地下水曝气技术气流模拟实验研究

王贺飞,宋兴龙,赵勇胜*,王晓曼,王 倩,秦传玉,孙家强(.吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室,吉林 长春 30000；.东北师范大学计算机科学与信息技术学院,吉林 长春 307)

地下水曝气技术气流模拟实验研究

王贺飞1,宋兴龙1,赵勇胜1*,王晓曼2,王 倩1,秦传玉1,孙家强1(1.吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室,吉林 长春 130000；2.东北师范大学计算机科学与信息技术学院,吉林 长春 130117)

利用三维模拟槽研究了地下水曝气技术(AS)使用过程中,含水层介质粒径、曝气压力与影响半径(ROI)、气体流量、气流流型之间的关系.结果表明:曝气过程中ROI随曝气压力的上升而增大;气流质量流量随曝气压力的增加而增大,压力较大时二者呈线性关系;气流流型由介质粒径决定,与曝气压力无关.介质粒径为1～2mm时气流呈倒圆锥形,介质粒径为4～8mm时气流呈抛物线形.

地下水曝气；三维模型；影响半径；气流流型

地下水曝气技术(AS)被认为是去除地下水中挥发性有机污染物最有效的技术之一.新鲜空气被喷射进饱和土壤后,在浮力作用下逐步上移至污染含水层.由于气液相浓度梯度的作用,污染物通过挥发作用进入气相.空气携带污染物在浮力的作用下继续上升,从而达到去除污染物的目的.曝气技术凭借原位操作、成本低廉、效率较高的优点在发达国家中已广泛应用于场地修复中[1].

尽管AS技术已成功应用于受污染含水层的修复,但国内外对于气体在含水层中的运移规律和修复机理还没有共识.曝气井的影响半径(ROI)一般根据室内试验结果或场地经验进行预测,经常出现超量设计或设计不足的情况,导致资源浪费或修复效率不高的问题[2].关于这方面国内外取得了一些很有意义的成果.Marley等[3]和Ahfeld等[4]研究表明影响半径随着曝气压力的增大而上升.Hu等[5]研究表明影响区域随着压力的增加而增大,但达到临界曝气压力后,影响区域边界与曝气井的夹角就不再增大.在气流流型方面,Ji等[6]和Peterson等[7]认为其为抛物线形,这与Adams等[8]的观点一致;而Nyer等[9]以及Lundegard等[10]在通过曝气试验研究后,得到曝气影响区域为圆锥面形的结论,与Hu等[5]通过离心模型得出的结论一致.张英等[11]的研究表明影响区域的形状为U形.姜林等[12]采用现场预试验的方法确定某一场地AS技术的ROI.

由于介质的存在,很难对AS过程中气流的流型进行观察.国内外学者的研究主要集中在利用填装玻璃珠的透明二维模型来直接观测气流的演变,然而二维模型可能会由于边壁效应使得观测到的影响区域与实际有差别.作者利用三维模拟槽研究了介质粒径、曝气压力等对影响半径,气流的流型和流量的影响规律,为AS设计运行提供依据.

1 材料与方法

1.1 实验装置

实验装置如图1所示.模拟箱是底面直径为500mm,高为500mm的透明圆柱形槽体.空气由空压机经减压阀从模拟槽底部中心注入.曝气头直径20mm,安装高度距槽底部80mm.

图1 实验装置Fig.1 Experimental setup

1.2 实验材料与方法

采用两种石英砂来模拟含水层介质,含水层孔隙流体为蒸馏水.介质物理性质的表1.

表1 实验介质物理性质Table 1 Properties of sands used in experiment

每种介质分别装填100,150,200,250,300, 350,400mm共7种不同高度,水位恒定为420mm,以观测不同深度下的影响半径大小.填装完毕后,按选定的压力从曝气头鼓入空气,待系统稳定10min后,记录压力表和流量计的读数,测量气流在某一高度土体中不同压力下的ROI.以同种粒径相同压力下不同高度时的ROI作图即求出气流流型.

2 结果与讨论

2.1 最小曝气压力的校核

曝气压力是地下水曝气修复系统重要的设计参数之一.曝气压力必须超过最小曝气压力才能鼓入地下环境.有研究指出理论最小曝气压力主要取决于曝气点处的静水压力和毛细压力[5].计算见式(1).

式中:Pmin为理论最小曝气压力;Ph为静水压力;Pc为毛细压力;ρ为孔隙流体密度,取1000kg/m3; h为曝气点以上的液面高度;σ为空气-水两相的表面张力系数,在20℃时,水气间表面张力为0.074N/m; θ为水和固体颗粒之间的接触角,一般取0～4º;D为孔隙的平均直径,一般取颗粒有效直径的1/5.

粒径为1～2mm的介质中, 理论最小曝气压力和实际最小曝气压力分别为4.46kPa和5.05kPa;粒径为4～8mm介质中分别为4.27kPa和4.65kPa.实测值与理论值大致相等,可见式(1)能较好地预测最小曝气压力.在两种粒径中毛细压力分别为0.26,0.07kPa,与静水压力4.2kPa相比,毛细压力相对较小.因此在场地含水层介质较大时,可以利用静水压力来估计所需最小曝气压力.

2.2 曝气压力与影响半径的关系

由图2可见,ROI随着曝气压力的增大而增加,二者增幅不成比例.当影响半径较小时,压力增大导致影响半径快速增加,影响半径较大时,继续提高曝气压力影响半径增加缓慢.然而实验中没有发现ROI随曝气压力的最大值,可能是曝气压力还较小,没有达到最大ROI所要求的压力.曝气压力相同时,曝气位置越深,ROI越大.

图2 影响半径与曝气压力关系Fig.2 Relationship between influence radius and sparging pressure

2.3 曝气压力与质量流量的关系

由图3可见,质量流量随着曝气压力的上升而增加,但增加的速率不同.压力较小时,质量流量增加缓慢,当压力超过某个值时,质量流量增加迅速,并且二者的增长呈线性关系.原因可能是曝气压力较大时介质颗粒发生迁移,孔隙变大,渗气性变好.在同一压力下填装高度小的气体流量较大,这是由于含水层较厚时气流所受到的阻力大,气流需要更大的压力以通过介质.比较图3(a)和图3(b)可见,相同曝气深度条件下,4～8mm介质中质量流量随曝气压力的曲线斜率大于1～2mm的介质.研究表明曲线的斜率与多孔介质的渗气性有关,曲线的斜率越大,渗气性越好.这与Hu等[6]在二维模型中得出的结论一致.

2.4 气流的流型

曝气过程气流流型如图4所示,拟合方程如表2所示.从图4和表2中可知,在不同曝气压力下,粒径为1～2mm介质中气流呈锥形;粒径为4～8mm介质中呈抛物线形,且拟合方程相关系数均大于0.97,可见气流流型由介质粒径决定,与曝气压力无关.另外,由表2还可以看出,粒径为1～2mm介质中,压力越小,拟合方程斜率越大;粒径为4～8mm介质中,压力越小,拟合方程二次项系数越大.这说明曝气压力影响气流形状开口大小,曝气压力越小,气流形状开口越小,曝气压力升高,气流形状开口越大.

图3 质量流量与曝气压力关系Fig.3 Relationship between mass flow rate and sparging pressure

表2 拟合方程及相关系数Table 2 Fitting equations and the correlation coefficients

图4 气流流型Fig.4 Air flow patterns

3 结论

3.1 实测最小曝气压力与理论预测值大致相等,二者都略大于静水压力.在粒径较大的实际场地中可以利用静水压力开展AS技术曝气压力的设计.

3.2 提高曝气压力,影响半径和气流流量均增加,但二者规律不同.曝气压力较小时,压力上升导致影响半径快速增加,但气流流量增加缓慢;曝气压力较大时,压力上升导致气流流量快速增加,而影响半径增加缓慢.

3.3 气流流型由介质粒径决定,介质粒径为1～2mm时,气流为倒圆锥形;4-8mm时为抛物线形.曝气压力影响气流形状开口大小,压力越小,气流形状开口越小,显得越“尖锐”.

[1] Barbara L Hall, Thomas E Lachmar, Dupont R Ryan. Field monitoring and performance evaluation of an in situ air sparging system at a gasoline-contaminated site [J]. Journal of Hazardous Materials, 2000,B74:165-186.

[2] Marulanda C, Culligan P J, Germaine J T. Centrifuge modeling of air sparging—a study of air flow through saturated porous media [J]. Journal of Hazardous Materials, 2000,72(2):179-215.

[3] Marley M C, Hazebrouck D J, Walsh M T. The application of in situ air sparging as an innovative soils and ground water remediation technology [J]. Ground Water Monitoring and Remediation, 1992,12(2):137-145.

[4] Ahlfeld D P, Dahmani A, Ji W. A conceptual model of field behavior of air sparging and its implications for application [J]. Ground Water Monitoring and Remediation, 1994,14(4):132-139.

[5] Hu L, Wu X, Liu Y, et al. Physical modeling of air flow during air sparging remediation [J]. Environmental Science and Technology, 2010,44(10):3883-3888.

[6] Ji W, Dahmani A, Ahlfeld D P, et al. Laboratory study of air sparging: Air flow visualization [J]. Groundwater Monitoring and Remediation 1993,13(4):115-126.

[7] Peterson J, Lepczyk P, Lake K. Effect of sediment size on area of influence during groundwater remediation by air sparging: A laboratory approach [J]. Environmental Geology, 1999,38(1):1-6.

[8] Adams J A, Reddy K R. Laboratory study of air sparging of TCE-contaminated saturated soils and ground water [J]. Ground Water Monitoring and Remediation, 1999,19(3):182-190.

[9] Nyer E K, Suthersan S S. Air sparging: Savior of ground water remediations or just blowing bubbles in the bath tub? Groundwater Monitoring and Remediation, 1993,13(4):87-91.

[10] Lundegard P D, Andersen, G., Multiphase numerical simulation of air sparging performance [J]. Groundwater, 1996,34(3):451-460.

[11] 张 英,姜 斌,黄国强,等.地下水曝气过程中气体流型的实验研究 [J]. 化工进展, 2003,22.

[12] 姜 林,樊艳玲,张 丹,等.确定空气注射技术影响半径的现场试验—以北京某焦化厂为例 [J]. 中国环境科学, 2012,(7): 1216-1222.

Laboratory study for air flow during air sparging.

WANG He-fei1, SONG Xing-long1, ZHAO Yong-sheng1*, WANG Xiao-man2, WANG Qian1, QIN Chuan-yu1, SUN Jia-qiang1(1.Key Laboratory of Groundwater Resources and Environment, Ministry of Education Jilin University, Changchun 130000, China；2. School of Computer Science and Information Technology, Northeast Normal University, Changchun, Jilin 130117, China). China Environmental Science, 2014,34(11)：2813～2816

This paper presented the results of a series of laboratory studies on air sparging (AS) within a three-dimensional aquifer simulation tank. The study investigated the effects of particle size and air injection pressure on influence radius (ROI), gas flow rate and patterns during air sparging. The test results showed that improving injection pressure could increase ROI during AS. Air mass flow rate increased linearly with the increase of injection pressure after exceeding a certain sparging pressure. The air flow patterns were determined by the sizes of porous media regardless of the injection pressure. The shape of air flow was conical when particle size was 1-2mm, and parabolic when particle size was 4-8mm.

air sparging；three-dimensional model；radius of influence；gas flow patterns

X703

A

1000-6923(2014)11-2813-04

王贺飞(1988-),男,甘肃兰州人,吉林大学硕士研究生,主要从事地下水土污染的控制与修复研究.发表论文4篇.

2014-02-17

国家自然科学基金资助项目(41272256);北京市教育委员会市属高校创新能力提升计划项目(TJSHG201310772028);吉林大学研究生创新基金资助项目(2014098)

* 责任作者, 教授, zhaoyongsheng@jlu.edu.cn