孔隙介质中生物膜空间分布及其对渗透性影响研究

孔隙介质地下水污染的生物修复过程中,微生物附着在介质颗粒表面,造成生物堵塞,影响生物修复的效率.对二维砂箱中的生物堵塞实验数据进行了统计分析,统计结果表明生物膜厚度在空间上服从正态分布.现有的定量刻画多孔介质生物膜与渗透率的模型一般均假设生物膜均质等厚地覆盖在颗粒表面,与实验结果不符.为探讨多孔介质中生物膜厚度变化对渗透率计算结果的影响,本文选择常用的Taylor模型中二大类六种模型进行比较分析研究.计算结果表明:生物膜厚度参数对模型计算结果影响显著,利用最小生物膜厚度计算得到的相对渗透率比利用最大生物膜厚度计算时的结果大1～4个数量级;不同模型对生物膜厚度参数的敏感性不同,其中Mualem模型最为敏感;Mualem Model利用平均值计算所得相对渗透率与实验测量结果相符,基于正态分布的生物膜厚度统计均值具有一定的代表性;Mualem模型更适用于计算孔隙介质中生物堵塞时对渗透率的影响.     

基于LBM-DEM耦合研究多孔介质中生物膜对悬浮粒子运移的影响

生物膜是多孔介质中普遍存在的细菌群落,会与悬浮粒子相互作用并影响粒子的迁移沉积。采用格子玻尔兹曼-离散单元耦合方法(LBM-DEM)研究了悬浮粒子在覆盖生物膜多孔介质中的运移。发现生物膜的存在会降低孔喉尺寸和DLVO排斥势垒,这有助于增强悬浮粒子的沉积。进出口压差是影响粒子滞留率的主要因素,低进出口压差下粒子无法突破排斥能垒,高压差下流体力通过改变粒子的沉积位置可提高渗透率。溶液离子强度变化主要影响排斥屏障。高离子强度的溶液中,粒子滞留率对压差变化响应较小;低离子强度溶液中,粒子滞留率受进出口压差的影响较大。此外,从介观角度观察入流速度对悬浮粒子黏附与滚动的影响,发现粒子的初始沉积点与来流方向的角度随着粒子速度的增加而减小。     

纳米乳化油缓解多孔介质渗透性损失的实验研究

为有效缓解乳化油在原位修复地下水污染过程中所产生的堵塞及修复效率降低的问题,采用升温相转变技术手段,制备纳米乳化油.并采用一维柱实验,开展微米及纳米乳化油在多孔介质中的迁移研究,对比分析微米及纳米乳化油造成多孔介质的渗透性损失、在多孔介质中的截留比率及迁移距离等问题,探究纳米乳化油缓解多孔介质渗透性损失的效果.实验结果显示,微米及纳米乳化油所导致的中砂介质渗透性损失分别为20.40%和3.20%,乳化油截留比率分别为28.51%和20.15%.由此可见,乳化油截留是多孔介质渗透性损失的重要原因,减小乳化油粒径可有效缓解多孔介质的渗透性损失.与微米乳化油相比,纳米乳化油有效降低中、细砂介质渗透性损失84.3%和47.5%.此外,乳化油截留对多孔介质渗透性损失的影响在一定程度上也影响到其在多孔介质中的迁移距离,微米及纳米乳化油在中砂介质中的迁移距离分别为6.53 m和8.19 m.相比之下,纳米乳化油所导致的细砂介质渗透性损失为10.70%,截留比率为25.71%,迁移距离为7.36 m,说明纳米乳化油迁移效果更佳,可适用介质范围更广.     

微生物堵塞过程中生物膜生长特征对多孔介质渗流特征影响

为研究回灌水刺激下生物膜在砂柱中的生长规律,并分析生物膜生长特征对堵塞介质典型渗流特征的影响,采用室内土柱实验方法,供给营养液刺激砂柱内生物膜生长,模拟入渗介质生物堵塞的过程,监测介质渗透系数的变化,并开展不同回灌时长下介质水分吸持实验和弥散试验,并对其内生物膜形态进行表征.结果显示,在0~5h时,渗透系数呈先下降后回升趋势;在回灌至18h前,渗透系数急剧衰减,水力弥散系数明显增大,水分吸持能力的变化并不明显;18h后渗透系数降低速率减缓,水分吸持能力明显升高,溶质运移过渡到以弥散作用为主导机制.综上,可将生物膜在介质内的生长分为三个阶段:菌适应期,接种菌体并未生长繁殖,单纯由于菌体的流入与流出引起渗透系数的变化;菌体大量生长繁殖期,大量生长繁殖的菌体占据了部分介质孔隙体积;胞外聚合物大量分泌期,逐渐形成具有透水性的生物膜,生物膜的生长与回灌水提供的养分形成动态平衡.     

低渗透性多孔介质室内弥散实验及弥散度求解研究

低渗透多孔介质在浅部含隔水层中分布广泛,是地下水污染物迁移的重要载体,然而其弥散度的取值目前研究还不足。针对此问题,以溴化钠为示踪剂开展了低渗透多孔介质的室内弥散实验研究,介质渗透系数为0．048 m/d,通过离子选择电极法测定溴离子浓度,并分别采用解析法和数值法进行了弥散度的求解,解析法和数值法求得的弥散度分别为0．0048 m 与0．0065 m,研究成果可以为低渗透多孔介质中污染物迁移预测提供弥散度值参考。     

多孔介质中微生物生长与衰亡过程介观分析

采用LBM-IBM耦合方法模拟多孔介质中流场,应用细胞自动机模型模拟多孔介质表面微生物生长衰亡过程,在介观层面上揭示生物堵塞的动态发展过程及其造成多孔介质渗透性能改变的本质。研究发现:当营养物入口浓度增加100%时,30 h内相对渗透率衰减增加6.25%~45.5%;且生物堵塞存在淤堵临界时刻,随着营养物入口浓度增加而提前。不同条件下,多孔介质渗透性能均呈不同程度的下降趋势,多孔介质内生物堵塞在空间分布上均呈明显的不均匀性。生物增长具有浓度趋向性,局部孔隙内微生物生长衰亡行为决定了多孔介质的堵塞程度,但部分生物的衰亡不会改变多孔介质整体渗透性能的下降趋势。温度升高25%,多孔介质相对渗透率衰减最高可增加5倍以上,且不同位置生物堵塞对温度的敏感度存在显著差异。     

基于多尺度方法研究微生物生长对多孔介质渗透率的影响

建立了孔隙尺度微生物生长与REV尺度多孔介质渗透率衰减的耦合算法,分析了微生物生长对多孔介质渗透率衰减的影响规律,为有效控制地下水回灌过程中的微生物堵塞提供了理论依据。多尺度耦合模型的孔隙尺度部分采用LBM-IBM耦合模型模拟多孔介质中流场,CA模型描述微生物生长。宏观尺度部分采用通用渗流模型描述流体在多孔介质内的流动。结果表明：由于流体和营养物的优先渗流性,微生物生长在空间上呈明显的非均匀性。多孔介质进口处微生物生长最快,远离进口的多孔介质骨架上微生物生长量与上下游位置关系不大,而与优势流直接相关。将不同营养物进口浓度工况下的局部当量孔隙率动态变化曲线用于REV计算,发现REV尺度的营养物进口浓度每增加1倍,多孔介质开始发生堵塞的时间可缩短18.0%～30.7%。     

饱和多孔介质中胶体运移模拟方法研究进展

阐述了国内外针对胶体在饱和多孔介质中运移模拟方法的研究进展：胶体在多孔介质中由于对流和弥散作用发生运移,而由于表面沉积和筛滤作用滞留在多孔介质中,通常采用含有滞留项的对流弥散方程对胶体的运移行为进行宏观描述,并通过拟合得到胶体运移和滞留的宏观参数,但是对流弥散方程是对试验曲线的宏观描述,无法解释其背后的微观机理;胶体的运移和滞留作用由胶体的微观受力决定,包括胶体在水中的布朗运动和有效重力,胶体-胶体/胶体-固相表面之间的相互作用以及流场作用在胶体上的力3个部分;为了实现从微观受力到宏观参数的升尺度计算,研究者们提出了胶体过滤理论及其后续的修正方法对沉积速率等宏观参数进行预测,然而现有方法通常基于简化的流场,忽略了多孔介质复杂孔隙结构和表面特性的影响;孔隙结构模型是多孔介质孔隙结构的简化模型,基于该模型能够从胶体在多孔介质中的微观力学分析出发,预测胶体的宏观运移行为,然而已有研究中尚未全面的考虑胶体在多孔介质中运移和滞留的多种作用.本文总结了该领域待解决的问题,包括建立考虑微观机理的对流弥散方程,发展考虑多孔介质孔隙结构的胶体过滤理论以及完善基于孔隙结构模型的胶体运移模拟方法.     

冠状病毒IBV和噬菌体MS2在饱和多孔介质中的运移规律

为研究病毒在土壤中的运移机理,选择鸡的传染性支气管炎冠状病毒(IBV)和噬菌体(MS2)为材料,采用土柱模拟实验研究2种病毒在不同输入方式(IBV脉冲,MS2阶跃)、不同饱和多孔介质中的运移规律.结果表明,IBV在饱和玻璃珠中的运移有少量滞留和延迟;MS2在饱和砂土中的运移随着离子强度的不同而不同,存在两个临界点,分别为0.065mol/L和0.080mol/L.在离子强度从0.002mol/L升高到0.065mol/L时,病毒吸附随着离子强度的增加而迅速增加;离子强度在0.065～0.080mol/L时,病毒吸附随着离子强度的增加而迅速降低;当离子强度超过临界点0.08mol/L后,随着离子强度的增加病毒吸附缓慢增加.在相同pH值和离子强度的不同介质中,IBV比MS2吸附和滞留较多.     

多孔介质表面化学异质性对胶体运移的影响

研究胶体在饱和多孔介质中的迁移行为在污染物迁移、环境修复等领域具有重要意义.本文通过对比胶体在未酸洗和酸洗过的玻璃珠中的迁移行为来探究多孔介质表面异质性对胶体迁移的影响,并通过扩展DLVO理论来计算每一组中胶体与多孔介质的相互作用能.结果表明,不论在有利环境还是在不利环境下,多孔介质表面的化学杂质均会提高胶体的吸附能力,这主要归因于胶体在初级势阱中的吸附.不利环境下,多孔介质表面的化学杂质能够将不利环境转化为有利环境,而在有利环境下,化学杂质的存在可能提高胶体的单一拦截效率(η_0).此外,研究发现,高pH溶液仍然能使胶体从多孔介质表面解吸下来,并且沥滤作用仍被低估.本研究对化学杂质在胶体迁移过程中所扮演的角色有了进一步的认识,可为胶体迁移行为研究提供实验依据.     

多孔介质中污染物运移空间变异最优估计

论述了空间变异性分析的原理和方法,着重阐述不同估值方法在多孔介质污染物运移空间变异分析中的应用.实践表明,地质统计学方法能够弥补经典概率统计方法在评价区域化变量空间变异性方面的不足,从而对多孔介质中污染物运移的空间变异性做出更切合实际的分析与评价.     

4种NAPLs污染物在二维砂箱中的指进锋面形态特征研究

为明确介质和流体性质等因素对非水相液体(NAPLs)在多孔介质中入渗迁移的影响,利用数码图像分析技术对甲苯、柴油、1,2-二氯乙烷和四氯乙烯这4种NAPLs在4种不同粒径多孔介质中的非饱和入渗特性进行了实验研究.结果表明,数码图像分析技术能够动态、全过程记录NAPLs的迁移锋面;NAPLs在驱替气体过程中会出现指进形式的不稳定流;指进生长过程中出现分叉、合并和屏蔽等现象;NAPLs的迁移特性受介质性质和流体特性的共同影响,入渗过程中垂向上的迁移速率和污染面积增长率与介质粒径大小呈正相关,与流体密度呈正相关(甲苯除外),入渗过程中形成的指进与介质和流体本身性质也密切相关.相同时间内,DNAPL相较于LNAPL入渗的距离更深,造成的污染面积更大,其环境风险明显大于LNAPL.     

重金属与富里酸的竞争络合作用对其在多孔介质中运移的影响

为了研究在土壤地下水环境中运移时,多种重金属在可溶性有机质上的竞争络合作用,于阜新彰武采集草炭土并提取富里酸(FA),通过柱实验,分析了重金属与FA在多孔介质(石英砂柱)中共同运移时,FA对重金属Zn~(2+)、Cd~(2+)和Pb~(2+)运移的促进或抑制作用,以及这些重金属在FA上的竞争作用。结果表明,FA与单一组分重金属(Zn~(2+)、Pb~(2+)、Cd~(2+))在多孔介质中共同运移时,运移能力大小排序为Zn~(2+)Cd~(2+)Pb~(2+);与两组分重金属(Zn~(2+)+Pb~(2+)、Zn~(2+)+Cd~(2+)、Pb~(2+)+Cd~(2+))共同运移时,Zn~(2+)会抑制Pb~(2+)和Cd~(2+)的运移,Cd~(2+)会抑制Zn~(2+)和Pb~(2+)的运移,Pb~(2+)会促进Zn~(2+)和Cd~(2+)的运移;与三组分重金属(Zn~(2+)+Pb~(2+)+Cd~(2+))共同运移时,竞争运移的能力大小为Zn~(2+)Cd~(2+)Pb~(2+)。     

有机质胶体对卡马西平在多孔介质中迁移影响模拟实验

有机质胶体与有机污染物的相互作用会影响污染物在多孔介质中迁移转化等环境行为.为研究有机质胶体对药物和个人护理品(PPCPs)在土壤环境中迁移的影响,本实验以卡马西平(CBZ)为目标污染物,用商用腐殖酸制备有机质胶体,分别选择石英砂、标准土和野外所取土样为研究介质,通过室内土柱模拟实验探究有机质胶体存在时污染物在多孔介质中的迁移行为.结果表明,描述一维溶质运移的两点化学非平衡模型能够较好模拟CBZ在各介质土中的运移过程,说明污染物运移过程中与介质间发生了化学非平衡吸附作用;石英砂柱中加入胶体后,对CBZ的吸附过程无明显影响,但在解吸时阻滞因子及滞留量变小,可见胶体与石英砂间作用微弱,解吸过程中胶体与污染物结合形成复合体后对污染物有增溶作用;胶体存在时,标准土和自然土对CBZ的吸附量和迁移阻滞强度均明显大于石英砂,其中有机质及黏土矿物的作用最为明显,有机质中的低能/高能吸附位点以及黏土矿物极性表面均能够固定污染物;由于有机质含量较高,自然土对CBZ在吸附-解吸过程中的阻滞截留强度大于标准土.针对本实验中CBZ的迁移情况,提出了疏水性有机污染物在含有机质胶体土壤中的迁移过程中各种作用的概念模型.     

NAPLs污染物指进锋面形态的指间距离预测

选取4种不同性质的NAPLs(非水相流体)污染物,分别应用分形维数方法和毛细压力函数方法对NAPLs迁移过程中有效界面张力和指进过程中指间距离的大小进行预测,同时建立二维可视化砂箱模型,模拟污染物在多孔介质中的非稳态指进迁移过程,获得指进迁移形态影像75幅. 结果表明,与试验观测值比较,对于相同迁移过程中的指间距离,毛细压力函数方法预测误差绝对值介于1%~93%,分形维数方法预测误差绝对值介于2%~25%,分形维数方法的预测误差小于毛细压力函数方法. 毛细压力函数方法对指间距离的预测随着NAPLs密度的增加而增大,对DNAPLs(重非水相流体)的预测误差明显增加,更适用于预测密度与水的密度相差不大的物质;分形维数方法的预测值与观测值呈显著线性相关(R2=0.957),相比于传统毛细压力函数方法,分形维数方法对指间距离的预测更准确,更适合用来预测不同密度NAPLs污染物的指进距离参数.      

氚在黏土矿物等多孔介质中的滞留机制

通过电感耦合等离子体光谱(ICP)、热重(TG)等分析方法对黏土矿物的结构成分、加热特性等进行了检测;通过蒸馏冷凝等实验,实现了对吸附后黏土矿物的吸附水、层间水、结构水的分离,检测了氚在黏土矿物结构内外各类型水中的分布;通过红外吸收光谱(IR)等分析方法对氚在黏土矿物结构中的吸附位置及形态进行了检测研究;通过同位素效应...     

饱和多孔介质中水流停滞对胶体吸附与解吸的影响

地下水水流停滞区域是胶体污染物吸附的重要场所.为研究水流停滞时间对胶体在饱和多孔介质中再迁移的影响,在石英砂柱与胶体达到稳定吸附后中断水流,分别设置水流停滞时间0、15、32、64、87、120 h,比较胶体的再迁移能力.结果表明:①水流停滞时间在32 h以内时,通入去离子水可使5.2%~5.3%的胶体被解吸出来再次随水流迁移,解吸量介于0.54~0.56 mg之间,对胶体再迁移能力的影响不明显;水流停滞时间为32~120 h时,水流停滞时间增加会导致胶体再迁移能力降低;水流停滞时间达到120 h,胶体主要楔在石英砂颗粒间,难以被解吸出来,此时仅有1.8%的胶体再次随水流迁移.②水流停滞时,以自上而下的流通方式吸附在土柱中的胶体受重力作用可能跨过能垒吸附在初级势阱中,使再迁移能力降低;然而在自下而上的流通方式下吸附在土柱中的胶体受重力影响难以跨过能垒吸附在初级势阱中,胶体再迁移能力较强.③当以≤ 30.2 m/d的流速通入背景液时,流速对胶体解吸的影响不如通入去离子水时显著.研究显示,水流停滞时间对吸附在饱和含水介质上胶体的再迁移能力有明显影响,重力作用在不同的流通方式下不同.