AS技術(shù)簡介

地下水污染曝氣修複技術(shù)(Air Sparging，AS)是一種新興的去(qù)除土(tǔ)壤和地下水中可(kě)揮發有機(jī)化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）的原位修複技術(shù)（圖1）。它最早于1985年(nián)在德國(guó)開始應用，被認爲是去(qù)除飽和土(tǔ)壤和地下水中可(kě)揮發有機(jī)化合物的最有效方法，目前備受關注，全美很多地方都(dōu)采用了該技術(shù)來(lái)進行地下水的修複，并取得(de)了很好的效果，該技術(shù)有良好的應用前景。

圖1 地下水原位曝氣技術(shù)（AS）示意圖

AS技術(shù)原理(lǐ)

原位曝氣過程可(kě)定義爲在一定壓力條件(jiàn)下，将一定體(tǐ)積的壓縮空氣注入含水層中，通過吹脫、揮發、溶解、吸附-解吸和生(shēng)物降解等作(zuò)用将污染物去(qù)除。在相(xiàng)對可(kě)滲透的條件(jiàn)下，當飽水帶中同時存在揮發性有機(jī)污染物和可(kě)被好養生(shēng)物降解的有機(jī)污染物，或存在上述一種污染物時，可(kě)以應用原位曝氣法對被污染水體(tǐ)進行修複治理(lǐ)。

從(cóng)機(jī)理(lǐ)上分(fēn)析，地下水曝氣過程中污染物去(qù)除機(jī)制包括三個主要方面：一是對可(kě)溶揮發性有機(jī)污染物的吹脫；二是加速存在于地下水位以下和毛細管邊緣的殘留态和吸附态有機(jī)污染物的揮發；三是氧氣的注入使得(de)溶解态和吸附态有機(jī)污染物發生(shēng)好氧生(shēng)物降解。

AS技術(shù)工作(zuò)過程

地下水曝氣技術(shù)是從(cóng)土(tǔ)壤抽氣技術(shù)（Soil Vapor Extraction，SVE）發展而來(lái)的。SVE 技術(shù)是利用真空泵産生(shēng)負壓使空氣流過受污染的土(tǔ)壤層進入空氣井，揮發性有機(jī)污染物會随着流動的空氣被抽提出來(lái)。AS 技術(shù)正是在此基礎上，将空氣井深入含水層飽水帶中把負壓抽氣改爲正壓曝氣，使空氣擾動水體(tǐ)而促進有機(jī)物的揮發。

通常AS技術(shù)與SVE相(xiàng)結合使用，含有污染物的空氣上升至包氣帶後，被SVE系統收集處理(lǐ)(圖2)，從(cóng)而達到去(qù)除污染組分(fēn)的目的。

圖2 地下水污染曝氣修複系統(AS+SVE)示意圖

AS修複效果的主要影(yǐng)響因素

1、環境地質條件(jiàn)

通常情況下，當土(tǔ)體(tǐ)粒徑較小（<0.75 mm）時，氣體(tǐ)以微通道方式運動。當粒徑較大(dà)（>4 mm）時，氣體(tǐ)以獨立氣泡方式運動，由于此方式增大(dà)了氣-液兩相(xiàng)間的接觸面積，從(cóng)而可(kě)以獲得(de)較高的修複效率。事(shì)實上，有效粒徑越小氣體(tǐ)在土(tǔ)體(tǐ)中的水平運移能力越強，對于粒徑特别細小的砂土(tǔ)（<0.21 mm），曝氣過程中空氣運動甚至表現爲槽室流，此時氣流覆蓋區邊界爲明顯不規則形狀。

2、污染物特征

AS過程中首先被去(qù)除的是具有高揮發性和高溶解性的非水相(xiàng)流體(tǐ)NAPLs化合物，低揮發性和溶解性的化合物較難去(qù)除因而會出現修複“拖尾”現象。NAPLs飽和蒸氣壓高于0.5 mmHg 時可(kě)以初步判定其具有一定揮發性，适于地下水曝氣修複處理(lǐ)。污染物的亨利常數越高，污染物越容易通過揮發作(zuò)用去(qù)除，亨利常數越低，所需曝氣流量越大(dà)，修複時間也越長。

3、曝氣壓力及曝氣量

最小可(kě)曝氣壓力取決于曝氣點附近靜(jìng)水壓力和毛細管力，誰的粒徑越大(dà)毛細管阻力越小，最小曝氣壓力也越小。土(tǔ)體(tǐ)的氣相(xiàng)飽和度以及微通道密度會随着曝氣壓力的增大(dà)而增大(dà)，AS的影(yǐng)響半徑也越大(dà)。爲避免曝氣點附近造成不必要的土(tǔ)體(tǐ)擾動破壞和産生(shēng)永久性氣體(tǐ)通道，曝氣壓力不宜超過有效上覆應力。曝氣流量增加可(kě)使氣流通道密度增大(dà)、水相(xiàng)飽和度降低，影(yǐng)響半徑增大(dà)，還(hái)會提高地下水含氧量，從(cóng)而強化有機(jī)污染物降解去(qù)除效果，但(dàn)提高曝氣流量會使氣體(tǐ)在土(tǔ)體(tǐ)中的分(fēn)布不均勻，若形成局部優先流還(hái)會降低AS總體(tǐ)修複效果，且易造成原位土(tǔ)體(tǐ)的擾動破壞。

 4、曝氣井口深度及幾何結構

曝氣井口宜安裝于略深于污染土(tǔ)體(tǐ)，使曝入的空氣既可(kě)到達整個污染區又不緻操作(zuò)成本過高，AS過程中位于曝氣點下方含水層中的溶解态污染物較難揮發去(qù)除。曝氣井越深，空氣向上運動時水平遷移範圍越大(dà)，這有利于污染物的去(qù)除。但(dàn)随着曝氣井深度的增加，飽和土(tǔ)體(tǐ)中氣體(tǐ)的相(xiàng)對滲透率不斷下降，對污染物的去(qù)除不利。此外，通過離(lí)心模型試驗還(hái)發現，曝氣井口幾何結構對空氣流動形态和流速亦有明顯影(yǐng)響。

5、曝氣方式

曝氣方式主要分(fēn)爲連續和脈沖曝氣兩種類型，連續曝氣過程地下水中氣流分(fēn)布相(xiàng)對穩定，脈沖曝氣方式包含相(xiàng)态重分(fēn)配過程，這在一定程度上有利于污染物的去(qù)除。

AS技術(shù)的優缺點

AS技術(shù)通過曝氣還(hái)能爲飽和土(tǔ)壤中的好氧微生(shēng)物提供氧氣，促進了污染物的生(shēng)物降解，該技術(shù)與其他(tā)修複技術(shù)相(xiàng)比，具有易安裝、低成本、高效率和原位操作(zuò)的顯著優勢。因此，雖然曝氣技術(shù)的運用僅僅二十餘年(nián)，就(jiù)一定程度上代替了抽出--處理(lǐ)技術(shù)，成爲地下水有機(jī)污染處理(lǐ)技術(shù)的首選。

但(dàn)是AS技術(shù)開展應用很大(dà)程度上還(hái)依賴于工程經驗。這就(jiù)導緻了曝氣系統設計(jì)的主觀性較強，修複效率不高，在一定程度上增加了系統運行的成本。

AS技術(shù)的适用

1、适用範圍

通常，AS應用于揮發性、半揮發性、可(kě)生(shēng)物降解的不揮發性有機(jī)物造成地下水和飽和土(tǔ)壤污染的地方，也可(kě)應用于脫水作(zuò)用（在殘留受污土(tǔ)壤中的氣體(tǐ)提取）不可(kě)行的地方，包括高含水層以及厚的玷污帶。

2、不适用條件(jiàn)

污染物存在自(zì)由基。曝氣能夠産生(shēng)地下水丘，有可(kě)能導緻自(zì)由基遷移以及污染的擴散。

附近有地下室、地下管道或其他(tā)地下建築。除非有氣體(tǐ)提取系統來(lái)控制氣體(tǐ)的遷移，否則在這些地方實施AS，很可(kě)能會導緻潛在的濃度聚集危險。

受污染的地下水位于封閉的含水層裡(lǐ)。AS不能用于處理(lǐ)封閉含水層，是因爲注入的空氣會被該層截留，不能擴散到不飽和帶。

AS系統的設計(jì)

1、設計(jì)時應考慮的因素

場地的地質以及水文地質條件(jiàn)；污染物的類型及分(fēn)布；空氣流動速率和注射壓力；注射方式（水平或垂直）；影(yǐng)響微生(shēng)物生(shēng)存能力以及它們對污染物生(shēng)物降解能力的參數；曝氣所帶來(lái)的潛在的健康和安全隐患，比如(rú)氣體(tǐ)釋放(fàng)到地表，地下水位漲高等。

爲了防止這些隐患，AS系統應該對空氣注射的速度進行監測和控制，并采用氣體(tǐ)提取系統，如(rú)果必要，還(hái)可(kě)以實施收集地下水項目。比如(rú)受污區的注射井稍微設計(jì)成有一定的斜度以防污染的地下水遷移到其他(tā)地方。

2、AS系統的設計(jì)

（1）井的方向

空氣注射系統既可(kě)采用垂直井，也可(kě)采用水平井，具體(tǐ)采用哪種要根據該處理(lǐ)點的具體(tǐ)需要和條件(jiàn)（圖3）。比如(rú)，當需要10個以上注射或提取點，或者受污染的地方位于一個正在運行的工廠(chǎng)下面時，那麽選擇水平井是比較恰當的。

（2）井的放(fàng)置以及數量

對井進行設置的目的就(jiù)是使得(de)系統去(qù)除效率達到最大(dà)，并通過優化監測和提取點，來(lái)減少溶解态及氣相(xiàng)物質的有害遷移。比如(rú)在建築物或公路(lù)下方，設置水平的提取井能夠節省費用并能有效的控制氣體(tǐ)的遷移。

在選擇井的數量和位置時，應考慮在污染嚴重地方，采用較小的井間距能夠擴大(dà)氣體(tǐ)的分(fēn)布，提高去(qù)除率；如(rú)果地表密封或計(jì)劃密封，則提取井可(kě)以設置的稍微間隔大(dà)一些，因爲氣體(tǐ)從(cóng)較遠(yuǎn)距離(lí)而不是從(cóng)地表直接輸入；若該地爲層狀土(tǔ)壤，因爲滲透性能差，應該采用較小的井間距。

圖3 AS/SVE井的配置

應用實例

下表1和表2分(fēn)别爲國(guó)外運用AS處理(lǐ)石油污染和氯化溶劑污染部分(fēn)較爲成功的現場實例。

表1 AS修複石油污染物實例

表2 AS修複氯化溶劑污染物實例

Murray等在美國(guó)傑克遜維爾的海軍航空站建立了5 個小型地下水曝氣試驗基地，主要污染物爲BTEX，試驗結果表明，空氣影(yǐng)響半徑範圍爲9-12m，水中溶解氧從(cóng)0 mg/L增加到6-7mg/L，CO₂從(cóng)150 mg/L降至20-50 mg/L，有機(jī)物去(qù)除率爲4.5-27.2g/d，AS 技術(shù)在處理(lǐ)地下水污染物方面成效顯著。

結語

國(guó)内近年(nián)來(lái)對于曝氣法室内模型試驗及相(xiàng)關機(jī)制的研究比較多，而現場科(kē)研及工程試驗相(xiàng)對較少。實際應用中，由于場地條件(jiàn)的複雜性，單獨采用曝氣往往不能達到理(lǐ)想的修複效果，因此将兩種或多種方法相(xiàng)結合是一種有效途徑。總之，AS技術(shù)是地下水科(kē)學與工程，或者說(shuō)是以污染水文地質學爲基礎的新興環境工程研究領域中，地下水污染原位修複重要而有效的手段之一，需要更加系統、細緻和實用性的研究，以指導實際修複工程。這對于保證人(rén)類飲用水安全、地下水環境安全有着重要的意義。