VOCs污染土体曝气修复试验装置及试验方法

摘要

本发明提供了一种VOCs污染土体曝气修复试验装置及试验方法，属于环境岩土工程技术领域。可用于常规曝气试验、微生物曝气试验、渗流管曝气试验和微生物‑渗流管曝气。其主体装置包括试验箱、试样层、粗砂层、吸附层、多个渗流管和水箱等。试验箱中插入渗流管，曝气时以形成渗流场。试验过程中，通过试验箱中的吸附层和渗流管中的活性炭对VOCs进行吸附，可以通过控制试样不同干密度以及不同曝气压力大小，对常规曝气、微生物曝气、渗流管曝气、微生物‑渗流管曝气的修复效率进行定量评价。该试验装置及方法的发明对于曝气法技术范围的拓展及应用具有重要的工程实际意义和理论研究价值。

说明书

技术领域

本发明涉及环境岩土工程技术领域，具体地，涉及一种VOCs污染土体曝 气修复试验装置及试验方法。

背景技术

污染物主要有三类，有机污染物、重金属污染物以及放射性污染物，其 中有机物对土壤和地下水的污染最为严重，已经超过了重金属和放射性污染 物，成为我国目前土壤和地下水污染最主要的来源。在诸多土壤问题中，挥 发性有机物(VOCs)如石油烃类污染物、有机氯化溶剂等在石油及化工类污 染场地中普遍存在，已成为我国城市污染场地中潜在危险性大的主要毒性污 染物之一。针对这一问题，目前已有多种修复技术，如抽出-处理技术、可渗 透反应屏障技术、原位热处理技术、植物修复等。其中，曝气法修复技术因 其具有成本低、效率高、原位操作、环境友好等优势，已成为目前处置饱和 土体和地下水中挥发性有机污染物的一种有效方法。据统计，1982-2011年 间，美国“超级基金”完成的447个地下水污染原位修复项目中，使用AS 处理的共有92个，占总量的21％。

曝气法修复技术广泛地应用于砾石土、砂土等高渗透性有机污染土的修 复治理，室内试验中经常采用玻璃珠替代土质材料以方便对气体运移形态进 行可视化研究。然而，由于实际污染场地地层的复杂性和非均匀性，曝气法 修复效果往往受到限制。因此，为提高曝气修复效果，近年来表面活性剂强 化曝气技术开始被广泛使用。而研究证明过多使用化学表面活性剂，如阴离 子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性表面活性剂、非离子表面活性剂及 其他特殊表面活性剂等，可能造成二次污染。

因此，为解决以上问题，从曝气法机理着手，研制了一种VOCs污染土体 曝气修复试验装置及试验方法。该试验装置及试验方法的发明对于曝气法技 术范围的拓展及应用具有重要的工程实际意义和理论研究价值。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题而发明了一种VOCs污染土体曝气修 复试验装置及试验方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现。

本发明提供了一种VOCs污染土体曝气修复试验装置，包括主体装置和注 入装置，所述主体装置包括试验箱、试样层、粗砂层、吸附层、均匀布设在 试验箱内的多个渗流管和两个水箱；

所述试验箱为横截面为矩形的无盖空心箱体，箱体内腔的高度为H；在 试验箱底板的中心位置开有一个通孔，且在通孔的上部装有一个扩散器，扩 散器的孔洞与通孔相通；将试验箱上任意两个平行的箱板记为A板，其中一 个A板上均匀布设多个取样孔；将试验箱上另外二个平行的箱板记为B板， 在两个B板上均匀布设多个注水孔，注水孔通过注水管分别与位于试验箱两 侧的两个水箱相通；

在所述试验箱内，自下而上分别为试样构成的试样层、粗砂构成的粗砂 层、活性炭构成的吸附层，其中，试样层的厚度为h、粗砂层的厚度为h

所述的注入装置包括高压气瓶、不锈钢钢管、减压阀A、气体缓冲罐、 减压阀B、压力传感器、开关、液压泵和三通球阀；不锈钢钢管的一端与高 压气瓶相通，另一端依次通过减压阀A、气体缓冲罐、减压阀B、压力传感器、 开关与三通球阀的一端相通；三通球阀的另一端通过不锈钢钢管与液压泵相 通，三通球阀的主通道通过不锈钢钢管与试验箱底板上的通孔相通。

优选地，所述粗砂层由粒径为1mm-3mm的砂砾组成。

优选地，所述扩散器和滤网的孔径均为50-500μm。

本发明还提供了一种VOCs污染土体曝气修复试验装置的试验方法，首先 将需要进行试验的试样按照干密度分为m种、按照含水量分为n种，即得到 干密度不同、含水量不同的m×n种预定试样，然后对该m×n种预定试样逐 个进行曝气试验；

其中任一个预定试样的具体试验步骤如下：

步骤1，布设渗流管

将安上堵头的多个渗流管均匀垂直布设于试验箱内；

步骤2，制备试样层、粗砂层和吸附层

首先将预定试样干密度记为ρ

步骤3，预定试样的饱和

向两个水箱中倒入去离子水，去离子水通过注水孔和注水管进入试验箱 并对预定试样进行饱和，当水箱的水位不再下降并稳定在高度h时，停止去 离子水的注入；

步骤4，注入VOCs污染物溶液

首先将质量为M的VOCs污染物溶液通过其中一个取样孔注入试样层中， 对预定试样进行污染，然后按照间隔时间N通过所有取样孔取液样进行检测， 待各个取样孔内VOCs污染物浓度基本稳定后，对取样孔进行封闭，并开始进 行试验；

步骤5，曝气试验类型和曝气压力的设置

所述的曝气试验包括常规曝气试验、微生物曝气试验、渗流管曝气试验 和微生物-渗流管曝气试验中的一种或者任意二种的组合或者任意二种以上 的组合；

在以上任一种曝气试验中，均设定x个曝气压力，将其中任意一个曝气 压力记为曝气压力P

常规曝气试验的具体步骤为步骤6，微生物曝气试验的具体步骤为步骤7， 渗流管曝气试验的具体步骤为步骤8，微生物-渗流管曝气试验的具体步骤为 步骤9；

步骤6，常规曝气试验

步骤6.1，打开高压气瓶的阀门，调节减压阀A使气体经不锈钢钢管进 入气体缓冲罐，通过减压阀B、压力传感器调节气压到曝气压力P

步骤6.2，同时打开开关和三通球阀，即接通三通球阀的主管道、不锈 钢钢管和试验箱底板上的通孔，开始进行常规曝气试验，并按照间隔时间N 通过取样孔抽取液样进行VOCs浓度检测；

步骤6.3，常规曝气试验进行t小时后，结束试验，并测试此时吸附层 中VOCs的含量并记为常规曝气污染含量M

步骤6.4，检查x个曝气压力P

步骤6.5，检查m×n个预定试样中是否还有预定试样未进行以上常规曝 气试验，若有，返回步骤6.1，进行下一个预定试样的常规曝气试验；否则， 结束常规曝气试验；

步骤7，微生物曝气试验

步骤7.1，打开高压气瓶的阀门，调节减压阀A使气体经不锈钢钢管进 入气体缓冲罐，并通过减压阀B、压力传感器调节气压至曝气压力P

步骤7.2，同时打开开关和三通球阀，待三通球阀内的气压达到曝气压 力后，关闭开关，调转三通球阀使之通过不锈钢钢管与液压泵连通，即通过 液压泵将微生物溶液经不锈钢钢管、三通球阀的主通道、通孔和扩散器扩散 至试样层中；

微生物溶液注入完成后，立即调转三通球阀使之与高压气瓶所在不锈钢 钢管连通，打开开关，开始进行微生物曝气试验，并按照间隔时间N通过取 样孔抽取液样进行VOCs浓度检测；

步骤7.3，微生物曝气试验进行t小时后，结束试验，并测试此时吸附 层中吸附的VOCs的量并记为并记为微生物曝气污染含量M

步骤7.4，检查x个曝气压力P

步骤7.5，检查m×n个预定试样中是否还有预定试样未进行以上微生物 曝气试验，若有，返回步骤7.1，进行下一个预定试样的微生物曝气试验； 否则，结束微生物曝气试验；

步骤8，渗流管曝气试验

步骤8.1，打开高压气瓶的阀门，调节减压阀A使气体经不锈钢钢管进 入气体缓冲罐，通过减压阀B、压力传感器调节气压至曝气压力P

步骤8.2，同时打开开关和三通球阀，即接通三通球阀的主管道、不锈 钢钢管和试验箱底板上的通孔，开始进行渗流管曝气试验，并按照间隔时间N通过取样孔抽取液样进行VOCs浓度检测；

步骤8.3，渗流管曝气试验进行t小时后，结束试验，并分别测试此时 吸附层中吸附的VOCs的量、渗流管中活性炭中吸附的VOCs的量，并分别记 为第一渗流管曝气污染含量M

步骤8.4，检查x个曝气压力P

步骤8.5，检查m×n个预定试样中是否还有预定试样未进行以上渗流管 曝气试验，若有，返回步骤8.1，进行下一个预定试样的渗流管曝气试验； 否则，结束渗流管曝气试验；

步骤9，微生物-渗流管曝气试验

步骤9.1，打开高压气瓶的阀门，调节减压阀A使气体经不锈钢钢管进 入气体缓冲罐，通过减压阀B、压力传感器调节气压至曝气压力P

步骤9.2，同时打开开关和三通球阀，待三通球阀内的气压达到曝气压 力后，关闭开关，调转三通球阀使之通过不锈钢钢管与液压泵连通，即通过 液压泵将微生物溶液经不锈钢钢管、三通球阀的主通道、通孔和扩散器扩散 至试样层中；

微生物溶液注入完成后，立即调转三通球阀使之与高压气瓶所在不锈钢 钢管连通，打开开关，开始进行渗流管-微生物曝气试验，并按照间隔时间N 通过取样孔抽取液样进行VOCs浓度检测；

步骤9.3，微生物-渗流管曝气试验进行t小时后，结束试验，并分别测 试此时吸附层中吸附的VOCs的量、渗流管活性炭中吸附的VOCs的量，并分 别记为第一微生物-渗流管曝气污染含量M

步骤9.4，检查x个曝气压力P

步骤9.5，检查m×n个预定试样中是否还有预定试样未进行以上微生物 -渗流管曝气试验，若有，返回步骤9.1，进行下一个预定试样的微生物-渗 流管曝气试验；否则，结束微生物-渗流管曝气试验。

优选地，在试验过程中，需要根据两个水箱水位的高低，实时补充去离 子水，以保证水位维持在h高度。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、试验箱中插入渗流管，在曝气时可以形成渗流场，能够有效修复污染 低渗土体；

2、可进行常规曝气、微生物曝气、渗流管曝气、微生物-渗流管曝气试 验，并定量分析曝气修复效率；

3、该装置及方法原理可应用于指导实际污染场地的修复；

4、本试验装置结构简单，功能齐全，操作便捷。

附图说明

图1是本发明试验装置的总体结构示意图；

图2是本发明中主体装置的结构示意图；

图3是本发明中渗流管的结构示意图。

图中：1、高压气瓶；2、不锈钢钢管；3、减压阀A；4、气体缓冲罐；5、 减压阀B；6、压力传感器；7、开关；8、液压泵；9、三通球阀；10、试验 箱；11、试样层；12、通孔；13、扩散器；14、取样孔；15、渗流管；16、 粗砂层；17、吸附层；18、水箱；19、注水孔；20、注水管；21、堵头；22、活性炭；23、滤网；24、空心管。

具体实施方式

以下结合附图1-图3对本发明的实施例进行详细的描述。

图1为本发明试验装置的总体结构示意图。由图1可见，本发明一种VOCs 污染土体曝气修复试验装置，包括主体装置和注入装置，所述主体装置包括 试验箱10、试样层11、粗砂层16、吸附层17、均匀布设在试验箱内的多个 渗流管15和两个水箱18。

图2是本发明中主体装置的结构示意图，由该图2可见，所述试验箱10 为横截面为矩形的无盖空心箱体，箱体内腔的高度为H；在试验箱10底板的 中心位置开有一个通孔12，且在通孔12的上部装有一个扩散器13，扩散器 13的孔洞与通孔12相通；将试验箱10上任意两个平行的箱板记为A板，其 中一个A板上均匀布设多个取样孔14，用于进行VOCs污染物的注入和液样 的提取。将试验箱10上另外二个平行的箱板记为B板，在两个B板上均匀布 设多个注水孔19，注水孔19通过注水管20分别与位于试验箱两侧的两个水 箱18相通。

在所述试验箱10内，自下而上分别为试样构成的试样层11、粗砂构成 的粗砂层16、活性炭22构成的吸附层17，其中，试样层11的厚度为h、粗 砂层16的厚度为h

图3为本发明中渗流管的结构示意图。由该图可见，所述渗流管15由一 段空心管24和一个圆柱形的滤网23构成，其中，空心管24的一端与滤网 23相连接，另一端记为渗流管的顶端，靠近顶端端面的空心管24的空腔内 装填有活性炭22。将渗流管15垂直穿过吸附层17、粗砂层16插入到试样层 11中，且滤网23的顶面与试样层11的顶面平齐。渗流管15配有堵头21， 用于打开或者堵住渗流管15顶端的管口。

在本实施例中，所述试验箱10为厚1.5cm的有机玻璃制作而成，内腔尺 寸为长100cm，宽4cm，高60cm，即H＝60cm。试样层由试样构成，高度h＝48cm。 粗砂层16由粒径1mm-3mm的砂砾组成，h

所述的注入装置包括高压气瓶1、不锈钢钢管2、减压阀A3、气体缓冲 罐4、减压阀B5、压力传感器6、开关7、液压泵8和三通球阀9。不锈钢钢 管2的一端与高压气瓶1相通，另一端依次通过减压阀A3、气体缓冲罐4、 减压阀B5、压力传感器6、开关7与三通球阀9的一端相通；三通球阀9的 另一端通过不锈钢钢管2与液压泵8相通，三通球阀9的主通道通过不锈钢 钢管2与试验箱底板上的通孔12相通。

具体地，在本实施例中，高压气瓶1可提供0MPa-10MPa的注入气压。减 压阀A3和减压阀B5的量程为均为0.1MPa-10MPa。气体缓冲罐4耐压10MPa。 压力传感器6的量程为10MPa，其精度为0.001MPa。所述的不锈钢钢管2、 减压阀A3、减压阀B5、气体缓冲罐4、开关7、三通球阀9均采用316L低碳 不锈钢制作。

本发明还提供了一种VOCs污染土体曝气修复试验装置的试验方法，其特 征在于，首先将需要进行试验的试样按照干密度分为m种、按照含水量分为 n种，即得到干密度不同、含水量不同的m×n种预定试样，然后对该m×n 种预定试样逐个进行曝气试验。

其中任一个预定试样的具体试验步骤如下：

步骤1，布设渗流管

将安上堵头21的多个渗流管均匀垂直布设于试验箱1内。

步骤2，制备试样层11、粗砂层16和吸附层17

首先将预定试样干密度记为ρ

步骤3，预定试样的饱和

向两个水箱18中倒入去离子水，去离子水通过注水孔19和注水管20 进入试验箱10并对预定试样进行饱和，当水箱18的水位不再下降并稳定在 高度h时，停止去离子水的注入。

步骤4，注入VOCs污染物溶液

首先将质量为M的VOCs污染物溶液通过其中一个取样孔14注入试样层 11中，对预定试样进行污染，然后按照间隔时间N通过所有取样孔14抽取 液样进行检测，待各个取样孔14内VOCs污染物浓度基本稳定后，对取样孔 14进行封闭，并开始进行试验。

在本实施例中，间隔时间N＝2小时。

在本实施例中，当试样层11内VOCs污染物浓度基本稳定后，先在每个 取样孔14内放上过滤网，然后用取样孔胶头套对取样孔14进行封闭。抽取 液样的具体方式是用小号注射器进行液样的抽取。

步骤5，曝气试验类型和曝气压力的设置

所述的曝气试验包括常规曝气试验、微生物曝气试验、渗流管曝气试验 和微生物-渗流管曝气试验中的一种或者任意二种的组合或者任意二种以上 的组合。

在以上任一种曝气试验中，均设定x个曝气压力，将其中任意一个曝气 压力记为曝气压力P

常规曝气试验的具体步骤为步骤6，微生物曝气试验的具体步骤为步骤7， 渗流管曝气试验的具体步骤为步骤8，微生物-渗流管曝气试验的具体步骤为 步骤9。

步骤6，常规曝气试验

步骤6.1，打开高压气瓶1的阀门，调节减压阀A3使气体经不锈钢钢管 2进入气体缓冲罐4，通过减压阀B5、压力传感器6调节气压到曝气压力P

步骤6.2，同时打开开关7和三通球阀9，即接通三通球阀9的主管道、 不锈钢钢管2和试验箱10底板上的通孔12，开始进行常规曝气试验，并按 照间隔时间N通过取样孔14抽取液样进行VOCs浓度检测；

步骤6.3，常规曝气试验进行t小时后，结束试验，并测试此时吸附层 17中VOCs的含量并记为常规曝气污染含量M

在本实施例中，M、M

步骤6.4，检查x个曝气压力P

步骤6.5，检查m×n个预定试样中是否还有预定试样未进行以上常规曝 气试验，若有，返回步骤6.1，进行下一个预定试样的常规曝气试验；否则， 结束常规曝气试验。

步骤7，微生物曝气试验

步骤7.1，打开高压气瓶1的阀门，调节减压阀A3使气体经不锈钢钢管 2进入气体缓冲罐4，并通过减压阀B5、压力传感器6调节气压至曝气压力 P

步骤7.2，同时打开开关7和三通球阀9，待三通球阀9内的气压达到曝 气压力后，关闭开关7，调转三通球阀9使之通过不锈钢钢管2与液压泵8 连通，即通过液压泵8将微生物溶液经不锈钢钢管2、三通球阀9的主通道、 通孔12和扩散器13扩散至试样层11中；

微生物溶液注入完成后，立即调转三通球阀9使之与高压气瓶1所在不 锈钢钢管2连通，打开开关7，开始进行微生物曝气试验，并按照间隔时间N 通过取样孔14抽取液样进行VOCs浓度检测；

步骤7.3，微生物曝气试验进行t小时后，结束试验，并测试此时吸附 层17中吸附的VOCs的量并记为并记为微生物曝气污染含量M

在本实施例中，M

步骤7.4，检查x个曝气压力P

步骤7.5，检查m×n个预定试样中是否还有预定试样未进行以上微生物 曝气试验，若有，返回步骤7.1，进行下一个预定试样的微生物曝气试验； 否则，结束微生物曝气试验。

步骤8，渗流管曝气试验

步骤8.1，打开高压气瓶1的阀门，调节减压阀A3使气体经不锈钢钢管 2进入气体缓冲罐4，通过减压阀B5、压力传感器6调节气压至曝气压力P

步骤8.2，同时打开开关7和三通球阀9，即接通三通球阀9的主管道、 不锈钢钢管2和试验箱10底板上的通孔12，开始进行渗流管曝气试验，并 按照间隔时间N通过取样孔14抽取液样进行VOCs浓度检测；

步骤8.3，渗流管曝气试验进行t小时后，结束试验，并分别测试此时 吸附层17中吸附的VOCs的量、渗流管15中活性炭22中吸附的VOCs的量， 并分别记为第一渗流管曝气污染含量M

在本实施例中，M

步骤8.4，检查x个曝气压力P

步骤8.5，检查m×n个预定试样中是否还有预定试样未进行以上渗流管 曝气试验，若有，返回步骤8.1，进行下一个预定试样的渗流管曝气试验； 否则，结束渗流管曝气试验。

步骤9，微生物-渗流管曝气试验

步骤9.1，打开高压气瓶1的阀门，调节减压阀A3使气体经不锈钢钢管 2进入气体缓冲罐4，通过减压阀B5、压力传感器6调节气压至曝气压力P

步骤9.2，同时打开开关7和三通球阀9，待三通球阀9内的气压达到曝 气压力后，关闭开关7，调转三通球阀9使之通过不锈钢钢管2与液压泵8 连通，即通过液压泵8将微生物溶液经不锈钢钢管2、三通球阀9的主通道、 通孔12和扩散器13扩散至试样层11中；

微生物溶液注入完成后，立即调转三通球阀9使之与高压气瓶1所在不 锈钢钢管2连通，打开开关7，开始进行渗流管-微生物曝气试验，并按照间 隔时间N通过取样孔14抽取液样进行VOCs浓度检测；

步骤9.3，微生物-渗流管曝气试验进行t小时后，结束试验，并分别测 试此时吸附层17中吸附的VOCs的量、渗流管活性炭22中吸附的VOCs的量， 并分别记为第一微生物-渗流管曝气污染含量M

在本实施例中，M

步骤9.4，检查x个曝气压力P

步骤9.5，检查m×n个预定试样中是否还有预定试样未进行以上微生物 -渗流管曝气试验，若有，返回步骤9.1，进行下一个预定试样的微生物-渗 流管曝气试验；否则，结束微生物-渗流管曝气试验。

在试验过程中，需要根据两个水箱18中水位的高低，实时补充去离子水， 以保证水位维持在h高度。

在本实施例中，x＝5,曝气压力P

在本实施例中，m＝3，n＝4，即预定试样干密度分为3种：1.5g/cm

在本实施例中的试验过程中，需要根据两个水箱18水位高低，实时补充 去离子水，以保证水位维持在h高度。

利用本发明的试验装置和方法，可以通过控制试样不同干密度以及不同 曝气压力大小，对常规曝气、微生物曝气、渗流管曝气、微生物-渗流管曝气 的修复效率进行定量评价。