原位空气扰动技术在本科实验教学中的应用

白 静, 赵勇胜, 秦传玉

(吉林大学 环境与资源学院,长春 130021)

原位空气扰动技术在本科实验教学中的应用

白 静, 赵勇胜, 秦传玉

(吉林大学 环境与资源学院,长春 130021)

按照实验设计，在一维有机玻璃模拟柱中填装一定高度固定粒径的石英砂，利用蠕动泵从柱体底部的进样口泵入一定浓度的甲苯溶液，静置一段时间后，在土柱底部利用空气泵曝气，在不同曝气时间下于柱体侧面的取样口取水样，分析甲苯的浓度变化。实验分组进行，主要考察了曝气、介质粒径和曝气方式对甲苯修复效果的影响。实验结果表明，对于0.25～0.5 mm的中砂介质，最佳曝气量为500 mL/min，曝气初期，距离曝气点最远的上部取样口处甲苯的相对浓度有短暂上升趋势，但随着曝气时间延长，所有取样口甲苯浓度均逐渐下降；相同曝气量条件下，介质粒径越大，修复效果越好；对于0.1～0.25 mm的细砂介质来说，间歇曝气方式优于连续曝气。以上实验结果表明，原位空气扰动修复技术能有效去除地下水中挥发性的甲苯，同时修复效果受曝气量、介质粒径和曝气方式影响。

空气扰动； 实验教学； 实验方案； 实验设计

0 引 言

随着工业化和城市化的发展，地下水受到了严重污染[1-2],污染带来的危害已经引起了国家的高度重视。针对上述严峻问题，除了从法律法规等方面进行制约外[3]，对于已经被污染的地下水的修复治理也迫在眉睫。

吉林大学环境工程专业依托科研成果转化[4-14]，针对地下水中挥发和半挥发性有机污染物的修复治理，将原位空气扰动修复技术引入本科生实验教学。同时针对目前实验课教学存在的问题[15-16]，在教学模式上进行了相应改革[17]。通过学生自主设计实验方案和实施操作，提升学生在环境污染场地修复领域的专业技能，锻炼学生科学的思维方法。本文仅以2015年本科生原位空气扰动修复技术的实验课为例，详细说明该技术在本科实验教学中的应用。

1 实验材料与仪器

1.1实验材料

选取石英砂模拟含水层介质，筛取0.1～0.25、0.25～0.5和0.5～1.0 mm 3种粒径的石英砂阴干备用。目标污染物选择挥发性的有机物甲苯。

1.2实验仪器

有机玻璃柱、气相色谱仪、千分之一电子天平、移液枪、曝气泵、蠕动泵、流量计、压力表等。

2 实验方案

实验选择曝气量、介质粒径和曝气方式3种因素，分析其对甲苯修复效果的影响，实验总计分为7组，每组3或4人，具体实验方案见表1。实验具体操作过程为：选用内径50 mm、高1 000 mm的有机玻璃模拟柱，柱体上分布3个取样口，3个取样口距离底部布水隔板的距离分别为50、350和650 mm，在每个取样口内填充滤布，防止取样时石英砂流出。

表1 实验参数一览表

在土柱底部布水隔板上铺设单层滤布，防止石英砂阻塞布水孔。在柱的顶端少量多次加入石英砂并夯实，避免形成大的空隙和断层，填装高度为800 mm，填装完毕后，将土柱密封，由底部的进样口泵入一定浓度的甲苯溶液，静置一段时间后，在3个取样口取样分析甲苯的初始浓度，然后利用曝气泵由柱的底部进行曝气，在不同累积曝气时间下于各取样口取水样。

曝气开始阶段，曝气量必须非常缓慢地由小逐渐调大，待达到规定曝气量后，记录曝气时间。实验装置示意图见图1。

1-污染物溶液,2-蠕动泵,3-止水夹,4-下部取样口,5-中部取样口,6-上部取样口,7-维土柱,8-流量计,9-压力表,10-曝气泵,11-活性炭柱

图1 实验装置示意图

3 结果与分析

3.1曝气量影响

实验介质选用0.25～0.50 mm的石英砂，曝气量选择分别为300、400、500和600 mL/min，甲苯的去除效率见图2。由图可知：对于中砂介质来说，随着曝气量的增加，甲苯的去除率逐渐增加，但是曝气量增大到600 mL/min时，较500 mL/min的去除率提高不大，从能耗角度考虑，实验得出结论：500 mL/min为最佳曝气量。

图2 不同曝气量对甲苯修复效率的影响

在500 mL/min曝气量条件下，以曝气前各个取样口处水样中甲苯的初始浓度为C0，不同曝气时间下水样中甲苯的浓度为C，则甲苯相对浓度C/C0变化如图3所示。由图3可知：在整个曝气期间，下部和中部取样口处甲苯的相对浓度随着曝气时间延长逐渐下降，但在曝气初期，上部取样口处水样中甲苯的相对浓度有短暂上升，随着曝气时间延长，相对浓度逐渐下降。

图3 不同取样口处水中甲苯浓度变化

曝气结束后(曝气时间1 400 min)，可以发现在3个取样口处均能检测到低浓度的甲苯，此时修复进入拖尾阶段，在该阶段，甲苯由固相吸附态解吸进入水中成为限制修复效果的主要因素。

3.2介质粒径影响

图4是曝气量500 mL/min条件下，不同含水层介质中甲苯的修复效果。由图可知：甲苯在细砂介质中的去除率为83%，在中砂和粗砂介质中则达到99%以上。由图4还可以发现，粗砂和中砂介质中甲苯的修复效果相当，但是在曝气200 min左右，粗砂介质中甲苯的修复效果就已经达到95%以上，修复效率优于在中砂中的修复效果。

图4 不同介质粒径对甲苯修复效果的影响

3.3曝气方式影响

图5所示为0.10～0.25 mm介质中不同曝气方式下甲苯的去除率。由图5可知：在曝气初期的100 min内，两种曝气方式的修复效果差距不大，这主要是水中甲苯浓度较高，甲苯由液相向气相的传质为主要影响因素，但随着曝气时间延续，间歇曝气方式的修复效果要优于连续曝气，这可能是水相中甲苯浓度逐渐减小，甲苯由固相的吸附态解吸进入液相成为了修复的限制因素。间歇曝气方式在反复的停止和开始曝气过程中，可能会形成一些新的空气孔道，增加了气液两相的接触面积，缩短了甲苯在固相-液相之间的传质距离，从而提高了修复效果。

图5 不同曝气方式对甲苯修复效果的影响

以上研究内容为2015年度环境工程专业本科生原位空气扰动修复技术的主要研究内容，得到的实验数据经过归纳整理后，基本上每位学生都可以得到类似上述的图表。为便于学生处理实验数据，以上实验内容各组既相对独立又有所关联，比如各组的影响因素不同，但污染物甲苯的浓度、曝气时间、取样时间等基本一致。按照得到的实验数据，学生可根据已有知识，进行实验结果分析。

作为实验教学的后续环节，实验报告的编写则采取较为开放的方式。各组学生根据共享的实验数据，以个人为单位编写实验报告，允许学生就自己感兴趣的部分重点论述，力求所有学生都有所思考，避免实验报告千篇一律。

4 结 语

污染场地控制与修复课程是吉林大学环境工程专业的特色课程，依托科研成果转化，很多原理、技术成熟的原位修复技术被引入到本科生实践教学，为国内污染场地控制与修复领域提供了大量技术人才。本文涉及的原位空气扰动修复技术，修复原理清晰、技术操作具有相关规范，并且引入该技术的科研团队具有实际场地修复的成功案例，保证了为本科生开课的相关要求。

污染场地控制与修复实验课关注学生的主体地位，强调学生的主观能动性，鼓励学生和教师的互动。通过教师理论课传授理论知识，学生课下自主查阅技术最新发展现状，设计实验方案，实验教师归纳整合，就共同关心科研问题对学生进行分组，学生动手实施实验方案，科学处理实验数据，大数据汇总并分析对比等一系列的教师与学生互动，最终完成整个实验课的教学。除此外，学生还可以就感兴趣的其他方面，利用大学生开放性实验、大学生创新创业训练计划、科研项目等多种形式，直接进入实验室进行相关研究，全面培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力。

[1] 吕 倩, 魏洁云. 中国地下水污染现状及治理[J]. 生态经济, 2016, 32(10): 9-13.

[2] 贺亚雪, 代朝猛, 苏益明, 等. 地下水重金属污染修复技术研究进展[J]. 水处理技术, 2016, 42(2): 1-4.

[3] 井柳新, 刘伟江, 王 东, 等. 我国地下水污染整治制度构建与探讨[J]. 绿色科技, 2014(11): 146-147.

[4] 白 静, 张凤君, 王天野, 等. 空气曝气法去除地下水中石油类污染物的室内模拟[J]. 土木建筑与环境工程, 2012, 34(1)：91-95.

[5] 秦传玉, 赵勇胜, 郑 苇, 等. 空气扰动技术对地下水中氯苯污染晕的控制及去除效果[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2010, 40(1): 164-168.

[6] 秦传玉, 赵勇胜, 李雨松, 等. 空气扰动技术修复氯苯污染地下水的影响因素研究[J]. 水文地质工程地质, 2009, 36(6): 99-103.

[7] 王贺飞, 宋兴龙, 赵勇胜, 等. 地下水曝气技术气流模拟实验研究[J]. 中国环境科学, 2014, 34(11):2813-2816.

[8] 宋兴龙. 地下水污染原位空气扰动修复技术模拟实验研究[D]. 长春：吉林大学，2015.

[9] Song X L, Zhao Y S, Wang H F,etal. Predictive models and airflow distribution associated with the zone of influence (ZOI) during air sparging remediation [J]. Science of the Total Environment, 2015, 537:1-8.

[10] Qin C Y, Zhao Y S, S Y,etal. Remediation of no aqueous phase liquid polluted sites using surfactant-enhanced air sparging and soil vapor extraction [J]. Water Environment Research, 2013, 85(2):133-140.

[11] Qin C Y, Zhao Y S, Li L L,etal. Mechanisms of surfactant-enhanced air sparging in different media [J]. Journal of Environmental Science and Health. Part A, Toxic/hazardous Substances & Environmental Engineering, 2013, 48(9):1047-55.

[12] Qin C Y, Zhao Y S, Zheng W. The influence zone of surfactant-enhanced air sparging in different media [J]. Environmental Technology, 2014, 35(10): 1190-1198.

[13] Qin C Y, Zhao Y S, Zheng W. Study on pollution plume control and removal efficiency of chlorobenzene in groundwater by air sparging[C]//ISWREP2011-Proceedings of International Symposium on Water Resource and Environmental Protection, 2011: 5.

[14] Zheng W, Zhao Y S, Qin C Y,etal. Study on mechanisms and effect of surfactant-enhanced air sparging [J]. Water Environment Research, 2010, 82(11): 2258-64.

[15] 杨声海, 唐丽霞.本科教学改革:制度缺失与调适[J]. 中国农业教育, 2010, 93(1): 4-6.

[16] 敦 荣.大学教学方法创新与提高高等教育质量[J].清华大学教育研究，2009(4): 95-101.

[17] 秦传玉, 赵勇胜, 董 军, 等. 污染场地控制与修复实验教学改革探讨[J]. 科技创新导报, 2014(3): 160-161.

ApplicationofAirSpargingintheExperimentalTeachingofUndergraduateCourse

BAIJing,ZHAOYongsheng,QINChuanyu

(College of Environment and Resources, Jilin University, Changchun 130021, China)

According to the experimental design, silica sand was filled into an organic glass simulation column with certain height, toluene solution was injected into the column by peristaltic pump from the bottom. After a period of time, aeration by air pump was carried out in the bottom injection port of the soil column. Toluene concentration was analyzed in different aeration time and different sample connection. Experimental group tested the influences of aeration rate, medium size and aeration patterns on the remediation effect. The experimental results indicate that the optimal aeration rate is 500 mL/min for 0.25—0.5 mm sand size. Toluene concentration in the upper sample point has a brief rise trend in the early aeration, but with extended aeration time, all sampling mouth toluene concentration gradually decreases. The bigger of the medium size, the better of toluene remediation effect. For 0.1—0.25 mm of the fine sand medium, intermittent aeration mode is better than that of continuous aeration. The above experimental results show that air sparging is an effective mrthod in situ remediation technology to remove toluene from ground water, and the remediation effect was affected by aeration rate, medium size and aeration patterns.

air sparging; experimental teaching; experimental program; experimental design

G 642.423

A

1006-7167(2017)09-0145-04

2016-11-24

国家自然科学基金项目(3A412S251425)

白 静(1983-)，女，河北唐山人，实验师，主要从事污染场地控制与修复方面研究。Tel.: 0431-8499792; E-mail: baijing927@jlu.edu.cn

赵勇胜(1961-)，男，内蒙古达茂旗人,教授，博士生导师，主要从事污染场地控制与修复、地下水污染的模拟预测等研究。Tel.: 0431-8502608; E-mail: zhaoyongsheng@jlu.edu.cn