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。

饱和介质中重非水相液体运移的数值模拟及敏感性分析

采用T2VOC程序对重非水相液体(DNAPLs)在饱和介质中的迁移和分布特征进行了数值模拟.以一个夹粘土透镜体的砂层介质为例,采用三相毛管压力函数Parker模型和二相毛管压力vanGenuchten函数,对比细透镜体对重非水相液体运移的影响.进而探讨分析了三相毛管压力函数模型参数的敏感性.研究结果表明毛管压力函数的不同会影响DNAPLs的运移,Parker模型较van Genuchten模型所反映出介质对DNAPLs的阻滞和滞留作用更强.进气压力对非均质介质中DNAPLs入渗分布的饱和度将有显著的影响.对Parker模型中的nαw、n以及孔隙度和饱和渗透率的敏感性分析对比发现,敏感性程度的高低顺序依次是孔隙度>n>饱和渗透率>αnw.

重非水相液体性质对非离子表面活性剂增溶作用的影响

在油水比1:40的条件下,浓度为200—10000mg·l-1的非离子表面活性剂TritonX-100(TX100)对三氯乙烯(TCE)、氯苯(CB)、1,2-二氯苯(1,2-DCB)、1,3-二氯苯(1,3-DCB)、四氯乙烯(PCE)和三氯乙烯-四氯乙烯混合物(TCE-PCE,1:1,V:V)的增溶作用表明,TX100在试验浓度范围内,对TCE,CB和1,2-DCB均无明显增溶作用,当TX100浓度分别大于6000,4000和800mg·l-1时,对1,3-DCB,TCE-PCE和PCE具有显著的增溶作用.TX100在TCE,CB,1,2-DCB,1,3-DCB,TCE-PCE及PCE有机相/水相间的分配系数(lgKd)分别为3·60,3·36,3·38,3·26,3·17和2·07,分配系数和分配损失的大小与油-水界面张力呈负相关.

正己烷萃取去除模拟阴-非混合表面活性剂土壤淋洗液中的重非水相液体

研究了利用正己烷液-液萃取去除阴-非混合表面活性剂土壤淋洗液中的重非水相液体(DNAPLs)的可行性及表面活性剂浓度、溶剂/水比例和无机盐等因素对去除率的影响.结果表明,利用正己烷作为溶剂可使氯苯(CB)从不同配比的十二烷基硫酸钠(SDS)和失水山梨聚氧乙烯醇醚(Tween 80)的混合表面活性剂(3∶1,1∶1,1∶3)溶液中有效的去除,去除率分别达87.2%—96.9%,94.4%—97.0%和95.9%—98.5%,表面活性剂浓度对去除效果没有显著影响;溶剂/水的比例增大,去除率增大,实验中选择油水比为1∶10;无机盐的存在可提高阴-非混合表面活性剂的增溶效果,但对去除效果没有影响.

多孔介质界面对重非水相液体迁移过程影响的图像法研究

重非水相液体(dense nonaqueous phase liquid,DNAPL)污染土壤和地下水的问题已引起广泛关注,研究其在不同粒径多孔介质及其界面的运移特征形态是确定污染区域、修复治理土壤和地下水环境的前提。文章通过室内试验研究多孔介质界面对DNAPL运移与分布特性的影响。首先在二维砂槽上进行DNAPL污染物的入渗试验,试验过程中用数码相机拍照,将DNAPL扩散过程以图像的形式记录下来;然后用AutoCAD对图片进行处理,绘制出DNAPL迁移过程的锋面变化图。结果表明:DNAPL入渗过程中,迁移主要受到重力作用与毛细作用的控制,毛细作用力随着介质粒径的增大逐层减小,重力作用逐渐起主导作用使污染物入渗速度逐层增大;介质结构影响DNAPL的迁移形态,介质粒径逐层增大,DNAPL污染物的渗流面与指进扩散宽度逐层减小,扩散方式由面状变为指状;在不同粒径介质界面介质结构发生突变时,DNAPL迁移锋面线曲率也相应变大,此时DNAPL的迁移呈现“凸”型特征,另外,不同的界面横向扩散的滞留宽度不同,随着介质粒径的增大,界面的横向扩散宽度相对变短。

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。

注入丁醇调节重非水液相密度的微空隙试验模拟

密度大于水的重非水液相(DNAPLs)有机污染物在重力作用下向地下介质深部迁移从而增加污染范围。前人通过一维砂柱和二维砂箱试验发现利用密度调节技术可降低DNAPLs向下迁移的风险,但目前缺乏微观尺度上密度调节影响DNAPLs迁移的定量观测。本研究试验模拟丁醇注入微空隙调节四氯乙烯(PCE)的密度,通过建立非水相中染色PCE浓度、密度与灰度的定量关系,监测注入丁醇后空隙介质中非水相密度的动态变化,基于空隙中代表性非水相PCE受力情况分析其运移状态,揭示空隙尺度介质性质和密度调节程度对DNAPLs迁移的影响。试验结果表明:丁醇注入后,PCE浓度和密度迅速下降,离散状PCE与丁醇有效接触面积大且起效快;当非水相密度降至略大于水相密度时,非水相受毛细力和摩擦力的影响停止向下迁移;当非水相密度小于水相密度时,非水相才在注入压力与浮力的作用下克服毛细力、重力和摩擦力向上迁移;注入压力、摩擦力、毛细力、浮力与重力影响着空隙中非水相的迁移行为,空隙半径越大,毛细力对调节PCE向上迁移的影响越小;密度比水小的丁醇注入介质后向上迁移,因此丁醇从DNAPLs下端注入可提高修复效率。试验证实了向空隙介质中注入丁醇能够显著减小DNAPLs的密度从而降低其向下迁移的风险,为实际场地DNAPLs修复方案的制定提供微观机制方面的信息。

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。

单井注抽示踪试验推估含水层中DNAPL残留量的数值分析

目前,刻画场地重非水相液体(dense non-aqueous phase liquid,DNAPL)污染常用的钻孔取样和井间分溶示踪试验方法成本高昂。相比而言,单井注抽试验节省经费,且对污染源区的扰动少,但该试验方法推估DNAPL残留量的准确性尚未得到定量验证。针对该问题,基于数值方法分析了示踪剂类型、注抽速率、污染源区结构等因素对单井注抽试验推估DNAPL残留量精度的影响。结果表明:(1)选用分溶系数比2,2-二甲基-3-戊醇(2,2-dimethyl-3-pentanol,DMP)低的己醇进行示踪,示踪剂回收更加充分,推估污染物残留量的平均精度增幅可达35.11%;(2)当注入速率从100 m^(3)/d提高至130 m^(3)/d、抽出速率从120 m^(3)/d提高至150 m^(3)/d,示踪剂接触的污染源区面积更大,均质源区对应的污染物残留量平均精度从42.45%提高到60.26%,非均质源区对应的平均精度从27.69%提高至48.72%;(3)污染源区结构复杂程度的增加会阻碍示踪剂的运移,非均质源区对应的平均精度比均质源区降低了13.15%;(4)单井注抽示踪试验更适用于离散状为主的污染源区,其平均精度比池状为主的源区增加了15.74%。单井注抽试验结合数值分析可有效推估残留非水相液体的分布,建议在DNAPL污染场地精细调查中使用,可为场地风险评估和修复方案的制定提供参考。

饱和砂土中DNAPL污染物迁移过程及数值模拟

基于物理砂箱实验所获参数,运用数值模拟Petrasim程序模拟DNAPL在饱和多孔介质中的迁移过程,探究DNAPL在重力和毛细力共同作用下的迁移行为与迁移路径中污染物的分布特征.研究表明:⑴DNAPL污染物入渗前期主要受重力影响呈“液滴”状垂向扩散,在垂向扩散至底部不透水层后,DNAPL在毛细力驱动下开始横向再分布扩散,最后在底部形成长期的“池状”污染源区;⑵通过对比验证数值模拟结果和实验结果,其垂向扩散相对误差范围为-2.96%~5.95%.横向扩散的相对误差范围为0.04%~23.41%.平面污染面积相对误差范围为0.03%~19.39%.表征横向扩散、垂向扩散与污染面积模拟值与实验值差异性的拟合决定系数R2分别为0.8827、0.9919、0.9832,模拟结果与实验值接近,模拟效果良好.结果说明了数值模拟Petrasim程序预测饱和多孔介质中DNAPL迁移行为和污染分布范围的可靠性与准确性.在野外环境中DNAPL泄露污染的污染范围评估与迁移行为预测方面具有广阔的应用前景.

复杂DNAPL污染源区溶解相污染通量的升尺度计算

重非水相液体(DNAPL)污染场地中NAPL相污染物会持续溶解于地下水中,释放出溶解相污染羽,对人体健康产生威胁.准确评估DNAPL污染场地源区下游的溶解相污染通量至关重要.由于介质的非均质性常形成复杂DNAPL污染源区,其溶解相污染通量往往呈现出阶段性变化.目前溶解相污染通量计算普遍采用Christ等提出的双域升尺度模型,但该模型仅适用于弱非均质性的污染源区.本文基于大量强非均质性条件下的污染源区数值算例,修正了Christ双域模型中污染源区衰减指数的经验公式,将该模型的适用范围推广至强非均质性的复杂污染源区.通过蒙特卡罗数值算例及两个二维砂箱试验数据验证了修正模型的适用性和精度.对比结果表明:修正模型可广泛适用于不同结构的复杂DNAPL污染源区,与以往的计算方法相比,修正模型计算的溶解相污染通量精度提高了约35%.

地球物理方法在地下水有机污染DNAPLs的调查与监测中的应用

地下水有机污染特别是重非水相液体(densenon-aqueousphaseliquids,缩写为DNAPLs)污染是当前国际上地下水污染控制的热点问题,而对DNAPLs的调查与监测也一直是近年来环境地球物理研究的热点。文章简述了DNAPLs的运移、分布规律和DNAPLs与周围土壤及岩石存在的物理性质差异,综述了地球物理方法在DNAPLs的调查与监测应用中的有效性,探讨了地球物理方法直接探测DNAPLs的可行性,并提出了展望。

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.

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。

DNAPL场地污染通量升尺度预测的敏感性分析

重非水相液体(DNAPL)污染问题日益严重。为评估DNAPL污染场地的环境风险,常采用升尺度模型推估DNAPL污染源区溶解相的质量通量(溶解通量)。由于升尺度模型中的参数较多,调查成本较高,因此需筛选模型中的关键参数,指导实际污染场地设计合理的观测数据采集方案。首先对升尺度模型中6个参数(地下水平均流速q、标准化浓度C_(0)/C^(eq)、离散状DNAPL质量比例GF_(0)、初始时刻离散状DNAPL贡献的通量比例f_(g)、拟合参数β1及β2)开展全局敏感性分析,识别其中关键参数,进而采用局部敏感性分析定量化关键参数的变化对通量预测的影响。研究结果表明,参数q、C_(0)/C^(eq)、GF_(0)和f_(g)对通量预测有较大影响。q和C_(0)/C^(eq)在整个衰减过程中敏感性均相对较高,GF_(0)和f_(g)随着衰减过程的进行,敏感性不断增高,分别在衰减中后期和后期达到峰值;对于不同结构的污染源区,q或C_(0)/C^(eq)增大时,通量的增幅基本不变。随着污染源区中离散状DNAPL和池状DNAPL间的质量比例(GTP)增大,GF_(0)或f_(g)增大时,其对通量预测的影响不断增大或减小。因此在预测溶解通量时需将调查成本重点应用于q和C_(0)/C^(eq);在合理设计污染源区修复方案时,应重点调查GF_(0);在预测污染源区寿命时,f _(g)为重要调查对象;对于所有结构的污染源区,q和C_(0)/C^(eq)均为重要调查对象,对于GTP较大的污染源区,应将调查成本重点应用于GF_(0),对于GTP较小的污染源区,应重点调查f _(g)。

电磁剖面法在污染物探测及修复效果评价中的应用

近年来,伴随产业结构和土地利用的调整,一些受到污染的土地被重新开发利用,污染物时刻威胁着人们的健康。现阶段污染物调查工作中常采用有损的、侵入式的挖掘和钻探方法,调查结果为散点状且易造成二次污染。常见的污染物主要分为重金属、轻非水相液体(LNAPL)、重非水相液体(DNAPL)、总石油碳氢化合物(TPH)和多氯联苯(PCB)等,相对于周围土体存在电性差异。文章给出了一种电磁剖面法圈定污染物范围,通过对不同时间节点探测结果的数据分析,实现对环境治理效果的定性评价。通过工程实例,说明了该方法的可行性和有效性。在污染物调查阶段,该方法可以准确圈定污染物范围;在修复治理期间,在不同时间节点的场地污染物探测,可以评估修复效果。

DNAPL在透镜体及表面活性剂作用下的运移研究

选择四氯乙烯(PCE)作为典型重非水相液体(DNAPLs)污染物,进行PCE在二维砂箱中的运移及修复实验,采用一种改进光透法探讨DNAPL在含不同透镜体非均质含水层中的运移和饱和度分布特性.在此基础上,考察非离子表面活性剂(吐温80)对DNAPL的原位冲洗修复效果.结果表明,在模拟天然地下水流条件下,当PCE运移到达各透镜体时,PCE均未进入透镜体而是在其上方聚集形成污染池,然后逐渐侧向扩散,即使在较粗透镜体(20/30目和40/60目石英砂按1:1质量比例混合)上也无法进入.吐温80对PCE的修复效果显著,冲洗58h后,94.2%的PCE被去除.表面活性剂的引入能够减小PCE和水的界面张力,界面张力的减小量可达38.8dyn/cm,相应各透镜体上覆界面处的毛细压力水头值会有不同程度的减小,在较粗透镜体上的PCE可以穿透透镜体并继续向下运移.透镜体的毛细截留作用会限制修复后期的修复效率,修复75,3520min的修复效率分别为0.63,0.05g/g,其中较粗透镜体上截留的PCE相对其他较细透镜体容易移出.

盐度对多孔介质中DNAPL运移和分布的影响

选用四氯乙烯(PCE)作为典型DNAPL污染物,以NaCl作为地下水中溶解盐代表,研究盐度对DNAPL在饱和多孔介质中运移和分布的影响。通过批次实验测定NaCl水溶液/石英砂/PCE三相体系下的接触角和界面张力,结果表明,PCE在石英砂表面的接触角随着水中NaCl浓度的增大而减小,而PCE和NaCl水溶液的界面张力随着NaCl浓度的增大而增大,尤其当氯化钠浓度较高时(>0.1 mol/L),影响程度更为显著。在此基础上,采用透射光法监测不同介质情景下DNAPL在二维砂箱中的运移和分布,定量测定DNAPL在介质中的饱和度。实验结果表明,地下水盐度的增加将促进DNAPL的垂向入渗,减少被截留在运移路径上的DNAPL量,使得DNAPL运移路径及累积形成的池状DNAPL(pool)向水流方向偏移。在均质多孔介质和含有透镜体的非均质多孔介质中,随着盐度的增加,DNAPL在横向和垂向上的展布均呈现出增加趋势,导致污染源区变大,且介质中以离散状存在的DNAPL量明显增加。

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。

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。