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.     

基于透射光法探讨水流流速对DNAPL运移分布的影响

重非水相污染物(DNAPL)在地下水中的运移分布受多种因素控制.选择四氯乙烯(PCE)作为DNAPL的代表,通过二维砂箱实验探究地下水流速对DNAPL运移分布的影响.采用透射光法(LTM)监测DNAPL在砂箱内的运移行为并定量分析DNAPL的饱和度,进而采用空间矩分析DNAPL污染羽的平均运移行为随时间的变化.结果表明,透射光法分析得到的DNAPL计算体积与实际注入体积有良好的相关性(R20.98),LTM的测量精度较高,可准确反映DNAPL的入渗行为和再分布过程.DNAPL饱和度和污染羽一阶矩(质心)的分析结果表明,流速的增加能够促进DNAPL在水平和垂直方向的运移使得运移路径倾斜,且其对DNAPL垂向入渗的促进作用更为明显;污染羽二阶矩(展布)的分析结果显示流速的增加还提高了DNAPL在横向和垂向的扩散速度,导致污染区域增大.实验过程中,DNAPL的饱和度直方图在较小地下水流速下始终呈单峰分布,在较大地下水流速下则逐渐呈双峰分布,且流速越大,两个峰值的间距越大.     

多相抽提-原位化学氧化协同修复技术研究

针对单一原位化学氧化和多相抽提技术难以达到氯苯类污染场地的修复目标,文章采用两者协同修复技术同时实现复杂场地氯苯类污染土壤和地下水的修复。以上海市某氯苯类污染场地为研究对象,分别开展多相抽提、原位化学氧化和两者协同修复研究,对比不同修复方式对污染土壤和地下水的修复效果。结果表明,单一的多相抽提和原位化学氧化修复技术均无法修复达标,协同处置后根据为期1年的长期监测结果,CJ1、CJ2、CJ3地下水氯苯类污染物质量浓度分别降低93.89%、93.39%和94.15%,CT1、CT2、CT3土壤氯苯类污染物质量分数分别降低74.17%、76.86%和76.23%,均低于修复目标值,协同修复效果具有较好的长期稳定性。多相抽提对重质非水相液体（DNAPL）物质的去除和原位化学氧化对溶解态污染物以及残余的DNAPL相物质的强化处理是显著促进氯苯类污染物去除的主要原因。该研究结果可为类似氯苯类污染场地修复治理工程提供参考。     

地下水中污染物的迁移传输及排泄通量研究

以辽宁某化工污染场地为研究对象,结合场地调查结果,应用地下水模型系统软件(GMS)中的MODFLOW和RT3D模型,建立了地下水中污染物的数值模型,探讨其迁移传输及排泄通量。根据模拟结果,地下水中苯、二氯苯和三氯苯的污染羽约在20年后达到动态平衡,污染羽不再随时间变化,污染物的自然衰减速率与污染源释放速率达到平衡。排泄通量估算表明:地下水向河流排泄的量在20年时达到稳定,地下水中苯、二氯苯和三氯苯向河流的排泄通量分别为每天180 g、6 100 g和5.5 g。由于污染物会导致污染生态环境和健康风险,建议从控制污染源、实施污染源区修复和切断迁移传输途径等多种措施控制风险。     

基于SSA-BP与SSA的地下水污染源反演识别

应用基于SSA-BP神经网络替代模型的模拟-优化方法和SSA研究了地下水污染源位置及释放历史的反演识别问题。并在建立地下水水流模型时,应用Cholesky分解方法建立含水层渗透系数连续场,该方法相比于普通的参数分区方法更好地描述了水文地质参数的非均质性。结果表明:SSA-BP神经网络替代模型对模拟模型具有较高的逼近精度,其平均相对误差仅有3.21%。应用SSA求解优化模型,能够快速准确地识别出点污染源的位置及释放历史。SSA对污染源位置的反演识别相对误差在10%左右,对污染源源强的反演识别相对误差不超过4%。因此,本文所提出的方法是一种有效的地下水污染源识别方法,可为污染责任认定及污染修复方案的优化提供参考。     

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.     

场地健康风险评估及生物可给性的应用

通过对江苏省某化工遗留场地初步调查和详细调查,确定了土壤污染物砷和硫酸盐,并得到场地污染状况。运用我国《污染场地风险评估技术导则(报批稿)》评估了该场地对人体健康风险,得到硫酸盐的非致癌风险为6.86×10-3,砷的致癌风险和非致癌风险分别为5.82×10-4和9.71。砷对人体健康风险值超过工业用地可接受致癌风险值(10-5)和非致癌风险值(1),需要对砷进行修复,计算得砷的修复目标值为12.10 mg/kg。经口摄入污染土壤是砷对人体健康风险的主要途径,而摄入污染土壤中的砷不能完全被溶解并被肠胃吸收。生物可给性反映污染物在胃肠系统中能被溶解并被小肠壁吸收的量。文章运用in vitro方法测定土壤中砷的生物可给性为40.16%,并将生物可给性引入风险评估计算,修正砷的修复目标值为21.00 mg/kg。     

轻质非水相流体污染场地的双相抽提修复

某化工生产场地受到了苯系物的污染,并在现场浅层地下水上方形成了由甲苯构成的轻质非水相流体层.采用原位单泵双相抽提技术对该场地进行了修复的中试研究.结果表明,双相抽提技术能通过真空作用同时去除场地中的自由相污染物、受污染的地下水以及受污染的土壤气体,可有效适用于中～低渗透性场地LNAPL污染的原位修复;直接回收自由相污染物是双相抽提工艺修复场地LNAPL污染的主要途径.     

四氯化碳浓度对其自身厌氧生物降解的影响

研究饱和(含APL与DNAPL两相)与非饱和(只含APL一相)四氯化碳污染中,初始浓度对其自身生物降解的影响及其对微生物的影响。富集培养的高效降解菌是从污染源区土壤钻孔中筛选到的。研究表明,在实验浓度(v/v)范围内,随初始浓度升高,四氯化碳降解效率降低,对微生物的抑制作用增加。>0.1%～0.2%的四氯化碳(APL与DNAPL两相)对微生物生长有明显的抑制延滞作用。该降解菌群对<0.005(%APL)的四氯化碳污染降解效率很高;经驯化后,能降解初始浓度更高的四氯化碳污染。在降解产物中检测到氯仿,分离纯化的降解菌初步鉴定为链状杆菌、革兰氏阳性。     

人工注气及生物产气对孔隙介质中DNAPL运移影响

重非水相液体(DNAPLs)的污染和治理问题是国内外研究热点,由地下水曝气技术注入的人工气体或生物作用等产生的气体必然对DNAPL在地下水系统中的运移及修复产生影响.采用CCD实时监测系统,以TCE为目标污染物,通过3个二维砂箱试验,以饱水条件下DNAPL的运移为对照,研究了人工注气及生物产气对DNAPL在孔隙介质中运移的影响.结果表明:(1)基于CCD相机的透射光监测系统是一种研究二维孔隙介质中多相流迁移规律的有效非侵入式监测方法,应用于实时监测水/NAPL,水/气,水/NAPL/气多相系统中流体渗流过程.(2)人工注气和生物产气两种条件下,气体在多孔介质中的分布特征有差异,前一条件下气体连续分布,后一条件下则以非连续分布的气泡为主.(3)在水/气两相系统中,气体的存在使得DNAPL污染羽的整体形状更加不规则;同时缩短了TCE污染羽前缘整体平均垂向下迁距离;也导致迁移路径上孔隙中TCE的截留量变小.DNAPL的入渗过程受重力影响以垂向渗流为主,垂向渗流时易于驱替孔隙中的水分,然而水平渗流时优先驱替孔隙中的空气.     

地下水环境影响评价中污染物运移模拟软件的适宜性评估

目前国内外已发展了一系列成熟的地下水污染物运移模拟软件,但是软件功能各异,易造成使用者的选择困扰.为满足HJ 610—2016《环境影响评价技术导则地下水环境》（简称“《导则》”）中关于环境影响预测工作精细化的要求,对国内外常用饱和带和包气带污染物运移模拟软件的适宜性进行了评估.首先,针对三款常用饱和带污染物运移模拟软件BIOSCREEN、AT123D和MT3D,基于理想算例对比4组水动力条件设置下的计算结果,分析软件的适宜性;其次,针对《导则》中暂未给出的包气带污染物运移模拟软件,以FEMWATER为例探讨了包气带阻滞作用对于地下水环境影响评价的重要性.结果表明:①BIOSCREEN由于忽略了分子扩散作用,当Pe（Peclet数）为0.25×10-3时,其预测的污染源下游10 m处污染物浓度为AT123D和MT3D计算值的1.8倍,存在高估污染风险的可能.②相比污染源直接设置于潜水面的情景,污染物从距潜水面11 m的地表泄露,经过包气带后污染源强降低了24%,下游85 m处污染物浓度达到0.1 mg/L的时间延迟了390 d.③当地下水流速较慢,分子扩散作用相比对流作用占优势时,适用MT3D开展数值模拟或者采用AT123D进行解析预测;当对流作用占优势且水文地质条件接近解析解假设时,可利用BIOSCREEN粗估污染风险.研究显示,包气带污染物运移模拟软件有助于合理地预测污染物在地下水环境中的运移转化行为,从而更准确地估计污染源强和判定地下水环境污染风险.      

表面活性剂强化含水层修复模拟的尺度提升研究

为了寻找到能够在保证模拟精度的前提下,大大提高表面活性剂强化含水层修复（Surfactant-enhanced aquifer remediation,SEAR）模型计算效率的合适的渗透系数尺度提升方法,在概略介绍拉普拉斯-外壳法的基础上,利用算术平均尺度提升法与拉普拉斯-外壳法建立大尺度模型,与小尺度模型进行对比.结果表明,拉普拉斯-外壳法所建模型对含水层污染物残余质量的最大计算误差在所有情况下均优于算术平均尺度提升法,含水层非均质性越强,拉普拉斯-外壳法优越性越明显;并且拉普拉斯-外壳法对于污染羽质心位置与形状的刻画效果也更好.大尺度模型能大幅度减小SEAR的计算成本,应用算术平均尺度提升法可减少至原计算时间的6.5%左右,应用拉普拉斯-外壳法可减少至4.5%左右.     

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.     

饱和多孔介质中DNAPL污染源区结构及质量溶出

为探究重非水相液体（DNAPL）在地下水中的运移和溶出行为,选取四氯乙烯（PCE）为代表,采用透射光法动态监测PCE在二维砂箱中的运移和分布,并以顶空气相色谱法监测其质量溶出,在此基础上通过乙醇冲洗来改变PCE分布,对比分析相应源区结构和溶出浓度的变化.结果表明：PCE的运移以垂向入渗为主,并伴随由毛细管力引起的横向迁移;污染源区面积和溶出浓度的变化具有明显一致性,均先迅速增大而后趋于平稳,由于泄露量小,70.7%的PCE以ganglia态残留在运移路径上.乙醇主要通过增溶作用改变污染源区结构,对PCE的空间展布影响弱,乙醇冲洗后ganglia态PCE占比增至99.6%,GTP值从2.4增至257.随着乙醇冲洗体积的增加,PCE源区面积从100cm²减至50cm²,对应溶出浓度从114mg/L减至12mg/L,二者呈较好的线性关系（R²=0.76）.此外,连续监测结果显示,在本研究的实验条件下,无论是否经过乙醇冲洗,PCE污染源区结构和其相应的质量溶出可以在一定时间内（至少16PVs）保持稳定.     

流域空间统计模型SPARROW及其研究进展

SPARROW(SPAtially Referenced Regressions On Watershed attributes流域属性基于空间的回归模型)是美国地质调查局(USGS)开发的经验统计和地表过程相结合的流域空间统计模型。模型通过对河流水质数据和流域属性建立空间回归实现污染负荷产生和迁移的定量化。模型的最大特色是其空间特性非常显著,可以将上游的营养盐污染源数据和下游的营养盐负荷数据联系起来,同时可以将河流中的水质监测数据或污染物通量数据和流域的空间属性特征(比如土地利用类型、河网、大气沉降等)联系起来。模型除了一般水质模型所具有的水质模拟和流域污染源的分析功能外,还可在模拟过程中对流域中每个污染源、流域属性和污染物迁移过程对水质监测结果的影响进行显著性检验。文章简要介绍了SPARROW模型的结构和原理、功能和应用发展前景。     

南京市不同功能区大气降尘的沉降通量及污染特征

选择南京市的钢铁工业区、工业与居民混合区、交通干道、居民生活区、风景区、城市郊区6种典型城市功能区,按月定期收集降尘,计算沉降通量.应用ICP-AES分析降尘中元素的含量,比较其化学组成和污染物特征.结果表明,研究期间南京市降尘沉降通量为3.39～65.95g/(m²·月),工业区降尘通量显著高于其他区域,说明其局部来源的贡献超过了区域背景;不同功能区降尘中地壳元素绝对含量均较高,为主要的成分,而一些污染元素(Cu、Zn、Pb、Ni、As)的含量在工业混合区和钢铁工业区则相对较高.降尘中Ca、Cu、Zn、Pb的富集系数均>10.北方远程来源的降尘对南京地区的影响很大,特别是对该地区的土壤“复钙”作用有很大的影响.     

干湿循环对三峡支流消落带沉积物中可转化态氮及其形态分布的影响

水体富营养化的形成与沉积物中氮素的"源-汇"关系密切,本研究选取三峡典型支流澎溪河消落带上、中、下这3个水文断面,160 m和170 m两个水位高程,0~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm共5个深度的沉积物样品,通过研究其总可转化态氮(TF-N)与各形态可转化态氮含量及分布特征,旨在揭示周期性水位变化对消落带沉积物氮释放的影响.结果表明,澎溪河消落带沉积物总氮含量在313.02~3 255.53 mg·kg-1之间,空间分布上呈上站位(渠口)中站位(高阳)下站位(双江)的趋势;总可转化态氮含量范围为288.54~1 123.27mg·kg-1,均值为639.40 mg·kg-1,空间分布趋势与总氮一致;TF-N中各形态氮的大小顺序为:OSF-N(有机态和硫化物结合态)IMOF-N(铁锰结合态)CF-N(碳酸盐结合态)IEF-N(离子交换态).沉积物中TF-N主要以OSF-N(50.9%)和IMOF-N(33.3%)形态存在.OSF-N很难释放,不易参与氮循环.IMOF-N受水文条件影响显著,表现为在低水位高程和下采样站位沉积物中含量更低.淹水胁迫、水体富营养化等情况下氧含量较低,相对还原条件下有利于其向水体释放.而TF-N及其形态分布在垂直深度上无显著差异.可见,三峡库区特殊调蓄水制度加速了澎溪河下游、低水位高程消落带沉积物中IMOF-N向水体的释放.     

Johnson & Ettinger模型和Volasoil模型在污染物室内挥发风险评价中的应用和比较

在土壤污染和地下水污染的现场,挥发过程是挥发性污染物暴露的重要途径.设置典型土壤污染场景作为研究对象,选取Johnson&Ettinger模型和Volasoil模型进行室内挥发过程的模拟和暴露浓度的计算.对两个模型中污染物的运移机理进行了比较和分析.尽管方法和参数选择有所不同,二者对污染源处三相平衡浓度的计算本质上是一致的.暴露浓度的计算结果表明,两个模型对室内挥发过程的模拟可能会有较大差异,与污染现场的具体情况有关.参数影响的分析表明,污染源顶部埋深对二者暴露浓度的影响一致,Johnson&Ettinger模型对污染土壤含水率的大小非常敏感.建议考虑房屋结构的实际情况,选用或者改进模型进行室内挥发过程的评价.