魯 亮,蒲生彥,李博文

熱強(qiáng)化循環(huán)井驅(qū)動(dòng)熱量傳輸及苯胺修復(fù)效果

魯 亮,蒲生彥,李博文*

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都理工大學(xué)國(guó)家環(huán)境保護(hù)水土污染協(xié)同控制與聯(lián)合修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059)

通過(guò)耦合原位加熱的方法以強(qiáng)化循環(huán)井對(duì)半揮發(fā)性有機(jī)污染物的修復(fù)效果.重點(diǎn)研究了曝氣流量、升溫溫度以及地下水流速對(duì)修復(fù)過(guò)程中傳熱規(guī)律的影響,并探究了熱強(qiáng)化循環(huán)井對(duì)苯胺污染地下水的修復(fù)效果.結(jié)果表明:熱量的傳遞主要依靠循環(huán)井的水力激發(fā)作用并可以用指數(shù)函數(shù)模擬升溫面積隨時(shí)間的變化規(guī)律.在中砂含水層介質(zhì)中,曝氣流量0.3m3/h、升溫溫度60 ℃、地下水流速0.2m/d時(shí),傳熱效果最佳.強(qiáng)化修復(fù)苯胺污染地下水過(guò)程中,逐漸形成一個(gè)以循環(huán)井為中心的有機(jī)物高效修復(fù)區(qū)域.累計(jì)修復(fù)48h后,苯胺的平均濃度由97.95mg/L下降至0.168mg/L.對(duì)比單一的循環(huán)井技術(shù),修復(fù)效果提高了25.8%,有效避免了拖尾現(xiàn)象的發(fā)生.

循環(huán)井；原位熱修復(fù)；傳熱規(guī)律；苯胺；強(qiáng)化修復(fù)效果

地下水循環(huán)井技術(shù)(GCW)通過(guò)驅(qū)動(dòng)地下水在井內(nèi)外形成三維循環(huán)流動(dòng),攜帶溶解在地下水中的有機(jī)污染物進(jìn)入井內(nèi),并在曝氣吹脫的作用下得以去除[1].同時(shí)曝氣吹脫可以提高地下水中的含氧量,在循環(huán)井周邊形成好氧生物降解區(qū)[2],促進(jìn)含水層土著微生物對(duì)有機(jī)污染物的降解,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水和含水層介質(zhì)中有機(jī)污染物的去除[3].循環(huán)井具有設(shè)備操作維護(hù)簡(jiǎn)易、能有效加速水流的垂向循環(huán)[4]、容易搭配其他修復(fù)技術(shù)(生物或化學(xué)修復(fù))、可直接修復(fù)污染物并同時(shí)進(jìn)行污染物擴(kuò)散控制等特點(diǎn)[5],在實(shí)際場(chǎng)地修復(fù)中具有廣泛的應(yīng)用前景和研究?jī)r(jià)值.自20世紀(jì)90年代起美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家將循環(huán)井應(yīng)用于污染場(chǎng)地的修復(fù),包括VOCs、sVOCs、殺蟲(chóng)劑等污染場(chǎng)地[6-7].場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果表明污染物的揮發(fā)性與溶解度會(huì)顯著影響循環(huán)井的修復(fù)效果[8].單獨(dú)的循環(huán)井技術(shù)對(duì)BETX等揮發(fā)性有機(jī)污染物具有很好的修復(fù)效果,而對(duì)一些揮發(fā)性差、溶解度低的半揮發(fā)性有機(jī)污染物(如苯胺、萘、氯苯等)的去除效率較低[9],而且在處理后期容易出現(xiàn)“拖尾”和“反彈”現(xiàn)象,導(dǎo)致含水層中污染物濃度不降反升[10],需要相當(dāng)長(zhǎng)的修復(fù)周期[11].

循環(huán)井對(duì)半揮發(fā)性有機(jī)污染物修復(fù)效果不佳的原因主要有兩點(diǎn):一是,半揮發(fā)性有機(jī)污染物的揮發(fā)性較差[12].在井中曝氣的過(guò)程中,半揮發(fā)性有機(jī)污染物的亨利系數(shù)較低,污染物從水相進(jìn)入氣相的速率較低,井內(nèi)曝氣吹脫作用不明顯.其次,半揮發(fā)性有機(jī)污染物的溶解度較小[9].在井外水循環(huán)的過(guò)程中,污染物從介質(zhì)向地下水中的傳質(zhì)效率較低.這兩點(diǎn)導(dǎo)致循環(huán)井對(duì)半揮發(fā)性有機(jī)污染物的修復(fù)效果變差,需要相當(dāng)長(zhǎng)的修復(fù)周期[13],進(jìn)而限制了循環(huán)井在場(chǎng)地中的應(yīng)用.

基于循環(huán)井對(duì)半揮發(fā)性有機(jī)污染物修復(fù)的局限性,目前常將循環(huán)井與表面活性劑、微生物、高級(jí)氧化等強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)聯(lián)用以拓展其應(yīng)用范圍,如白靜等利用表面活性劑強(qiáng)化含水層修復(fù)技術(shù)對(duì)萘進(jìn)行增溶增流[9,14],提升萘在水相中的溶解度及遷移性,強(qiáng)化循環(huán)井修復(fù)效果;王霄將生物修復(fù)技術(shù)與循環(huán)井結(jié)合[15],在循環(huán)井內(nèi)設(shè)置生物反應(yīng)器,強(qiáng)化微生物好氧生物降解苯胺;Trotschler等[16]利用循環(huán)井將H2O2擴(kuò)散到多環(huán)芳烴污染地下含水層中,通過(guò)提供電子受體的方式強(qiáng)化有機(jī)物降解, Yuan等[17]將電解與循環(huán)井相結(jié)合,將電解產(chǎn)生的O2和H2引入污染含水層中,強(qiáng)化原位生物降解.循環(huán)井與化學(xué)、生物修復(fù)技術(shù)聯(lián)用可以有效提高污染物的去除效果,但仍存在一些不足.比如生物降解周期較長(zhǎng)[18-19],容易導(dǎo)致循環(huán)井堵塞[20].表面活性劑、化學(xué)氧化劑的添加容易帶來(lái)二次污染[21-22],過(guò)量的表面活性劑和化學(xué)氧化劑需要進(jìn)行回收或處理,增加了修復(fù)難度.

針對(duì)上述問(wèn)題,本文提出構(gòu)建耦合原位加熱的熱強(qiáng)化地下水循環(huán)井修復(fù)技術(shù),相較于生物化學(xué)修復(fù)技術(shù)強(qiáng)化,熱強(qiáng)化通過(guò)提高污染物在曝氣過(guò)程中的揮發(fā)性及增強(qiáng)水流循環(huán)過(guò)程中的相間傳質(zhì)效率來(lái)強(qiáng)化循環(huán)井對(duì)半揮發(fā)性有機(jī)污染物的修復(fù)能力,能夠更加高效清潔修復(fù)地下水中有機(jī)污染.在此基礎(chǔ)上,本文探究了升溫溫度、曝氣流量及地下水流速等因素對(duì)耦合技術(shù)運(yùn)行效果的影響.并以苯胺為目標(biāo)污染物,對(duì)半揮發(fā)性有機(jī)污染地下水的強(qiáng)化修復(fù)效果進(jìn)行研究,為熱強(qiáng)化地下水循環(huán)井技術(shù)場(chǎng)地應(yīng)用提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

實(shí)驗(yàn)材料:為準(zhǔn)確模擬實(shí)際循環(huán)井的流場(chǎng)和傳熱狀況選擇河砂作為模擬介質(zhì)(購(gòu)于河南信陽(yáng)國(guó)通采砂場(chǎng)),將河砂去除雜質(zhì)并篩分,得到粒徑范圍為0.25～0.5mm的中砂,風(fēng)干備用.污染物苯胺(分析純)購(gòu)于阿拉丁化學(xué)試劑(上海)有限公司.

實(shí)驗(yàn)儀器:高效液相色譜(HPLC-1260Infinity II,美國(guó)安捷倫),蠕動(dòng)泵(Senz-310B,北京易則佳),高速離心機(jī)(HC-1518,安徽中科中佳),多通道溫度記錄儀(A-BF,廣州不凡電子).

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在二維有機(jī)玻璃模擬槽中進(jìn)行,模擬槽尺寸:120cm×40cm×5cm(長(zhǎng)×高×寬),循環(huán)井布設(shè)在模擬槽中心位置處(如圖1所示).在循環(huán)井內(nèi)部放置曝氣頭、加熱棒以實(shí)現(xiàn)曝氣驅(qū)動(dòng)與原位加熱,構(gòu)建耦合修復(fù)技術(shù).在上下井篩處包裹紗布,防止河砂堵塞篩孔.裝填河砂模擬含水層介質(zhì),裝填高度為36cm.在模擬含水層頂部鋪設(shè)3cm厚的粘土,同時(shí)對(duì)整個(gè)模擬槽的上方做密封處理以防止苯胺揮發(fā).其中含水層介質(zhì)密度1961.4kg/m3,孔隙度0.3875,滲透系數(shù)40.4352m/d;粘土層密度1200kg/m3,孔隙度0.38,滲透系數(shù)0.014m/d.在模擬槽左側(cè)布水口連接蠕動(dòng)泵緩慢進(jìn)水模擬地下水的流動(dòng).模擬槽正面分布50個(gè)取樣口,由左至右、由上至下分別為第1～10列和第1～5排(由于最上面一排取樣口在水位以上無(wú)法取樣測(cè)量,因此僅在下面4排取樣口取樣分析),將溫度探頭埋入模擬槽內(nèi)部,通過(guò)電導(dǎo)線連接多通道溫度記錄儀,記錄研究區(qū)域內(nèi)各處溫度變化,通過(guò)記錄不同位置處溫度的變化指示循環(huán)井運(yùn)行時(shí)熱量的擴(kuò)散效果.溫度探頭為線狀K型熱電偶(直徑1mm),探頭與含水層接觸點(diǎn)極小,對(duì)含水層水流運(yùn)動(dòng)影響可忽略不計(jì).模擬槽背面分布測(cè)壓口,與正面取樣口位置對(duì)應(yīng),并與玻璃測(cè)壓管連接,將所有測(cè)壓管固定在模擬槽體上以指示不同模擬槽不同位置的水位變化,通過(guò)記錄不同位置處的水位指示熱強(qiáng)化過(guò)程中循環(huán)井流場(chǎng)的變化.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 原位加熱-循環(huán)井耦合修復(fù)技術(shù)運(yùn)行分析 設(shè)置系列砂箱模擬實(shí)驗(yàn),以熱量的擴(kuò)散情況作為耦合技術(shù)運(yùn)行效果的評(píng)價(jià)指標(biāo),分別研究曝氣流量、升溫溫度和地下水流速對(duì)原位熱修復(fù)強(qiáng)化循環(huán)井運(yùn)行效果的影響:

(1)曝氣流量對(duì)運(yùn)行效果的影響:固定升溫溫度為60℃,地下水流速為0.4m/d,設(shè)定曝氣流量梯度為0.05,0.1,0.15,0.2,0.3和0.4m3/h,分別記錄循環(huán)井運(yùn)行60,120,180,240,300min時(shí)不同位置處的溫度和水位,記錄不同曝氣流量下模擬槽內(nèi)升溫區(qū)域擴(kuò)散面積變化,定量表征其對(duì)原位熱修復(fù)強(qiáng)化循環(huán)井運(yùn)行效果的影響.

(2)升溫溫度對(duì)運(yùn)行效果的影響:固定曝氣流量為0.3m3/h,地下水流速為0.4m/d,設(shè)定升溫溫度梯度為40,60和80℃,分別記錄循環(huán)井運(yùn)行60,120,180, 240,300min時(shí)不同位置處的溫度和水位,記錄不同升溫溫度下模擬槽內(nèi)升溫區(qū)域擴(kuò)散面積變化,定量表征其對(duì)原位熱修復(fù)強(qiáng)化循環(huán)井運(yùn)行效果的影響.

(3)地下水流速對(duì)運(yùn)行效果的影響:固定曝氣流量為0.3m3/h,升溫溫度為60℃,參考實(shí)際的地下水流速,設(shè)定地下水流速梯度為0.2,0.4,0.6和0.8m/d,分別記錄循環(huán)井運(yùn)行60,120,180,240,300min時(shí)不同位置處的溫度和水位,記錄不同地下水流速下模擬槽內(nèi)升溫區(qū)域擴(kuò)散面積變化,定量表征其對(duì)原位熱修復(fù)強(qiáng)化循環(huán)井運(yùn)行效果的影響.

1.3.2 熱強(qiáng)化循環(huán)井修復(fù)苯胺污染含水層效果研究 通過(guò)蠕動(dòng)泵向模擬槽內(nèi)注入濃度為100mg/L的苯胺污染液模擬污染含水層,待污染達(dá)到污染平衡后,停止苯胺污染并控制地下水流速為0.2m/d,啟動(dòng)曝氣及升溫裝置,設(shè)定曝氣流量為0.3m3/h,升溫溫度為60℃,在不同累計(jì)曝氣升溫時(shí)間下,在各取樣口取水樣測(cè)定苯胺濃度,研究原位熱修復(fù)強(qiáng)化循環(huán)井修復(fù)苯胺效果.

1.3.3 數(shù)據(jù)處理方法 在得到不同測(cè)溫點(diǎn)處溫度變化及各測(cè)壓管內(nèi)水位變化數(shù)據(jù)后,使用surfer及origin軟件對(duì)溫度場(chǎng)擴(kuò)散面積及水位變化進(jìn)行分析計(jì)算.定義研究區(qū)域內(nèi)溫度超過(guò)室溫(18℃)的區(qū)域?yàn)樯郎貐^(qū)域,從而計(jì)算邊界內(nèi)溫度場(chǎng)擴(kuò)散面積.以測(cè)壓管內(nèi)初始水位為基點(diǎn),從而測(cè)量不同條件下水位穩(wěn)定后上升/下降高度.

2 結(jié)果與討論

2.1 熱強(qiáng)化循環(huán)井耦合修復(fù)技術(shù)運(yùn)行效果

2.1.1 曝氣流量對(duì)運(yùn)行效果的影響 循環(huán)井內(nèi)的地下水在曝氣吹脫的帶動(dòng)下自下而上流動(dòng),抬升循環(huán)井中的水位(如圖2所示),并從上篩管流出循環(huán)井,而井外地下水在抽真空作用下從循環(huán)井下篩管進(jìn)入循環(huán)井井內(nèi),形成水力環(huán)流.同時(shí)井內(nèi)的地下水在向上流經(jīng)加熱棒附近時(shí)被加熱升溫,井內(nèi)升溫至60℃的地下水由上篩管流出井外并在循環(huán)井的驅(qū)動(dòng)下不斷擴(kuò)散,對(duì)井外地下水流及含水層介質(zhì)進(jìn)行升溫.圖3為在曝氣流量分別為0.05,0.1,0.15,0.2,0.3, 0.4m3/h下循環(huán)井運(yùn)行60min時(shí)的溫度擴(kuò)散分布圖.由圖3可知,隨著曝氣流量的增加,溫度擴(kuò)散逐漸加快,中心區(qū)域升溫由12℃增加至38℃.這是由于曝氣作為水力循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力,增加曝氣流量可有效增加循環(huán)井上下篩管間的水位差,當(dāng)循環(huán)井的曝氣流量由0.05m3/h增加至0.4m3/h時(shí),循環(huán)井上下篩管間的水位差由2.5cm增加至15cm (如圖2所示),進(jìn)而加快井內(nèi)熱水向含水層的擴(kuò)散.

由圖3可知當(dāng)曝氣流量小于0.1m3/h時(shí),升溫區(qū)域呈矩形,繼續(xù)增加曝氣流量至0.15m3/h,升溫區(qū)域不斷由模擬槽中間位置向兩側(cè)擴(kuò)散,呈橢圓形分布,這與循環(huán)流場(chǎng)變化趨勢(shì)相似[23].升溫區(qū)域形狀及中心區(qū)域升溫溫度隨曝氣流量不斷變化,其原因在于熱量的擴(kuò)散受到曝氣吹脫和地下水流推動(dòng)的雙重作用.當(dāng)曝氣流量較低,小于0.1m3/h時(shí),循環(huán)井的曝氣作用未能有效的帶動(dòng)地下水循環(huán)流動(dòng),在地下水流的作用下升溫區(qū)域呈矩形;當(dāng)曝氣流量增加至0.15～0.3m3/h時(shí),曝氣吹脫產(chǎn)生的水力循環(huán)作用開(kāi)始占主導(dǎo),升溫區(qū)域隨循環(huán)井的水流循環(huán)呈橢圓形.但當(dāng)曝氣流量由0.3m3/h增加至0.4m3/h時(shí),溫度的擴(kuò)散區(qū)域基本相同,這是因?yàn)楫?dāng)曝氣流量超過(guò)0.3m3/h以后,曝氣驅(qū)動(dòng)水位抬升的作用基本沒(méi)有增加(如圖2所示),因此升溫區(qū)域面積不再隨著曝氣流量的增加而增大.

圖2 不同曝氣流量下水位變化

圖3 不同曝氣流量下升溫區(qū)域擴(kuò)散分布圖

從圖4可以看出,在不同曝氣流量下,升溫區(qū)域面積增長(zhǎng)規(guī)律與影響半徑拓展規(guī)律相似,呈指數(shù)上升趨勢(shì),隨著升溫時(shí)間增加面積增長(zhǎng)速度逐漸變緩,表明因?yàn)樯郎貐^(qū)域面積受地下水循環(huán)井影響半徑控制[24].因此,采用指數(shù)函數(shù)對(duì)升溫區(qū)域面積進(jìn)行擬合,擬合函數(shù)的公式如下所示:

式中:為升溫區(qū)域面積,dm2;為升溫時(shí)間,min;為升溫區(qū)域平衡時(shí)的擴(kuò)散面積,dm2;為溫度的擴(kuò)散速率,1/min.

圖4 不同曝氣流量下升溫區(qū)域面積變化

Fig.4 Variations of heating area under different aeration flow

由表1可知,當(dāng)曝氣流量小于0.1m3/h時(shí)擬合方程的相關(guān)系數(shù)較低,主要是由于此時(shí)曝氣流量較小,循環(huán)井的周?chē)茨苄纬捎行У乃餮h(huán),平衡時(shí)溫度的擴(kuò)散面積也比較小.當(dāng)曝氣流量超過(guò)0.15m3/h時(shí),擬合方程的相關(guān)系數(shù)很高(2>0.97),此時(shí)曝氣流量較大,在循環(huán)井周?chē)纬闪擞行У乃餮h(huán),熱量在水流循環(huán)的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)有效擴(kuò)散,平衡時(shí)溫度的擴(kuò)散面積較大且隨著曝氣流量的增加,擴(kuò)散面積()與擴(kuò)散速率()均有明顯增加.因此在耦合修復(fù)技術(shù)運(yùn)行時(shí),溫度隨著循環(huán)井水流的循環(huán)而不斷擴(kuò)散,只有循環(huán)井水流的有效循環(huán)才能實(shí)現(xiàn)影響區(qū)域的有效升溫.

表1 不同曝氣流量下升溫區(qū)域面積的擬合結(jié)果

2.1.2 升溫溫度對(duì)運(yùn)行效果的影響 升溫后的地下水在循環(huán)井水力循環(huán)及地下水流的作用下向井外含水層傳遞熱量,因此升溫溫度對(duì)于溫度場(chǎng)的擴(kuò)散分布有著重要的影響.圖5為地下水流速0.4m/d、曝氣流量0.3m3/h條件下,升溫溫度分別為40,60, 80℃時(shí)在60min時(shí)升溫區(qū)域擴(kuò)散分布.由圖5可知,升溫溫度由40℃上升至80℃,中心區(qū)域升溫溫度從20℃增加至54℃,升溫區(qū)域面積也隨之增加,這說(shuō)明了提高升溫溫度有利于升溫區(qū)域的擴(kuò)散分布.

圖5 不同升溫溫度下升溫區(qū)域擴(kuò)散分布

不同升溫溫度下升溫區(qū)域面積隨時(shí)間的變化如圖6所示,在300min升溫時(shí)間內(nèi),80℃的加熱條件下溫度的擴(kuò)散速率最快,僅在150min時(shí)就達(dá)到了平衡.其次是60℃的加熱條件,在240min時(shí)基本達(dá)到平衡.而在40℃的加熱條件下,循環(huán)井運(yùn)行300min時(shí)升溫面積仍在增加,尚未達(dá)到平衡.擬合結(jié)果顯示溫度的擴(kuò)散速率會(huì)隨著升溫溫度的增加而顯著增大,而平衡時(shí)的升溫面積卻基本保持不變.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是溫度的擴(kuò)散主要依靠循環(huán)井的水流循環(huán),在固定曝氣流量與地下水流速的前提下,循環(huán)井的影響半徑在理論上是一定值,溫度擴(kuò)散的最大范圍也是固定的,因此平衡時(shí)的升溫面積并不會(huì)隨著升溫溫度的增加而增大.然而熱量在傳遞過(guò)程中存在損失,所以溫度的擴(kuò)散速率要滯后于循環(huán)井影響半徑的拓展,當(dāng)?shù)叵滤臏囟容^高時(shí),所攜帶的熱量較大,能夠使溫度的擴(kuò)散加快并提高傳熱效率,因此溫度的擴(kuò)散速率會(huì)隨著升溫溫度的增加而顯著增大.但當(dāng)升溫溫度超過(guò)60℃時(shí),升溫區(qū)域面積變化與80℃時(shí)接近,從能耗成本的角度考量,升溫溫度選擇60℃作為升溫溫度開(kāi)展后續(xù)研究.

2.1.3 地下水流速對(duì)運(yùn)行效果的影響 研究表明地下水流速對(duì)循環(huán)井的水流循環(huán)存在影響,因此地下水流速對(duì)熱量交換及溫度擴(kuò)散分布存在一定的影響.圖7為曝氣流量0.3m3/h、升溫溫度60℃條件下,不同地下水流速(0.2,0.4,0.6,0.8m/d)下60min時(shí)溫度擴(kuò)散分布圖.由圖8可得,地下水流速由0.2m/d上升至0.8m/d時(shí),中心區(qū)域升溫溫度(0.2m/ d-38℃, 0.4m/d-34℃,0.6m/d-38℃,0.8m/d-40℃)和升溫區(qū)域面積(0.2m/d-11.4dm2,0.4m/d-9.3dm2, 0.6m/d- 10.1dm2,0.8m/d-13.6dm2)變化出現(xiàn)先下降再上升的現(xiàn)象.結(jié)合水位變化圖8可知,隨著地下水流速增加,模擬槽內(nèi)最大水位差呈現(xiàn)先下降再上升的趨勢(shì),由此可以看出,地下水流速通過(guò)影響地下水水位從而影響水流及熱量的擴(kuò)散.

圖6 不同升溫溫度下升溫區(qū)域面積變化

表2 不同升溫溫度下升溫區(qū)域面積的擬合結(jié)果

圖7 不同地下水流速下升溫區(qū)域擴(kuò)散分布圖

水位差隨著地下水流速的先降后增是流場(chǎng)與溫度場(chǎng)互相耦合,互相影響的結(jié)果.Allmon的研究表明地下水流速的增加會(huì)顯著抑制循環(huán)井的水流循環(huán)[25],所以當(dāng)?shù)叵滤魉儆?.2m/d增加至0.4m/d時(shí),熱量的擴(kuò)散速率隨著地下水流速的增加而減弱.然而在升溫和曝氣的共同作用下,井內(nèi)的地下水揮發(fā)速度要比常溫下快得多,進(jìn)而導(dǎo)致水位下降不利于水流的循環(huán),而地下水流速的增加可以很好的補(bǔ)充升溫曝氣所帶來(lái)的水分損失,促進(jìn)熱量的擴(kuò)散.所以當(dāng)?shù)叵滤魉儆?.4m/d增加至0.8m/d時(shí),熱量的擴(kuò)散速率隨著地下水流速的增加而增加.

圖8 不同地下水流速下水位變化

圖9 不同地下水流速下升溫區(qū)域面積變化

由圖9可知在相同時(shí)間,升溫區(qū)域面積在地下水流速為0.8m/d時(shí)最大,其次為0.2m/d、0.6m/d及0.4m/d.但在循環(huán)井運(yùn)行300min后升溫區(qū)域面積區(qū)別不大,說(shuō)明地下水流速的快慢僅影響溫度擴(kuò)散的過(guò)程,并不影響最終的升溫區(qū)域面積.擬合結(jié)果顯示不同地下水流速下升溫區(qū)域平衡時(shí)面積相差不大,而溫度擴(kuò)散速率隨著流速增加先降低后升高,這說(shuō)明只有升溫區(qū)域擴(kuò)散速度受到地下水流速影響.

表3 不同地下水流速下升溫區(qū)域面積的擬合結(jié)果

2.2 熱強(qiáng)化循環(huán)井修復(fù)苯胺污染含水層

由圖10可知,在兩種修復(fù)技術(shù)下,隨著修復(fù)時(shí)間的延長(zhǎng),模擬槽內(nèi)苯胺濃度持續(xù)下降.累計(jì)修復(fù)6、12、24、48h后苯胺平均濃度分別為69.34、50.08、21.72、0.168mg/L.水平方向上越靠近循環(huán)井的區(qū)域,苯胺被去除速率越快,逐漸形成了一個(gè)以循環(huán)井為中心軸的錐形修復(fù)區(qū)域.單獨(dú)地下水循環(huán)井在48h內(nèi)對(duì)苯胺的去除率僅為74.02%,而耦合熱修復(fù)技術(shù)模擬砂箱內(nèi)苯胺的去除率達(dá)99.82%,修復(fù)效果提升25.8%,表明耦合修復(fù)技術(shù)可以有效提升苯胺去除率,減少拖尾和反彈現(xiàn)象的發(fā)生,強(qiáng)化循環(huán)井修復(fù)效果.

圖11 不同累計(jì)修復(fù)時(shí)間苯胺平均濃度變化

3 結(jié)論

3.1 熱量的傳遞主要依靠循環(huán)井的水力激發(fā)作用,升溫區(qū)域面積增長(zhǎng)趨勢(shì)與影響半徑拓展規(guī)律相似,隨著升溫時(shí)間增加面積增長(zhǎng)速度逐漸變緩,并可以用指數(shù)函數(shù)模擬升溫面積隨時(shí)間的變化.

3.2 增加曝氣流量有利于熱量的擴(kuò)散分布,但曝氣流量超過(guò)0.3m3/h時(shí),升溫區(qū)域的擴(kuò)散不再隨曝氣流量的增加而增大;提高升溫溫度可有效增加熱量的擴(kuò)散速率,但不會(huì)顯著影響最終的升溫面積,綜合考量能耗成本,選擇60℃作為升溫溫度;地下水流速會(huì)影響升溫區(qū)域擴(kuò)散速率,同時(shí)在一定流速范圍內(nèi),增加流速有助于升溫區(qū)域擴(kuò)散分布.

3.3 受傳熱規(guī)律的影響,靠近循環(huán)井的苯胺去除速率相對(duì)較快,隨著運(yùn)行時(shí)間增加,逐漸形成一個(gè)以循環(huán)井為中心軸的橢球形修復(fù)區(qū)域并逐漸覆蓋模擬槽,運(yùn)行時(shí)間48h后,苯胺平均濃度由初始97.95mg/L降低至0.168mg/L,相較于單一地下水循環(huán)井技術(shù),修復(fù)效果提升25.8%,可有效避免拖尾現(xiàn)象的發(fā)生.

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Study on heat transfer and aniline remediation effect of thermal enhanced circulation well.

LU Liang, PU Sheng-yan, LI Bo-wen*

(State Key laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, State Environmental Protection Key laboratory of Synergetic Control and Joint Remediation for Soil & Water Pollution, Chengdu University of Technology, Sicuan Chengdu 610059, China)., 2023,43(9)：4639～4647

In-situ thermal remediation technology was adopted to enhance the remediation effect of circulation well on semi-volatile organic pollutants in this study. The effects of aeration flow rate, heating temperature and groundwater velocity on the heat transfer law of thermal enhanced circulation well were primarily investigated. Additionally, the remediation effect of aniline contaminated groundwater by thermal enhanced circulation well was simulated. The results revealed that the heat transfer law mainly depends on the hydraulic stimulation of the circulation well. The variation of the heating area with time can be accurately represented by an exponential function. In the medium sand aquifer, when the aeration flow rate was 0.3m3/h, the temperature was 60℃, and the groundwater flow rate was 0.2m/d, the heat transfer has the best operation effect. In the process of enhanced remediation of aniline contaminated groundwater, an efficient remediation area centered on the circulating well was gradually formed. After 48h of remediation, the average concentration of aniline decreased from 97.95mg/L to 0.168mg/L. In compared with the single circulating well technology, remediation effect has been improved 25.8% by integrated remediation technology, effectively avoiding the occurrence of tailing phenomena.

circulation well；in-situ thermal remediation；heat transfer law；aniline；enhance remediation effect

X523

A

1000-6923(2023)09-4639-09

魯 亮(1998-),男,四川廣安人,碩士,研究方向?yàn)榈叵滤廴究刂婆c修復(fù).發(fā)表論文1篇.1341696377@qq.com.

魯 亮,蒲生彥,李博文.熱強(qiáng)化循環(huán)井驅(qū)動(dòng)熱量傳輸及苯胺修復(fù)效果 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2023,43(9):4639-4647.

Lu L, Pu S Y, Li B W, et al. Study on heat transfer and aniline remediation effect of thermal enhanced circulation well [J]. China Environmental Science, 2023,43(9):4639-4647.

2023-01-05

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2020YFC1808300);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(42007167)

* 責(zé)任作者, 副教授, libowen@cdut.edu.cn