泡沫增强空气喷射耦合土壤气相抽提修复三氯乙烯DNAPL污染土壤

《ACS Omega》：Foam-Enhanced Air Sparging Coupled with Soil Vapor Extraction for Remediation of Trichloroethylene DNAPL-Contaminated Soil

　　

常规修复技术如土壤气相抽提（SVE）及空气喷射耦合SVE（AS-SVE）在处理三氯乙烯（TCE）重质非水相液体（DNAPL）源区时，常受限于气体窜流与传质限制。为克服上述挑战，研究人员开发了集成氧化泡沫增强AS-SVE（Oxi-FEAS-SVE）系统，以提升污染物可达性、传质与降解效率。该系统采用由32 mM α-烯烃磺酸盐（AOS）与1500 mM过硫酸钠（SPS）组成的氧化泡沫替代常规空气注入，在5 L圆柱土柱反应器中维持AS/SVE流量比1:1。在此条件下，单独SVE与AS-SVE通过挥发去除的TCE不足2%，而Oxi-FEAS-SVE系统在实验室规模研究中实现91%总去除率。性能提升源于两阶段过程：前3 h主动运行主要通过DNAPL挥发去除54% TCE，随后48 h静态期通过氧化矿化再去除37%。机理上，AOS/SPS氧化泡沫具双重功能，既增大界面接触面积促进溶解与挥发供SVE捕获，又通过常温活化SPS产生硫酸根自由基维持氧化降解。检出的中间产物（C2H2Cl4、CHCl3、CH2Cl2与CH3Cl）提示降解路径涉及自由基加成、氢抽象/加成与顺序脱氯。综上，Oxi-FEAS-SVE系统作为处理TCE DNAPL源区的创新途径具应用前景，同时需更多研究评估其在多变场地条件下的可行性。

研究背景方面，三氯乙烯（TCE，C₂HCl₃）作为广泛使用的挥发性有机化合物（VOC）及典型重质非水相液体（DNAPL），因历史用作金属脱脂剂、干洗溶剂等导致全球土壤与地下水广泛污染，在美国国家优先清单危险废物场中检出率超56%。TCE DNAPL密度大于水、与水的互溶性差，向下迁移至低渗透层形成长期源池，缓慢释放溶解态TCE，使常规抽水处理（P&T）与单独空气喷射（AS）对纯相DNAPL挥发增强有限，传统AS-SVE受气体窜流与极小气液界面制约，传质效率低。已有研究证明表面活性剂泡沫可增大气泡-TCE界面、促进溶解挥发，且AOS/过硫酸盐（SPS）氧化泡沫兼具增溶与化学氧化双重作用，但在模拟含水层多孔介质中耦合SVE的系统评估尚缺。因此研究人员在《ACS Omega》发表该研究，将氧化泡沫增强AS（Oxi-FEAS）与SVE集成，于硅砂多孔介质反应器评估其对TCE DNAPL源区修复效能并解析副产物路径。

关键技术方法上，研究人员构建5 L圆柱玻璃反应器（直径18 cm、高25 cm），填装9200 g硅砂形成5 cm饱和带、约3 cm毛细边缘与15 cm非饱和带，顶部覆2 cm膨润土密封层模拟不透水铺面，底部饱和带注入4.2 mL TCE DNAPL（约6132 mg）建立过量源区；中心设N₂/泡沫喷射井贴近DNAPL池，非饱和带设5 cm筛管SVE井，按半径9 cm影响范围与孔隙体积交换率30计算SVE流量250 mL min^-1，AS/SVE流量比1:1；氧化泡沫由32 mM AOS与1500 mM SPS液经蠕动泵与N₂（2 L min^-1）在发生器内以液气比固定产出（泡沫品质99.6%），主动运行3 h后静置48 h；设对照、单独SVE、AS-SVE、AOS泡沫FEAS-SVE、AOS/SPS氧化泡沫Oxi-FEAS-SVE三组对照，每组独立装柱三次重复；土壤与颗粒活性炭（GAC）中TCE经正己烷提取后高效液相色谱-光电二极管阵列检测，气相TCE及副产物经吹扫捕集-气相色谱质谱（GC/MS）按NIEA W785.54B筛查60种VOC，SPS紫外分光定量，氯离子离子选择电极测定。

研究结果部分，3.1节“集成Oxi-FEAS-SVE对TCE DNAPL污染协同修复效能评估”中，压力监测显示SVE井（P1）真空随流量上升，边界观测点（P2，r=9 cm）恒为大气压（0.00 psi），证实1:1注采比形成强垂向压力梯度、无边界窜流；土壤浓度等值线与质量分布表明对照与单独SVE 3 h后饱和带底层TCE仍达2814.9与2508.9 mg kg^-1干土，AS-SVE虽使35%质量上迁但毛细带形成 smear zone（平均1076.0 mg kg^-1），残留超92%；AOS泡沫FEAS-SVE使饱和带降至781.1 mg kg^-1、挥发占50–52%；Oxi-FEAS-SVE主动3 h后饱和带730.3 mg kg^-1与FEAS-SVE相近，证明SPS不改泡沫剥离主导性，48 h静态后全剖面降至42.9 mg kg^-1，总去除91%（挥发54%+矿化37%）。气相图显示泡沫组G1/G2处TCE峰值约80 mg L^-1，挥发速率较气注组高约73倍，GAC出口T2始终未检出，证明挥发捕获完全。3.1节还借Hantush漏项方程佐证P2理论真空可忽略，说明ROI不抵边界。

讨论与结论翻译部分，研究人员指出Oxi-FEAS-SVE通过两阶段发挥作用：主动期泡沫 lamella（液膜）提供大界面使DNAPL溶解分配入气泡被SVE捕获，静态期残留AOS/SPS泡沫持续接触TCE，常温活化SPS产硫酸根自由基（SO₄^•–）矿化残余，氯离子计量释放证明确发生化学氧化而非生物降解（惰性硅砂、无氧氮气环境排除好氧生物）；检出C₂H₂Cl₄、CHCl₃、CH₂Cl₂、CH₃Cl指示自由基加成、氢抽象与顺序脱氯路径；32 mM AOS选定因其泡沫稳定性约345 min、品质99.6%，1500 mM SPS使稳定性降至约180 min仍覆盖3 h操作，表面活性剂/氧化剂比需权衡自由基清除与泡沫性能；研究局限在于5 L柱仅含5 cm饱和带、均质硅砂忽略天然耗氧（NOD）与场地异质性，结果属概念验证而非现场直接外推。结论为：Oxi-FEAS-SVE系统对TCE DNAPL源区实验室去除率达91%，较单独SVE/AS-SVE（<2%挥发）显著提升，泡沫增强传质耦合过硫酸盐静态氧化矿化是可行创新路线，未来需在天然 aquifer 材料与变量场地条件下评估氧化剂消耗、泡沫稳定性及蒸气捕获效率。