地下水曝气修复过程的三维数值模拟

地下水曝气法是去除挥发性有机污染物的重要原位修复方法之一,目前已得到广泛应用,但其现场设计主要依据经验,缺乏系统的设计标准.为深入了解曝气去除污染物过程,并为现场设计提供重要参考依据,针对地下水曝气过程开展了数值模拟研究.水气两相渗流数值模型以水压力和气压力作为基本未知量,利用达西定律和质量守恒原理可以建立水气两相渗流过程的控制方程.利用Van Genuchten(VG)模型及Mualem公式,建立渗透系数-饱和度-基质吸力(K-S-P)三者之间的关系.污染物的去除过程则是在水气两相渗流的基础上,引入污染物的溶质运移、相间交换及生物降解模型.采用开发的有限元数值模型,对地下水曝气过程及污染物去除过程进行三维数值模拟,并将三维数值模拟的结果与二维数值模拟的结果进行对比.结果表明,三维模型的曝气影响区域偏小,在曝气口附近,水有效饱和度最小;在曝气口上方,水饱和度先增大后减小.考虑气体所受的浮力作用或不考虑气体可压缩性均会使计算得到的曝气影响区域偏小.污染物去除边界与曝气影响区域的边界基本一致,在曝气区域内,溶质交换过程大大促进了污染物的去除速率;在曝气区域外,污染物的去除主要通过生物降解作用,去除较慢.结果表明实际工程地下水曝气修复系统设计时,应使得曝气影响区域覆盖污染区域以得到较好的修复效果.研究结果表明,两相渗流模型结合污染物迁移转化模型的三维有限元数值模拟可以较好地模拟地下水曝气法去除污染物的全过程,对地下水曝气的设计、应用与效果评价具有重要指导意义.     

浅层地下水石油类污染原位曝气修复技术研究进展

地下水石油类污染因其污染普遍、危害性巨大、去除困难以及治理费用昂贵而受到广泛关注。原位曝气修复技术(AS)以低成本、修复效率高、操作简便等优势近些年来发展迅速。文章综述了地下水石油类污染现状,阐述了AS修复地下水石油类污染物原理,从曝气流型、组分传质以及生物扰动降解等方面深入探讨了注入气体运移方式及分布范围的影响因素,污染物的传质行为及质量去除机制,生物降解及监测手段等,总结了AS修复的研究进展。指出了当前AS修复技术在非均质介质的理论模型以及生物降解作用定量化表征方面存在的问题,并就未来强化修复实现多技术协同联用结合新兴监测分析技术进行了展望,以期为AS修复技术进一步的研究和应用推广提供参考依据。     

地下水LNAPL层的原位曝气模拟研究

曝气法(Air sparging,AS)已经成为修复地下水、土壤有机污染的重要技术,与数值模拟技术相结合可优化修复条件。文章利用TMVOC多相流模型研究了地下水位处LNAPL层的迁移转化,并通过情景模拟比较曝气法对污染修复的贡献率。只考虑地下水水流的对流-弥散作用时,目标污染物苯并没有得到彻底去除,只是通过下边界流出。60 d苯的质量损失率仅为1.79%;而连续曝气30 d后苯的去除率就可达到31.4%,最终脉冲曝气苯的损失率为44.8%。增大曝气量能提高气相渗透率及气相-液相接触面积,扩大污染物修复范围;当超过某一值(12 m3/h),其增量对污染物修复影响甚微。当曝气点位于低渗透岩层下方时,低渗透岩层会阻碍气流的垂向迁移,位于低渗透岩层上方的污染物很难得到除去。曝气法适用于溶解、挥发性较好的污染物。     

碳素纤维泛氧化塘治理高寒地河水的试验研究

采用碳素纤维生态草填料和间歇曝气强化的泛氧化塘对长春新凯河河水展开了异位式治理的试验研究,考察了单一的填料强化和"间歇曝气+填料强化泛氧化塘"对污染物的年度去除效果。试验过程中发现COD、NH4+-N、TP的去除效果受温度的影响比较明显,四季平均去除率分别为16.85%~34.19%、13.6%~53.14%、9.22%~26.08%;NH4+-N去除率同时受DO的影响也很明显,夏季间歇曝气可提高NH4+-N去除率27%左右。全年监测结果表明:曝气强化作用在夏季最为明显,在停留时间为36 h、曝气时间为18 h/d、曝气量为0.4 m3/min时,碳素纤维曝气泛氧化塘对COD、NH4+-N、TP的平均去除率分别为34.19%、53.14%、26.08%,这表明采用碳素纤维曝气泛氧化塘对受污染河水的治理是可行的。     

曝气强度对AOA膜生物反应器脱氮除磷性能的影响

考察了曝气强度为2.5、3.75和5.0 m3.（m2.h）-1条件下,厌氧/好氧/缺氧序批式膜生物反应器（AOA MBR）对模拟生活污水同时脱氮除磷性能的影响.结果表明,曝气强度对AOA MBR中COD的去除无显著影响,去除效率均在90%以上.氨氮的去除效果随着曝气强度的增加而提高,3个曝气强度下的平均去除率分别为8...     

曝气生物滤池中COD去除影响因素试验分析

以上向流曝气生物滤池为研究对象,对COD的去除效果及影响因素进行了探讨.试验结果表明:上向流曝气生物滤池对COD去除效果具有一定的抗冲击负荷能力,在进水COD质量浓度均值为68.3mgL时,出水氨氮质量浓度均值为26.1 mg/L,去除率为61.8%,去除效果稳定.不同操作条件对COD去除效果的影响为:曝气生物滤池只需较低的曝气量,在V(气):V(水)=5:1的情况下即可获得对有机物较高的去除效率;曝气生物滤池时有机物的降解主要发生在进水端0～60cm范围内;水力负荷在0.5～1.5 m3/(m2·h)的变化范围内.反应器对有机物去除能力基本不受影响;水力负荷和进水COD等2种途径带来的COD容积负荷变化对其去除率没有明显的区别,并且有很强的抗冲击负荷的能力.     

曝气技术对黑臭水体治理效果影响的研究进展

城市水体黑臭已成为全球重要的水污染问题,对黑臭水体的治理已经刻不容缓.曝气技术在提高黑臭水体自净能力方面发挥着重要作用,为了深刻理解曝气技术对黑臭水体水质的提升效果及其对污染物去除效果的影响,综述了曝气对黑臭水体复氧效率以及对黑臭水体中污染物去除率的影响.结果表明:①不同曝气技术的复氧效率不同,纯氧曝气复氧效率最高,达70%.②单独曝气能有效地去除黑臭水体中的污染物,NH₄+-N、COD_Cr和BOD₅的去除率范围分别为3.2%~45.6%、19.5%~84.8%和56.4%~88.2%,同等条件下,曝气与其他技术结合使得污染物去除率显著增加,综合治理后水中污染物去除率在46.8%~98.7%之间,底泥曝气下污染物的去除率比水曝气下污染物的去除率高20%以上.③曝气深度、曝气时间和曝气强度都影响水中污染物的去除率,但对其影响程度不同,且都存在各自的边界条件;另外,曝气强度影响细菌的优势类群,曝气增加了氨氧化菌和反硝化菌的数量及组成.目前仍存在不同曝气技术的复氧效率、曝气边界条件优化、曝气对污染物迁移转化规律、曝气对微生物群落影响等方面研究不足的问题,建议未来我国曝气技术在以下几方面加强研究:①加强不同曝气技术复氧效率的研究;②加强曝气对污染物去除机理研究;③加强曝气边界条件的优化研究;④加强曝气对功能微生物的影响机理研究.      

氧化沟不同曝气模式对氮磷去除性能的优化与比较

采用轮流搅拌-曝气SBR系统模拟氧化沟的运行方式,探讨分点曝气和分段曝气对氮磷的去除效果.结果表明,在供气量相同的条件下,分点曝气系统溶氧效率高,一个循环的好氧区比分段曝气系统长,但是分段曝气溶解氧(DO)的有效利用率(用于除氮除磷)高,二者硝化能力相当,氨氮(NH4+-N)去除率分别为96.68%和97.03%,硝化菌活性(以NH4+-N/MLVSS计)分别为4.65和4.66 mg.(g.h)-1.在缺氧区和好氧区比例皆为1时,分点曝气在2、4、7个分区时总氮(TN)去除率分别为60.14%、47.93%和33.7%;总磷(TP)去除率分别为28.96%、23.75%和24.31%,即分区越少,对TN和TP的去除皆有利,但是更利于TN的去除;而分段曝气只有1个分区,其TN和TP的去除率分别为64.21%和49.09%,分段曝气对氮磷的去除效果优于分点曝气,但对提高TP的去除率更有利.对于分段曝气,在满足硝化效果的前提下,增大缺氧区与好氧区的比例,氮磷的去除效率增加.当缺氧区与好氧区的比例由1∶1增大至1.8∶1,其TN和TP的去除率分别提高到73.94%和54.18%.继续增加缺氧区的比例,将影响硝化和运行的稳定,从而影响氮磷的去除效果.     

空气注射修复苯污染地下水模拟研究

空气注射是原位修复地下水中挥发性污染物的有效方法之一,但是因为缺乏现场数据,目前系统设计主要依据经验.为了获取合理设计参数,以北京某焦化厂地下水苯污染区域为例,结合现场试验,采用Petrasim中的TMVOC模块对空气注射进行了设计参数优化与修复模拟研究.现场试验得出最佳注气速率为23.2 m3.h-1,影响半径为5 m.模型对现场试验过程中地下水压力变化进行了模拟,模拟结果与实测结果吻合较好.模型对注气位置进行优化,最佳为底部注气;以底部注气方式对注气速率进行优化,得出最佳注气速率为20 m3.h-1,与现场试验结果相近;在最佳注气位置与注气速率下,影响半径为3m,现场测试结果比该值偏大,这主要是因为现场测试参数主要指示地下水上部与非饱和带中气流变化,而气流范围在接近地下水面处开始迅速增大,比地下水中实际气流范围要大.依据场地地质参数,利用优化参数,对修复过程进行了模拟研究,结果表明,修复过程中逐渐将污染物浓度已经达标区域的注射井关停的修复方式比修复过程中所有注射井一直开启的修复效果要好.采用注射井逐个关停的修复方式注气90 d后,该场地污染物浓度从371 000μg·L-1下降到1μg·L-1.     

不同结构的人工湿地系统对溶解性有机物去除效率的研究

为研究溶解性有机物在生态修复系统中的降解与残留,构建石英砂、焦炭及曝气焦炭系统的人工湿地,比较填料及强化曝气对DOM代谢的影响,研究结果表明:填充焦炭的反应器处理COD、NH~+_4-N、DOC、蛋白质、多糖和UV_(254)的效果明显优于填充石英砂的反应器;表层连续曝气能有效地提高对COD和NH~+_4-N的去除效果,平均最优去除率分别为89.58%和51.15%,与未曝气组相比分别平均提高了4.22%和14.79%,COD和NH~+_4-N的去除与DOC中HPI组分的降解成相关性;系统表层进行曝气大大提高了系统对TPI-A中溶解性蛋白质的降解,降解率为65.9%,而对多糖中TPI-A组分的降解与未曝气相比无明显差异.     

浅层地下水PCE/TCE污染原位曝气修复模拟研究

通过TMVOC软件模拟了PCE/TCE在渗流区"自然"环境条件下的污染物泄露、重新分布和原位曝气修复过程中的污染物运移行为,确定了最佳曝气流量和曝气时间。结果表明:PCE/TCE污染物在泄露和重新分布过程中在重力作用和毛细作用下污染范围不断扩大,污染羽在垂直方向到达隔水层,水平方向达到23.3m,顺水流方向的污染范围明显大于逆水流方向。曝气修复初期污染范围会有所扩大,但是污染物浓度和总量会减少,曝气影响范围并不是随着曝气流量的增加而线性增大,超过最佳曝气流量值后,增大曝气流量对影响范围的改变效果不大。论文研究条件下最佳曝气速率为6m3/h,影响半径达18m,需要45d完成修复,实际工程中应根据区域面积及地下水埋深确定曝气井数量。     

原位空气扰动技术影响因素研究-基于苯污染非均质含水层

通过一维模拟柱实验,研究了分层非均质含水层下不同介质组合对原位空气扰动技术修复苯污染地下水的影响.结果表明：在曝气流量为0.1 L/min,分层非均质的介质渗透系数在同一数量级时,分层情况的改变对污染物的去除效率影响不大;当分层非均质的介质渗透系数不在同一数量级时,下层渗透系数变大会使砂柱上层污染物浓度先升高后降低的现象更加明显,而下层渗透系数变小会使砂柱上下层污染物的去除效率相差不大.分层情况下不同介质组合影响苯的平均去除效率,在分层非均质条件下,气流由低渗透介质进入高渗透介质,污染物的去除速率相对更快,污染物的平均去除效率主要取决于分层非均质上层介质,其污染物平均去除效率曲线与分层非均质上层介质均质大致相同.     

Groundwater remediation engineering--Study on the flow distribution of air sparging using acetylene

Air sparging(AS) is an emerging method to remove VOCs from saturated soils and groundwater. Air sparging performance highly depends on the air distribution resulting in the aquifer. In order to study gas flow characterization, a two-dimensional experimental chamber was designed and installed. In addition, the method by using acetylene as the tracer to directly image the gas distribution results of AS process has been put forward. Experiments were performed with different injected gas flow rates. The gas flow patterns were found to depend significantly on the injected gas flow rate, and the characterization of gas flow distributions in porous media was very different from the acetylene tracing study. Lower and higher gas flow rates generally yield more irregular in shape and less effective gas distributions.     

表面活性剂强化原位空气扰动修复实验研究——影响区域及气流分布变化规律

应用一种改进的二维气流可视化装置来研究影响区域（ZOI）内不同介质（粗砂和砾石）和表面活性剂（SDBS）的添加对影响区域以及气流分布规律的影响.结果表明：相同曝气流量下,同种介质中表面活性剂的投加会增大曝气压力.表面活性剂的添加极大地提高了空气饱和度,但在不同介质中作用机理不同.当曝气流量为1000 L/h时,表面活性剂的添加使得粗砂介质（孔道流）和砾石介质（鼓泡流）ZOI的面积分别增大了21.8%和5.2%.这说明在一定粒径范围内,介质粒径越细,表面活性剂的添加对ZOI面积的增加越明显.相同曝气流量下,表面活性剂的添加使粗砂介质中气流分布范围变大且气流分布曲线相对平缓,而砾石介质中气流分布范围不变且气流分布曲线相对陡峭;不同曝气流量下ZOI内气流分布表现出明显的相似性.     

地下水曝气技术气流模拟实验研究

利用三维模拟槽研究了地下水曝气技术(AS)使用过程中,含水层介质粒径、曝气压力与影响半径(ROI)、气体流量、气流流型之间的关系.结果表明:曝气过程中ROI随曝气压力的上升而增大;气流质量流量随曝气压力的增加而增大,压力较大时二者呈线性关系;气流流型由介质粒径决定,与曝气压力无关.介质粒径为1~2mm时气流呈倒圆锥形,介质粒径为4~8mm时气流呈抛物线形.     

地下水石油污染高效生物降解研究

考察了高效复合微生物对地下水石油污染物降解效果,并建立了地下水污染质生物降解迁移数学模型.从石油污染的土壤中分离筛选到能够高效降解石油的菌株,经鉴定为假单胞菌属、黄杆菌属和微球菌属,这3种菌属24h对石油降解率分别为62%,56%和52%,且3种菌属组成的复合菌较单一菌属对石油降解率都要高,达85%.高效复合菌与石油配水一起进入模拟地下含水介质的反应器,在反应器前部均能形成一个稳定的生物带.石油配水流经该生物带,石油降解率可达60%以上,反应器出水石油降解率平均可达90%以上.建立的地下水污染质生物降解迁移数学模型对地下水有机污染质生物降解有较好的预测效果,计算值与实测值呈良好的相关性.     

Estimating the change of porosity in the saturated zone during air sparging

Introduction A ir sparging rem oves volatile organic conta- m inants from a saturated zone by com bining volatilization and aerobic biodegradation. A ir is injected below the w ater table through a slotted screen in a sparging w ell, and then rises to the…     

确定空气注射技术影响半径的现场试验——以北京某焦化厂为例

以北京某焦化厂地下水污染场地为例,设计和建立了一套由1口注射井、3口地下水监测井和5口土壤气监测井组成的现场试验系统,并进行了现场注气压力与流量测试,地下水压力响应测试,溶解氧测试,氦气示踪测试与土壤气测试,确定了试验区域的最佳注气压力与流量和影响半径.注气压力与流量测试确定了最佳注气压力与流量为0.03MPa, 23.2m3/h.在最佳注气条件下,地下水监测井G3、G5、G8中,水位分别在10,15,15min后上升到最大值0.36,0.11,0.04m,地下水溶解氧浓度分别在60,65,75min后增加到7.35、2.47、0.74mg/L,以上结果表明,G3和G5响应较明显,G8响应不明显.土壤气监测井S2、S4、S5中氦气浓度分别在10,7,6min后达到最大值83%、13%、41%,S6中氦气无检出;S2、S3、S4、S5、S6中O2浓度分别上升到19.9%、19.6%、19.2%、19.0%、16.6%,以上结果表明,S2~S5响应较明显,S6响应不明显.综合分析以上4种测试结果,确定试验区域的影响半径为5m.