原位空氣擾動技術在本科實驗教學中的應用

白 靜, 趙勇勝, 秦傳玉

(吉林大學 環(huán)境與資源學院,長春 130021)

原位空氣擾動技術在本科實驗教學中的應用

白 靜, 趙勇勝, 秦傳玉

(吉林大學 環(huán)境與資源學院,長春 130021)

按照實驗設計，在一維有機玻璃模擬柱中填裝一定高度固定粒徑的石英砂，利用蠕動泵從柱體底部的進樣口泵入一定濃度的甲苯溶液，靜置一段時間后，在土柱底部利用空氣泵曝氣，在不同曝氣時間下于柱體側面的取樣口取水樣，分析甲苯的濃度變化。實驗分組進行，主要考察了曝氣、介質粒徑和曝氣方式對甲苯修復效果的影響。實驗結果表明，對于0.25～0.5 mm的中砂介質，最佳曝氣量為500 mL/min，曝氣初期，距離曝氣點最遠的上部取樣口處甲苯的相對濃度有短暫上升趨勢，但隨著曝氣時間延長，所有取樣口甲苯濃度均逐漸下降；相同曝氣量條件下，介質粒徑越大，修復效果越好；對于0.1～0.25 mm的細砂介質來說，間歇曝氣方式優(yōu)于連續(xù)曝氣。以上實驗結果表明，原位空氣擾動修復技術能有效去除地下水中揮發(fā)性的甲苯，同時修復效果受曝氣量、介質粒徑和曝氣方式影響。

空氣擾動； 實驗教學； 實驗方案； 實驗設計

0 引 言

隨著工業(yè)化和城市化的發(fā)展，地下水受到了嚴重污染[1-2],污染帶來的危害已經引起了國家的高度重視。針對上述嚴峻問題，除了從法律法規(guī)等方面進行制約外[3]，對于已經被污染的地下水的修復治理也迫在眉睫。

吉林大學環(huán)境工程專業(yè)依托科研成果轉化[4-14]，針對地下水中揮發(fā)和半揮發(fā)性有機污染物的修復治理，將原位空氣擾動修復技術引入本科生實驗教學。同時針對目前實驗課教學存在的問題[15-16]，在教學模式上進行了相應改革[17]。通過學生自主設計實驗方案和實施操作，提升學生在環(huán)境污染場地修復領域的專業(yè)技能，鍛煉學生科學的思維方法。本文僅以2015年本科生原位空氣擾動修復技術的實驗課為例，詳細說明該技術在本科實驗教學中的應用。

1 實驗材料與儀器

1.1實驗材料

選取石英砂模擬含水層介質，篩取0.1～0.25、0.25～0.5和0.5～1.0 mm 3種粒徑的石英砂陰干備用。目標污染物選擇揮發(fā)性的有機物甲苯。

1.2實驗儀器

有機玻璃柱、氣相色譜儀、千分之一電子天平、移液槍、曝氣泵、蠕動泵、流量計、壓力表等。

2 實驗方案

實驗選擇曝氣量、介質粒徑和曝氣方式3種因素，分析其對甲苯修復效果的影響，實驗總計分為7組，每組3或4人，具體實驗方案見表1。實驗具體操作過程為：選用內徑50 mm、高1 000 mm的有機玻璃模擬柱，柱體上分布3個取樣口，3個取樣口距離底部布水隔板的距離分別為50、350和650 mm，在每個取樣口內填充濾布，防止取樣時石英砂流出。

表1 實驗參數一覽表

在土柱底部布水隔板上鋪設單層濾布，防止石英砂阻塞布水孔。在柱的頂端少量多次加入石英砂并夯實，避免形成大的空隙和斷層，填裝高度為800 mm，填裝完畢后，將土柱密封，由底部的進樣口泵入一定濃度的甲苯溶液，靜置一段時間后，在3個取樣口取樣分析甲苯的初始濃度，然后利用曝氣泵由柱的底部進行曝氣，在不同累積曝氣時間下于各取樣口取水樣。

曝氣開始階段，曝氣量必須非常緩慢地由小逐漸調大，待達到規(guī)定曝氣量后，記錄曝氣時間。實驗裝置示意圖見圖1。

1-污染物溶液,2-蠕動泵,3-止水夾,4-下部取樣口,5-中部取樣口,6-上部取樣口,7-維土柱,8-流量計,9-壓力表,10-曝氣泵,11-活性炭柱

圖1 實驗裝置示意圖

3 結果與分析

3.1曝氣量影響

實驗介質選用0.25～0.50 mm的石英砂，曝氣量選擇分別為300、400、500和600 mL/min，甲苯的去除效率見圖2。由圖可知：對于中砂介質來說，隨著曝氣量的增加，甲苯的去除率逐漸增加，但是曝氣量增大到600 mL/min時，較500 mL/min的去除率提高不大，從能耗角度考慮，實驗得出結論：500 mL/min為最佳曝氣量。

圖2 不同曝氣量對甲苯修復效率的影響

在500 mL/min曝氣量條件下，以曝氣前各個取樣口處水樣中甲苯的初始濃度為C0，不同曝氣時間下水樣中甲苯的濃度為C，則甲苯相對濃度C/C0變化如圖3所示。由圖3可知：在整個曝氣期間，下部和中部取樣口處甲苯的相對濃度隨著曝氣時間延長逐漸下降，但在曝氣初期，上部取樣口處水樣中甲苯的相對濃度有短暫上升，隨著曝氣時間延長，相對濃度逐漸下降。

圖3 不同取樣口處水中甲苯濃度變化

曝氣結束后(曝氣時間1 400 min)，可以發(fā)現(xiàn)在3個取樣口處均能檢測到低濃度的甲苯，此時修復進入拖尾階段，在該階段，甲苯由固相吸附態(tài)解吸進入水中成為限制修復效果的主要因素。

3.2介質粒徑影響

圖4是曝氣量500 mL/min條件下，不同含水層介質中甲苯的修復效果。由圖可知：甲苯在細砂介質中的去除率為83%，在中砂和粗砂介質中則達到99%以上。由圖4還可以發(fā)現(xiàn)，粗砂和中砂介質中甲苯的修復效果相當，但是在曝氣200 min左右，粗砂介質中甲苯的修復效果就已經達到95%以上，修復效率優(yōu)于在中砂中的修復效果。

圖4 不同介質粒徑對甲苯修復效果的影響

3.3曝氣方式影響

圖5所示為0.10～0.25 mm介質中不同曝氣方式下甲苯的去除率。由圖5可知：在曝氣初期的100 min內，兩種曝氣方式的修復效果差距不大，這主要是水中甲苯濃度較高，甲苯由液相向氣相的傳質為主要影響因素，但隨著曝氣時間延續(xù)，間歇曝氣方式的修復效果要優(yōu)于連續(xù)曝氣，這可能是水相中甲苯濃度逐漸減小，甲苯由固相的吸附態(tài)解吸進入液相成為了修復的限制因素。間歇曝氣方式在反復的停止和開始曝氣過程中，可能會形成一些新的空氣孔道，增加了氣液兩相的接觸面積，縮短了甲苯在固相-液相之間的傳質距離，從而提高了修復效果。

圖5 不同曝氣方式對甲苯修復效果的影響

以上研究內容為2015年度環(huán)境工程專業(yè)本科生原位空氣擾動修復技術的主要研究內容，得到的實驗數據經過歸納整理后，基本上每位學生都可以得到類似上述的圖表。為便于學生處理實驗數據，以上實驗內容各組既相對獨立又有所關聯(lián)，比如各組的影響因素不同，但污染物甲苯的濃度、曝氣時間、取樣時間等基本一致。按照得到的實驗數據，學生可根據已有知識，進行實驗結果分析。

作為實驗教學的后續(xù)環(huán)節(jié)，實驗報告的編寫則采取較為開放的方式。各組學生根據共享的實驗數據，以個人為單位編寫實驗報告，允許學生就自己感興趣的部分重點論述，力求所有學生都有所思考，避免實驗報告千篇一律。

4 結 語

污染場地控制與修復課程是吉林大學環(huán)境工程專業(yè)的特色課程，依托科研成果轉化，很多原理、技術成熟的原位修復技術被引入到本科生實踐教學，為國內污染場地控制與修復領域提供了大量技術人才。本文涉及的原位空氣擾動修復技術，修復原理清晰、技術操作具有相關規(guī)范，并且引入該技術的科研團隊具有實際場地修復的成功案例，保證了為本科生開課的相關要求。

污染場地控制與修復實驗課關注學生的主體地位，強調學生的主觀能動性，鼓勵學生和教師的互動。通過教師理論課傳授理論知識，學生課下自主查閱技術最新發(fā)展現(xiàn)狀，設計實驗方案，實驗教師歸納整合，就共同關心科研問題對學生進行分組，學生動手實施實驗方案，科學處理實驗數據，大數據匯總并分析對比等一系列的教師與學生互動，最終完成整個實驗課的教學。除此外，學生還可以就感興趣的其他方面，利用大學生開放性實驗、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃、科研項目等多種形式，直接進入實驗室進行相關研究，全面培養(yǎng)學生提出問題、分析問題和解決問題的能力。

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ApplicationofAirSpargingintheExperimentalTeachingofUndergraduateCourse

BAIJing,ZHAOYongsheng,QINChuanyu

(College of Environment and Resources, Jilin University, Changchun 130021, China)

According to the experimental design, silica sand was filled into an organic glass simulation column with certain height, toluene solution was injected into the column by peristaltic pump from the bottom. After a period of time, aeration by air pump was carried out in the bottom injection port of the soil column. Toluene concentration was analyzed in different aeration time and different sample connection. Experimental group tested the influences of aeration rate, medium size and aeration patterns on the remediation effect. The experimental results indicate that the optimal aeration rate is 500 mL/min for 0.25—0.5 mm sand size. Toluene concentration in the upper sample point has a brief rise trend in the early aeration, but with extended aeration time, all sampling mouth toluene concentration gradually decreases. The bigger of the medium size, the better of toluene remediation effect. For 0.1—0.25 mm of the fine sand medium, intermittent aeration mode is better than that of continuous aeration. The above experimental results show that air sparging is an effective mrthod in situ remediation technology to remove toluene from ground water, and the remediation effect was affected by aeration rate, medium size and aeration patterns.

air sparging; experimental teaching; experimental program; experimental design

G 642.423

A

1006-7167(2017)09-0145-04

2016-11-24

國家自然科學基金項目(3A412S251425)

白 靜(1983-)，女，河北唐山人，實驗師，主要從事污染場地控制與修復方面研究。Tel.: 0431-8499792; E-mail: baijing927@jlu.edu.cn

趙勇勝(1961-)，男，內蒙古達茂旗人,教授，博士生導師，主要從事污染場地控制與修復、地下水污染的模擬預測等研究。Tel.: 0431-8502608; E-mail: zhaoyongsheng@jlu.edu.cn