污染环境生物修复工程课件.ppt

第九章第九章 污染地下污染地下水的生物修复水的生物修复第二节第二节 空气吹脱修复空气吹脱修复n n 空气吹脱(blow-off)是在一定的压力条件下，将压缩空气注入受污染区域，将溶解在地下水中的挥发性化合物、吸附在土壤颗粒表面上的化合物以及阻塞在土壤空隙中的化合物驱赶出来。n n空气吹脱包括现场、挥发性有机物的挥发、有机物的好氧生物降解等三个过程。相比较而言，吹脱和挥发作用进行得比较快，而生物降解过程进行的比较缓慢。在比较长的时间内才显现出来。n n 原则上，选择吹脱技术时应该考虑亨利系数，亨利系数大于101.325102Pam3/mol(1105atmm3/mol)化合物的蒸气压大于66.661133.322Pa(0.51.0mmHg)时，比较容易挥发或者吹脱。n n 关于地质条件，影响最大的是地层土壤均一性。比较密实的土层会阻断空气通道，导致空气积累；高度松散的土壤也会导致空气短流、吹脱不能均匀进行。n n 在实际上作过程中，空气注入到土壤地下水中后，根据不同的地层结构，或者以气泡或者以气流的形式扩散。n n 相应地，地下水从垂直方向和水平方向向周围迁移。在垂直方向上，地下水水位开始上升，上升的程度从忽略不计到数米，取决于压力和位置结构等各种因素。n n 空气通道在地下水中的分布，大体上呈现伞状形态。气流通道的密度和空气与土壤接触的表面积都与空气流量有关。空气流量大，气流通道的密度增加，相应地接触表面积增加，增加的幅度与流量的关系为(Q始/Q终)0.5。n n 空气注入地下。能够强化地下水的混合，从而克服分散传质的局限性，大大加快传质过程。地下水的混合机理包括：机械置换，在空气注入开始阶段和非稳态情况下尤其显著；空气与水在通道相互作用；空气流动的摩擦作用；蒸发引起的地下水流动，对流；颗粒流动等。一、空气吹脱现场中试一、空气吹脱现场中试n n 中试实验主要的检测内容包括：中试实验主要的检测内容包括：注入空气的流注入空气的流量；量；溶解氧水平：溶解氧水平：井水水位的变化；井水水位的变化；空气空气注入压力和土壤中气体压力的变化，井壁附近压注入压力和土壤中气体压力的变化，井壁附近压力的变化；力的变化；土壤气体中污染物的浓度和吹脱效土壤气体中污染物的浓度和吹脱效率，尤其应注意避免可能达到爆炸或者燃烧水平率，尤其应注意避免可能达到爆炸或者燃烧水平的高浓度；的高浓度；实验流量和压力对吹脱气体影响半实验流量和压力对吹脱气体影响半径的影响，也可以检测示踪气体的变化。这些参径的影响，也可以检测示踪气体的变化。这些参数能够揭示吹脱技术的可行性和效果。同时，需数能够揭示吹脱技术的可行性和效果。同时，需要详细地调查现场条件，表要详细地调查现场条件，表9-29-2列出了理想的技术列出了理想的技术适用条件和影响因素。适用条件和影响因素。二、空气吹脱设计二、空气吹脱设计n(一一)空气注入井布置空气注入井布置n n空气注入井的位置应该包围整个污染物区域，或者在其扩散流动方向进行阻截。每一个注入井的半径范用需要通过现场实验确定。如图所示，可以设立实验井，在其周围辐射方向设立观察井。测量参数测量参数n n地下水位变化。溶解氧和氧化还原电位变化。地层中空气压力。地下顶主压力，即在地下观测位置形成顶空，其平衡压力代表周围静态压力，这是一个最简单和可靠的参数方法。有时可以采用示踪气体例如氦气或者六氟化硫，其中六氯化硫与氧气的溶解度类似，能够更好地指示氧气的迁移扩散情况。地层电阻的变化，可以产生三维变化图像。监测实验区域污染彻浓度变化情况。(二二)空气注入的深度空气注入的深度n n 对于注入井的深度，原则上应该是比污染物所处最深处再深3060cm,但是其实际的深度受土壤结构等影响，一般不超过地下水水位以下916m的深度。注入井的深度影响空气注入所需要的压力和流量。(三三)空气注入所需要的压力和流量空气注入所需要的压力和流量n n 注入空气的压力必须克服注入点地下水的静态压力和土壤毛细管的压力，才能够形成气流通道。毛细管压力与表面张力和毛细管直径相关，即：n n Pc=2s/rn n 式中，Pc是毛细管压力；s是空气和水的表面张力；r是平均水力半径。(四四)注入方式注入方式n n 空气在连续注入方式下，运行比较稳定；而在间歇注入方式下，地下水位升降比较明显，可以强化传质效果、从而提高空气吹脱的效果。但是，间歇脉冲式的操作方式也可能导致井周围的土壤筛选分层现象产牛。使比较细的土壤沉积在下层，导致阻塞现象。(五五)注入井的构造注入井的构造n n注入井的构造与深度有关。与浅层吹脱井相比，深层吹脱井的构造更加复杂一些，空气注入井也可以采用聚氯乙烯管材，进行加工而成。注入井的直径一般为0.31.2m。实际上，吹脱效果与井的直径关系不大因此井的直径以0.30.6m比较经济。但是，在深度比较大时，小口径的井所需要的压力可能比较高。(六六)污染物类型和分布的影响污染物类型和分布的影响n n 污染物的分布受污染物挥发特性、溶解度和生物可降解性等因素的影响。也受地下水流动，空气气流强化传质等因素强烈的影响。需要视具体情况和工程要求进行优化。但是，有机物吹脱与生物降解对过程的操作参数要求是不同的，要同时优化两个不同类型的过程几乎是不可能的。(七七)吹脱技术设备选择吹脱技术设备选择n n 空气压缩机或者鼓风机可根据中试对压力的需要选择设备，一般当压力小于1215Pa时，可以选样鼓风机，而压力比较高时应该选择空气压缩机。此外，还需选择真空抽气机、管道及连接件、空气过滤器、压力测量和控制仪表、流量计、空气干燥设备等。(八八)空气吹脱技术的效率空气吹脱技术的效率n n总的效率变化如图所示。空气吹脱比传统的抽取地下水进行地上处理的技术效率更高，经过改进如结合生物处理过程，能够进一步提高技术的效率。n n空气也可以循环使用，以最大限度利用氧气和最大限度地降解挥发性的污染物质。利用吹脱方法可以很快地去除土壤中挥发性比较强的有机污染物，而生物降解过程比较缓慢，但是其去除的主要是挥发性比较差的有机污染物。第三节第三节 原位工程生物修复原位工程生物修复 工艺类型 n n n n 原位工程生物修复设计 n n 典型原位生物修复系统 一、工艺类型一、工艺类型n1、对于不同类型的受污染土壤和地下水，应该采用不同类型的生物修复技术形式。对于包气带，一般采用生物曝气。n2、对于受污染的地下水，可以向地下水层钻井注入空气，提供氧气，同时利用回收井，抽取地下水，进行循环；通过渗透，提供微生物需要的各种营养。从水井抽取地下水。还可以控制污染带的迁移。n3、对于受污染的地下水，另外一种工艺，是利用曝气井和抽提井组合，在注入空气的同时。在另一侧，抽提蒸气和空气，加快循环。n4、对于饱和带或者地下水，生物曝气也是类似于空气吹脱，但是压力保持得尽量低，以避免污染物从地下水中挥发，从而迁移至包气带，导致污染的转移。n n5、生物修复技术也可以只在特定的活性区域实施，作为阻截手段，如图所示。活性带一般设置在垂直于地下水流向，在污染带的下游。这是一种被动的方法、但是非常有效。空气和微生物营养直接注入活性带。二、原位工程生物修复设计二、原位工程生物修复设计n n设计的主要内容：n n 生物修复技术设计的主要内容是将电子受体、微生物营养和活性微生物本身有效地输送至受污染的目标区域。n n设计目标：n n 在设计开始阶段，需要对已知的材料包括现场地质和水力数据、污染评价报告、现场可行性研究结果和修复的要求进行仔细分析。确定修复工程需要达到的具体目标。n n确定了生物修复工艺。即可选择相应的工艺参数。n n生物修复需要进行的时间可以根据总的需氧量和氧的输送速率来“粗略的估算”。n n主要设计步骤如下：n n 确定是否需要向生物修复区域输送微生物营养；预料生物修复过程中可能出现的化学和微生物学方面的变化，设计对应的措施；设计输送系统；执行长期监测计划。三、典型原位生物修复系统三、典型原位生物修复系统n n典型原位生物修复系统包括地下水回收井、地面处理单元、营养添加单元、电子受体添加单元、回注地下受污染区域等，如图所示。提高生物修复的效率用的措施提高生物修复的效率用的措施 n n可以采用纯氧代替空气或者过氧化氢，提高DO的浓度。n n也可以采用硝酸盐代替氧和过氧化氢作为电子受体。n n可以注入甲烷，提高甲烷细菌的活性。n n采用厌氧和好氧和共代谢组合的方法，可以取得比单独一种方法效果更好的生物修复。设计中需要注意的问题设计中需要注意的问题 n n最佳氧化还原条件的创造和维护，最佳地质条件如PH值、DO和温度等；有效投加方式；微生物和营养物质等在水平和垂直方向的传递和分布。总之，投加、传质和混合是原位生物修复技术成功的关键环节。第四节第四节 地下水的自然生物修复地下水的自然生物修复 一、自然生物修复过程一、自然生物修复过程n n定义：n n 自然生物修复是利用土壤和地下水原本就存在的自然野生微生物降解土壤和地下水中污染物。二、自然生物修复反应参数二、自然生物修复反应参数n n自然生物修复的能力可以根据现场的一些参数进行估计，以苯为例、主要的生物反应和相应的参数详细列如下。n n（一）好氧生物氧化n n 7.5O2C6H66CO23H2On n质量比:O2:C6H6=3.1:1n n每消耗1mg/L的DO就可以降解0.32 mg/L 的苯。n n如果背景DO是4.0 mg/L，好氧降解的容量是0.3241=1.28 mg/L。n n(二)反硝化反应n n6NO3-H+C6H66CO26H2O3N2n n质量比：NO3-：C6H6=4.8:1n n每消耗1 mg/L的NO；可以降解0.2l mg/L 的苯。n n如果背景NO3是12mg/L，则生物降解容量是0.2112/1=2.52mg/L。三、自然生物修复评价三、自然生物修复评价n n(一)现场污染物消失速率的检测n n 需要建立有关受污染区域的特征和污染物状况的数据库，污染物的位置和来源，溶解性污染物的位置和浓度等，土壤分布的地理特征，水力参数如水力学渗流系数和水力梯度，以及地下水的生物数据。(二二)能表征生物反应指标变化趋势能表征生物反应指标变化趋势的调查的调查n n生物反应的趋势可以采用检测生物反应的趋势可以采用检测DODO、EhEh、pHpH值、温度、电值、温度、电导率、碱度、导率、碱度、NO 3-NO 3-、SO42-SO42-、硫化物、硫化物、Fe2+Fe2+、CO2CO2、CH4CH4和和ClCl-，以及污染本身浓度等参数。检测污染物、电子受体、，以及污染本身浓度等参数。检测污染物、电子受体、以及代谢副产物在垂直水平方向的分布特征，对于评价自以及代谢副产物在垂直水平方向的分布特征，对于评价自然生物修复进程是非常重要的。然生物修复进程是非常重要的。n n如果诸如如果诸如DODO、NO 3-NO 3-、SO42-SO42-等浓度低于背景浓度，或者等浓度低于背景浓度，或者其还原后的产物如其还原后的产物如NO 3-NO 3-和硫化物等物质的浓度高于背景和硫化物等物质的浓度高于背景浓度，甚至一些生物代谢产物如浓度，甚至一些生物代谢产物如Fe2+Fe2+和和CH4CH4的浓度升高，的浓度升高，就可以确定自然生物过程的存在。根据数据，勾画出相应就可以确定自然生物过程的存在。根据数据，勾画出相应的变化曲线就可以清晰地确定生物修复的进程。根据各种的变化曲线就可以清晰地确定生物修复的进程。根据各种电子受体的浓度，可以通过加和估算得出自然生物修复的电子受体的浓度，可以通过加和估算得出自然生物修复的容量，从而初步断定仅仅自然生物修复过程是否能够满足容量，从而初步断定仅仅自然生物修复过程是否能够满足修复的要求。在实际项目中，可以测定污染物降解一级反修复的要求。在实际项目中，可以测定污染物降解一级反应系数，近一步定量地确定污染物降解速率。应系数，近一步定量地确定污染物降解速率。(三三)微生物活性的实验室确定微生物活性的实验室确定n n 微生物的活性可以通过土壤和地下水样品的呼吸实验测定，微生物的活性可以通过土壤和地下水样品的呼吸实验测定，可以培养分离鉴定微生物的种类和数量。可以培养分离鉴定微生物的种类和数量。n n为了更好地评价自然生物修复过程，根据有限的数据预测为了更好地评价自然生物修复过程，根据有限的数据预测修复过程具体的变化趋势，发展了各种自然生物修复模型。修复过程具体的变化趋势，发展了各种自然生物修复模型。模型一般由地下水输送和污染物消失模型组成，具体包括模型一般由地下水输送和污染物消失模型组成，具体包括对流、扩散、吸附和生物降解等。其中生物降解方面的模对流、扩散、吸附和生物降解等。其中生物降解方面的模型是最复杂的，常用的模型包括一级降解动力学模型、生型是最复杂的，常用的模型包括一级降解动力学模型、生物膜模型、瞬间反应模型和双基质莫诺持物膜模型、瞬间反应模型和双基质莫诺持(MonodMonod)模型等。模型等。n n目前应用比较多的模则是目前应用比较多的模则是BioplumeBioplume ，模型包括微生物的，模型包括微生物的生长、衰减、传递，污染物的传递和降解，电子受体如生长、衰减、传递，污染物的传递和降解，电子受体如O2O2、NO 3-NO 3-、Fe2+Fe2+、SO42-SO42-和和CO2CO2传质和消耗。但是该模型不能传质和消耗。但是该模型不能够模拟厌氧反应，也不能够模拟降解速度比较缓慢的生物够模拟厌氧反应，也不能够模拟降解速度比较缓慢的生物反应。反应。