环境科学研究  2017, Vol. 30 Issue (10): 1587-1596  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.02.87

引用本文  

杨洋, 赵传军, 李娟, 等. 低温条件下基于TMVOC的土壤气相抽提技术数值模拟[J]. 环境科学研究, 2017, 30(10): 1587-1596.
YANG Yang, ZHAO Chuanjun, LI Juan, et al. Numerical Simulation through SVE Technique based on TMVOC under Low Temperature[J]. Research of Environmental Sciences, 2017, 30(10): 1587-1596.

基金项目

环境基准与风险评估国家重点实验室自由探索基金;环境保护部工作类项目(144130012110302)

责任作者

李娟(1981-), 女, 陕西岐山人, 副研究员, 博士, 主要从事地下水污染防控研究, lijuan@craes.org.cn

作者简介

杨洋(1989-), 男, 河北保定人, iandjolin@126.com

文章历史

收稿日期:2016-11-01
修订日期:2017-06-21
低温条件下基于TMVOC的土壤气相抽提技术数值模拟
杨洋1,2 , 赵传军2,3 , 李娟2 , 白顺果3 , 席北斗2 , 唐军2 , 吕宁磬2     
1. 北京师范大学环境学院, 北京 100875;
2. 中国环境科学研究院, 环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012;
3. 河北农业大学城乡建设学院, 河北 保定 071001
摘要:为研究低温条件下土壤气相抽提技术对包气带中苯系物的去除效果、解决修复技术有效性评估等难题,基于TMVOC模型模拟砂箱试验,从浓度梯度、相间转化、饱和度变化等方面分析土壤气相抽提技术对污染物空间分布规律的影响机理.结果表明,TMVOC模拟苯系物浓度的计算值与试验测量值的拟合效果较好;低温条件下,砂箱土体中苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯的去除率分别为89.8%、71.3%、29.7%、14.4%.两次抽提过程中,苯在"气-液-NAPL(non-aqueous phase liquid)"三相中的质量均减少,减少比例近似为2:7:1,苯在液相中的质量减幅最大;在间歇期,苯由"NAPL相"以近似3:7的比例向"气、液"两相运移.在砂箱土体上部和中部NAPL相饱和度保持为0,"气-液"两相共存,间接表明苯系物在"气-液"两相间发生运移;在砂箱土体底部污染源附近"气-液-NAPL"相共存,间接表明苯系物在"气-液-NAPL"相间发生运移,抽提作用使得气相与液相饱和度升高、NAPL相饱和度降低.
关键词苯系物    土壤气相抽提技术    低温条件    TMVOC模型    
Numerical Simulation through SVE Technique based on TMVOC under Low Temperature
YANG Yang1,2 , ZHAO Chuanjun2,3 , LI Juan2 , BAI Shunguo3 , XI Beidou2 , TANG Jun2 , LÜ Ningqing2     
1. School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China;
2. State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China;
3. Institute of Urban and Rural Construction, Hebei Agricultural University, Baoding 071001, China
Abstract: In order to study the soil vapor extraction (SVE) technique remediation effect of BTEX contaminated vadose zone under low temperature, the SVE effect on BTEX migration mechanism was analyzed through concentration gradient, transformation among phases and saturation variation based on the TMVOC model. The TMVOC simulation results of BTEX showed that the simulation results were similar with experimental data. The SVE removal rates of benzene, toluene, ethylbenzene and o-xylene were 89.8%, 71.3%, 29.7%, and 14.4% respectively under low temperature. In two extraction processes, the mass of benzene in gas-aqueous-NAPL phases decreased, and the reduced proportion of benzene in gas-aqueous-NAPL phases was approximately 2:7:1. Most benzene mass reduction was in aqueous phase. During the intermittent period between the two extraction processes, benzene migrated from NAPL phase to gas and aqueous phase, and the distribution ratio was 3:7. In the upper and central sections of the sandbox, the NAPL phase saturation was 0, which indirectly reflected benzene migration between the gas and aqueous phase. In the bottom section of the sandbox, gas, aqueous and NAPL phase coexisted, which indirectly reflected SVE promoting BTEX migration among gas, aqueous and NAPL phase. SVE promoted an increase in the gas and aqueous phase saturation, and a decrease in the NAPL phase saturation.
Keywords: BTEX    soil vapor extraction    low temperature conditions    TMVOC model    

目前我国有加油站95 500多座,其中建站超过10 a的加油站占总数的90%,地下汽油储罐多为单层罐,平均渗漏年限为15 a.中国地质调查局曾对4个省(市)建站时间超过10 a的16个加油站的地下水样品分析发现,总石油烃超标率33.33%[1].汽油中含有众多VOCs(volatile organic compounds,挥发性有机物),苯系物在其中含量较高且具有毒性大、挥发性强和吸附性强等特点[2],其中苯分子又极容易进入土壤的微孔内部[3],不仅严重污染土壤,而且会威胁地下水水质安全[4].苯系物极易挥发的特性也严重危害人体健康,在国际癌症研究中心认定研究中,苯类物被分级为一级致癌物.因此,防治苯系物污染土壤和掌握相应的处理技术,对保障土壤、地下水安全与人体健康有着重要的意义.

SVE(soil vapor extraction, 土壤气相抽提)技术是20世纪80年代兴起的专门治理VOCs的原位修复技术[5-7],到1997年,全美已有27%“超级基金”案例应用SVE技术,许多州还把它当作去除土壤中VOCs的一种标准处理方法[8].然而,大多数应用SVE时的环境温度为6.85~21.8 ℃[9],对污染物修复效果的研究试验也多在高温条件下进行[10-11]. Poppendieck等[12-13]研究表明,热强化条件下污染物去除范围和速率均上升,苯系物去除率增高.然而,北京等北方城市冬季温度可达-20 ℃,若此时发生土壤污染事件,SVE技术能否对其进行高效修复,目前相关研究较少.

数值模拟能够帮助设计与评估SVE技术,已经成为SVE修复过程中的一个重要工具[14]. TMVOC程序是TOUGH2模型的子模块,可以模拟系统中三相组分(气-液-NAPL相)的非等温流动[15-17],该特点使得TMVOC更适合实际污染场地不同温度条件下的修复过程模拟.因此,该研究中SVE修复试验选择在冬季低温条件下开展,以北京顺义区潮白河下游土壤及苯系物为研究对象,并结合TMVOC模型对苯系物的修复效果、三相间传质过程及饱和度演变的数值模拟,以期掌握SVE技术在低温下的适用性及苯系物的去除机理.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

北京市顺义区属于暖温带半湿润性大陆季风气候,年最低温度近-20 ℃,其中有100 d左右处于0 ℃以下.潮白河流经北京市顺义区,地下水蕴含较为丰富,在其上游建设的密云水库是北京市重要供水水源之一.区域内地层为第四世纪冲、洪积沉积物.在河床表层的岩土类型为中、粗砂砾石层,局部的类型为亚砂土,渗透性较强[18].分布在此区域内的加油站及地下汽油储罐无疑成了土壤和地下水的潜在风险源,因此,研究低温条件下SVE对汽油渗漏后的修复效果具有现实意义.

1.2 试验材料

于潮白河流域某加油站购买92号机动车汽油,利用气相色谱-质谱法[19]并结合相关资料得出汽油和苯系物的理化性质,其中汽油的沸点为35~188 ℃,20 ℃时黏性为0.66 mm2/s,密度为737.7 kg/m3,闪点为58~60 ℃,辛烷值为88.2;汽油中苯系物的理化性质与相对含量见表 1.

表 1 苯系物的理化性质与相对含量 Table 1 Physicochemical properties and relative amount of BTEX

于潮白河下游河道附近采集土样,取样地点包气带岩性介质单一,土壤类型以砂土为主,采样深度在20~200 cm之间.经检测土壤容重为2.65 g/cm3,含水量为21%,孔隙度为41%,渗透系数为1.2×10-3 cm/s,pH为6.2,天然有机质含量小于2%,不存在苯系物污染情况.土壤粒径分布在0.5 mm<d≤2 mm、0.25 mm<d≤0.5 mm、0.075 mm<d≤0.25 mm、0.005 mm<d≤0.075 mm各区间的比例分别为18.07%、55.23%、11.32%、15.38%.

1.3 砂箱结构

以何炜等[20]的试验装置为基础,进行该试验装置设计.砂箱尺寸为1 000 mm×1 000 mm×1 200 mm.为模拟取样地点包气带结构,砂土装填体积为1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm,顶部为200 mm空气层.喷气井和气体采样井用φ=10 mm铜管模拟,均匀分布在抽提井四周;喷气井间隔分布在各方向1号、2号和3号气体采样井中.抽提井用φ=60 mm的PVC管模拟,进入土层的管体四周均匀开孔,用于抽提砂箱中气体,具体布置如图 1所示.

注:E、W、S、N分别表示采样井在抽提井的4个不同方位,1、2、3、4表示气体采样井编号.数值的单位为mm. 图 1 试验用砂箱示意 Figure 1 Sketch map of experimental facility
1.4 试验方法

用砂土由底部逐层填装砂箱,依次固定污染井和抽提井,填充砂土至试验用体积.砂箱装填完毕后,加盖密封,从顶部向下布置喷气井和气体采样井.装置搭建完成后,由砂箱底部4个污染井一次性各添加汽油1.25 L,共计5 L.

试验在自然条件下进行并监测每日气温,时间为2015年10—12月.汽油添加后,SVE采用间歇抽取方式,此种方式与连续抽提最终处理效果大致相同[21].试验期间共进行5次气体采样,采样时间间隔依次为30 d、2 h、24 h、2 h、30 d,依次对应T1阶段、T2阶段、T3阶段、T4阶段、T5阶段,其中试验温度记录如图 2所示. T1和T5阶段为静置期. T2与T4阶段为SVE运行期,喷气井和抽提井流量分别为3和10 L/min,T3阶段为间歇期.

图 2 温度变化趋势及试验阶段划分 Figure 2 Tendency of temperature change and division of test stage
1.5 取样及测定方法

试验采集气体样品进行苯系物检测,采样使用Tenax管吸附法.首先,使用胶管将真空泵、Tenax管和气体采样井相连,设定真空泵流量为100 mL/min,抽气1 min后停止,取下Tenax管;然后,将Tenax管进行热脱附,进入气相色谱仪(美国PEKIN ELMER),检定器为氢焰离子化检测器FID,色谱柱为Agilent DB-1,将汽化室和检测器的温度均设定为300 ℃,将色谱柱的温度设定为210 ℃,进行苯系物检测.因每个点仅取气样100 mL,可不考虑气体取样对SVE抽提效果的影响.

2 TMVOC模型数值模拟 2.1 模型原理

TMVOC模块的数据输出包含不同污染组分的浓度、质量和气-液-NAPL相饱和度等,其模拟依据是热力学条件以及组分的相对丰度不同,污染组分可在气-液-NAPL相间进行七种不同相的组合,其在气-液-NAPL相间相互转化路径遵循Newton-Raphson迭代过程[22]. TMVOC模拟过程中设定同种污染组分在不同相中具有相同的化学势,如式(1) 所示:

$\mu _{\rm{g}}^k = \mu _{\rm{w}}^k = \mu _{\rm{n}}^k$ (1)

式中,μgkμwkμnk分别为组分k的气相化学势、液相化学势、NAPL相化学势. g、w、n分别代表气相、液相、NAPL相.

气相化学势如式(2) 所示:

$\mu _{\rm{g}}^k = \varphi _{\rm{g}}^kX_{\rm{g}}^k{P_{\rm{g}}}$ (2)

式中,φgk为组分k的逸度系数,Xgk为组分k在气相中的摩尔分数,Pg为气相压力.

液相和NAPL相化学势如式(3) 所示:

$\mu _\beta ^k = \gamma _\beta ^kX_\beta ^kf_\beta ^{k,0}$ (3)

式中:β为相态,当β取w时为液相,取n时为NAPL相;γβk为组分k的活度系数;Xβk为组分kβ相中的摩尔分数;fβk, 0为相态β中组分k在标准态时的逸度系数.

TMVOC模拟过程中设定理想混合组分中的逸度系数和活度系数等于1,各相态间的分配系数根据摩尔分数的比例计算,从而以平衡常数表示,如式(4) 所示:

$\frac{{x_{\rm{w}}^k}}{{x_{\rm{n}}^k}} = K_{{\rm{wn}}}^k,\frac{{x_{\rm{w}}^k}}{{x_{\rm{g}}^k}} = K_{{\rm{wg}}}^k,\frac{{x_{\rm{n}}^k}}{{x_{\rm{g}}^k}} = K_{{\rm{ng}}}^k$ (4)

式中,KwnkKwgkKngk为液相-NAPL相、液相-气相和NAPL相-气相间的分配系数,x为组分k的摩尔分数.

同时,TMVOC中的质量和能量守恒方程如式(5)[17]所示:

$\frac{{\rm{d}}}{{{\rm{d}}\;t}}\int_{{V_m}} {{M^k}} {\rm{d}}\;{V_m}{\rm{ = }}\int_{{\mathit{\Gamma }_m}} {{F^k}} m{\rm{d}}{\mathit{\Gamma }_m} + \int_{{V_m}} {{q^k}} {\rm{d}}\;{V_m}$ (5)

式中,Vm为流动单元体的体积,Γm为表面积,Mk为组分k在单位土壤介质中的质量,Fk为进入到流动单元体的组分k的总通量,qk为组分k在单元体的源汇项,m为流动区单元体表面的外法向单位矢量.

2.2 模型概化

模拟区域为砂土填装区(1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm),采用笛卡尔XYZ正交坐标系进行网格剖分. X方向、Y方向和Z方向均分为10层,每层厚度为100 mm.在垂向Z表层增加设置一薄层,厚度为10 mm,用于设置上边界条件,剖分单元共计1 100个.由于砂土上部为空气层,故设定Z方向表层为大气边界,压力为大气压.模拟区域底部及四周为砂箱物理隔水边界,故设定为无通量边界条件.在底部网格设置源汇项,模拟实际的污染组分添加过程.各苯系物组分添加量由汽油添加量与各组分相对含量相乘计算得出(苯0.82 g、甲苯157.35 g、乙苯4.79 g、邻二甲苯3.17 g).在未注入污染组分前,模拟区域不含任何污染组分,即污染组分的初始浓度为零.砂箱概念模型和网格离散剖分如图 3所示.

图 3 砂箱概念模型和网格离散剖分示意 Figure 3 The conceptual model of sandbox and discretization mesh for model
2.3 模拟过程

为模拟不同阶段污染组分运移的时空变化过程,依据试验过程将模拟分为五阶段,并分别将温度设置为5及1 ℃以满足低温条件下进行修复的需求.污染组分及土壤相关参数根据1.2节进行设置.抽气井和喷气井的流量分别为10和3 L/min.各阶段的模拟时长与试验时长相同.每个阶段末输出的模拟结果作为下一阶段的初始条件,直至模拟结束.具体设计见表 2.此外,为研究SVE对苯系物污染土壤的修复机理以及考虑0 ℃左右低温环境抑制苯系物降解菌活性[23-25],此次模拟未考虑生物降解作用.

表 2 模拟过程设计 Table 2 Design of simulation process
3 结果与讨论 3.1 拟合优度评估

选取苯、甲苯的气相浓度试验值和模拟值进行拟合优度评估.汽油于砂箱底部添加,经过T1阶段稳定后,砂箱内E、W、S及N方向不同深度采样点均有苯系物检出.苯和甲苯的气相浓度试验值在4个方向90 cm深的平均值分别为0.47和3.60 mg/m3,70 cm深的平均值分别为0.34和2.35 mg/m3,60 cm深的平均值分别为0.24和2.42 mg/m3,50 cm深的平均值分别为0.24和1.81 mg/m3.相同深度不同方向的苯系物气相浓度相近,汽油已在砂箱均质土体内发生横向和纵向的均匀扩散,离汽油添加点越近,苯系物浓度越高.因此,试验值为砂箱中各采样点苯和甲苯的气相浓度检测值.模拟值为砂箱概化模型中各采样点苯和甲苯的气相浓度计算值. TMVOC模型输出结果中包括污染组份在气相中的摩尔分数,据此计算苯和甲苯的气相浓度.计算方法如式(6) 所示:

$c = ({A_{\rm{r}}} \times {x_{\rm{a}}} \times o)/{V_{\rm{o}}}$ (6)

式中:c为污染物的气相浓度,g/m3Ar为污染物的相对分子质量;xa为污染物在气相中的摩尔分数;o为物质的量,取1 mol;Vo为气体的摩尔体积,标准状况(0 ℃,101 kPa)下取0.022 4 m3/mol.

对比各采样点5次采样的模拟值和试验值如表 3所示.选R2作为拟合优度统计的评估指标[26],根据该值的大小来表示模拟值与试验值的接近程度, 计算如式(7) 所示:

表 3 TMVOC模型拟合优度统计结果 Table 3 Statistic of fit goodness of TMVOC model
${R^2} = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^N {({\rm{ca}}{{\rm{l}}_i} - \overline {{\rm{cal}}} )({\rm{ob}}{{\rm{s}}_i} - \overline {{\rm{obs}}} )} }}{{\sqrt {\sum\limits_{i = 1}^N {{{({\rm{ca}}{{\rm{l}}_i} - \overline {{\rm{cal}}} )}^2}} } \sqrt {\sum\limits_{i = 1}^N {{{({\rm{ob}}{{\rm{s}}_i} - \overline {{\rm{obs}}} )}^2}} } }}$ (7)

式中:caliρ(苯)或ρ(甲苯)的试验值,g/m3calρ(苯)或ρ(甲苯)试验平均值,g/m3;obsiρ(苯)或ρ(甲苯)的模拟值,g/m3obsρ(苯)或ρ(甲苯)模拟平均值,g/m3.

根据式(7) 计算,ρ(苯)与ρ(甲苯)的拟合优度值分别为0.79和0.75,表示对应的模拟值与试验值的相关性较好.模拟结果与试验结果产生偏差的原因在于,试验过程中存在组分和介质种类多、监测误差、环境条件复杂等影响因素,砂箱的土体结构和模型概化的土体结构存在误差等的问题.挥发性污染物的理想气体热容量公式常数、污染物的临界性质数据(临界压力、临界压强等)数据很难获取,这些模型中所用系数大多是通过理论推导和试验总结得出的,导致试验结果的精度往往与模拟计算结果存在一定偏差.但就总体而言,模型较好地反映了苯和甲苯的气相浓度变化规律.因此,TMVOC模型输出的污染组分的质量、气-液-NAPL相饱和度等,可用于分析此次试验中SVE技术在低温下的对苯系物的运移的扰动和去除效果.

3.2 去除率的差异性

根据TMVOC模拟结果,各阶段苯系物总质量(苯系物分别在气相、液相和NAPL相中的质量之和)变化如图 4所示.苯的总质量由T1阶段的0.82 g降至T5阶段的0.08 g,其去除率高达89.8%;甲苯、乙苯、邻二甲苯的去除率分别为71.3%、29.7%、14.4%.去除率计算如式(8) 所示.

图 4 污染组份在各模拟阶段总质量变化趋势 Figure 4 The total mass change tendency of each component
$y = \left( {{M_{{\rm{T}}1}} - {M_{{\rm{T}}5}}} \right)/{M_{{\rm{T}}1}} \times 100\% $ (8)

式中:y为污染组分的去除率,%;MT1为T1阶段污染组分质量,g;MT5为T5阶段污染组分质量,g.

由试验及模拟结果得出,低温条件下苯系物各污染组份在SVE状态和自然静置状态下的变化情况不同,苯比其他苯系物去除率高[27].主要原因为,在相同低温环境下,苯的挥发性与饱和蒸气压存在直接关系,挥发性较强,相对蒸气压高,有利于自身挥发以及SVE技术进行修复[28-29].而随着分子量和苯环支链上碳原子数目的增加,土壤颗粒和有机质对苯系物的吸附作用相应增强,分子量大的苯系物更易被土壤吸附[30-31].同时,温度的下降引起苯系物蒸气压的降低,进而降低其挥发性、可迁移性,不利于自身挥发以及SVE技术进行修复[32-34].由表 1苯系物理化性质可知,苯的蒸气压最高,挥发性最高,分子量最小,土壤吸附性最小,因此,苯的去除率最高.然而,乙苯和邻二甲苯的去除率远低于苯和甲苯,表明环境温度在-15~0 ℃之间时,可应用SVE技术强化苯和甲苯的去除效果,但不适用于乙苯和邻二甲苯.

3.3 三相饱和度的演变

多孔介质中,气相、液相和NAPL相体积与多孔介质孔隙体积之比,称为该相的饱和度[35].在TMVOC模拟中,假设土壤孔隙中存在气-液-NAPL相,三相饱和度相加为1.通过各相饱和度的变化趋势,可间接反映污染物在土壤孔隙中的存在形式. TMVOC模拟结果为自然状态下(T1阶段)和人为干扰(T2、T3、T4、T5阶段)后的各相饱和度分布如图 5-7所示.

图 5 不同状态下气相饱和度分布情况 Figure 5 Distribution of gas phase saturation in different states

图 6 不同状态下液相饱和度分布情况 Figure 6 Distribution of aqueous phase saturation in different states

图 7 不同状态下NAPL相饱和度分布情况 Figure 7 Distribution of NAPL phase saturation in different states

选择砂箱中的上部观测点、中部观测点和下部观测点,分析各相在人为干扰后的变化趋势如表 4所示.在上部和中部观测点,气-液-NAPL相饱和度均未发生明显变化,NAPL相饱和度保持为0,表明在砂箱上部和中部气-液两相共存,苯系物在气-液两相间发生运移.在下部观测点,NAPL相饱和度降幅达到49.05%,相应的气相与液相饱和度增加,表明在砂箱下部观测点附近存在气-液-NAPL相共存,气相抽提作用使得NAPL相中的污染物含量降低,导致NAPL相饱和度降低,气相与液相饱和度升高.

表 4 砂箱中不同观测点气-液-NAPL相饱和度变化 Table 4 The gas-aqueous-NAPL phase saturation variation of different observation point in sand box
3.4 苯在三相间的动态传质过程

苯系物在土壤中的分布以及运移情况也是SVE修复效果的重要影响因素.苯系物在土壤污染区域的主要赋存形态:以气态形式存在于土壤孔隙气相中,以自由态或残余态形式存在于土壤孔隙NAPL相中,以溶解态或吸附态形式存在于土壤孔隙液相中.在SVE注气和抽气过程中,苯系物通过层流、挥发、解吸、扩散等作用,随孔隙中气体一起被抽出.

以苯为例,如图 8所示,T1阶段为自然状态下的稳定阶段,气-液-NAPL相中均含有苯.主要原因为,汽油添加后,在浓度梯度的作用下,苯从NAPL相中挥发后进入气-液两相,进而在土壤孔隙内扩散. T2阶段为2 h土壤气相抽提,苯在气-液-NAPL相中的含量均有所下降.主要原因为,气态苯随孔隙气体一起被抽出,苯在气相中的含量降低,在浓度梯度的作用下,苯从液相和NAPL相中挥发后进入气相,进而被抽出. T3阶段为抽提间歇期,由于T2阶段苯在气相中的含量降低,苯在气-液-NAPL相间的平衡打破,在浓度梯度作用下,苯从NAPL相中挥发后进入气-液相两相,进而导致苯在气相和液相中的含量上升. T4阶段为2 h土壤气相抽提,苯在三相间的传质过程与T2阶段相似. T5阶段为抽提后静置期,苯在三相间的传质过程应与T3阶段相似.然而,T5阶段的模拟时间为720 h,远高于T2阶段的2 h、T3阶段的24 h和T4阶段的2 h. T5阶段苯在气相浓度梯度作用下,有充分的时间从砂箱土体挥发至空气中,从而促进苯从液相和NAPL相挥发到气相当中.同时,T5阶段模拟温度为5 ℃,高于T2、T3和T4阶段模拟温度1 ℃,导致苯的挥发性强于T2、T3和T4阶段,更易从液相和NAPL相挥发到气相当中,因此导致苯的去除主要在T5阶段.

图 8 苯在气-液-NAPL相中的质量变化 Figure 8 Change of the benzene mass in gas-aqueous-NAPL phase

图 8所示,T1阶段为稳定阶段,苯在气-液-NAPL相间的质量分配分别为9.2%、32.9%、57.9%,表明苯主要存在于NAPL相中. T2阶段为气相抽提阶段,苯在气-液-NAPL相中的质量均下降,苯在三相间的总质量下降0.184 g,苯在气-液-NAPL相中的质量分别下降21.7%、72.8%、5.5%,表明气相抽提阶段苯在液相中的质量下降最多. T3阶段为抽提间歇期,苯在NAPL相中的质量下降0.063 g,在气-液两相中的质量分别上升22.5%、77.5%,表明间歇期苯从NAPL相中挥发后进入气-液两相,超过2/3的苯运移到液相中. T4阶段为气相抽提阶段,苯在气-液-NAPL相中的质量均下降,苯在三相间的总质量下降0.094 g,苯在气-液-NAPL相中分别下降20.2%、68.1%、11.7%,表明气相抽提阶段苯在液相中的质量下降最多. T5阶段为抽提后静置期,经30 d后,苯在气-液-NAPL相间的质量分配分别为16.7%、64.4%、18.9%,与T1阶段相比,NAPL相所占比例下降,气-液两相所占比例上升,表明苯从NAPL相中挥发后进入气-液两相.综上所述,两次抽提过程中,苯在“气-液-NAPL”三相中的质量均减少,减少比例近似为2:7:1,苯在液相中的质量降幅最大;在间歇期,苯由“NAPL相”以近似3:7的比例向“气、液”两相运移.

由分析可知,在自然状态下,苯从NAPL相中挥发后进入气-液两相,苯在NAPL相中的质量降低最多;在气相抽提状态下,苯在气-液-NAPL相中的质量均减少,苯在液相中的质量降低最多;在抽提间歇期,苯以近似3:7的转移比从NAPL相中向气-液两相中转化;为强化SVE修复效果,应重点加强液相中苯的质量的降低.

4 结论

a) 该研究试验在-15~0 ℃低温条件下,经过T2与T4阶段4 h的SVE技术应用与T5阶段30 d的静置,苯、甲苯、乙苯和邻二甲苯的去除率分别为89.8%、71.3%、29.7%和14.4%.可见,低温条件下苯系物各污染组份在SVE状态和自然静置状态下的变化情况不同,对于苯而言,在-15~0 ℃区间内可应用SVE技术,强化苯的去除效果.此外,低温环境下生物降解对于SVE去除BTEX的影响有待下一步研究深化.

b) 根据试验过程建立的TMVOC模型,能够较好的模拟苯系物在低温环境下和SVE应用过程的分异演化规律,为低温条件下土壤气相抽提技术的应用提供科学参考.由模拟结果可知,在自然状态下,苯从NAPL相中挥发后进入气-液两相,NAPL相中苯的质量降低最多;在气相抽提状态下,苯在气-液-NAPL相中的质量均减少,苯在液相中的质量降幅最大,为强化SVE修复效果,应重点加强液相中苯的质量的降低.

c) 通过分析模型模拟结果中污染物在气相、液相和NAPL相中质量变化情况,说明试验过程中污染物发生了气-液-NAPL相间转移,SVE促进了苯系物从液相以及NAPL相挥发到气相中.在SVE修复过程中,可以通过监测场地气相中污染物的浓度来实现模型的建立与矫正,利用模型模拟结果分析实际污染场地中污染物在土壤气-液-NAPL相间的迁移转化情况,从而评估污染场地各监控点的SVE实时修复效果.

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