臭氧微纳米气泡在地下水修复中的应用 

 

臭氧由于其强大的氧化能力而被广泛用于水处理。然而，由于臭氧相对较低的溶解度和在水相中的快速分解，臭氧在地下水修复中的效率受到限制。提高地下臭氧的稳定性的方法引起了越来越多的关注。直径范围从几十纳米到几十微米的微纳米气泡（MNB），具有快速的传质速率，在水中持续相对较长的时间，并随地下水流一起运输，从而显着改善了气体浓度并提供了一种持续供气。因此，MNBs在地下水修复中显示出巨大的潜力。在这项研究中，我们检查了臭氧MNB的特征，包括其大小分布，气泡数量，和ζ电位。通过实验研究了臭氧MNB的传质速率。臭氧MNB随后被用于处理受有机物污染的水，它们显示出显着的净化效率。还进行了柱测试，以研究臭氧MNB在有机物污染的地下水修复中的效率。根据实验室测试，在受三氯乙烯（TCE）污染的现场进行了现场监测。结果表明，臭氧MNB可以大大提高修复效率，是一种就地修复受有机物污染的地下水的创新技术。还进行了柱测试，以研究臭氧MNB在有机物污染的地下水修复中的效率。 

 

1 .介绍

土壤和地下水 污染是主要的环境问题；因此，已经开发了许多技术来补救这种污染物 [1]。原位化学氧化是一种常用的补救污染部位的方法。芬顿试剂，过二硫酸盐和高锰酸盐等氧化剂在氧化有机污染物方面显示出显着的效率，通常用于现场修复[2]。但是，芬顿工艺的效率很大程度上取决于pH值[3]。在Fenton过程中会形成大量的氧气，这可能会导致孔道阻塞，并可能限制受Fenton试剂影响的区域[2]。过二硫酸盐在环境温度（约20  °C）下往往相对稳定，必须活化后才能用于现场修复[4] 。产生大量的硫酸盐作为副产物 [5]，但是，这会导致二次污染。用高锰酸盐进行原位化学氧化会生成MnO 2，这也可能导致孔堵塞并降低修复效率[6]。

 

臭氧被广泛用于药品的氧化饮用水 [7] ，[8] 。由于其强大的氧化能力，臭氧在废水处理中也具有很高的潜力[9]，[10] 。过氧化氢可用于加速臭氧对污染物的氧化[11]，[12] 。但是，臭氧氧化的效率受到水中溶解臭氧的快速分解速率的限制，该分解速率比气相中的分解速率快得多。因此，迫切需要用于延长水相臭氧反应性的方法，并且已经使用一些稳定剂来提高地下水中臭氧的稳定性[13]。

 

微纳米气泡（MNB）是微小的气泡，直径范围从几十纳米到几十微米 [14]，[15] 。由于其较小的直径，MNB具有较高的内部压力和快速的传质速率，可显着提高气体溶解度。与普通气泡相比，MNB在液相中的上升速度较低。纳米气泡可以在水中长期存在[16]，[17]。 已证明半径为150–200 nm的那些可以保持稳定两周[18]，并且纳米气泡簇可以进一步提高其稳定性[19]。。由于它们在水中的长期存在，MNB可以随水流迁移，并为溶解阶段提供连续的气体供应。在我们以前的工作中，研究了MNB的性质和传质效率[20]，[21]，[22]。MNB的一项杰出的经证实的特征是它们的大比表面积导致在气泡表面上具有相当大的污染物吸附能力[23]。近年来，MNBs在环境工程中的潜在应用已成为研究热点[24]，[25]，[26]，[27] 。这些研究包括在地表水处理中使用MNB由于它们具有比表面积大，带负电的表面和高传质效率的特殊特性[28]，[29]，[30] 。尽管MNB技术在清洁环境方面具有显着优势，但迄今为止，尚未对其在地下水修复中的应用进行系统研究[20]，[21]，[22]。

 

这项研究的目的是调查将臭氧MNB用于地下水修复的可行性和效率。通过实验研究了臭氧多核苷酸的物理化学特征，如分子分布和ζ电位，并通过模型试验研究了其传质行为。在实验室条件下，以甲基橙为代表的有机污染物，对污水和地下水的修复效率进行了检查。还对受三氯乙烯（TCE）污染的场所进行了现场测试，以研究臭氧MNB进行原位修复的效率。

 

2 方法和材料

2.1实验设施

2.1.1微纳米气泡发生器

2.1.2 毫米气泡产生设备

2.1.3 臭氧发生器

2.1.4 尺寸分布分析仪

2.1.5 Zeta电位分析仪

2.1.6 溶解臭氧监测仪

2.1.7 紫外分光光度计

2.1.8 气相色谱仪

 

2.2 实验室测试设置

2.2.1 尺寸分布和Zeta电位分析测试

2.2.2 气体传质测试

2.2.3 有机物污染的水处理测试

2.2.4 列测试

在内径为12 cm 的有机玻璃圆筒（图1）中进行了柱测试， 以研究臭氧MNB处理受有机物污染的地下水。将玻璃珠与甲基橙溶液以10 mg / L的初始浓度混合，以模拟被有机物污染的土壤和地下水。的比重的玻璃珠是2.43，平均直径为60微米，干密度为1.43 克/厘米3 。的水力传导率为1.3 × 10 -4米/秒，因为玻璃珠进行分级很差，其表示介质的沙子。土壤样品的高度为76       分别在距底部16  厘米，32  厘米，48  厘米和64  厘米处分布有4个采样口＃1，＃2，＃3和＃4 。去离子水中不断产生臭氧MNB，以确保臭氧MNB的数量保持在峰值。含有臭氧的MNB的水从底部以0.368 的水力梯度i向上供入塔中。不使用MNB的去离子水用于对比测试。每个测试进行两次以确保数据的可重复性。

2.3 现场测试的设置

2.3.1 现场条件

现场测试是在日本新居市的一个有机物污染现场进行的。被污染的地点是电子元件工厂的前身，面积为1100  m 2。主要污染物是三氯乙烯（TCE），根据日本标准，该污染物在地下水中的浓度限值为0.03 mg / L。该地点的地下水主要分布在12 m至16 m 深度的密闭含沙含水层中，地下水中三氯乙烯的 很大浓度约为10 mg / L。含砂含水层的水力传导率约为10 -6 m / s，而上，下地层     含水层中的一部分是粘土层，其水力传导率约为10 -8  m / s。地下水水位 低于地面6.5 m。

 

2.3.2 提取地下水处理

现场进行了实验，以研究H 2 O 2对臭氧多核苷酸的处理效率的影响。 抽取100 L地下水并将其存储在容量为500  L 的气密反应罐中。使用臭氧MNB，H 2 O 2和臭氧MNB加H 2 O 2来处理受TCE污染的水。在产生臭氧MNB的过程中，以1∶1的臭氧∶H 2 O 2的质量比添加 H 2 O 2 试剂。测量治疗期间TCE的浓度。

 

2.3.3 韦尔斯

一台抽采井，一台注入井和五个监控井（其位置如图2所示）用于原位修复。 很初的地下水流向是从注入井到提取井。每个井的深度为16  m，筛选间隔为12  m至16  m。提取井的直径为25  cm，将提取速率为36  L / min 的泵放置在井内15  m 的深度处。注入井和监测井的直径为5  厘米。注入井与注入单元相连，注入率为15 升/分钟 由于注入速率受场地和设施条件的限制，因此采用了较高的抽取速率以产生更强的地下水流。处理残留的水并将其排放到远离测试区域的地方。在监测井中安装了地下水采样器，以收集15  m 深度的样品。

2.3.4 原位修复

开发了现场修复设备（图3 ）用于现场测试。修复系统包含三个部分：提取单元，反应单元和注射单元。从该地点提取受污染的地下水，并进行过滤以除去土壤颗粒。过滤后，用空气喷射装置处理地下水以除去三氯乙烯。随后，将处理过的地下水注入到反应罐中。MNB发生器位于水箱内部，用于原位产生臭氧MNB。在产生臭氧MNB的过程中，以1∶1的臭氧∶H 2 O 2的质量比添加H 2 O 2试剂。臭氧MNB和H 2 O之后添加2份水，通过注入单元将水注入地面。从反应罐到进样单元的流量为15  L / min，停留时间为33.3  min，以实现 很佳的MNB生成。从当地时间每天09:00到18:00进行了六天的原位地下水修复。对地下水进行采样以监测三氯乙烯的浓度。

3 结论

在这项研究中，臭氧MNBs的特性进行了研究。MNB可以达到很高的单位数量，并且可以长期在水中保持稳定。臭氧MNB在不同盐度下保持负电荷，这意味着它们稳定且可用于修复不同盐度的地下水。

 

MNB可以显着提高臭氧的传质效率，并且可以在水中保持稳定，从而不断提供臭氧。MNB系统中臭氧的半衰期比毫米气泡系统中的臭氧半衰期长得多。在实验室条件下，臭氧对地表水和地下水中的有机污染物有显着影响，而MNB大大提高了处理效率。开发了现场修复设施，并在日本受TCE污染的场所进行了现场测试。治疗六天后，总去除率达到99％。臭氧MNB对受TCE污染的地下水的修复显示出良好的效果，并且可能代表了一种原位修复受有机物污染的地下水的创新技术。

 

新颖性声明

作为一种广泛使用的氧化剂，臭氧在地下水修复中的应用受到其迁移能力的限制。该手稿的目的是研究以微纳米气泡（MNB）形式将臭氧应用于地下水修复的可行性和效率。研究了臭氧多态性分子的基本特征和传质行为，并通过实验室和现场试验研究了臭氧多态性分子对有机污染物的修复效率。臭氧MNB代表了一种就地修复受有机物污染的地下水的创新技术，该手稿肯定会引起对对受有机物污染的地下水修复技术感兴趣的地球环境工程师的关注。

 

来源：危险材料杂志 第342卷，2018年1月15日，第446-453页