基于水-力耦合传质区演化规律的低渗污染介质曝气法修复机理

Air sparging is an available remediation technology for the saturated soils contaminated with the volatile organic compounds. However, the hydro-mechanical coupling effect, as well as the evolution of the mass transfer zone, has not been considered in previous mechanism researches, which restricted the application of the air sparging technique to contaminated geo-mediums with low permeability. In this project, investigations of air sparging technology are performed by using a single air-channel apparatus and a two-dimensional Plexiglas tank with consideration of the evolution of mass transfer zone under hydro-mechanical coupling effects. Then, the migrations of gas and contaminants in the flow pathways/networks, as well as the mass transfer zone, are analyzed to reveal the remediation mechanism of air sparging for remediation of contaminated mediums with low permeability. Based on these, a theoretic migration model for description of contaminants during the air sparging will be established with consideration of mass transfer zone evolution under hydro-mechanical coupling effects. The researches performed in this project are in favor of revealing the essential mechanism of the air sparging and expanding its range of application, which are of great importance to the theoretical and practical significance for driving the development of the air sparging remediation technology.

曝气法是治理挥发性有机物污染饱和土体的一种有效修复技术。传统研究中没有考虑曝气过程中的水-力耦合作用及传质区的动态演化规律，限制了该技术在低渗介质中的应用。本课题拟针对遭受挥发性有机物污染的低渗介质，开展系统的单通道曝气和二维模型箱曝气试验，结合微观辅助试验，获取水-力耦合作用下低渗介质中渗流通道/网络传质区的演化规律；开展曝气过程中，气体及污染物在渗流通道/网络及其传质区内的运移特性分析，揭示低渗污染介质的曝气修复机理；在此基础上，构建考虑水-力耦合作用下传质区演化规律及污染土运移特性的低渗介质曝气修复理论模型。预期成果对于揭示曝气法修复挥发性有机物污染低渗介质机理，拓展曝气法修复技术的适用范畴，推动曝气法修复理论与技术的发展和完善等，均具有重要的理论与工程实践价值。

曝气修复技术因成本低、效率高、原位操作简单、环境友好等优点，被广泛用于砂土、砾石土等中高渗土体挥发性有机物污染的修复。然而对于低渗土体，因其极低的渗透性和强毛细阻滞效应，曝气修复技术的应用受到极大限制。为此，深入研究低渗土体中水、气、污染物运移特性，揭示曝气修复受限机制，并针对性的研发新型强化曝气修复技术具有十分重要的实践意义。.本项目首先研究了甲基叔丁基醚（MTBE）污染下低渗土体工程性质的劣化效应，分析了常规曝气修复技术在低渗污染土体治理中的局限性。进一步，研究了表面活性剂增强曝气在低渗土体治理中的可能性，并提出了压力梯度增强曝气和控制孔压增强曝气两种新技术。通过室内试验，对曝气过程中污染物浓度、孔隙水压力、饱和度等指标进行了系统的研究，探讨了增强曝气技术的修复机制和修复特性。所得的重要结果如下：.（1）MTBE 污染低渗土体后，低渗土体的压缩指数、渗透系数、污染物滤出浓度和电阻率增大，无侧限抗压强度减小。.（2）低渗污染土体因自身的低渗透性和强毛细阻滞效应，常规曝气过程中施加的气压难以在土中形成有效渗流通道，污染物主要以溶解扩散的方式运移，总去除率低于10%。.（3）低渗土体表面活性剂增强曝气去除率提高到60%以上，其主要控制机制为污染物的解吸/扩散。.（4）压力梯度增强曝气过程中形成压力梯度克服毛细阻力，促成排水及有效渗流通道的形成。同时加速渗流通道附近污染物的传质过程，大幅提升曝气修复效果。.（5）控制孔压增强曝气过程中较大的力学作用致使新的气体渗流通道的产生和原有渗流通道的膨胀扩张，增加污染物与空气接触面积，曝气修复效果进一步提升。当孔压为100kPa时，控制孔压增强曝气 技术修复后的 MTBE 总去除率达到近80%。.三种增强曝气修复技术的修复特性与修复机制的研究，对于提高低渗污染土体曝气修复效果，拓展曝气法修复技术的的适用范畴，推动曝气法修复理论与技术的发展和完善等，均具有重要的理论与工程实践价值。