用于模拟含水层中DNAPL污染物的表面活性剂强化修复过程的实验装置及方法

摘要

本发明涉及一种用于模拟含水层中DNAPL污染物的表面活性剂强化修复过程的实验装置及方法。本发明采用二维可视化砂箱模拟含水层，可以直接观测和记录DNAPL污染羽在垂向和水平向的运移，并定量计算污染物的扩散面积变化，在修复效率估算和污染物迁移风险控制上具有直观可视化优势，可以在工程前期优化工艺尤其是优选表面活性剂的种类及其浓度。

说明书

技术领域

本发明涉及环境污染治理技术领域，具体涉及一种用于模拟含水层中 DNAPL污染物的表面活性剂强化修复过程的实验装置及方法。

背景技术

随着化工工业的发展，在产品的生产、运输、存贮和使用过程中，每年有 大量的有毒有机物进入土壤和地下水环境中，成为一类重要的污染物质。其中 的重非水相液体（DNAPL）密度比水大，常穿透包气带进入饱和含水层。在饱 和含水层中向下迁移时，遇到粒径较细的土壤层时可能无法穿透，堆积在其上 形成DNAPL聚集区。由于1,2-DCA和PCE之类的DNAPL具有较低的水溶解 度和较高的与水之间的界面张力，传统的抽出处理法对其修复效果不佳，目前 采用较多的方法是加入表面活性剂进行强化抽出处理（Surfactant Enhanced  Aquifer Remediation，简称SEAR）。SEAR技术的原理是通过加入表面活性剂， 提高难溶有机污染物在水中的溶解度和移动性，通过设在含水层中的抽取井造 成的水力梯度，将污染物混合液抽取到地表进行分离、处理，最后将处理后达 标的水外排或重新灌入到地下水中。

运用SEAR技术对DNAPL进行处理，当表面活性剂溶液流经DNAPL聚集 体时，可能同时存在增流作用和增溶作用两种过程。以往的研究大多认为，增 流作用可能会造成DNAPL的垂直迁移，使污染羽进一步扩大，因此在选择表面 活性剂时通常追求较高的增溶效果，对于降低油水界面张力的效果大多尽量抑 制。为了抑制表面活性剂对DNAPL的增流作用，需要大量的前期实验来选择合 适的表面活性剂配比。尽管这样，实际修复过程中加入表面活性剂后DNAPL的 迁移扩散很难完全避免。若以增溶原理进行修复，要达到较高的增溶效果一般 需要很高的表面活性剂投放量，在高成本的同时还带来了表面活性剂对土壤的 污染和生态风险。此外，场地地下含水层中多孔介质的结构、粒径与孔径分布 等都对表面活性剂的增溶与增流效果存在影响。因此根据实际场地中的污染物 组成和水文地质情况选择合适的表面活性剂来提高修复效率，减少表面活性剂 用量是SEAR技术的重点。

为了对表面活性剂的增溶与增流作用进行评估，修复工程前期需要进行模 拟实验。以往的模拟实验很多采用一维柱实验，虽然能较好的验证表面活性剂 的增溶效果，但由于难以直接观测加入表面活性剂后DNAPL污染羽的迁移情 况，对表面活性剂的增流作用及其对修复效率的影响难以进行准确的评估。后 来的模拟实验较多采用二维砂箱，不仅可以模拟地下含水层中的非均质性及其 影响，而且能直观观测加入表面活性剂后DNAPL污染羽的迁移流动。

现有的二维砂箱实验装置存在一些不足，比如抽出液中的污染物没有经过 处理就直接排放，没有较好的手段方便地测试砂箱中污染物分布面积。Taylor 等（Taylor,T.P.;Pennell,K.D.;Abriola,L.M.;Dane,J.H.,Surfactant enhanced  recovery of tetrachloroethylene from a porous medium containing low permeability  lenses:1.Experimental studies.Journal of Contaminant Hydrology2001,48,(3-4), 325-350.）设计的二维砂箱由无机玻璃板和铝合金构成，但该装置缺少循环处理 部分和数码图像成像分析部分。

国内李隋等（李隋等.表面活性剂强化抽取处理修复DNAPL污染含水层 的实验研究.吉林大学,2008.）设计的含水层实验装置是由聚氯乙烯板做成的封 闭式矩形槽，具体设计为：渗流槽长为120cm，宽为32cm，高为56cm，两边各 有宽为6cm的布水空格，隔板上密布有直径为0.15cm布水孔。槽子正面布有 10列6行共60个直径为2cm的取样孔。进水孔在槽子正面的左下角，出水孔 在另一侧面距槽底24cm的位置。该装置的厚度达到32cm，已经不属于二维砂 箱的尺度范畴，取样只能通过正面的取样孔，会对砂箱内的流场产生干扰，且 缺少循环处理部分和数码图像成像分析部分。

本发明为修复工程前期的修复条件优化和修复结果模拟提供方便的可视化 定量研究方法。以往工程前期为了优化表面活性剂的配比大多进行一维柱实验， 虽然能较好的验证表面活性剂的增溶效果，但由于难以直接观测加入表面活性 剂后DNAPL污染羽的迁移情况，对表面活性剂的增流作用及其对修复效率的影 响难以进行准确的评估。本方法采用二维可视化砂箱模拟含水层，可以直接观 测和记录DNAPL污染羽在垂向和水平向的运移，并定量计算污染物的扩散面积 变化，在修复效率估算和污染物迁移风险控制上具有直观可视化优势，据此可 以在工程前期优化工艺尤其是优选表面活性剂的种类及其浓度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种用于模拟含水层中 DNAPL污染物的表面活性剂强化修复过程的实验装置及方法。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的目的之一在于提供一种用于模拟含水层中DNAPL污染物的表面 活性剂强化修复过程的实验装置，所述装置包括二维可视化砂箱、循环系统及 表面活性剂加入装置。

所述二维可视化砂箱向上开口，其横向上由带滤孔的隔板分隔为两端的水 槽及中间的砂槽；所述二维可视化砂箱前方设置有定时取像装置。本发明所述 二维可视化砂箱前后为无色透明无机玻璃，两侧和底部为无色透明有机玻璃条， 以形成二维砂箱。用玻璃胶对两侧和底部进行密封，其开口用于填砂及加入污 染物。所述带滤孔的隔板可选用带滤孔的有机玻璃条，能够使水透过即可。所 述定时取像装置可将数码相机放置于砂箱前，设置好曝光参数后连接到电脑上， 利用Nikontrol3k软件定时取像。

所述循环系统包括活性炭柱、水箱和分别置于二维可视化砂箱两端水槽中 的抽水井模拟管及回灌井模拟管，所述抽水井模拟管接入活性炭柱的底部，活 性炭柱的顶部与水箱连通，水箱再连接回灌井模拟管，以形成循环通路；

所述表面活性剂加入装置连入水箱中，以向水箱中加入表面活性剂溶液。

所述抽水井模拟管与活性炭柱底部之间依次设有第一蠕动泵和三通阀；所 述水箱与回灌井模拟管之间设有第二蠕动泵。利用蠕动泵模拟实际工程中的抽 水泵，可以对抽水流速进行调节。三通阀的主要作用在于模拟过程中定时取水 样，以检测分析DNAPL污染物的浓度变化。

所述表面活性剂加入装置与水箱之间设有第三蠕动泵。第三蠕动泵的作用 在于向水箱中加入表面活性剂溶液。

所述二维可视化砂箱的内壁采用磨砂面，避免发生壁面效应。

所述二维可视化砂箱后方平行设置有透射光源。为消除砂箱表面反射光线 干扰，实验在黑暗环境中进行，在砂箱后方平行放置灯箱作为光源，灯箱长宽、 高度都与砂箱一致，灯箱内置4根荧光灯管，用匀光板将光线导出以保证光线 均匀。

所述活性炭柱的顶层和底层覆盖碎石，中间填充椰壳活性炭。经实验验证， 活性炭柱可以有效吸附水中的DNAPL污染物和表面活性剂，避免直接排放抽出 液造成污染。

所述抽水井模拟管及回灌井模拟管为下部设置滤孔的有机玻璃管。

本发明的目的之二在于提供一种利用所述实验装置模拟含水层中DNAPL 污染物的表面活性剂强化修复过程的实验方法，所述实验方法包括以下步骤：

1）向二维可视化砂箱中注水；

2）在饱水状态下向砂槽中均匀填充粗石英砂；在填充过程中，设置细石英 砂层以模拟弱透水层，其上注入经染色的DNAPL污染物，形成聚集体；继续填 充粗石英砂至水面以下；

3）通过抽水井模拟管从二维可视化砂箱向活性炭柱中抽水，经吸附处理后 流入水箱中；将水箱中的水灌入回灌井模拟管中，形成循环；循环过程中使二 维可视化砂箱中水位保持稳定；

4）根据循环系统中水的流量计算出单位时间内向水箱中加入表面活性剂溶 液的量，使水箱中表面活性剂溶液的浓度保持恒定；

5）在抽水井模拟管和活性炭柱之间定时取水样，分析DNAPL污染物的浓 度变化并作出曲线图，评估表面活性剂增强修复含水层中DNAPL污染物的效 率；

6）对记录的数码图像进行分析；根据DNAPL污染羽的形态变化和分布面 积，评估DNAPL迁移扩散的风险。

本发明所述的粗石英砂与细石英砂是相对而言的。本领域技术人员为了在 粗石英砂中形成弱透水层，可以根据现有技术选择粗石英砂和细石英砂的粒径。 例如，可选择0.95mm或0.60mm的粗石英砂作为多孔介质，选择0.30mm的细 石英砂作为弱透水层。

本发明对弱透水层在粗石英砂中的位置不做特殊要求，本领域技术人员应 根据实际的地层情况进行选择。

本发明所述的“饱水状态”是指在二维可视化砂箱中注水后，向水中均匀 填充粗石英砂，填充至水面以下。填充过程自始至终在饱水状态下进行，以防 止石英砂的孔隙中存在气泡。

弱透水层上注入经染色的DNAPL污染物后，由于未达到该弱透水层细粒介 质的入渗压，污染物被弱透水层截留形成聚集体。

所述实验方法在黑暗环境中进行，实验开始后打开透射光源，以使射入二 维可视化砂箱各处的光线均匀。

所述粗石英砂在填充前依次用0.05mol/L NaOH、0.05mol/L HNO₃、5%过 氧化氢分别浸泡3h，再用去离子水反复冲洗后自然风干。

所述细石英砂层优选为向下凸的弧形。这种设计能够使污染物在细石英砂 层上被截留形成聚集体，避免污染物向两侧扩散迁移，从而在实验开始后可以 更好地评价DNAPL迁移扩散的风险。

所述DNAPL污染物用苏丹红IV染色。苏丹红IV已被广泛用于NAPL污 染物的染色示踪实验，烧杯实验证明苏丹红IV染色的DNAPL不会被表面活性 剂脱色。

本发明可通过三通阀定时取水样，用顶空气相色谱法分析DNAPL污染物的 浓度变化。

在具体模拟实验过程中，本发明可选择1,2-DCA和PCE作为DNAPL污染 物，选择十二烷基苯磺酸钠（SDBS）作为表面活性剂，通过改变DNAPL污染 物类型、粗石英砂粒径、表面活性剂浓度、抽水流速等因素，对含水层中DNAPL 污染物的表面活性剂强化修复过程进行模拟，以在工程前期优化工艺尤其是优 选表面活性剂的种类及其浓度。

例如，通过在两种不同粒径的粗石英砂中分别加入表面活性剂与不加表面 活性剂情况下抽水实验的过程，考查表面活性剂对DNAPL的增强去除效果，及 DNAPL污染物自身理化性质、多孔介质粒径等对表面活性剂增强修复过程中增 溶与增流作用的影响。

通过记录DNAPL污染物在两种粒径的粗石英砂二维砂箱中分别在不同抽 水流速与加入不同浓度的表面活性剂溶液条件下抽水实验的过程，考查不同表 面活性剂投放浓度、抽水流速及多孔介质粒径条件下SEAR过程中DNAPL的迁 移扩散对抽出效率的影响。

与已有技术方案相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用二维可视化砂箱模拟含水层，可以直接观测和记录DNAPL 污染羽在垂向和水平向的运移，并用数码图像分析方法定量计算污染物的扩散 面积变化，在修复效率估算和污染物迁移风险控制上具有直观可视化优势，据 此可以在工程前期根据场地情况优化工艺尤其是优选表面活性剂的种类及其浓 度。

2、采用了活性炭柱处理抽出液，使整个抽出处理系统成为循环系统。

3、砂箱的内壁采用磨砂面，从而有效避免了壁面效应，DNAPL在二维尺 度上的迁移不再只发生在壁面附近，而是在整个砂箱厚度上均匀进行。

4、采用透射光源，而且采用了匀光板，保证射入砂箱各处的光线均匀。实 验在黑暗环境中进行，能消除砂箱玻璃表面反射光线的干扰，使后期对实验图 像进行定量分析时源于外界的误差尽可能小。

附图说明

图1是本发明所述实验装置的结构示意图；

图2是本发明所述实验装置的实物图：（a）正面图；（b）侧面图；

图3是本发明所述实验方法的流程图。

图中：1-二维可视化砂箱；2-表面活性剂加入装置；3-抽水井模拟管；4-回 灌井模拟管；5-活性炭柱；6-水箱；7-第一蠕动泵；8-三通阀；9-第二蠕动泵； 10-第三蠕动泵。

下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子， 并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限 制性的实施例如下：

如图1和图2所示，一种用于模拟含水层中DNAPL污染物的表面活性剂强 化修复过程的实验装置，所述装置包括二维可视化砂箱1、循环系统及表面活性 剂加入装置2。

所述二维可视化砂箱1向上开口，其横向上由带滤孔的隔板分隔为两端的 水槽及中间的砂槽；所述二维可视化砂箱1前方设置有定时取像装置，后方平 行设置有透射光源；所述二维可视化砂箱1的内壁采用磨砂面。

所述循环系统包括活性炭柱5、水箱6和分别置于二维可视化砂箱1两端水 槽中的抽水井模拟管3及回灌井模拟管4，所述抽水井模拟管3接入活性炭柱5 的底部，活性炭柱5的顶部与水箱6连通，水箱6再连接回灌井模拟管4，以形 成循环通路；所述活性炭柱5的顶层和底层覆盖碎石，中间填充椰壳活性炭。

所述表面活性剂加入装置2连入水箱6中，以向水箱6中加入表面活性剂 溶液。

所述抽水井模拟管3与活性炭柱5底部之间依次设有第一蠕动泵7和三通 阀8；所述水箱6与回灌井模拟管4之间设有第二蠕动泵9。所述表面活性剂加 入装置2与水箱6之间设有第三蠕动泵10。所述抽水井模拟管3及回灌井模拟 管4为下部设置滤孔的有机玻璃管。

以下为通过本发明所述的实验装置模拟含水层中DNAPL污染物的表面活 性剂强化修复过程的具体实验方法示例。工艺流程如图3所示。

所用二维可视化砂箱的尺寸为高50cm，宽80cm，厚1cm。砂箱前后为厚 0.5cm的无色透明无机玻璃，为避免发生壁面效应，内壁采用磨砂面，两侧和底 部为无色透明有机玻璃条，用玻璃胶对侧部和底部进行密封，上部开口用于填 砂及加入污染物。砂箱横向上由带滤孔的有机玻璃条隔为3部分，中间60cm宽 度填砂，两侧为各10cm宽的水槽。为消除砂箱表面反射光线干扰，实验在黑暗 环境中进行，在砂箱后方平行放置灯箱作为光源，灯箱内置4根荧光灯管，用 匀光板将光线导出以保证光线均匀。数码相机（Nikon D90）放置于砂箱前100cm 处，设置好曝光参数后连接到电脑上，利用Nikontrol3k软件定时取像。

实验选用半透明石英砂作为多孔介质，装填前依次使用0.05mol/L NaOH、 0.05mol/L HNO₃、5%过氧化氢分别浸泡3h，去离子水反复冲洗后自然风干。

实验前先往砂箱中注入一定高度的去离子水，在饱水状态下用漏斗往中间 60cm宽砂槽中均匀填充石英砂，每填2cm高度敲击外壁使石英砂落实。在距砂 箱右侧20cm，底部16cm高处为中心，设置1cm厚的弧形细石英砂层模拟弱透 水层，其上注入5ml用80mg/L苏丹红IV染色的DNAPL污染物。由于未达到 该弱透水层细粒介质的入渗压，污染物被弱透水层截留形成聚集体。设置完污 染物聚集体后继续充填石英砂，直至达到36cm高度。

实验中用直径1cm，下部20cm带滤孔的有机玻璃管插入两边水槽中模拟抽 水井与回灌井，利用蠕动泵模拟抽水泵。将连接第一蠕动泵的胶管一端插到左 侧抽水井的有机玻璃管中，另一端连接到活性炭柱的底部，抽出的水从活性炭 柱底部进入，经活性炭柱吸附处理之后从顶部流出，经过胶管进入到水箱中。 活性炭柱高100cm，内直径30cm，顶层和底层覆盖碎石，中间填充椰壳活性炭。 第二蠕动泵连接的胶管将水从水箱中抽出，灌入到回灌井中，形成循环系统。 第一蠕动泵和第二蠕动泵控制在相同流量，使砂箱中水位保持稳定，并控制砂 箱中部的水位高度维持在30cm。需要向抽水体系中加入表面活性剂时，根据循 环系统中水的流量计算出每分钟需要加入的表面活性剂量，用第三蠕动泵将事 先配好的表面活性剂溶液抽取到水箱中，使水箱中表面活性剂溶液的浓度保持 恒定。在抽水井与活性炭柱之间设置三通阀，实验中定时取水样，用顶空气相 色谱法分析DNAPL污染物的浓度变化。

实验结束后利用Photoshop CS5软件对实验过程中记录的数码图像进行截 图，去除实验装置和其它背景信息。截图后照片分辨率均为2423×887像素， 每个像素约为0.2mm×0.2mm，截取图片实际大小为48.46cm×17.74cm。图 形信息提取在ImageJ软件中完成。ImageJ是一个基于java的图像处理软件，具 备多种图像处理和分析功能，能进行图片的区域和像素统计，已被广泛应用。 在ImageJ中设置一定的阈值对污染物分布范围进行信息提取，然后进行二值化， 设定染色区域为黑色，其余部分为白色。最后对二值化的图形利用ImageJ软件 的measure指令测量黑色区域的面积，以像素点为单位统计记录面积值。

水样中DNAPL浓度按照USEPA-8260C方法在气相色谱-质谱仪(GC,USA  Agilent Technologies5973;MS,USA Agilent Technologies5975)中进行测定。气相 色谱仪采用DB-VRX毛细管柱(60m×0.25mm ID×1.4μm;Agilent  Technologies)，以流量为1.2ml/min的氦气作为载气，注射器和烘箱的最高温度 设定为230℃。检测下限为0.05mg/L。

根据实验中得到的水样中DNAPL浓度变化作出曲线图，可以评估该工艺下 表面活性剂增强修复含水层中该种DNAPL污染物的效率。根据图像记录的 DNAPL污染羽形态变化和分布面积，可以评估该工艺下DNAPL迁移扩散的风 险。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征以及方 法，但本发明并不局限于上述详细结构特征以及方法，即不意味着本发明必须 依赖上述详细结构特征以及方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了， 对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、 具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施 方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进 行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征， 在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重 复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不 违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。