当的。

（2）井的放置以及数量

对井进行设置的目的就是使得系统去除效率达到最大，并通过优化监测和提取点，来减少溶解态及气相物质的有害迁移。比如在建筑物或公路下方，设置水平的提取井能够节省费用并能有效的控制气体的迁移。

在选择井的数量和位置时，应考虑在污染严重地方，采用较小的井间距能够扩大气体的分布，提高去除率；如果地表密封或计划密封，则提取井可以设置的稍微间隔大一些，因为气体从较远距离而不是从地表直接输入；若该地为层状土壤，因为渗透性能差，应该采用较小的井间距。

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图3 AS/SVE井的配置

应用实例

下表1和表2分别为国外运用AS处理石油污染和氯化溶剂污染部分较为成功的现场实例。

表1 AS修复石油污染物实例
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表2 AS修复氯化溶剂污染物实例
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Murray等在美国杰克逊维尔的海军航空站建立了5 个小型地下水曝气试验基地，主要污染物为BTEX，试验结果表明，空气影响半径范围为9-12m，水中溶解氧从0 mg/L增加到6-7mg/L，CO2从150 mg/L降至20-50 mg/L，有机物去除率为4.5-27.2g/d，AS 技术在处理地下水污染物方面成效显著。

结语

国内近年来对于曝气法室内模型试验及相关机制的研究比较多，而现场科研及工程试验相对较少。实际应用中，由于场地条件的复杂性，单独采用曝气往往不能达到理想的修复效果，因此将两种或多种方法相结合是一种有效途径。总之，AS技术是地下水科学与工程，或者说是以污染水文地质学为基础的新兴环境工程研究领域中，地下水污染原位修复重要而有效的手段之一，需要更加系统、细致和实用性的研究，以指导实际修复工程。这对于保证人类饮用水安全、地下水环境安全有着重要的意义。