全 文 ：第 9 卷 第 5 期 环 境 工 程 学 报 Vol ． 9，No ． 5
2 0 1 5 年 5 月 Chinese Journal of Environmental Engineering May 2 0 1 5
鼠李糖脂促进地下水苯和氯苯污染的
空气喷射修复
余晓倩 何 炜 孙长虹* 司亚安 刁徐笑 宋光武
(北京市环境保护科学研究院水资源与水环境保护研究所，
国家城市环境污染控制工程技术研究中心，北京 100037)
摘 要 通过一维砂柱室内模拟实验，研究生物表面活性剂鼠李糖脂对空气喷射修复地下水中苯和氯苯污染的促进
作用。实验研究了水中表面张力的变化对曝气过程中空气饱和度的影响，结果发现，在一定范围内，随着表面张力的下降，
空气饱和度有大幅度的增加，当表面张力下降到 37. 75 mN /m以后，空气饱和度基本不再上升。曝气流量固定为 300 mL /
min，当地下水的表面张力由 71. 65 mN /m降到 29. 25 mN /m时，对应地下水中空气饱和度可由 9. 21%提高到 20. 1%。污染
物去除实验的结果表明，添加低浓度的鼠李糖脂可以环保高效地提高苯和氯苯的去除量以及去除速率。因此，添加鼠李糖
脂可以作为一种有效的强化方法来提高空气喷射法去除地下水中苯和氯苯污染的效率。
关键词 空气喷射 鼠李糖脂 空气饱和度 表面张力 有机物
中图分类号 X523 文献标识码 A 文章编号 1673-9108(2015)05-2220-07
Remediation of benzene and chlorobenzol in groundwater
pollution using rhamnolipid-enhanced air sparging
Yu Xiaoqian He Wei Sun Changhong Si Yaan Diao Xuxiao Song Guangwu
(Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection，Institute of Water Resources and Water Environment Protection;
National Urban Environmental pollution Control Engineering Research Center，Beijing 100037，China)
Abstract The promoting effect of rhamnolipid on in-situ remediation of groundwater contaminated by ben-
zene and chlorobenzene with air sparging was studied by indoor simulation experiment with one-dimensional sand
column． The influence of surface tension on air saturation during air sparging process was studied with experi-
ments． It showed that air saturation increased greatly with the declination of surface tension until the surface ten-
sion decreased to 37. 75 mN /m． When aerated flow fixed to 300 mL /min，the air saturation of groundwater in-
creased from 9. 21% to 20. 1% as the surface tension decreased from 71. 65 mN /m to 29. 25 mN /m． It also
showed that the modest adding of rhamnolipid can improve the removal rate of benzene and chlorobenzene great-
ly． Therefore，rhamnolipid can be used to strengthen the in-situ air sparging remediation of groundwater contami-
nated by benzene and chlorobenzene．
Key words air sparging;rhamnolipid;air saturation;surface tension;organics
基金项目:环保公益性行业科研专项经费(201109014-02)
收稿日期:2014 － 03 － 31;修订日期:2014 － 08 － 26
作者简介:余晓倩(1989—)，女，硕士研究生，主要从事水污染防治
方面的研究工作。E-mail:xiaoqianyu618@ 163． com
* 通讯联系人，E-mail:changhong_sun@ 126． com
因化肥农药的广泛使用、化工厂搬迁、油品泄漏
等事件造成的土壤及地下水中有机污染问题日趋严
重。而在水资源紧缺的北方地区，地下水是重要的
饮用水源，因此解决地下水污染问题迫在眉睫。目
前地下水污染修复的主要方法有抽出处理技术
(pump and treat，P＆T)、可渗透反应墙(permeable
reactive barrier，PRB)、空气喷射(air sparging，AS)
等［1］。其中空气喷射修复技术是向地下水中注射
空气，将污染物从液相转移至气相，再由空气携带上
升并从系统中去除的一种原位修复技术，对土壤和
地下水中挥发性和半挥发性污染物的去除效果显
著［2］，并且具有操作简单、成本相对较低、对场地环
境影响极小等特点［3］，同时，空气喷射可提高环境
中的溶解氧水平，从而提高微生物对污染物的好氧
降解［4，5］。因此，AS凭借其独特的优势已经成为土
第 5 期 余晓倩等:鼠李糖脂促进地下水苯和氯苯污染的空气喷射修复
壤及地下水污染的重要修复技术。目前，国外对空
气喷射修复技术的研究已经较为成熟，并已广泛应
用于实际污染场地修复［6］。但是，传统 AS 法应用
于非水相流体污染场地存在一定困难。由于该类污
染物易与土壤介质黏附，而曝气注入的空气一般集
中分布在注射井附近，有机污染物与之接触有限;在
介质渗透系数较小的区域，空气很难进入，阻碍了污
染物的去除［7，8］。
添加表面活性剂一方面有助于降低固-液界面
张力，从而利于有机物从吸附的介质中进入地下水
中而更容易被去除;另一方面可降低气-液界面张
力，从而促进有机物从液相转移至气相中得以去除。
目前仅有 Kim等［9，10］提出通过添加十二烷基苯磺酸
钠(SDBS)的手段来增强空气喷射法去除挥发性有
机物的修复效果。但化学表面活性剂存在不易生物
降解，易产生二次污染等问题［11］，而生物表面活性
剂是由微生物自然代谢产成的，不仅具有化学表面
活性的乳化、增溶和降低表 /界面张力等功能，而且
易于生物降解，可通过微生物降解从环境中得以去
除［12］。目前应用生物表面活性剂作为辅助手段提
高 AS去除污染物效率的研究尚未开展，本研究初
次提出以生物表面活性剂作为强化手段，研究添加
生物表面活性剂对空气喷射修复技术的影响。
实验选取鼠李糖脂作为生物表面活性剂的代
表，以苯和氯苯作为目标污染物，探讨添加生物表面
活性剂对 AS修复效果的影响。通过表面张力测定
确定后续实验中所用鼠李糖脂的临界胶束浓度值，
在此基础上设定空气饱和度测定实验的参数，通过
研究表面张力对空气饱和度的影响，试图从机理上
探讨添加表面活性剂对 AS 的促进作用。最终通过
一维砂柱实验模拟，研究生物表面活性剂对 AS 去
除地下水中有机物污染的影响，为提高空气喷射法
的去除效率提供经济环保的方法，同时，为未来场地
实际应用提供数据支持。
1 材料与方法
1． 1 实验装置及材料
实验装置及流程:采用自主设计的一维有机玻
璃柱(图 1)作为模拟砂柱，内径 8 cm，高 100 cm。
柱子底部设有进样口和曝气口，底部法兰上方的底
板用以支撑装填物的重量，底板上设均匀分布的圆
孔以确保均匀进样和曝气，此外，在柱子法兰上方装
有 100 目的不锈钢丝网，以防砂子堵塞进样口。采
用中砂(粒径 0. 25 ～ 0. 5 cm)作为含水层介质装填
砂柱，堆积密度为 1. 59 g /cm3，装填高度为 75 cm
(空气饱和度测定实验中装填高度为 50 cm)。柱体
侧面间隔 10 cm 设 1 个取样口，共 8 个。柱顶端设
活性炭气体吸附管以吸附净化砂柱尾气。
目标污染物:苯，分析纯;氯苯，分析纯。
图 1 实验装置图
Fig. 1 Experimental setup
1． 2 实验方法
1． 2． 1 空气饱和度测定实验
配制一系列浓度的鼠李糖脂溶液，测定其临界
胶束浓度，以此作为空气饱和度实验中鼠李糖脂浓
度梯度的设定依据。将不同浓度的鼠李糖脂由底部
进样口缓慢注入砂柱中，直至饱和。采用曝气泵从
柱底部曝气口对砂柱进行曝气，在不同曝气流量下，
测定砂柱顶端自由液面的上升高度，以曝气过程中
排除水的体积 /柱子中水的总体积来计算空气饱和
度［13］，研究表面张力与空气饱和度之间的关系。每
组实验均做平行实验，取平均值，作为最终结果。实
验参数设定如表 1 所示。
表 1 空气饱和度测定实验参数
Table 1 Schedule of testing program in air
saturation experiment
表面活性剂
浓度
(mg /L)
表面张力
(mN /m)
曝气量
(mL /min)
鼠李糖脂
0
2
5
15
50
71． 65
50． 80
45． 85
37． 75
29． 25
100，200，300，400，
500，600
1222
环 境 工 程 学 报 第 9 卷
1． 2． 2 鼠李糖脂促进空气喷射法修复地下水中苯
和氯苯污染的模拟实验
将混有不同浓度鼠李糖脂的苯-氯苯的混合污
染液，由砂柱底部进样口缓慢注入，直至砂柱饱和，
密封，静置放置 48 h，使得污染物吸附平衡。从底部
进气口对砂柱进行曝气，定期从砂柱侧面取样口取
水样，测定苯和氯苯含量，以地下水中污染物的最终
残余量作为衡量污染物去除效果的指标，确定添加
鼠李糖脂对 AS修复地下水污染的促进作用。携带
着有机物的空气经过活性炭吸附，排入空气中。
1． 3 测试条件
表面张力值的测定:使用上海方瑞仪器公司生
产的 QBZY-1 型号的铂金板表面张力仪测定。每个
样品做 3 次平行测试，测量值波动范围控制在 ± 0. 2
mN /m内。
苯和氯苯的测定:采用吹扫捕集法(OI4660)进
行样品前处理，采用气相色谱质谱仪联用法 GC-MS
(Agilent 7890A-5975C)进行定量测试。测试条件
如下:
吹扫捕集条件:吹脱气体流量 40 mL /min，在
40℃下，吹扫 11 min，解吸温度 190℃，解吸时间 1
min，烘烤温度 210℃，烘烤时间 10 min。
色谱条件:色谱柱型号为 DB-5MS(30 m × 0. 25
mm ×0. 25 μm)，以 N2 作为载气，载气流速 0. 8 mL /
min，采取分流进样，分流比 80∶ 1，进样体积 1 μL;升
温程序:初始为 45℃保持 2 min，以 10℃ /min 升高
到 100℃。
质谱条件:电子轰击源(EI)70 eV，离子源温度
230℃，四级杆温度 150℃，扫描范围 50 ～ 450 amu。
2 结果与分析
2． 1 鼠李糖脂临界胶束浓度值的确定
鼠李糖脂的表面张力随其浓度的变化情况如图
2 所示。在较低浓度(＜ 25 mg /L)情况下，随着鼠李
糖脂浓度的升高，表面张力值呈急剧下降趋势，当其
浓度升高到 25 mg /L，鼠李糖脂溶液的表面张力值
随浓度降低的幅度明显趋缓，基本维持在 29 ～ 32
mN /m。以表面活性剂浓度的对数值作为横坐标，
表面张力作为纵坐标作图，由其趋势线的拐点可以
得到表面活性剂的临街胶束浓度值(CMC)值(图
3)。鼠李糖脂的 CMC 值，约为 24. 3 mg /L，其对应
的表面张力为 31. 8 mN /m。其他阴离子表面活性
剂，如十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠和皂角苷
等表面 CMC 浓度范围在 200 ～ 2 200 mg /L［14，15］。
相比之下，鼠李糖脂具有较低的 CMC值以及高效降
低表面张力的特点。这一显著的特性也决定了它不
仅可以高效地降低表面张力同时使用量少，非常适
用于表面活性剂促进污染场地的环境修复。
图 2 鼠李糖脂表面张力的变化曲线
Fig． 2 Surface tension curve of rhamnolipid
图 3 鼠李糖脂 CMC值的计算
Fig． 3 Result of critical micelle concentration
of rhamnolipid
2． 2 表面张力对空气饱和度的影响
在地下水曝气修复技术中，气-液接触面积是影
响挥发性污染物从液相向气相转移的至关重要因
素。为强化有机污染物曝气修复效果，应提高砂柱
中气-液接触面积。而空气饱和度是反应接触面积
的指标，空气饱和度越高，空气和污染物接触面积越
大，污染物就越容易通过挥发而被去除［16］。
实验研究了不同曝气强度(0 ～ 600 mL /min)
下，水中表面张力的变化对砂柱空气饱和度的影响，
结果见图 4。和表面张力为 71. 65 mN /m 的曲线相
比，在各个曝气量下，表面张力低于 50 mN /m时，随
着表面张力的下降，空气饱和度有大幅度的增加，而
当表面张力低于 37. 75 mN /m 以后，对应曲线的空
气饱和度增加不显著。同一表面张力下，砂柱中空
2222
第 5 期 余晓倩等:鼠李糖脂促进地下水苯和氯苯污染的空气喷射修复
气饱和度随着曝气量的增大而增大，在 0 ～ 400 mL /
min的范围内，空气饱和度增加较为显著，大于 400
mL /min之后，空气饱和度增加的幅度较小。
图 5 是曝气流量等于 300 mL /min时，空气饱和
度与表面张力的相关性曲线。当表面张力从 71. 65
mN /m降到 29. 25 mN /m 时，空气饱和度从 9. 21%
提高到 20. 1%。换而言之，通过添加鼠李糖脂降低
了地下水的表面张力，增加了曝气过程中气流孔道
的数量，即提高了砂柱中气-液的接触面积。综合考
虑提高空气饱和度以及降低成本等因素，以下污染
物去除实验中均采用 300 mL /min的曝气流量。
图 4 不同曝气量和不同浓度下鼠李糖脂空气饱和度变化
Fig． 4 Effect of airflow rate and surface tension
of water on air saturation
图 5 300 mL /min下，空气饱和度随表面张力的变化曲线
Fig． 5 Functional relationship between surface tension of
water and air saturation at an airflow rate of 300 mL /min
2． 3 鼠李糖脂促进 AS 修复地下水中苯和氯苯
污染
2． 3． 1 鼠李糖脂促进 AS修复效果对比
根据空气饱和度实验结果，本实验选择鼠李糖
脂 15 和 50 mg /L的浓度水平作为对比实验组，未添
加鼠李糖脂溶液的曝气修复实验作为对照组，探讨
添加鼠李糖脂后对空气喷射修复技术的影响。图 6
和图 7 分别为不同浓度鼠李糖脂溶液注入后，地下
水中苯和氯苯残留率随曝气时间的变化趋势图。
(其中污染物的残留率为不同时刻水样中污染物的
浓度与初始水样中污染物浓度之比)
如图 6 所示，在曝气初期，未添加鼠李糖脂的对
照组水样中出现污染物高于初始浓度的现象，这是
因为曝气过程将原本吸附在砂子中的污染物吹脱出
来，进入液相中，增加了水样中污染物的浓度。而添
加鼠李糖脂的实验组，因鼠李糖脂的增溶性能促使
吸附在砂子中的污染物在未曝气时已率先洗脱出
来，故未出现超过初始水样浓度的现象。经过 40 h
曝气，对照组(未添加鼠李糖脂)中水样中苯的残留
率降低到 30%后，基本不再变化。当鼠李糖脂的添
加浓度为 50 mg /L 时，经曝气修复 10 h 左右，地下
水中苯的稳定残留率达到 15%，而鼠李糖脂浓度为
15 mg /L的砂柱中，苯仅残留 10%左右，此后趋向于
稳定不变。由此可见，在同等曝气强度下，添加鼠李
糖脂可降低水中苯的残留率，并缩短了苯修复达
到稳定残留率所需的曝气时间。曝气量为300 mL /
图 6 苯的残留率变化曲线
Fig. 6 Residual rate fitting curves of
benzene in groundwater
图 7 氯苯的残留率变化曲线
Fig． 7 Residual rate fitting curves of chlorobenzene
in groundwater
3222
环 境 工 程 学 报 第 9 卷
min时，添加鼠李糖脂的实验组(15、50 mg /L)，在
15 h左右均已达到修复稳定期，且添加 15 mg /L 的
实验组的氯苯的稳定残留率低于 50 mg /L 的实验
组，而对照组则在 45 h 以后才基本保持不变，最终
稳定残留率约为 35%。经 96 h曝气后，添加鼠李糖
脂的 2 个实验组对氯苯的去除率均可达到 85%左
右，而未添加鼠李糖脂的对照组去除率仅为
71. 7%。研究发现，鼠李糖脂溶液的添加，对氯苯的
曝气修复效果影响基本与苯一致，这是由于苯和氯
苯均为挥发性有机物，且挥发性较好。此外，污染物
去除实验结果表明，苯的去除率大于氯苯。这是因
为 25℃时，苯的亨利系数为 454(Pa·m3)/mol、蒸
气压为 87. 2 mm Hg 而氯苯分别为 347(Pa·m3)/
mol、9. 27 mm Hg，因此，在同样条件下，苯的挥发性
比氯苯强，直接导致苯的去除率高于氯苯［17］。
实验结果表明，添加鼠李糖脂可以明显提高苯
和氯苯的去除率，且添加高于鼠李糖脂 CMC浓度的
实验组(50 mg /L)对苯、氯苯的去除率在曝气后期
反而比添加小于 CMC 的实验组(15 mg /L)去除率
低，这与表面张力对空气饱和度的影响结果趋势一
致。即随着表面张力的降低，空气饱和度提高，能有
效的提高污染物借助挥发作用的去除效率，但当表
面张力降低到一定范围时，对污染物的促进作用不
再增加。
采用一阶指数模型能较好地描述空气喷射修复
过程中苯和氯苯污染物衰减特征，结果如表 2 所示。
相对于空白对照组，添加鼠李糖脂大大缩短了苯和
氯苯的半衰期。当鼠李糖脂的添加浓度为 15 mg /L
和 50 mg /L时，砂柱中苯的半衰期分别为 2. 86 h 和
2. 38 h，仅为对照组(14. 58 h)的 1 /5 ～ 1 /6;氯苯的
半衰期为 4. 54 h和 3. 53 h，是空白对照的 1 /4 ～ 1 /
5。由此可见，添加生物表面活性剂鼠李糖脂不仅可
以提高污染物的去除量，同时可以提高污染物的去
除速率。
综上所述，添加表面张力较低的鼠李糖脂溶液
对于提高原位空气曝气去除苯和氯苯污染物具有显
著效果。实际场地修复中，高浓度的表面活性剂虽
然可将表面张力降至较低，但高浓度的表面活性剂
可高效的促进疏水性有机物的溶解，可造成疏水性
有机物快速在地下水中迁移扩散，扩大污染范围，反
而不利于处理。同时，添加高浓度表面活性剂的成
本相对较高。建议选择低于 CMC 且可以最大程度
降低表面张力的表面活性剂浓度作为最佳方案。
2． 3． 2 不同位置的地下水中污染物去除效果对比
在地下水修复过程中，含水层中不同位置的污
染物在同一时间的去除率均不同。下面以添加鼠李
糖脂的实验组中苯的去除率变化为例，探讨污染物
在砂柱不同位置去除效果的差异。如图 8 和图 9 分
别为添加 15 mg /L和 50 mg /L 鼠李糖脂的实验组，
对应不同取样位置苯的去除率变化情况。
位于底部的下方取样口(靠近曝气孔)中苯的
去除率，在曝气开始一段时间，总体上高于含水层上
方取样口，即离曝气头越近孔，污染物的去除率越
高。取样口都位于曝气孔的中轴线上，无需考虑气
流分布的密集度对于去除效果的影响，因此，造成开
始时期取样口去除效果差异的原因:曝气过程中新
鲜空气从底部进入，下方取样口中液相的苯的浓度
和气相的苯之间浓度差较大，而较大的浓度梯度致
使污染物传质快，苯很快从水中得以去除。而随着
曝气时间的增加，上方取样口中苯的去除率逐渐提
高，直至高于下方取样口，当修复达到稳定后，上、下
方取样口中苯的浓度相差基本不大。这是因为随着
表 2 曝气量为 300 mL/min，砂柱中苯、氯苯残留量的拟合
Table 2 Curve fitting results of benzene and chlorobenzene remaining in sand column under
different surface tensions at an airflow rate of 300 mL/min
鼠李糖脂浓度
(mg /L)
污染物衰减的拟合曲线 R2
半衰期
(h)
0
苯 C = 84． 54 × exp(－ t /11． 28)+ 24． 88 0． 93324 14． 58
氯 苯 C = 16． 21 × exp(－ t /13． 73) + 4． 57 0． 91396 18． 54
15
苯 C = 93． 12 × exp(－ t /3． 67)+ 8． 78 0． 99552 2． 86
氯 苯 C = 18． 13 × exp(－ t /5． 05) + 3． 41 0． 99209 4． 54
50
苯 C = 118． 38 × exp(－ t /2． 78)+ 19． 69 0． 95849 2． 38
氯 苯 C = 21． 89 × exp(－ t /3． 74) + 5． 42 0． 91752 3． 53
4222
第 5 期 余晓倩等:鼠李糖脂促进地下水苯和氯苯污染的空气喷射修复
曝气的进行，气态的苯会随着空气流向上迁移得以
去除，上方取样口的苯也逐渐得以去除，去除率逐渐
提高;由于长时间曝气而形成永久气流通道，致使下
方取样口苯的去除率增加缓慢，当曝气到达一定时
间后，污染物苯的去除已经基本达到稳定，因此，此
时上、下取样口的去除率均达到稳定并相差无几。
另外，对比图 8 和图 9 可知，添加 15 mg /L的鼠
李糖脂实验组中，各个取样口污染物去除效果相差
不大，均可达到 95%以上;而 50 mg /L 的实验组中
各取样孔的污染去除效果相差相对较大，且上方取
样口污染物去除率高于下方。分析可能的原因是过
量的表面活性剂阻塞了气流通道，进而影响了底部
污染物的挥发，导致下方取样口中的污染物难以
去除。
图 8 15 mg /L鼠李糖脂，各取样位置苯的浓度变化
Fig． 8 Benzene changes of each sampling
with 15 mg /L rhamnolipid
图 9 50 mg /L鼠李糖脂，各取样位置苯的浓度变化
Fig． 9 Benzene changes of each sampling
with 50 mg /L rhamnolipid
3 结 论
(1)添加生物表面活性剂鼠李糖脂可以大幅度
的提高地下水中空气饱和度，从而增大污染物与气
流的接触面积。且当表面张力低于 50 mN /m后，地
下水中空气饱和度大幅度增加，当表面张力降到
37. 75 mN /m时，空气饱和度增加不再明显。
(2)添加鼠李糖脂能有效的提高空气喷射修复
技术去除地下水中苯和氯苯的去除率，并且大大缩
短曝气修复达到稳定浓度所需的时间。
(3)位于含水层中不同位置的污染物去除效果
不同。在一维砂柱模拟实验中，开始时期靠近曝气
头位置的含水层中，污染物的去除效果更好，随着曝
气时间增加，最后各个位置污染物的去除率基本达
到一致。
(4)添加低于鼠李糖脂 CMC 的浓度比添加高
浓度的鼠李糖脂更能经济有效地去除地下水中苯和
氯苯污染。
参 考 文 献
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