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NewsAS技術簡介
地下水污染曝氣修復技術(Air Sparging，AS)是一種新興的去除土壤和地下水中可揮發有機化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）的原位修復技術（圖1）。它最早于1985年在德國開始應用，被認為是去除飽和土壤和地下水中可揮發有機化合物的最有效方法，目前備受關注，全美很多地方都采用了該技術來進行地下水的修復，并取得了很好的效果，該技術有良好的應用前景。
圖1 地下水原位曝氣技術（AS）示意圖
AS技術原理
原位曝氣過程可定義為在一定壓力條件下，將一定體積的壓縮空氣注入含水層中，通過吹脫、揮發、溶解、吸附-解吸和生物降解等作用將污染物去除。在相對可滲透的條件下，當飽水帶中同時存在揮發性有機污染物和可被好養生物降解的有機污染物，或存在上述一種污染物時，可以應用原位曝氣法對被污染水體進行修復治理。
從機理上分析，地下水曝氣過程中污染物去除機制包括三個主要方面：一是對可溶揮發性有機污染物的吹脫；二是加速存在于地下水位以下和毛細管邊緣的殘留態和吸附態有機污染物的揮發；三是氧氣的注入使得溶解態和吸附態有機污染物發生好氧生物降解。
AS技術工作過程
地下水曝氣技術是從土壤抽氣技術（Soil Vapor Extraction，SVE）發展而來的。SVE 技術是利用真空泵產生負壓使空氣流過受污染的土壤層進入空氣井，揮發性有機污染物會隨著流動的空氣被抽提出來。AS 技術正是在此基礎上，將空氣井深入含水層飽水帶中把負壓抽氣改為正壓曝氣，使空氣擾動水體而促進有機物的揮發。
通常AS技術與SVE相結合使用，含有污染物的空氣上升至包氣帶后，被SVE系統收集處理(圖2)，從而達到去除污染組分的目的。
圖2 地下水污染曝氣修復系統(AS+SVE)示意圖
AS修復效果的主要影響因素
1、環境地質條件
通常情況下，當土體粒徑較小（<0.75 mm）時，氣體以微通道方式運動。當粒徑較大（>4 mm）時，氣體以獨立氣泡方式運動，由于此方式增大了氣-液兩相間的接觸面積，從而可以獲得較高的修復效率。事實上，有效粒徑越小氣體在土體中的水平運移能力越強，對于粒徑特別細小的砂土（<0.21 mm），曝氣過程中空氣運動甚至表現為槽室流，此時氣流覆蓋區邊界為明顯不規則形狀。
2、污染物特征
AS過程中首先被去除的是具有高揮發性和高溶解性的非水相流體NAPLs化合物，低揮發性和溶解性的化合物較難去除因而會出現修復“拖尾”現象。NAPLs飽和蒸氣壓高于0.5 mmHg 時可以初步判定其具有一定揮發性，適于地下水曝氣修復處理。污染物的亨利常數越高，污染物越容易通過揮發作用去除，亨利常數越低，所需曝氣流量越大，修復時間也越長。
3、曝氣壓力及曝氣量
最小可曝氣壓力取決于曝氣點附近靜水壓力和毛細管力，誰的粒徑越大毛細管阻力越小，最小曝氣壓力也越小。土體的氣相飽和度以及微通道密度會隨著曝氣壓力的增大而增大，AS的影響半徑也越大。為避免曝氣點附近造成不必要的土體擾動破壞和產生永久性氣體通道，曝氣壓力不宜超過有效上覆應力。曝氣流量增加可使氣流通道密度增大、水相飽和度降低，影響半徑增大，還會提高地下水含氧量，從而強化有機污染物降解去除效果，但提高曝氣流量會使氣體在土體中的分布不均勻，若形成局部優先流還會降低AS總體修復效果，且易造成原位土體的擾動破壞。
4、曝氣井口深度及幾何結構
曝氣井口宜安裝于略深于污染土體，使曝入的空氣既可到達整個污染區又不致操作成本過高，AS過程中位于曝氣點下方含水層中的溶解態污染物較難揮發去除。曝氣井越深，空氣向上運動時水平遷移范圍越大，這有利于污染物的去除。但隨著曝氣井深度的增加，飽和土體中氣體的相對滲透率不斷下降，對污染物的去除不利。此外，通過離心模型試驗還發現，曝氣井口幾何結構對空氣流動形態和流速亦有明顯影響。
5、曝氣方式
曝氣方式主要分為連續和脈沖曝氣兩種類型，連續曝氣過程地下水中氣流分布相對穩定，脈沖曝氣方式包含相態重分配過程，這在一定程度上有利于污染物的去除。
AS技術的優缺點
AS技術通過曝氣還能為飽和土壤中的好氧微生物提供氧氣，促進了污染物的生物降解，該技術與其他修復技術相比，具有易安裝、低成本、高效率和原位操作的顯著優勢。因此，雖然曝氣技術的運用僅僅二十余年，就一定程度上代替了抽出--處理技術，成為地下水有機污染處理技術的首選。
但是AS技術開展應用很大程度上還依賴于工程經驗。這就導致了曝氣系統設計的主觀性較強，修復效率不高，在一定程度上增加了系統運行的成本。
AS技術的適用
1、適用范圍
通常，AS應用于揮發性、半揮發性、可生物降解的不揮發性有機物造成地下水和飽和土壤污染的地方，也可應用于脫水作用（在殘留受污土壤中的氣體提取）不可行的地方，包括高含水層以及厚的玷污帶。
2、不適用條件
污染物存在自由基。曝氣能夠產生地下水丘，有可能導致自由基遷移以及污染的擴散。
附近有地下室、地下管道或其他地下建筑。除非有氣體提取系統來控制氣體的遷移，否則在這些地方實施AS，很可能會導致潛在的濃度聚集危險。
受污染的地下水位于封閉的含水層里。AS不能用于處理封閉含水層，是因為注入的空氣會被該層截留，不能擴散到不飽和帶。
AS系統的設計
1、設計時應考慮的因素
場地的地質以及水文地質條件；污染物的類型及分布；空氣流動速率和注射壓力；注射方式（水平或垂直）；影響微生物生存能力以及它們對污染物生物降解能力的參數；曝氣所帶來的潛在的健康和安全隱患，比如氣體釋放到地表，地下水位漲高等。
為了防止這些隱患，AS系統應該對空氣注射的速度進行監測和控制，并采用氣體提取系統，如果必要，還可以實施收集地下水項目。比如受污區的注射井稍微設計成有一定的斜度以防污染的地下水遷移到其他地方。
2、AS系統的設計
（1）井的方向
空氣注射系統既可采用垂直井，也可采用水平井，具體采用哪種要根據該處理點的具體需要和條件（圖3）。比如，當需要10個以上注射或提取點，或者受污染的地方位于一個正在運行的工廠下面時，那么選擇水平井是比較恰當的。
（2）井的放置以及數量
對井進行設置的目的就是使得系統去除效率達到最大，并通過優化監測和提取點，來減少溶解態及氣相物質的有害遷移。比如在建筑物或公路下方，設置水平的提取井能夠節省費用并能有效的控制氣體的遷移。
在選擇井的數量和位置時，應考慮在污染嚴重地方，采用較小的井間距能夠擴大氣體的分布，提高去除率；如果地表密封或計劃密封，則提取井可以設置的稍微間隔大一些，因為氣體從較遠距離而不是從地表直接輸入；若該地為層狀土壤，因為滲透性能差，應該采用較小的井間距。
圖3 AS/SVE井的配置
應用實例
下表1和表2分別為國外運用AS處理石油污染和氯化溶劑污染部分較為成功的現場實例。
表1 AS修復石油污染物實例
表2 AS修復氯化溶劑污染物實例
Murray等在美國杰克遜維爾的海軍航空站建立了5 個小型地下水曝氣試驗基地，主要污染物為BTEX，試驗結果表明，空氣影響半徑范圍為9-12m，水中溶解氧從0 mg/L增加到6-7mg/L，CO2從150 mg/L降至20-50 mg/L，有機物去除率為4.5-27.2g/d，AS 技術在處理地下水污染物方面成效顯著。
結語
國內近年來對于曝氣法室內模型試驗及相關機制的研究比較多，而現場科研及工程試驗相對較少。實際應用中，由于場地條件的復雜性，單獨采用曝氣往往不能達到理想的修復效果，因此將兩種或多種方法相結合是一種有效途徑。總之，AS技術是地下水科學與工程，或者說是以污染水文地質學為基礎的新興環境工程研究領域中，地下水污染原位修復重要而有效的手段之一，需要更加系統、細致和實用性的研究，以指導實際修復工程。這對于保證人類飲用水安全、地下水環境安全有著重要的意義。
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