多孔介质中NAPLs流体毛细管指进形态及分形表征

非水相流体(non-aqueous phase liquids,NAPLs)如石油烃类和有机溶剂类污染土壤和地下水引起了广泛关注.不同粒径多孔介质中不同性质流体入渗形态的识别是确定污染范围、有效修复土壤和地下水的前提.本研究选取不同性质的4种NAPLs流体,建立可视化砂箱模型,比较4种流体在不同粒径石英砂中指流形态差异,并引入分形理论对迁移形态进行定量描述.结果表明,NAPLs流体指进过程属于毛细管指进,主要驱动力为毛细力;同种污染物或同一黏度数量级污染物之间指流宽度和渗流面积变化趋势与毛细管数和邦德数变化趋势呈负相关;指流宽度和渗流面积随着介质粒径的减小和流体黏度的增大而增加;指流宽度和渗流面积与渗流面的质量分形维数呈正相关,质量分形维数可以作为指流宽度和渗流面积的指示指标.     

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.      

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.     

基于多重分形理论的近海污染物空间分布特性研究

针对我国近海污染物空间分布特征难于辩析的问题,通过对多重分形理论的研究,提出了一种新的近海污染物空间分布特征的分析方法。以天津市近岸海域20个水环境监测点为例,随机选择两个不同水期的COD监测数据进行分析,采用多重分形矩方法计算COD空间分布的多重分形维数谱函数f(α)。计算结果显示其α(q)-f(α)曲线均为连续不对称的上凸曲线,表明近海污染物在空间上的分布并不是简单的正态或对数正态分布,而是连续多重分形分布,近海污染物高浓度部分的奇异性较低浓度部分大,平水期的奇异性较丰水期大。应用表明,该分析结果与天津市近岸海域实际情况相一致,这些成果的取得为辩析近海污染物的空间分布特征,并进一步采用基于多重分形理论的算法模型计算近海水环境容量提供了理论依据。     

寒区多孔介质中LNAPL迁移的多场耦合模拟

建立了包含水、气、NAPL、固(冰)四相的温度场、流场及化学场多场耦合模型,适用于定量模拟LNAPL泄漏过程中发生冻结后的迁移分布.通过与非冻条件下LNAPL迁移模型对比,模拟结果显示,冻结条件下因冰的形成LNAPL会发生与非冻条件下不同的迁移行为,冰的形成阻碍LNAPL下渗,并产生冻结势使LNAPL向地表方向迁移.相...     

低渗透介质中轻非水相流体迁移转化规律

本文利用COMSOL软件建立轻非水相流体(LNAPL)纵向迁移转化模型,采用有限单元法进行求解,预测污染物分布规律,并利用局部分析法进行参数敏感性分析.结果表明,大部分LNAPL会在水面以上聚集形成高的质量分布峰值区域,少部分克服毛细压力向下迁移,在自由相迁移范围内,其溶解相浓度达到或接近饱和溶解度;当顶部污染源消失后...     

厌氧折流板反应器(ABR)中成熟颗粒污泥的分形分析

研究了ABR反应器启动成功后成熟颗粒污泥的物理性质和不同拓扑空间下的分形维数.结果表明,在反应器启动成功后,各格室中形成了平均粒径为1.70～2.70 mm、边界较为清晰的黑色颗粒污泥.它们的SVI值为25～35 mL·g-1,有效密度主要集中在1.02g·mL-1以下,自由沉降速率主要集中在14.40～86.40m·h-1之间.在它们的等速自由沉降的过程中,第2格室到第5格室中颗粒污泥水平方向的投影平均直径与垂直投影方向上平均直径的比值接近0.73,而第1格室的这一比值却为0.83.依据沉降速率-当量圆直径的双对数图计算出的各格室中颗粒污泥的质量分形维数Df处于2.097～2.801之间,大小顺序为第5格＞第3格＞第2格≥第1格＞第4格,表明第5格室中形成的颗粒污泥较为密实,而第4格室的密实程度最小,但密实的颗粒污泥并不一定意味着较高的平均沉降速率.此外,依据投影法计算出的ABR各格室中颗粒污泥在低维拓扑空间下的几种分形维数之间的关系与其理论公式之间的关系相符,其中二维拓扑空间的分形维数为1.69～1.84(投影面积-长轴),大小顺序为第3格室＞第1格室＞第5格室＞第4格室＞第2格室,这些D2不等于2,即不符合Meakin的结论.一维拓扑空间下的分形维数在0.99～1.03之间,各格室之间差异不大,表明颗粒污泥的边界不规则程度小.     

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。     

填料对潮汐流人工湿地中CANON作用强化的影响

为了缩短潮汐流人工湿地(TFCW)中基于亚硝化的全程自养脱氮(CANON)作用的启动进程并进一步提高该作用的强度,探究了不同种类填料下CANON型TFCW的启动性能及其微生物特征.结果表明,填料的理化特性可显著影响脱氮功能菌(尤其是ANAMMOX菌)的富集效果及其活性,进而可影响CANON型TFCW系统的启动进程及其脱...     

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.     

蒸汽-空气混合注射修复TCE污染的二维土箱实验研究

蒸汽-空气混合注射法是一种新近发展起来的并具有较好应用前景的包气带非水相液体(NAPLs)污染修复方法.为探讨蒸汽-空气混合注射法的修复过程及机制,本研究采用石英砂模拟包气带松散介质,选取三氯乙烯作为典型污染物,在二维土箱内人工设置不同的污染方式和污染区域,开展混合注射修复实验.结果表明,混合注射有效地改善了SVE法后期出现的"拖尾"现象,其修复过程可分为SVE阶段、蒸汽加强阶段和热量穿透阶段;污染区域零散分布与单一分布相比,热量穿透土箱的时间变短,TCE去除率更高,去除速率更快.污染区域零散分布与单一分布条件下,热量穿透时间分别为60 min、69 min,去除率分别为93.5%、88.2%,去除时间分别为83.9 min、90.6 min,缩短了修复时间;另外,在污染区域单一分布的实验中发生TCE污染羽的积累与下渗现象,降低了TCE去除效率,在污染区域零散分布实验中温度过渡带更宽,温度峰前冷凝的NAPL态TCE减少.     

基于替代模型的地下水DNAPLs污染源反演识别

应用基于核极限学习机替代模型的模拟-优化理论和方法研究解决了地下水DNAPLs污染源及含水层参数的同步反演识别问题.结果表明：1）核极限学习机替代模型对模拟模型有较高的逼近精度,能够识别并模仿模拟模型的输入-输出关系,绝大部分相对误差小于5%,平均相对误差仅有2.98%;2）以替代模型代替模拟模型,大幅度地减小了模拟-优化过程的计算负荷,将反演识别时间由传统方法的83天减少到3小时,并能够保持较高的计算精度;3）应用基于模拟退火的粒子群优化算法求解优化模型,能够以较快的速度搜寻到全局最优,同时避免搜索过程陷于局部极小解.     

絮体分形结构对沉淀速度影响研究

利用基于微天平的质量-粒径法和基于改进粒子图像测速技术的自由沉淀法对高岭土、腐殖酸絮体的分形结构进行了研究.结果表明,质量-粒径法得到的铁盐絮体三维分形维数为2.14~2.28,明显大于铝盐絮体的1.75~1.83,铁盐絮体结构更为致密,而铝、铁-腐殖酸絮体比相应的高岭土絮体分形维数要小.絮体分形维数与沉淀速度具有良好的对应关系,分形维数越大,絮体沉淀速度越大.质量粒径法与自由沉淀法求出的絮体分形维数相吻合,分形絮体沉淀速度不再满足Stokes沉淀速度公式.     

活性污泥絮体粒径分布与分形维数的影响因素

絮体粒径分布和分形维数是活性污泥的重要参数.应用激光粒度仪测量了好氧活性污泥絮体在絮凝过程的粒径分布,研究了速度梯度、VSS/SS、EPS含量及Zeta电位对絮体粒径分布的影响.结果表明,絮体平均粒径与速度梯度显著负相关(R2>0.80),与Kolmogorov尺度数量级基本相当,其间差异性与污泥VSS/SS、絮体强度等有关;相同的速度梯度下,絮体平均粒径与VSS/SS或EPS含量显著正相关(R2>0.85),与Zeta电位负相关.有机质和EPS在活性污泥絮凝中作用明显,会增强絮体强度,提升絮凝效果;EPS中蛋白质比多糖对絮凝的促进作用更明显.基于显微图像分析方法,得到了好氧活性污泥絮体二维分形维数为1.28~1.72,三维分形维数为1.70~2.69.絮体分形维数随VSS/SS或EPS含量的增加而减小;对于相同的活性污泥,絮体三维分形维数随粒径增大而减小,符合幂函数关系式.     

甲苯在北京褐潮土中的运移分布及其STOMP模拟研究

针对我国日益严峻的土壤突发泄漏事故等环境问题,采用二维土槽装置模拟非水相液体(甲苯)发生瞬时泄漏后,其在北京褐潮土中的运移及分布规律,并采用STOMP模型对其进行了模拟.结果表明,泄漏9 h后,含量>1 g.kg-1和>20 g.kg-1的甲苯污染羽横向与垂向距离比分别约为2.3和3.这是由于北京褐潮土的渗透性能较差(渗透系数为0.12 cm.h-1),因此对甲苯的入渗过程有较强的阻滞作用,导致甲苯运移方式主要以水平扩散为主,垂向迁移能力较小.采用STOMP模型对非均质性土层结构(北京褐潮土-砂土和砂土-北京褐潮土2种结构)中的甲苯运移模拟结果表明,由于砂土渗透系数(29.70cm.h-1)远大于北京褐潮土,因此土层分界面的相对渗透率突变是影响甲苯重新分布的主要因素之一.本研究可为非水相液体污染物发生突发泄漏后,及时获取其在土壤中的分布情况提供理论支持.     

垂直流人工湿地水力学特点对污水净化效果的影响

通过在污水中加入示踪剂,研究了人工湿地的水力学特点及其对污水净化效果的影响规律.结果表明,影响水力学各特点的主要原因是湿地植物根系所造成的物理学和生物学上的效应.水力学各特点与污水净化效果之间存在着密切关系:出水快、出水量大的系统具有较好的净化效果;除无植物系统外,停留时间较长的系统有较好的净化效果;容水体积大的系统净化效果也较好;水力负荷则主要通过影响其他各水力学特点而影响净化效果.结果表明,对水力学特点的优化将极大地促进污水净化效果的提高.