微纳米气泡混合水注入法研究.docx

微纳米气泡混合水注入法研究夏志然郭波李恒震刘照琛胡黎明水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，清华大学水利水电工程系，北京100084摘要 由于地下水曝气法作为地下水修复技术所面临的效率局限性，近年来学者提出了在注入的水中参人氧气的方 法以提高修复效率，由此一种高效的微纳米气泡混合水注人法应运而生。相比于传统曝气法，微纳米气泡混合水注入法为地 下水中微生物提供氧气源以提高微生物对污染物的降解作用，从而提高对地下水污染物的修复效率。本文对微纳米气泡氧 传质效应展开研究，通过试验分析微纳米气泡对于水体溶氧的影响作用，定量分析微纳米气泡中氧分子向水体溶氧的转化能 力。同时，引入非达西方程、brinkman方程建立更符合实际的非达西一达西流数值模型，对微纳米气泡混合水注入法修复系统 的流场进行了探索性研究，结果表明井周围的非达西效应不明显，可以直接使用达西流模型进行数值模拟。关键词微纳米气泡混合水注入法；溶氧传质效应；brinkman方程；非达西一达西流耦合流场research on the method of micro-nanobubble injectionxia zhiranguo boki hengzhenliu zhaochenhu limingstate key laboratory of hydro-science and engineering，department of hydraulic engineering，tsinghua university，beijing 100084abstract because of the efficiency limitation of air sparging as groundwater remediation，the more efficient method of mlcro-nano bubble injection that adds oxygen into the injecting fluid has been developedcompared with traditional air spar ging，the method of injection of micro-nano bubble mixed water provides oxygen for the microorganisms in the groundwater todecompose the pollutants，which effectively increases the remediation efficiencythis article conducts experimental study on the mass transfer ability of oxygen from micro-nano bubble to water and quantitatively analyzes the mass transfer processin addition，we propose a numerical model that couples the nondarcy brinkman equation and darcy equation to simulate the flow system of micro-nano bubble injection，fl comparison with a model that only uses darcy equation shows that the nondarcy effect is not significantkey words method of injection of micro。nano bubble mixed water；mass transfer ability of dissolved oxygen；brink- man equation；non-darcy-darcy coupled flow field基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)课题(2012cb719804)。214微纳米气泡混合水注入法研究1引言2微纳米气泡氧传质效应研究地下水曝气法1是现在常用的地下水修复技术21背景介绍 之一，但是现有技术下通过物理方法很难再进一步溶解氧(d0)是指溶解在水中呈分子状态的氧。 提高其修复效率，而新兴的微纳米技术为地下水曝通常情况下，氧气难溶于水，在常温常压下，空气中 气技术的发展带来革命性转机，微纳米气泡混合水 的氧气在纯水中的溶解度仅为8 mglz。在生物 注入法便是在地下水曝气法基础上发展起来的新兴发酵、渔业、水污染治理等领域，水体溶氧都是一项 地下水修复技术。 非常重要的指标。以生物发酵为例，微生物只能利微纳米气泡具有高比表面积，由此带来了高的 用液相中的氧，故而溶氧浓度对于微生物的生长和 传质能力，空气以及氧气微纳米气泡对水体中溶氧 代谢物的累积起着极其重要的作用，特别是对好氧 值影响显著。相比于通常情况，微纳米气泡中氧分 型微生物，通常溶氧浓度越高，氧的传输速率越高， 子向水体中溶氧转化的能力大大提高，水体溶氧值 更有利于代谢物的累积。的提高能够极大地提升微生物的生长以及代谢物的微纳米气泡相对于普通气泡，具有极高的比表 积累，进而提升好氧微生物对有机污染物的处理面积，因此也带来高的传质能力。空气或者氧气微 效率。 纳米气泡对于水体中的溶氧值有显著影响。定量研 实际工程中，微纳米气泡可通过设置井群灌入究微纳米气泡中氧分子向水体溶氧的转化能力可为 地下水，为了实现井群系统的高效率运行并减少对微纳米气泡混合水注入法在地下污染水体中的应用外部水的需求，通常都会采取循环井的方式，将抽水研究打下基础。 井中抽出的水稍加处理后通过微纳米气泡混合水发22试验设备生器，使其中溶人大量微纳米量级气泡后供注水井仪器与试验材料包括ysi proodo溶氧测量仪，使用。ask2微米气泡发生装置，气体流量计，m1型氧气 循环井系统的概念图如图1所示，基于该系统机。试验用去离子水来自清华大学水利系土力学实的微纳米气泡混合水注入法包括两个物理过程：水验室csr_1-10纯净水发生装置，如图2所示。微米 动力过程和微纳米气泡运移过程。对于水动力过气泡发生器选取进气流量恒定为03 lmin，出水阀 程，就是一个多孔介质渗流的问题。水井附近区域， 门流量定为013 ls，此时可获得较好的气泡制备效 水流流速较快，不满足达西流要求，需要采用其他的果，并认为气泡制备条件恒定。试验中设置氧气机供 控制方程描述。远离水井区域，水流流速减慢，可以氧浓度为90，对应供氧流量为11 lmin。 视为达西流动。对于微纳米气泡的运移和转化过程，相对比较复杂，需要在考虑微纳米气泡运动过程 的基础上，同时考虑气泡界面的物理特性、气泡内气 体的化学特性等来求解。图2溶氲试验示意图fig2 schematic diagram of the dissolved oxygen test图1循环井系统概念模型试验的主要内容是在室温和正常气压下，分为：fig1 model of cycling well system在空气中静置；持续通人空气微纳米气泡；215岩土力学与工程新进展持续通入氧源浓度为90的氧气微纳米气泡；图3是各种情况下10 min内水体中溶氧变化持续通入浓度为90的氧气4组试验，测定在设的情况。 置条件下去离子水中溶解氧的变化，研究微纳米气 泡使水体溶氧增加的效率以及不同含氧气体对水体 溶氧增加效率的影响。试验操作步骤包括：(1)向4个外形、容积相同的容器(圆桶)中各加入4 l去离子水，保证水与空气接触面积相同；在 微米气泡发生装置进气口、出气el设置气体流量计，(1邑并繁 在氧气机出el设置气体流量计。(2)对试验持续通入空气微纳米气泡，用微的“”弘凹m坶，4o1002300400500 600米气泡发生装置在容器中进行水循环，产生空气时间(i) 微纳米气泡，测定气泡发生装置进气口、出气口气体图3 10 min内水体溶氯变化 流量，且每隔10 s(30 s)测定水溶氧值，监测水温变fig3 the change of dissolved oxygen in(10 rain)化。试验中保证微纳米气泡发生装置进水el和出水从上图中可以看到，在10 rain的通气过程中， 口位于圆桶中心位置，进水口与出水口深度保持恒氧气浓度为90的氧气微纳米气泡的产生可以迅 定。溶氧测量仪的传感探头位于圆桶靠近桶壁处， 速而大幅度地改变水的溶氧值，90 s可使水的溶氧 插入深度为5 cm。试验设置如图2所示。 值达到40 mgl(饱和度460)以上，饱和后溶氧 (3)对试验持续通入氧浓度为90的氧气微值维持在4043 mgl。溶氧的增加过程可以用双 纳米气泡，将微米气泡发生装置进气el与氧气机出 膜定律和fick定律解释，根据上述定律，单个气泡气口连接，调节氧气机为1挡(供氧浓度90)，重中氧气由气相进入液相的传递速率为：复试验操作。气泡发生装置进水口、出水口位置，r，、一r芸一kia兰告三(1)v v溶氧测量仪传感探头位置与试验相同。(4)对试验持续通入浓度为90的氧气，直 式中：n为单个气泡单位时间传递质量；v为液体 接将氧气机出气el置于容器中，位置与上述试验 体积；k。为液膜系数；c。为气液界面氧浓度；c为 微纳米气泡发生装置出水口相同，调节氧气机为1 液体中氧浓度。把产生的气泡看为均一粒径，某时 挡，重复上述实验操作。溶氧测量仪传感探头位置 刻全部气泡中氧气由气相进入液相的传递速率为：与上述两试验相同。百nn=nkia霉(2)v v23试验结果n为该时刻气泡数量，咒nv为单位时间水体 表1是各组试验参数。其中，氧气微纳米气泡溶氧的增加，即氧传递系数k。a。气泡数量n的增 的气体流量，由进气口(11 lrain)与出气口流量加与氧浓度差降低的共同结果使得溶氧增加，但增 差值得出；通气时长的选择根据试验过程中溶氧的加速率逐渐降低直至达到饱和，饱和情况下水体中 变化情况确定。下面主要从溶氧增加效率等方面对氧浓度c达到气液界面氧浓度c。，氧失去传质动 各试验进行对比分析。力。在100 s左右出现的峰值是溶氧测量仪数值变表1试验条件设置化有一定惯性所致。table 1conditions of the experiment相同供气流量下，由于氧浓度较低，故在相同条气体流量 水循环速度 通气时长内容件下空气微纳米气泡气液界面氧浓度c，较低，空气(lmin)(ls)(rain)微米气泡使水溶氧增加以至达到的饱和浓度较氧气在空气中静置不通气不循环 60微纳米气泡低，但仍超过流量11 lrain浓度90通入空气微纳米气泡o3013 10的氧气直接通人时的饱和浓度，200 s时可使水的溶通入氧气微纳米气泡0301310氧值达到10511 mgl(饱和度126)。通入氧气11不循环60通过对数据的分析还可以发现，通入氧气微纳216微纳米气泡混合水注入法研究米气泡、空气微纳米气泡或者直接通人氧气的过程 速度较快，流体发生剪切作用引起的能量耗散不能 中，当水的溶氧增加过程达到稳定时，溶氧与时间皇忽略，流动已经不再满足达西方程。这种类型的流 现接近线性增加的特征，直线拟合相关系数达到 动可以采用brinkman方程描述。brinkman方程 096，如图4所示。 是h c brinkman(1947)在达西方程的基础上考虑 50navierstokes方程中流体黏性剪切应力项提出来45的，该方程刻画流体在多孔介质中快速流动形成的4035剪切力、渗透压力作用下的流动规律，适合于描述多芝30孔介质中的达西流动与流体管流之间的过渡区域。首25brinkman方程可以表示为：耳20餮15lo(予)警+詈“5=v一声j+叩v“+(v“)t+f(3)0时间(s)p=ln(e(x)一ln(1+器)(4)0100200300400500600、l1，圈4水溶氧线性稳定增加过程式中：p为流体密度；口为孔隙度；呀为流体动力黏fig4 the steadily increase process of度；j为单位矩阵；u为流体流速；p为压力；f为流dissolved oxygen体阻力。溶氧较稳定的增加得益于稳定的通氧条件和微距离井较远的区域，流体流动速度减慢，可以采 纳米气泡的传质特性。根据试验结果，计算了三种用达西方程描述。对于稳态流动，达西方程表示为：条件下氧的传递系数kb，如表2所示。表2三种条件下氧传递系数v(一寺vp)=。table 2oxygen transfer coefficient in微纳米气泡混合水注入法涉及的渗流问题通three conditions过上述brinkman方程和达西方程就可以很好地描供气速率氧传递系数通氧情况述。对于微纳米气泡的运移问题，目前还没有学(lmin)kla(mgls)者提出相关的理论。本研究为了简化，把微纳米持续通入氧气微纳米气泡o305125气泡考虑为溶质来计算其在地下含水层中的运移持续通入空气微纳米气泡o300265问题。溶质运移的控制方程即对流扩散方程，表持续通入氧气1100064示如下：口芸+v(一vc+uc)=0(6)可以看出，微纳米气泡对于氧的传质能力有极大的提升，在供气速率小的情况下，氧传递系数仍为式中：口为孔隙度；c为溶质浓度；d为水动力弥散 通人普通气泡时的近80倍。利用这一特点，微纳米 系数；乱为水流流速；为时间。 气泡技术适用于通过提高溶氧的方法直接用于地下本文对微纳米气泡混合水注入法，采用上述 水的水生态环境修复。 式(3)、式(4)、式(6)作为控制方程，再加以合适的边界条件，就可以以数值求解流场及污染物的运移过3修复流场数值模拟程。本文的模型求解是在console muhiphysics软31理论模型 件的基础上进行开发来实现的。 对于地下水流场的模型目前已经有很多相对较32数值模拟及参数分析为成熟的商业软件，比如modflow、gms等。但是 本文在数值实现上，将微纳米气泡混合水注人 这些商业软件都有一个共同的问题，它们对于饱和 法分解为两个过程：一个过程是，微纳米气泡混合水 区渗流的计算都采用达西方程，而这在有水井存在 注入之后，地下水逐渐形成稳定的渗流场；另一个过 的情况下是不符合实际情况的，因为水井附近渗流 程是，在稳定的渗流场形成之后，微纳米气泡作为溶217岩土力学与工程新进展质随流场进行运移。因此，首先模拟微纳米气泡混空间域q和参考域q到空间域q映射关系的存 合水注入之后的流场问题，之后再考虑其运移过程。在，材料域q。到参考域q的映射就不是一个独立本文的饱和流场计算中，需要确定渗流的地下映射了。采用逆变换可以得到材料域q。到参考域水水面，可以采用移动网格(arbitrary lagrangianeulerian)的方法来实现。下面简要介绍一下移动q的映射关系如下： 网格方法的原理。如图5所示，,27坐标系为eulery一旷1(庐(x，)，)=咖(x，)(9)坐标系(空间坐标系)，它固定在空间中，不随物体的材料域鼠、空间域q和参考域q之间互相都运动而运动；x坐标系为langrange坐标系(材料坐建立了映射关系，当计算物理材料变形问题的时候，标系)，它始终和材料保持一致，当材料变形时，x比如固体变形，采用材料域q。、空间域q之间的映坐标系也会随之改变；z坐标系为ale坐标系，该射关系，即lagrange方法；当材料运动更为复杂，比坐标系独立于euler坐标系和langrange坐标系，如流体流动，lagrange方法不再适用，这时需要采它不完全固定在空间也不完全固定在材料节点上，它的网格可以根据一定的规则做任意需要的运动。用空间域q和参考域q之间的映射关系，即euler方法。本文中计算地下水稳定渗流情况下的自由水 面，实质上就是采用ale方法中的euler方法。 33流场模拟331计算模型本文考虑单井注水的情况，单井注水具有轴对 称性，因此计算模型取二维轴对称平面作为计算域， 计算模型的简图如图6所示。图5langrange坐标系、euler坐标系以及 ale坐标系的概念图fig5 concept map of langrange。euler and承井中轴线ale coordinate图6计算模型简图引人参考域q作为ale坐标系下的计算域， fig6 schematic diagram of the simulation model 它独立于材料域q。(lagrange描述)和空间域q计算域选取的是井周围497 m12 m的轴对 (euler描述)，在计算过程中始终与网格保持重合。称区域，地下水稳定渗流的自由水面会在该区域内 这三个域之间有相应的映射关系。 产生，可通过ale方法得到。计算过程中，为了让材料域到空间域q的映射可以用下式ale方法收敛更容易，可以逐步缩小计算域，也就表示：是将和自由水面无关的部分去掉，最终得到自由z=9i(x，f)(7)水面。 式(7)表示的是材料坐标x在t时刻对应的空计算的边界条件给定如下：间坐标z，反映的是材料的运动。同理，参考域q到对于brinkman区，在darcy区的界面上给定空间域q的映射也可用上式表达。流速边界，ubrinkm。n为径向流速，zbrinkman为垂向流速。ub。k。2 uda。(10)z=ji(y，)(8)。k 2口darc。(11)式(8)表示的是参考坐标x在t时刻对应的空对于darcy区，在brinkman区的界面上给定间坐标，反映的是网格的运动。由于材料域q。到218微纳米气泡混合水注入法研究压力边界，pdarcy为达西区的压力。visu(m|)；户da2户bi。kir-。(12)0ikoj“j ； i水井往地层中注水的注水口给定1 m2s的流、；ii卜速边界条件；在距离井中心50 m的地方，认为水面支 “ 耋 妻 爹”已经达到稳定，给定水头为7 m；上边界给定人流量言憎i；ii|为0；其余边界给定不透水边界。目士沁0扣扣吝、ll i晴332流场模拟结果譬模拟的流场结果如图7所示，流速从远离井的kn争 卜 h- 方向逐渐减小，原因是越远离井的地方，流速的断面墨垫囊 鎏 = ” 越大，根据质量守恒，流速自然降低。运动到50 m处，速度已经降到了2510_4 ms左右。为了研 究引入brinkman方程是否必要，本文还计算了所有区域全视为达西流的情况，分析其各断面流速与图8 b-d耦合流与darcy流在距离井1 in、2 m、3 m、引入brinkman方程之后的差别。4 m、5 m处的断面流速n舀8 sectional flow of b-d and darcy flow at the distance of1 in。2 m，3 mt4 m。5 m from the well34微纳米气泡运移模拟为了简化，本文将微纳米气泡视为溶质，那么微圈7徽纳米气泡混合水注入轴对称二维模型的流场纳米气泡运移的问题就简化为一个简单的溶质运移fig7 flow field of 2d axisymmetric micro-nano问题。表3为计算用到的参数。bubble injection model表3计算所用到参数图8为距离水井1 iti、2 m、3 m、4 m、5 1ti地方table 3coefficients for calculation的brinkman-darcy(b-d)耦合流与达西流的断面流溶质在水中扩散系数(ms)13410一9速比较。首先可以看出，d耦合流的流速在接近横向机械弥散系数(m)0005壁面的地方很小，然后迅速增大，而达西流中没有这纵向机械弥散系数(m)05个现象。这是因为brinkman流考虑流体流动造成的剪切应力，在壁面处认为没有滑移。其次，我们发在得到稳定流场的基础上，求解溶质运移方程。现，b-d耦合流的断面流速相对略低于达西流，这也溶质运移的边界条件给定如下：是因为b-d耦合流考虑流体之间的剪切作用，由于注水口给定浓度c一05 kgm3；距离并50 121能量损失，速度会较达西流稍小。处，给定浓度c一0 kgm3；其他边界都给定无通量vinu(m1)边界条件。o12图9为50浓度作为峰前的运移距离随时间o10变化的曲线，可以看出由于注水引起地下水流动，微l|纳米气泡运移的速度较快，在注水井进入地下含水o08层流速为lms的情况下，微纳米气泡运移到距离号006fj“水井50 iti处只需要接近半天的时间。另外，随着越来越远离水井，微纳米气泡运移的速度逐渐减慢，。窖lof这是因为微纳米气泡的运移主要受水动力弥散的影o眈 k： 鲨i响，地下水流速随着与井距离的增加而减小，所以微邕毫k纳米气泡的水动力弥散作用也随之减弱。o01234567为了分析引入brinkman方程之后的地下水流z细)动对微纳米气泡运移的影响，我们画出了brinkman一219岩土力学与工程新进展darcy流和达西流两种地下水流动情况下，微纳米 切流动造成的能量损失，所以速度会相对brinkman- 气泡运移距离随时间变化的曲线(图10)。可以看 darcy流动快一些，这一点在流场模拟的时候已经 出，同样时间内，达西流情况下微纳米气泡运移的距 分析过。微纳米气泡的水动力弥散作用与地下水流离会稍微远一