地下水有机物和重金属迁移与污染修复的数值模拟研究

摘要

地下水污染带来的环境健康风险和生态安全已受到人们的极大关注。2011年10月10日国务院正式批复了《全国地下水污染防治规划(2011-2020)》，这是我国地下水污染防治的第一部纲领性文件，标志着地下水这一战略资源的污染防治工作已经纳入国家层面的决策。纵观当前地下水污染状况，非水相重质液体(Dense Non-Aqueous Phase Liquids, DNAPLs)、非水相轻质液体(Light Non-Aqueous Phase Liquids, LNAPLs)和重金属类污染物已经成为目前地下水污染控制的重中之重，于是选取了四氯乙烯、苯、六价铬作为本文的研究对象。此外，随着计算机技术的迅速发展，数值模拟技术已经成了研究地下水污染物迁移与修复过程的重要工具。因此，用数值模拟研究这三种污染物在地下水中的迁移规律与修复方案的制定，具有非常重要的科学研究和实际应用价值。
　　基于本课题组多年来地下水污染修复试验之上，以地下水数值模拟软件应该坚持自主开发与引进相结合为原则，利用美国地质调查局(USGS)开发的MODFLOW-2005和美国阿拉巴马大学(UA)Prof. Chunmiao Zheng开发的MT3DMS源程序代码，开发了能实现多组分一级母-子连锁反应，多元莫诺动力学反应，重金属吸附和化学淤堵作用的计算模拟程序，主要研究成果如下。
　　针对以铁粉与微生物群落组合(FeMB)为反应材料的多级PRB(Permeable Reactive Barrier)修复四氯乙烯(PCE)污染含水层的过程，建立了多组分一级母-子连锁反应模型，开发相应程序。
　　结果表明；
　　(1)质量转化系数对PCE由非水相向水相的转化过程非常重要，直接影响到非水相PCE污染源的存在时间和水相中PCE的浓度峰值；
　　(2)FeMB作PRB反应材料的生物化学降解作用在PCE的去除过程中起主导性作用；
　　(3)2级PRB的修复效果与1级相比，浓度峰值降低了37％；3级与2级相比，浓度峰值又降低了36%，因此在污染修复过程中出现中间产物时，多级PRB是一种可行的修复技术；
　　(4)在地下水修复过程中，反应材料降解性能衰减和渗透性的减小直接影响最终的修复效果，应引起足够的重视。
　　针对缓慢注氧(Slow-release Oxygen Source,SOS)或 PRB缓慢释氧(Oxygen-Releasing Compounds,ORC)技术修复苯污染含水层的过程，建立苯、溶解氧和微生物的多元莫诺动力学反应模型，开发相应程序。
　　结果表明:
　　(1)注氧井离污染源越近有助于达到更好的修复效果，充足的溶解氧能够加速微生物的生长过程，使更多的苯在微生物生长过程中被消耗掉；
　　(2)汽油的饱和度直接决定着其在非饱和带的垂向迁移速度，大部分汽油都被非饱和带所截留，给土壤和近地表生态环境带来了潜在的危害；
　　(3)PRB释氧速率15mg/L的方案使苯的浓度峰值在处理前后下降了80%，饱和带中苯污染羽主要集中于近地下水面附近，PRB设计过程中应予以充分地考虑；
　　(4)缓慢注氧(SOS)技术和PRB缓慢释氧(ORC)技术是很好的补充地下水中溶解氧的方式。
　　针对六价铬(Cr6+)柱实验，采用遗传算法开发了吸附参数反演模型，然后以改性壳聚糖(PEG-CTS＃5)为吸附剂设计了PRB的最佳尺寸结构。
　　结果表明;
　　(1)以MODFLOW/MT3DMS为工具，根据六价铬浓度0.1mg/L的污染羽范围设计PRB尺寸的方法是可行的；
　　(2)PEG-CTS＃5应该是一种潜在吸附六价铬的材料，但该材料遇水后膨胀进而影响反应区的渗透性，应引起足够的重视；
　　(3)弥散度在横向和垂向上的增大将使PRB厚度减小，长度和深度增加，介质弥散度的异质性对PRB的设计非常关键。
　　针对地下水修复过程中的化学淤堵现象，建立了由二价铁离子(Fe2+)引起的辐射集水井化学淤堵模型，开发相应程序。
　　结果表明:
　　(1)建立的辐射集水井出水量模型是可行的，就辐射井的水平集水管而言，末端的出水量贡献大于靠近井中心处的出水量；
　　(2)辐射井竖井发生化学淤堵，45天后的出水量下降约10%～15%，含水层水位上升，给相关工程带来一定的安全隐患。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 地下水有机物和重金属污染现状

1.2 地下水有机物和重金属污染修复现状

1.3 地下水数值模拟的必要性

1.4 地下水数值模拟现状及存在问题

1.5 主要研究内容

1.6 技术路线

第二章 地下水污染数值模拟研究方法

2.1 地下水流场数学模型的建立

2.2 地下水流场数学模型的求解

2.3 地下水污染物迁移数学模型的建立

2.4 地下水污染物迁移数学模型的求解

第三章 地下水中四氯乙烯迁移与修复数值模拟

3.1 一维含水层中四氯乙烯迁移数值模拟

3.2 三维含水层中四氯乙烯修复数学模型的建立

3.3 四氯乙烯降解材料的参数反演

3.4 三维含水层中PRB修复四氯乙烯的数值模拟

3.5 本章结论

第四章 地下水中苯迁移与修复数值模拟

4.1 含水层中苯修复数学模型的建立

4.2 二维苯污染含水层修复数值模拟

4.3 三维非饱和-饱和苯污染含水层修复数值模拟

4.4 本章结论

第五章 PRB修复地下水中六价铬的结构优化模拟

5.1 地下水中六价铬修复试验

5.2 六价铬迁移修复数学模型的建立

5.3 砂柱实验吸附参数估计

5.4 砂箱实验吸附参数校正

5.5 地下水中六价铬修复的PRB结构优化设计

5.6 六价铬PRB优化方案的评估

5.7 本章结论

第六章 含水层化学淤堵的数值模拟研究

6.1 辐射井出水量数学模型的建立

6.2 模型验证

6.3 考虑化学淤堵作用的辐射井模型建立

6.4 三维含水层辐射井淤堵过程的数值模拟

6.5 某尾矿坝辐射井淤堵过程的数值模拟

6.6 本章结论

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 创新性成果

7.3 展望

参考文献

致谢

发表论文及参加学术会议情况