地下水低渗透区重非水相液体(DNAPL)的增渗增移技术综述

重非水相液体(DNAPL)是一种物化性质稳定且毒性较强的有机污染物,对人类健康和生态环境存在极大威胁。由于其密度较大、穿透性强,DNAPL渗入地下后易在低渗透区积聚,形成长期污染源。低渗透区流速慢、传质难的特点使得常用地下水污染修复技术难以奏效,而目前针对该问题的系统性研究尚显不足,因此亟需梳理并总结通过增渗增移DNAPL实现低渗透区污染增效修复的方法,为后续研究提供一定参考价值。本文首先通过控制方程描述了增渗增移的原理;其次综述了两种分别以表面活性剂和电动为核心的增渗增移方法:表面活性剂通过胶束增溶和降低吸附实现增渗增移,电动则通过电渗和电迁移增移DNAPL;同时介绍了实际应用中耦合其他技术的案例,总结优缺点;最后对DNAPL未来的发展方向进行了展望。

原位热处理技术修复重质非水相液体污染场地研究进展

重质非水相液体(DNAPLs)是土壤及地下水中广泛存在的有机污染物,原位热处理技术是目前修复受DNAPLs污染土壤及地下水的最具潜力的技术之一。综述了国内外常用原位热处理技术的基本原理及其影响因素,介绍了相关现场应用实例,并展望了该技术未来的应用前景和发展趋势,以期为中国污染土壤及地下水的原位修复提供有益借鉴。

热修复过程中重质非水相液体(DNAPL)共沸实验

本研究开展单组分和多组分DNAPL加热实验,旨在建立热处理过程中温度与DNAPL去除之间的联系.结果表明,单组分DNAPL实验中可以观察到明显的共沸温度平台,而多组分DNAPL实验则是一段温度逐渐上升的共沸区域,两组实验中共沸时间均与初始DNAPL饱和度呈正相关.仅根据局部温度数据判断热修复进程可能会导致错误的结论,当温度结果显示共沸结束后,体系内仍残留有饱和度0.94%~1.60%的DNAPL.温度数据会受到DNAPL组成和温度监测点位置影响,它通常仅能反映局部加热情况,修复时可结合气体和土壤样品中污染物组分变化情况辅助判断修复进程.

三氯乙烯重质非水相液体聚结分离的实验研究

以三氯乙烯(TCE)为模拟污染物,配置非均质介质TCE重质非水相液体(DNAPL),搭建DNAPL聚结分离器,通过实验研究网状和颗粒状材料润湿性、流量、编织孔径、床层厚度及TCE浓度等重要参数对分离性能的影响规律。结果表明:(1)网状材料润湿性越强,聚结分离器的分离效率越高,相应水相出口TCE浓度越少。应选择亲分散相纤维作为聚结介质,网状聚四氟乙烯具有最高的分离效率(96.71%),是填充聚结分离器的优选材料。(2)填充材料的分离效率随流量的变化曲线呈抛物线,流量为80 L/h时聚结分离器具有最高的分离效率。(3)分离效率随编织孔径的减小、床层厚度的增大、TCE浓度的减小而升高。

用于重质非水相液体分离的新型旋流器研究

高效分离地下水中的重质非水相液体已成为地下水修复领域的热点问题。设计了一种内溢流管外侧带有环隙溢流管的新型旋流器,通过数值模拟对比了传统旋流器与新型旋流器的流场特性、短路流量及对重质非水相液体的分离性能。结果表明:(1)新型旋流器的环隙溢流结构降低了内旋流区的切向速度和轴向速度,增大了外旋流区的切向速度,且消除了短路流。(2)新型旋流器在网格数量2470810、最佳入口速度6 m/s时,分离效率最高达到99.91%,在同等分离效率的前提下分离时间缩短为传统旋流器的81%。

基于地球物理方法的典型DNAPLs污染场地精细化调查

采用高密度电阻率(ERT)和探地雷达(GPR)两种地球物理方法,结合膜界面探测(MIP)和钻孔采样分析手段,综合研究某典型有机污染场地地下水中DNAPLs污染分布情况。结果表明,ERT法和GPR法圈定的场地污染范围基本吻合,DNAPLs污染物主要分布在研究区东北和西南区域,污染深度分别达到4 m和9 m,视电阻率为0.3Ω·m~5Ω·m,呈带状低阻分布,MIP和钻孔采样分析结果也验证了地球物理方法的准确性。

渗透率空间变异性对重非水相流体运移的影响

文中针对多孔介质中水、气和非水相流体的多相流运移特点,建立了由包气带至饱和带的NAPLs-水-气三相流模型。用Karhunen-Loeve展开方法构建4个空间变异性不同的渗透率随机场。在此基础上,分别模拟4种情景重非水相流体(DNAPLs)的泄漏运移过程。通过分析DNAPLs饱和度的空间分布以及其空间矩随时间的变化来探讨渗透率空间变异性对DNAPLs运移的影响。结果显示,随着渗透率空间变异性的增强,DNAPLs饱和度的空间变异性增大。渗透率场中的优势通道对DNAPLs运移有着显著影响,直接决定DNAPLs的运移路径和饱和度分布。渗透率场的各向异性降低了DNAPLs在垂向上的运移速度,影响污染羽的形态。

非均质孔隙介质中两相流的光透法应用研究

地下水中非水相液体(Non-aqueous Phase Liquid,NAPL)的流动及其曝气修复技术是典型的两相流问题。基于实际地下水含水介质的普遍非均质性,本文应用光透法对非均质孔隙介质中两相流进行了定量试验研究,设计了两组砂箱实验,研究气体和重非水相液体(DNAPL)在非均质孔隙介质中的迁移规律,应用了水/气两相和水/NAPL两相饱和度计算模型。实验结果表明:气体主要由不规则通道向上运动,遇到低渗透性透镜体时在其下方堆积,并开始横向运动,绕过透镜体后继续向上运动,最终在砂箱顶部形成连续气体分布,注气速度越大,气体运移范围越宽;DNAPL在自身重力作用下克服毛管压力向下迁移至低渗透性透镜体,DNAPL无法克服该介质的毛管压力,停止垂向入渗,并在其表面堆积,开始横向运移,绕过透镜体后继续向下运动,最终在砂箱底部形成连续DNAPL污染池。均质介质中建立的计算流体饱和度的水/气模型及水/NAPL模型与实验结果较吻合,可用于非均质多孔介质中水/气相和水/NAPL相饱和度的计算。

电热耦合强化非均质介质中三氯乙烯DNAPL的迁移去除

在氯代烃污染场地修复中,电阻加热技术因不受地层条件影响、污染物修复效率高等特点在氯代烃污染地块修复中得到了广泛关注,但仍存在用电量大、能耗较高等问题.通过创建基于脉动直流电的电热耦合修复体系,以三氯乙烯为模拟污染物,比较了其与传统基于交流电模式的电阻加热技术在修复非均质介质三氯乙烯重质非水相液体(DNAPL,dense nonaqueous-phase liquid)时的去除效率及能耗,分析了造成其修复差异的原因.结果表明:电热耦合体系下介质的增温幅度明显优于交流电体系,最高温度可达100℃,而交流电体系最高温度仅为70℃,这表明脉动直流电通过引入电极水电解反应提高了介质电导率,从而达到更高的温度,进一步促进了污染物的加热挥发作用.反应结束后,电热耦合体系中三氯乙烯主要集中在阴极侧,而交流电体系中三氯乙烯无定向分布特征,表明电热耦合体系中的直流电场可通过电渗析作用增强三氯乙烯向阴极的定向迁移.经过48 h持续反应,脉动直流电体系对三氯乙烯DNAPL的去除率为88%,可较同等电压下交流电体系提升2.2倍,而能耗仅为1.92kW·h/(log·kg),是交流电体系的32%.研究显示,利用脉动直流电加热可通过强化相变迁移和电渗析定向迁移效应共同作用于三氯乙烯去除,有效提高三氯乙烯DNAPL的去除率,降低体系修复能耗.

动态梯度多相抽提运行模式研究

多相抽提技术对有机污染地下水具有显著修复效果,可以提高抽提井内真空度,促进挥发性有机物(Volatile Organic Compounds,VOCs)的释放,并提高污染水的抽提量,降低污染物浓度。本研究提出动态梯度多相抽提运行模式,选取上海市某工业遗留地块进行中间试验,以修复地下水环境。结果表明,经过28 d的多相抽提运行,动态梯度多相抽提区1,2-二氯苯浓度由68.5 mg/L降低至21.3 mg/L,1,4-二氯苯浓度由33.6 mg/L降低至11.4 mg/L,其污染物去除效果显著优于传统持续多相抽提模式。它可以形成以重污染区为中心的水力梯度,通过液位差带来的压力增加重污染区的重质非水相液体(Dense Non-Aqueous Phase Liquids,DNAPLs)相抽提量及总抽水量,从而促进地下水修复。

DNAPLs在低渗透性夹层影响下的迁移和分布特征研究

重非水相流体(DNAPL)在地下介质中的运移分布受多种因素影响,包括DNAPLs的物化性质、泄漏速率、地下水流速、介质非均质性等。本文基于T2VOC程序对DNAPLs在非均质地层(含低渗透性夹层)中的迁移和分布特征进行了数值模拟,分别采用三相毛管压力函数Parker模型和二相毛管压力函数van Genuchten模型,研究了夹层的饱和渗透率、地下水流速对DNAPLs运移和分布的影响。研究表明,地下水流速的增大显著促进了DNAPLs的水平和垂向运移;相同流速情况下,非均质层(低渗透性夹层)饱和渗透率的减小使得DNAPLs污染羽形态及空间路径出现了明显蓄积和绕流。模拟结果可为DNAPLs污染场地识别与修复提供了理论基础与技术支持,便于进一步研究其在地下饱和非均质介质中的运移。

饱和非均质介质中PCE的运移分布与修复研究

重非水相液体(DNAPLs)泄漏进入土壤-地下水环境成为长期污染源,给人类健康及生态环境带来严重威胁。将四氯乙烯(PCE)作为特征污染物,通过二维砂箱实验探究饱和非均质介质中PCE的运移分布,及Tween 80溶液对PCE的去除效果。采用透射光法监测运移与修复过程,定量评估PCE的修复效率。结果表明,由于PCE无法克服毛细压力,在低渗透性介质上方聚积污染池;由于拉断效应,PCE在运移路径上以离散状形式存在。离散状PCE与Tween 80溶液的有效接触面积大,易被优先溶解去除,控制着修复效率。Tween 80溶液对离散状PCE修复效果显著,可作为有效的修复溶剂选用。

多源数据联合刻画DNAPL污染场地的非均质性

污染场地评估工作中常使用数值模型刻画污染源区特性,其中水文地质参数准确与否对污染物迁移转化过程的判断至关重要。采用相对容易获取的观测值,通过求解逆问题的方式反演来推估无法直接获取的水文地质参数。该文针对DNAPL污染场地非均质性的精细刻画问题,构建一种综合迭代局部更新集合平滑器(Iterative Local Updating Ensemble Smoother, ILUES)、DNAPL污染运移模型、岩性物理模型和自然电位正演模型的数据同化框架,通过融合水力层析法(Hydraulic tomography, HT)观测数据与自然电位法(Self-potential, SP)观测数据联合反演三维含水层渗透系数场空间分布。在该框架下设计3组数值算例,比较不同类型观测数据对反演精度的影响。研究结果表明:基于ILUES算法分别融合HT数据、SP数据,均可有效地刻画DNAPL污染源区非均质结构,且ILUES算法耦合HT与SP观测数据能进一步优化反演效果,提高计算的精度和效率。

土壤与地下水中DNAPL的污染机理与调查技术

文章根据DNAPL(密度大于水的化学物质)的性质与特点,阐明其污染动力、扩散模式和污染相态,并根据实际工作经验总结了三条污染判别依据和两大类污染调查技术,对获知土壤与地下水中污染的分布状况起到重要参考作用。

基于转移概率随机模拟的DNAPL运移二维和三维数值模拟对比研究

非均质介质的空间维度变化对重非水相流体(DNAPL)的运移具有重要的影响。在充分考虑地质体的空间连续性、不对称性以及各向异性等特征的基础上,采用基于马尔可夫链的转移概率(transition probability)模型来构建非均质随机场。该文通过TMVOC-MP软件来模拟DNAPL在非均质介质中的运移规律,探讨非均质随机场的水平空间连续性、空间维度变化以及侧向运移过程对DNAPL运移的影响。结果表明,介质的水平空间连续性越好,DNAPL在水平方向的迁移范围越大,在垂向的迁移范围越小;相比于三维模型,二维模型中DNAPL在水平方向的展布更大、在透镜体上的蓄积量更多,在实际应用中以二维模型代替三维模型会加大模拟结果与实际污染情况之间的误差;侧向运移过程削弱了单个平面的非均质性对DNAPL运移的控制,当存在侧向运移时,DNAPL绕过透镜体所运移的距离以及在透镜体上的蓄积量会相应减小。

饱和砂土中粗砂透镜体对DNAPL迁移过程的影响研究

该研究在饱和二维砂箱中开展重非水相液体(DNAPL)污染物入渗试验,目的是探讨粗砂透镜体对污染物迁移过程的影响。试验过程中使用数码相机拍摄污染物的入渗过程,根据照片绘制出污染物入渗锋面图。试验结果表明:(1)受到局部介质非均质性的影响,DNAPL呈现“指状”入渗现象,污染物入渗过程受到粒径尺寸影响,在粗砂透镜体中存在加快DNAPL入渗的“优势通道”;(2)污染物的入渗速度范围在0.05~0.46 cm/min之间,对比砂箱中DNAPL垂向入渗速度和横向扩散速度可知,其垂向入渗与横向扩散相互影响,垂向入渗受到阻碍后,横向扩散速度相应增大。(3)粗砂透镜体顶部高渗透性的“中砂-粗砂”界面,加快了污染物入渗速度,底部低渗透性的“粗砂-中砂”界面,阻碍了污染物的垂向入渗,两侧“粗砂-中砂”界面阻碍了污染物横向扩散。试验结果提供了直观基础的图像数据,有助于理解饱和粗砂透镜体非均质条件下DNAPL迁移过程。

地下水中Tween80对DNAPL运移和分布的影响

选用地下环境中普遍存在的四氯乙烯(PCE)为典型DNAPLs污染物,建立二维砂箱模型,研究一种人为引入表面活性剂Tween 80对粗砂介质中DNAPLs迁移和分布的影响.测定了含不同浓度Tween 80水溶液/石英砂/PCE三相体系下的液/液界面张力及PCE在石英介质表面的接触角,结果表明PCE在石英砂表面的接触角随着Tween 80浓度的增大而增大,PCE/水的界面张力随着Tween 80浓度的增大而减小,Tween 80浓度在CMC值附近时变化急剧.随后的二维砂箱实验定量描述地下水中表面活性剂Tween 80对PCE的迁移和最终形态的影响.由于Tween 80可以使石英砂介质由水相润湿转变为中间润湿或油相润湿态,相应地在20～30目的粗砂均质介质中Tween 80对DNAPLs迁移存在明显影响.背景溶液中表面活性剂的存在使得DNAPL的垂直运移速度减小,垂向迁移距离减小,最终使得被截留在运移路径上的残留PCE增加.和纯水流情况下相比,地下水中含有表面活性物剂Tween 80时,使得DNPAL污染羽向水流方向偏移减弱,污染羽展布面积与纯水情形下相比,在垂向上均明显减小,并且以较大饱和度残留的DNAPL量增加.

可控缓释技术在地下水原位修复中的应用研究进展

当前地下水有机污染日趋严重,传统的原位修复技术存在反向扩散、修复效率低等缺陷,难以达到预期效果.可控缓释技术可延长反应活性组分的释放速率和释放时间,在地下水有机修复中受到了广泛关注.本文通过大量的文献调研,梳理和总结了可控缓释材料的制备及其应用研究现状,并对其今后的发展方向做出展望,以期为实际的地下水修复工程应用研究提供参考.

探地雷达(GPR)在城市污染场地调查及风险评估中的应用

城市污染场地调查及风险评估越来越受到政府、科研人员、环境保护协会、环境科学从业者的重视,如何圈定污染源、确定土壤和地 下水的污染程度和范围,已经成为环境科学工作者研究的重要课题。实用物探技术的探地雷达(GPR)在污染物分布探测领域可以发挥重要 作用。

二维砂箱模型中DNAPL运移过程的电阻率成像法研究

本研究通过设有黏性土透镜体的二维砂槽中开展重非水相液体(DNAPL)入渗运移试验,采用电阻率成像法(ERT)探讨DNAPL在非均质多孔介质中的运移分布规律.试验过程中利用电阻率成像系统进行动态监测,采集电压电流数据后得到相应的电阻值并将其转换为视电阻率值,运用Surfer软件处理数据进而获取DNAPL运移过程的相对电阻率变化分布图像.结果表明,相对电阻率值随着污染物浓度的增加而不断增大,不同时刻相对电阻率变化分布图像与DNAPL的运移过程相对应,可以清晰圈定出DNAPL的运移路径及分布范围;DNAPL在入渗过程中受到重力作用与毛细力的控制,以垂向运移为主,在遇到黏土透镜体时出现明显横向运移,绕过透镜体继续向下入渗最后聚积在砂槽底部.本研究为进一步丰富对DNAPL污染物在实际环境条件下运移机理和分布特征的认识,制定可行的DNAPL污染物治理方案等方面具有重要的科学价值.