温度对曝气抽提修复地下水中乙苯影响研究_张雷.pdf

第45卷张雷，皇甫辉远，苗月，等.温度对曝气抽提修复地下水中乙苯影响研究J.环境科学与技术，2022，45（12）：70-77.Zhang Lei，Huangfu Huiyuan，Miao Yue，et al.Effect of temperature on the remediation of ethylbenzene in groundwater by aeration extractionJ.Environmental Science&Technology，2022，45（12）：70-77.环境科学与技术 编辑部：（网址）http:/（电话）027-87643502（电子信箱）收稿日期：2022-05-13；修回2022-08-06基金项目：国家自然科学基金项目（41877489）；中国博士后科学基金项目（2017M621201）；黑龙江省优秀青年基金项目（JJ2020YX0502）作者简介：张雷（1982-），男，教授，博士，主要从事石油类有机污染控制理论及技术研究，（电子信箱）。温度对曝气抽提修复地下水中乙苯影响研究张雷1，皇甫辉远1，苗月2，曹伟锴1（1.东北石油大学地球科学学院，黑龙江大庆163318；2.大庆油田有限责任公司，黑龙江大庆163000）摘要：中国北方地区冬季浅层地下水温度在410，特别是冬季，温度低于10，低温环境影响污染物的传质过程，导致常规的曝气-抽提（AS）修复效果差。基于此，作者以苯系物污染的地下水环境为研究对象，以乙苯作为代表性污染物，建立热空气强化AS修复二维箱体模拟装置，探究温度对于含水层乙苯去除过程中的影响效应。结果表明，含水层温度随着曝气温度提高，中上层温度场呈现“U”型分布，曝气后的乙苯浓度分布近区域“U”字形，这与曝气影响区域呈现的流型和热传递的传热机制是对应的。经过3 d修复，60 相同时间内乙苯去除率较30 提高2倍，乙苯去除效率为87.73%，乙苯浓度低于地下水类标准值0.6 mg/L。结果表明热空气温度通过传导影响地下水层温度，进而影响污染物和污染物饱和分压变化，提高挥发去除效率，提高修复效果。文章可为中国北方地区低温浅层土地下水苯系物污染修复提供技术支持。关键词：热强化；曝气抽提；修复；乙苯；地下水中图分类号：X523文献标志码：Adoi：10.19672/ki.1003-6504.1143.22.338文章编号：1003-6504(2022)12-0070-08Effect of Temperature on the Remediation of Ethylbenzenein Groundwater by Aeration ExtractionZHANG Lei1，HUANGFU Huiyuan1，MIAO Yue2，CAO Weikai1（1.School of Earth Science,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China;2.Daqing Oil Field Co.Ltd.,Daqing 163000,China）Abstract：The temperature of shallow groundwater in northern China in winter is 410,especially in winter,thetemperature is lower than 10,and the low-temperature environment affects the mass transfer process of pollutants,resultingin the poor repair effect of conventional aeration extraction.Based on this,the author takes the groundwater environmentpolluted by benzene series as the research object and ethylbenzene as the representative pollutant,establishes a two-dimensional box simulation device for hot air enhanced AS remediation,and explores the effect of temperature on the removalof ethylbenzene in the aquifer.The results show that with the increase of aeration temperature,the temperature field in themiddle and upper layer presents a“U”shape distribution,and the concentration distribution of ethylbenzene after aerationis close to the“U”shape,which corresponds to the flow pattern and heat transfer mechanism in the aeration affected area.After three-day repair,the removal rate of ethylbenzene at 60 is twice higher than that at 30,the removal efficiency ofethylbenzene is 87.73%,and the concentration of ethylbenzene is lower than 0.6 mg/L(the standard value of class groundwater is 0.6 mg/L).The results show that the hot air temperature affects the temperature of groundwater layer through conduction,and then affects the pollutants,therefore how does the saturated partial pressure of pollutants change,improve the volatilization removal efficiency and improve the remediation effect,would provide technical support for the remediation of benzeneseries pollution in low-temperature shallow land in northern China.Key words：thermal strengthening;aeration extraction;repair;ethylbenzene;groundwater石油在勘探、运输和炼制过程中的泄漏会造成严重的环境问题，各大油田及炼化厂所在地区土壤和地下水均受到了不同程度的石油类污染1-5，因此石油化工场地污染问题在我国十分突出，且是典型性污染场地之一。石油烃类污染特别是其中的苯系物污染主要来源于石油及煤炭的开采、运输、贮存、炼制和再加Environmental Science&Technology第45卷 第12期2022年12月Vol.45 No.12Dec.2022第12期工等环节中发生的石油泄露和渗漏，或者是生产中副产物的排放等。苯系物是常见的挥发性有机物，其具有迁移能力强、难氧化降解、毒性大的特点6，7。土壤中苯系物污染物在淋溶或渗水作用下进入地下水，导致地下水污染、威胁饮用水安全，尤其是浅层地下水，由于埋藏浅，包气带的隔污、阻污能力有限，污染更为严重8-11。乙苯是苯系物当中的一种，沸点为136.2，它通过渗流进入土壤，再经渗透和浸出进入地下水中，这将对生态环境和人类健康产生严重危害。实验过程中，乙苯的沸点较苯和甲苯更高，因此乙苯的可操作性和观测性均较强，本研究选取乙苯作为代表性污染物。20世纪90年代初所发展的土壤气相抽提技术及其强化曝气-抽提技术，对于浅层地下水及包气带土壤中汽油、溶剂和其他挥发性有机污染物的去除，是一种成本低、效益高的修复方法，也是目前广泛应用于商业修复的技术12-15。野外石油类污染场地直接应用曝气-抽提修复技术时的环境温度多为 6.8521.8 16。但在我国北方，冬季温度长期处于0 以下，尤其在东北寒区环境中，冬季气温可达-30，地下水温在310 （以大庆为例）17，与“理想条件”下的环境温度差异明显。AS技术以污染物的相间传质作用为原理进行污染物的去除，温度作为一个敏感的环境参数影响着固-液-气三相的物化性质以及污染组分的某些基本性质如亨利常量、蒸气压和溶解度等18。van Stempvoort 等研究发现环境温度影响着有机物的饱和蒸气压，且蒸气压越大，污染物越易挥发19。热强化增强技术是通过增加周围环境的温度来提高污染物区域的温度，通过温度的上升可以提高有机污染物的溶解度、蒸发速率和迁移污染物20-23，即改变土壤地下水污染物之间固-液-气三相的物化性质。利用热效应耦合曝气-抽提实现苯系物污染浅层地下水原位修复，曝气修复地下水和热强化修复土壤的研究已有大量报道，但是热强化耦合曝气-抽提技术目前国内外还鲜有报道。本研究基于二维热强化曝气抽提模拟装置的运行与监测，考察乙苯去除过程中的含水层温度影响效应。以模拟结果为依据，可以为实现地下水中石油烃类污染物高效去除提供新思路和新技术，为我国北方地区低温浅层地下水石油污染修复提供技术支持。1实验装置与方法1.1实验装置二维箱体热强化曝气-抽提实验装置如图1所示。该实验装置的材质为透明亚克力板材，内部尺寸为60 cm15 cm60 cm（长宽高），板材厚度为10 mm。实验装置两侧各有一个10 cm10 cm15 cm（长宽高）的水箱，水箱中心孔高度与含水层初始水位高度一致。实验装置长为60 cm，其中距离实验装置左右2个侧面各5 cm的位置固定了多孔透明亚克力板，多孔板的外侧各插有一块亚克力实板。这2种板将实验装置分成了砂土槽与2个水槽，长度分别为5、50、5 cm。水箱和水槽模拟地下水流动的上游和下游。前面板是9个取样口。砂土槽底部的球阀为污染液注入口和排放口，两侧水槽的球阀为排放口。砂土槽中间插有热交换器，通过在曝气井中设计一套温控系统，对注入空气进行加热，同时通过热传导对注入井附近模拟场地进行加热，提高注气温度和模拟修复场地环境温度。实验装置的最上方为抽提装置，分布在砂土槽的左右两侧，抽提装置长15 cm。1.2实验材料和仪器实验选取精致石英砂来模拟含水层介质，共选取了2种不同的粒径，分别为0.51 mm的细砂、12 mm的中砂，由吉林省华膜水处理设备生产。以乙苯代表苯系物污染物，选择二硫化碳作为萃取剂；乙苯纯度为分析纯，产自天津科密欧化学试剂有限公司；二硫化碳纯度为色谱纯，产自天津市大茂化学试剂厂。实验所用石英砂介质的物理性质如下：细砂：粒径0.51 mm、SiO2含量99.30%、堆积密度1.48 g/cm3、孔隙度0.47、渗透系数1.410-3cm/s；中砂：粒径12 mm、SiO2含量99.30%、堆积密度1.46 g/cm3、孔隙度0.49、渗透系数6.210-3cm/s。主要仪器设备如下：电热恒温鼓风干燥箱：DGG-9053A；空气压缩机：JUBA-800w30L；真空泵：FY-3C-N;气相色谱仪：Gas-Chromatograph-Clarus500;快速混匀仪：SK-1;蠕动泵：BT100-2J。1.3实验方法清洗一定量的12 mm粒径石英砂（中砂），将清