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.     

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.     

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。     

表面活性剂强化空气扰动修复污染地下水影响区域研究

为了强化空气扰动技术(Air Sparging,AS)的处理效果,通过向不同介质的地下水中添加表面活性剂(十二烷基苯磺酸钠,SDBS),考察表面活性剂强化空气扰动技术对曝气影响区域的影响.实验结果表明:当介质为砾石时,加入表面活性剂后影响区域没有明显变化;当介质为粗砂时,用500 mg·L-1 SDBS溶液饱和时的空气...     

华北平原耕作土壤特性对基因工程菌迁移的影响

基因工程菌在土壤中的迁移是影响污染土壤生物强化修复的重要因素.在华北平原饱和耕作土壤中,考察了1株阿特拉津降解基因工程菌迁移留存及其影响因素.结果表明,在饱和耕作土壤中,平流渗透是基因工程菌迁移的主要机制,其过程可用过滤模型拟合.土壤性质对孔隙水流和基因工程菌迁移具有显著影响.随着土壤粒径、孔隙率和土壤砂粒组分增加,土壤水力传导率常数增大,基因工程菌过滤系数减小,土壤对基因工程菌过滤留存作用降低.土壤条件不变时,增加入渗流量也会增大土壤水力传导率常数,减小基因工程菌过滤系数.饱和土壤中,水力传导率常数为5.02~6.70 m·d-1时,基因工程菌在土壤中的过滤系数为0.105~0.274,二者存在显著负相关关系.     

地下水石油污染曝气治理技术研究

在石油开采区现场考察了地下水石油污染曝气治理效果.结果表明,现场土壤地质条件对曝气气流分布影响很大,气流分布并不与曝气井为轴对称,曝气井左侧影响距离达6 m,右侧仅为4 m;经过40 d的连续曝气,在气流分布密度大的区域,石油去除率高达70%,而在气流分布稀疏的区域,石油去除率只有40%,曝气影响区地下水石油平均去除率为60%;对曝气前后地下水中石油组分进行色质联机分析,表明石油去除效果与石油组分及其性质有关,挥发性高的石油组分容易挥发去除,而挥发性低的石油组分难于挥发去除,因此地下水石油污染曝气治理存在“拖尾效应”.     

地下水苯系物污染原位曝气修复模拟研究

通过TMVOC软件模拟了苯系物在拟定渗流区“自然”环境条件下的污染物运移行为和原位曝气修复过程中的污染物衰减过程,确定了最佳曝气流量和所需要的曝气井数量及分布,并对修复效果进行了模拟.模拟显示,泄露过程中,在重力作用下,不饱和区的苯系物以竖直迁移为主,同时在毛细作用下横向迁移;在饱和区中以顺水流方向水平迁移为主,同时会溶解进入地下水,污染羽可到达含水层底部.从含水层底部的7个曝气孔同时以12m3/h的速率将空气注入时,只需180d即可完全修复苯系物污染区域.该条件下单井有效修复半径约5m,有效修复范围优于从含水层中部和中下部进行曝气.     

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.     

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.     

改性纳米铁原位反应带修复范围影响因素研究

为了解蔗糖改性纳米铁原位反应带在地下含水层中的形成规律,在二维模拟装置中创建原位反应带,研究了石英砂介质颗粒大小?地下水流速?浆液注入浓度?注入量及注入方式对反应带修复范围的影响.结果表明:反应带宽度随介质粒径及地下水流速的增加而增大,粗砂中反应带宽度约为细砂的3倍;当地下水流速由0.1m/d增加到1.0m/d时,反应带宽度分别增加了14.9%和106.4%.浆液分次注入的方式可使反应带初始宽度增加19.8%;较小的浆液浓度有利于反应带在水流方向和含水层垂向修复范围的扩展.     

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.     

表面活性剂增强修复地下水中PCE的砂箱实验及模拟

在石英砂充填的二维砂箱中开展表面活性剂（Tween 80）冲洗四氯乙烯（PCE）的修复实验,基于图像分析技术监测不同污染源区结构条件下NAPL相的去除过程.由于实验条件限制,实验中缺乏溶解相浓度数据.为此进一步基于UTCHEM数值模拟方法来理解NAPL相和溶解态之间的质量传输过程,并探讨表面活性剂浓度、注入速率等因素对修复效率的影响.综合砂箱实验和数值模拟结果表明：介质均质和非均质条件下会形成不同类型DNAPL污染源区结构,表现为离散状PCE与池状PCE体积比（GTP）差异.由于离散状污染物与表面活性剂的接触面积更大,更易被优先去除;初始GTP值越高,污染物的修复速率和修复效率也越高.增大表面活性剂浓度或提高表面活性剂的注入速率,虽然能提高DNAPL的修复速率,但会明显降低表面活性剂的修复效率,实验过程中修复效率降幅可达93%.线性驱动溶解模型可以有效地模拟表面活性剂修复DNAPLs过程,基于数值模拟方法选择合适的表面活性剂配比可有效的节省实际污染场址修复经费和时间成本.     

崎头洋海砂开采对朱家尖沿岸沙滩的影响

采用三角形单元法建立了崎头洋采砂作业区局部平面二维潮流数学模型,潮位、流速、流向和水流运动形态的验证结果与天然海域状况基本一致,在此基础上,对朱家尖东侧沙滩沙子流失现象的成因和机理进行了深入的探讨。研究结果认为:崎头洋采砂工程前后引起的潮流流场变化仅限于工程区本身及其附近区域,对大范围海域的流态没有影响;朱家尖东侧沙滩沙子流失的原因乃是由波浪入射近岸浅水域破碎后掀沙,斜向破波产生沿岸流,潮流和沿岸流共同挟带泥沙输移所致。同时出于保护环境和资源的角度,建议严格控制采砂规模。     

土壤气相抽提过程中多孔介质扰动的数值分析

基于质量守恒与流体达西定律推导水气二相流动的连续性微分方程,进而结合饱和度~相对渗透率~毛细压力耦合关系构建二相流动数学模型,并建立多孔介质孔隙度变化与水气二相饱和度之间的数学关系,最终实现多孔介质扰动时空变化的定量表征.案例模拟分析结果表明:对于特定场地而言,抽提影响带的空间形态与抽提真空度密切相关,抽提真空度越大,影响半径及影响带内的气流速度越大,本案例中抽提真空度在11kPa和31kPa时的抽提影响半径分别达到8.5m和9m;在抽提过程中,孔隙度及渗透率随时间呈现先增加后稳定的显著变化,达到稳定所需的时长及其变幅则与离抽提段的空间距离成反相关,抽提压力为0.7′105Pa、特征参数 =0.8的情景模拟显示:距离抽提段1m的P1点在约40min后孔隙度达到稳定、增幅为0.0387,而较远的P4点,距抽提段水平距离为3m,约在60min后达到稳定、增幅为0.0031,相应地,P1和P4点介质渗透率分别从1.18×10-11m2增加至2.22×10-11与1.25×10-11m2;在相同抽提压力下,孔隙度增幅与关键参数 值成正相关,抽提压力为0.9×105Pa、 =0.1和0.8时的孔隙度最大增幅分别约为0.009和0.055;相同参数 条件下,孔隙度增幅与抽提压力成正相关, =0.8、抽提压力为0.7×105Pa时的孔隙度最大增幅则达到0.066.     

均质滤料过滤截污模型研究

对均质滤料过滤进行了分析，采用毛细管模型研究过滤水流，给出毛细管中剪切应力的分布，通过毛细管中颗粒物的受力分析，求得颗粒与毛细管壁间的物理化学作用力。对颗粒在毛细管在毛细管中运动的受力平衡进行分析简化，得到了截污饮和时滤床中孔隙率的计算公式，由此可以计算出均质滤床的最大截污能力，即：清洁滤床的孔隙率与孢和孔隙率之差乘以滤床的体积。     

露天堆场防风抑尘网的动力学数值模拟

开放性露天堆场的散尘是大气颗粒物的重要来源. 来流空气在棱形物料堆的上部绕流,使其表面的空气流动结构逐点不同,而料堆表面的空气动力学结构又决定着堆场的散尘机理及散尘量. 分析了典型单一棱形料堆周围空气湍流结构,并应用三维标准k-ε紊流模型对其流场进行了数值模拟;计算了来流方向抑尘网前后不同断面处风速的垂直分布;分析了不同孔隙率(0、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6和1.0)抑尘网后料堆迎风面和背风面沿高度方向、平顶面沿水平方向的剪切应力特性和分布规律. 结果表明:抑尘网前3倍网高距离处的风速较无网工况(孔隙率为1.0)略有减小,降幅随孔隙率增大而减小, 孔隙率为0时最大降幅为5.1%;网前2倍网高距离处与抑尘网之间区域的风速廓线与无网工况相差甚远,孔隙率为0时近网区域风速最高降幅达92.8%. 抑尘网和料堆迎风面之间区域,从地面至网顶高度,不同孔隙率抑尘网工况下的风速均较无网工况小,最小处为无网工况风速的18.5%;抑尘网以上区域的风速较无网工况的大,最大处为无网工况风速的128.0%,并且差距随抑尘网孔隙率的减小而增大. 料堆剪切力分布显示,其迎风面和平顶面为主要散尘面,背风面被涡旋卷起的扬尘量较前两者小得多. 防风抑尘网的设置改变了料堆周围空气的流动结构和受力分布,对不同孔隙率的抑尘网数值模拟结果可知,0.2和0.3为最佳孔隙率.      

垃圾填埋场区域氨氮污染地下水的修复方案比选

早期建设的简易生活垃圾填埋场的防渗措施不足,易发生渗漏,造成填埋场周围地下水的氨氮浓度升高。文章针对华中地区某垃圾填埋场区域氨氮污染地下水,提出抽取处理加异位生物修复、空气注入加原位生物修复两种修复方案,并采用AHP-TOPSIS(层次分析法-逼近理想排序)方法进行方案的比选。在建立合适的比选指标体系基础上,采用AHP-TOPSIS方法进行综合比选研究。结果表明,空气注入+原位生物修复技术更适合于该区域地下水的修复。TOPSIS方法由于缺乏确定评价指标权重的过程,在层次多元分析中的应用受到限制,而AHP是多层次多因素权重确定的有效工具,将二者结合起来,先由AHP确定指标权重,再运用TOPSIS对备选地下水修复方案进行排序,从而弥补了二者各自的不足。AHP-TOPSIS方法可作为环境工作者进行场地修复方案比选的有效工具。     

光透法定量两相流中流体饱和度的模型及其应用

基于光透法定量流体饱和度的原理及其在两相流中的应用,设计了两组密封砂箱实验来研究气体或重非水相流体(DNAPL)在饱和孔隙介质中的迁移,观察了气体或DNAPL在孔隙介质中的迁移规律,应用并验证了2个水/气两相流中的光强-饱和度(LIS)模型,特别是建立并应用了适用于NAPL/水两相流系统的2个新LIS模型.结果表明,气体以不规则的"指状"通道向上迁移直到在砂箱顶部聚集,最终形成连续的气体分布;TCE由于自身重力的影响向下迁移直至砂箱底部,最终在砂箱中形成不规则的污染羽并在砂箱底部形成污染池.利用实验结果应用并验证4个光透法模型得到:2个水/气系统中LIS模型(WG-A和WG-B)整体适用于本实验数据;2个NAPL/水系统的LIS模型(NW-A和NW-B)得到与实测资料较吻合的结果,其中基于单个孔隙水驱替假设的模型NW-A与实验结果更加接近,对量化多孔介质中的NAPL/水系统各相饱和度具有一定的参考意义.     

复合式渗流试验装置对微污染河道水的脱氮除磷研究

针对微污染河道水体的水质特点,考察了复合式渗流试验装置对此类河道水的处理效能。试验结果表明:在10 cm/d和20 cm/d水力负荷条件下,两个阶段TN的平均去除率分别为36.34%、28.53%;TN平均出水浓度分别为6.15,12.45 mg/L;TP的平均去除率分别为90.86%、64.15%;TP平均出水浓度分别为0.05,0.42 mg/L。氮的去除主要发生在前两个格室,前两个格室填充的腐木作为补充碳源,有利于微生物的反硝化脱氮作用;磷的去除主要发生在后两个格室,原因是后两个格室填充了水泥砖块,水泥砖块对磷具有较好的吸附性能,但随着时间的推移,系统的除磷能力会因填料对磷的吸附饱和而逐渐下降,故需要及时更换填料。