田 蕾,胡立堂,張夢琳

低滲透石化污染場地多相抽提修復(fù)效率的數(shù)值模擬

田 蕾,胡立堂*,張夢琳

(北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院,北京 100875)

借助TOUGH3/TMVOC軟件對華北地區(qū)某典型污染場地進行模型概化,模擬再現(xiàn)了揮發(fā)性有機化合物(VOCs)在層狀低滲透性介質(zhì)中的運移和分布特征;同時,設(shè)置了不同情景的多相抽提方案,分析了滲透率對多相抽提技術(shù)(MPE)去除效率的影響.結(jié)果表明,VOCs在該介質(zhì)中主要以非水相液體(NAPL)相形式存在,且NAPL相飽和度最大值位于泄漏點以下的含水層;對于不同深度的分層抽提情景,當最大抽提深度為-9.25m時,介質(zhì)中質(zhì)量分數(shù)最大的NAPL相VOCs能夠被有效去除,總有機物去除率達89.8%.同時,多相抽提作用能促進吸附相VOCs解吸,降低介質(zhì)中吸附相VOCs含量;抽提結(jié)束一段時間后,介質(zhì)中殘留的液相、吸附相VOCs含量增加,成為潛在的地下水二次污染源.當層狀介質(zhì)滲透率整體降低時,MPE技術(shù)去除效率隨之降低,且低滲透層中殘留的NAPL相VOCs難以抽出,導(dǎo)致總有機物去除率降低.

VOCs；多相抽提技術(shù)；TMVOC；數(shù)值模擬；低滲透介質(zhì)

隨著地下儲油罐泄露及有機溶劑的廣泛使用[1],揮發(fā)性有機化合物(VOCs)進入土壤的幾率增大,增加了含水層污染的風(fēng)險[2].VOCs由于其揮發(fā)性較強又不易溶解的特點,在地下介質(zhì)中主要以非水相液體(NAPLs)存在[3],同時形成非混溶多相流體系,在地下介質(zhì)中通過揮發(fā)、溶解、吸附[4]等作用,在NAPL相、氣相、液相、固相(吸附相)間發(fā)生相間傳質(zhì)作用[5].多相抽提技術(shù)(MPE)是常用的石化場地原位修復(fù)技術(shù)之一,它的原理是利用真空泵或潛水泵,同時抽取地下污染區(qū)域的土壤氣體、地下水和浮油層,以達到同時修復(fù)受污染地下水和土壤包氣帶的作用[6].該技術(shù)通過潛水泵或真空泵在土壤或地下介質(zhì)中產(chǎn)生負壓梯度,迫使周圍VOCs揮發(fā)或直接進入抽提管道,最后在地面進行相分離和處理,修復(fù)過程往往涉及VOCs在氣-液-NAPL三相之間傳質(zhì)作用[7].多相抽提系統(tǒng)是MPE技術(shù)的核心,包括僅由真空泵提供動力的單泵系統(tǒng)和由真空泵和潛水泵同時提供動力的雙泵系統(tǒng),前者抽提深度較淺,后者抽提深度可大于10m,對一定范圍內(nèi)的含水層具有較好的適用性.

近十幾年來,MPE技術(shù)在國外得到了廣泛應(yīng)用,美國、巴西等地均有成功的MPE技術(shù)應(yīng)用案例,技術(shù)相對成熟[8].國內(nèi)的MPE技術(shù)研究應(yīng)用起步較晚但發(fā)展迅速,中試和工程化應(yīng)用案例逐漸增多[9].隨著越來越多的有機物進入地下水的風(fēng)險加大,污染物可能由原來的單一組分逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘟M分混合污染物,不只包含輕質(zhì)NAPL(LNAPL)或重質(zhì)NAPL(DNAPL)[10],而可能兩者同時存在,復(fù)雜的污染組分增加了有機污染場地修復(fù)、治理難度.低滲透介質(zhì)一般指滲透率低于10mD的地層介質(zhì),據(jù)污染場地調(diào)查研究,我國有機污染場地分布廣、污染重,且其中低滲透場地占60%以上,廣泛分布于京津冀、長江三角洲、珠江三角洲等地,并且大多數(shù)污染場地的地層不是單一介質(zhì),通常具有層狀非均質(zhì)性.因此,本文重點研究滲透性較低的黏土、粉質(zhì)黏土、粉土質(zhì)砂等介質(zhì)中,多組分有機污染物運移特征及MPE技術(shù)抽提、修復(fù)效率.

國內(nèi)對于層狀低滲介質(zhì)中NAPLs運移規(guī)律及MPE技術(shù)的研究多集中于場地中試實驗,如將MPE技術(shù)應(yīng)用于粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土介質(zhì)場地的有機污染修復(fù)治理,均取得了較好的修復(fù)效果[11-13].國外在層狀非均質(zhì)介質(zhì)中NAPLs運移規(guī)律方面研究較多,如Yoon等[14]模擬了層狀非均質(zhì)包氣帶中單一組分NAPL氣相抽提過程,認為低滲透區(qū)域氣體流動性差,氣相繞流導(dǎo)致低滲透區(qū)域氣相抽提效率降低; Kaleris[15]模擬計算了非平衡吸附下雙層介質(zhì)中VOCs氣相抽提效率并與解析解進行了對比; Oostrom等[16]通過二維砂箱實驗?zāi)M了溶解態(tài)三氯乙烯(TCE)在含細砂透鏡體飽和介質(zhì)中運移行為,發(fā)現(xiàn)由于介質(zhì)滲透率差異,TCE向下遷移至細砂透鏡體表面橫向堆積,通過STOMP模擬再現(xiàn)了TCE運移行為,兩者結(jié)果基本一致.

本文基于華北地區(qū)某典型層狀低滲地層介質(zhì),借助TMVOC軟件建立VOCs運移模型,探討層狀低滲介質(zhì)中不同組分VOCs運移和分布特點,在此基礎(chǔ)上設(shè)置氣相抽提、氣液混合抽提不同方式的抽提井,并探討了不同介質(zhì)滲透率對MPE技術(shù)VOCs去除效率的影響,為制定有效修復(fù)策略提供參考.

1 研究方法

1.1 TMVOC模型

式中:m為流動單元體的體積, m3;m為表面積, m2;為組分在單位土壤介質(zhì)中質(zhì)量,kg;為進入到流體單元體的組分的總通量,kg/(m2×s);為組分在單元體的源匯相, kg/(m3×s);為流動區(qū)單元體表面的外向單位矢量,m.

各組分流量通量包含各相態(tài)的總和,且任一相態(tài)在重力與毛細壓力的共同作用下均遵循多相流的達西定律:

液相或NAPL相的化學(xué)勢為:

TMVOC模型中,氣相VOCs與液相VOCs含量相關(guān),兩者含量關(guān)系可以用亨利定律表示:

針對多相流體系中的相對滲透率()-飽和度()-毛細壓力()關(guān)系的確定,前人已研究多種數(shù)學(xué)模型用于獲取三相流系統(tǒng)中三相的--,本文三相流系統(tǒng)中的相對滲透率方程采用修正后的Stone’s方法[20]:

由Parker模型[21],三相系統(tǒng)的毛細壓力函數(shù)為:

1.2 多相抽提效率評價方法

采用VOCs總質(zhì)量去除率作為MPE技術(shù)有機物去除效率評價指標,定義為[22]:

2 場地條件和模型概化

2.1 場地條件概況

某石化污染場地位于華北地區(qū),地面標高約3.5m,地勢平坦,屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫為11.8℃,7月氣溫最高,1月氣溫最低.年平均降水量為598.5mm.場地勘察資料顯示,場地0～4.5m深度范圍為人工填土及河漫灘沉積物,以粉土、粉質(zhì)黏土為主;埋深4.5～10.0m為濱海相沉積,以粉質(zhì)黏土、粉土為主,滲透系數(shù)約為5.0′10-7cm/s;埋深10～15m仍為濱海相沉積物,巖性以粉砂為主,滲透系數(shù)約為10-6cm/s,場地地層淺層地層剖面如圖1所示.

場地埋深0～15m范圍為潛水含水層,下部為隔水性較好的厚層黏土層,阻隔了潛水與下部承壓水的水力聯(lián)系.抽水試驗結(jié)果表明場地潛水含水層等效滲透系數(shù)約為6.9×10-7～8.2×10-6cm/s.地下水主要補給來源為大氣降水,來自上游的側(cè)向徑流補給量很少.主要排泄形式為蒸發(fā)排泄,與下部承壓含水層水量交換非常小.自然狀態(tài)下,區(qū)內(nèi)地下水流向為由西北向東南,且淺層地下水為咸水無法飲用及農(nóng)業(yè)灌溉,地下水處于天然的補給和排泄動態(tài),水位基本穩(wěn)定.

圖1 污染場地地層剖面示意

場地環(huán)境污染調(diào)查結(jié)果顯示,場地內(nèi)總有機碳(TOC)濃度高達3490mg/L,場地周邊某監(jiān)測井中地下水TOC濃度最高為11.13mg/L,同時,附近土壤中有機質(zhì)平均含量為255.75g/kg,遠高于背景值80g/kg,說明土壤對地下水中有機質(zhì)有明顯的吸附作用,導(dǎo)致地下水中有機質(zhì)濃度下降.同時,污染場地鹽漬土中微生物總量較少,場地內(nèi)自然衰減作用對有機物濃度影響不大.

2.2 模型概化

2.2.1 水文地質(zhì)概念模型 基于上述場地概況,設(shè)計VOCs泄露及MPE技術(shù)實施假想算例.研究區(qū)地下水流處于天然穩(wěn)定狀態(tài),選擇典型二維剖面進行模擬分析,模擬區(qū)長、寬和高分別為100m(軸)、2.5m(軸)和15m(軸),網(wǎng)格剖分如圖2所示.軸方向上均分為100層,每層厚1m,其側(cè)邊界設(shè)定為定壓邊界,壓力值由地下水位計算得到;方向上以地表為零點,向下延伸15m深度,均分為60層,每層厚0.25m,上部為大氣邊界,模擬期邊界層氣相飽和度不變;模型底部為不透水的黏土層,即零通量邊界.

根據(jù)污染場地實際地層剖面,地下介質(zhì)在垂向上可分為3個模擬層(層1、層2和層3),每層厚5m,同一層介質(zhì)具有均質(zhì)各向同性.研究區(qū)內(nèi)地下水補給來源主要為上部均勻大氣降水入滲補給,單位網(wǎng)格的降水入滲速率由下式得出:

式中:q為單位網(wǎng)格的降水入滲的質(zhì)量速率,kg/s;為降水入滲系數(shù),取經(jīng)驗值;P為年平均降水量,取;A為與大氣接觸的單位網(wǎng)格的面積, ;為水的密度,取 m3.計算得到每個網(wǎng)格降水入滲的質(zhì)量速率為.

2.2.2 模型初始條件設(shè)置 根據(jù)實際場地抽水試驗結(jié)果,中間層的滲透性能略低于上下兩層,設(shè)定模型中滲透率數(shù)值及其他含水層水文地質(zhì)參數(shù)見表1.模擬時環(huán)境溫度恒定為20℃.含水層左側(cè)邊界定水頭高度為-3.75m,右側(cè)邊界定水頭高度為-4.00m,潛水面平均水力坡度為2.5‰.在上述降水入滲及邊界條件下,研究區(qū)內(nèi)壓力達到穩(wěn)定狀態(tài)的分布作為初始壓力場,此時含水層內(nèi)靜水壓力分布如圖3所示.

表1 含水層參數(shù)

圖3 含水層初始流場中靜水壓力

2.2.3 特征污染物參數(shù) 模型選擇苯(BEN)、三氯乙烯(TCE)作為特征污染物,其相關(guān)物理和化學(xué)性質(zhì)采用經(jīng)驗值(表2).有機組分以恒定速率持續(xù)泄露,泄漏點位置距地表0.875m,距左邊界50.0m.在未注入污染組分前,介質(zhì)中不含任何有機污染物.

表2 特征污染物物理化學(xué)性質(zhì)

表3 模擬情景設(shè)置及目的

表4 不同滲透率介質(zhì)參數(shù)

2.2.4 模擬情景 設(shè)置不同的污染物泄露和MPE實施的模擬情景,如表3所示.分別模擬不同組分VOCs以相同速率在包氣帶淺部點源泄露情況.一段時間后,輸出介質(zhì)中各相VOCs含量變化,分析VOCs運移、分布規(guī)律;撤去污染源,以混合組分VOCs含量為初始條件,設(shè)置多相抽提井,即情景D、E、F,模擬不同深度的抽提情景下VOCs含量變化,并計算有機物去除效率.兩抽提井分別距左邊界49.5, 50.5m,井底負壓均為35kPa,井深及濾水管開啟長度如圖4a～c所示.為探究抽提作用結(jié)束后,介質(zhì)中殘留相VOCs的重分布特征,當抽提井抽水、抽氣停止后,模擬抽提結(jié)束后介質(zhì)中VOCs含量變化.

a～c分別代表S1介質(zhì)下情景D、E、F, d、e分別代表介質(zhì)S2、介質(zhì)S3

2.2.5 不同滲透率參數(shù)對抽提效果的影響 為探究不同滲透率參數(shù)對VOCs泄露情況及MPE技術(shù)抽提效率的影響,設(shè)置不同滲透率參數(shù)下的層狀介質(zhì)S2、S3,如表4所示:中間層(模擬層2)滲透率略低于上下兩層,介質(zhì)類型由粉砂過渡為輕亞黏土.介質(zhì)S1～S3,介質(zhì)整體滲透率不斷下降.污染物為BEN和TCE 1:1混合VOCs,泄露速率為320kg/a,泄露點位置同介質(zhì)S1,模擬混合組分VOCs在相應(yīng)滲透率介質(zhì)中的運移、分布情況.設(shè)置抽提井,抽提井深度及濾管開啟深度如圖4d、e所示,兩抽提井分別距左邊界49.5, 50.5m,井底負壓均為35kPa.模擬相應(yīng)地層介質(zhì)條件下的多相抽提過程,比較不同滲透率參數(shù)下VOCs去除效率,以獲得層狀低滲介質(zhì)中多相抽提效率的普遍規(guī)律.

3 結(jié)果與討論

3.1 VOCs泄露特征分析

3.1.1 不同組分VOCs分布特征 情景A、B和C中,不同組分VOCs持續(xù)泄露20a后,介質(zhì)中VOCs在液相中總質(zhì)量分數(shù)分布如圖5所示.由圖5a可知,BEN在包氣帶中對稱分布,到達潛水面附近后受到毛細力和地下水浮力共同作用[23],垂向運移受阻,在潛水面附近形成具有一定厚度的“浮油層”[24], BEN主要發(fā)生沿潛水面向下游的橫向運移,VOCs最大質(zhì)量分數(shù)位于潛水面.由圖5b可知,TCE泄露、運移時,重力作用影響顯著,垂向運移占主導(dǎo)地位[25], 20a后最大垂向運移深度為10.75m,未到達隔水底板,VOCs最大質(zhì)量分數(shù)位于含水層深部.由圖5c, BEN與TCE混合VOCs泄露時,沿潛水面的橫向位移,與向含水層深部的垂向運移同時發(fā)生,且VOCs沿層狀介質(zhì)交界面橫向運移增大,此時VOCs總質(zhì)量分數(shù)最大值位于含水層深部.

VOCs泄露后,一部分向下游運移到研究區(qū)外,一部分以氣相形式逸散進入大氣,還有一部分VOCs由于吸附作用轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔郪OCs,成為潛在的二次污染源.持續(xù)泄露20a后,土壤及地下含水層中VOCs總含量為4555.05kg,其中,氣相、液相、NAPL相VOCs的質(zhì)量分別為9.45, 110.84, 4434.77kg,此外,還存在50.04kg的固相VOCs.

圖5 介質(zhì)中VOCs總質(zhì)量分數(shù)分布

a～c分別表示情景A, B, C

3.1.2 各相VOCs分布特征 為了解地下介質(zhì)中VOCs分別在氣相、液相和NAPL相中的分布情況,做出多組分VOCs在各相中摩爾分數(shù)及NAPL相飽和度分布(圖6).VOCs揮發(fā)產(chǎn)生的氣相VOCs主要聚集在包氣帶和潛水面附近;由于VOCs溶解作用形成的液相VOCs在含水層中含量較大;NAPL相VOCs的摩爾分數(shù)占總VOCs的90%以上,是介質(zhì)中VOCs主要存在形式,且NAPL相飽和度的最大值位于VOCs泄漏點正下方含水層中,因此,VOCs泄露20a后,VOCs在介質(zhì)中主要以NAPL相形式聚集于泄漏點下方飽水帶中.

圖6 情景C模擬的不同相態(tài)VOCs在介質(zhì)中分布情況

a～c分別表示氣相、液相、NAPL相VOCs物質(zhì)的量分數(shù);d表示NAPL相飽和度

3.2 MPE技術(shù)修復(fù)效果

3.2.1 介質(zhì)中污染暈形態(tài)變化 地下介質(zhì)中氣相、液相、NAPL相VOCs在土壤負壓梯度作用下,沿抽提管道同時被抽出地表,情景D中單井抽氣流量為1.31m3/h,單井抽液流量為0.018m3/h,其污染暈隨抽提時間變化見圖7a、b:抽提100d以后,包氣帶中VOCs污染暈完全消失,抽提1a后,含水層中污染暈基本不變.情景E中單井抽氣流量為2.97m3/h,單井抽液流量為0.020m3/h,其污染暈變化見圖7c、d,與情景D中變化基本相似,抽提結(jié)束后泄露點下方仍殘留大量VOCs.隨著抽提深度增加,情景F中單井抽氣流量增加為3.69m3/h,單井抽液流量增加為0.074m3/h,其污染暈變化見圖7e、f:抽提100d時,包氣帶中污染暈完全消失,潛水面處“浮油層”也基本被抽提出;抽提1a后,含水層深部VOCs也被抽出,污染暈面積大大減小,介質(zhì)中殘留少量VOCs.

3.2.2 VOCs含量變化 由圖8a可知,情景D、E抽提100a時,氣相VOCs含量迅速下降到較低水平,與圖7中包氣帶中氣相污染暈消失相對應(yīng),情景F中氣相VOCs含量在40d時下降速率明顯減慢,這主要是由于抽提作用導(dǎo)致潛水面下降,原來的飽和帶轉(zhuǎn)為非飽和帶,VOCs揮發(fā)作用增強,一部分VOCs揮發(fā)成氣相VOCs.由圖8b,隨著抽提深度增加,液相VOCs去除速率越快,去除效率越高.圖8c反應(yīng)了不同抽提深度下,介質(zhì)中NAPL相VOCs含量的差異,情景D、E中,100d以后NAPL相VOCs含量下降速率緩慢,保持在較高水平,由圖6中各相VOCs分布特征可知,NAPL相VOCs占比最大,且主要分布在泄露點下部含水層中,故情景D、E中淺部抽提井對NAPL相VOCs去除效果較差;情景F中NAPL相含量持續(xù)降低,抽提井將潛水面附近大量NAPL相VOCs和含水層深部DNAPL同時抽出,這段時間內(nèi)NAPL相去除率高達90.4%,大大提高了VOCs去除效率.由圖8d,情景D至情景F,即隨著抽提深度的增加,介質(zhì)中固相VOCs含量持續(xù)減少,且固相VOCs與液相VOCs含量變化具有較好的相關(guān)性:抽提作用使介質(zhì)中溶解的液相VOCs大大減少,原來的吸附平衡被破壞,地下介質(zhì)中原有吸附相VOCs從固體介質(zhì)中解吸并被抽提出,使得吸附相VOCs含量降低.

綜上所述,抽提作用有效減少了介質(zhì)中各相VOCs的含量,計算得到抽提1a(365d)情景D、E、F中VOCs總質(zhì)量去除率分別為29.13%、45.72%、89.80%,情景F下抽提效率最高.

圖7 不同抽提深度下抽提100d、1a時總VOCs質(zhì)量分數(shù)變化

ab、cd、ef分別為情景D、E、F下經(jīng)抽提100d和1a的結(jié)果

3.2.3 抽提結(jié)束后VOCs重分布 結(jié)束抽提100a后,介質(zhì)中各相VOCs含量變化見圖9.氣相VOCs含量由15.3mol迅速降為0,液相VOCs持續(xù)增加了846.8mol,NAPL相VOCs減少了1921.7mol,故總自由相VOCs含量減少了1090.1mol,未出現(xiàn)“反彈”現(xiàn)象.抽提作用使介質(zhì)中液相VOCs的含量減少,抽提作用結(jié)束后,殘余的NAPL相重新溶解于地下水中,液相VOCs含量持續(xù)增加,同時促進了吸附作用正向進行,固相VOCs含量隨之增加.固相VOCs由61.2mol增加到了261.2mol,這部分VOCs由于吸附在固體巖土介質(zhì)表面,很難通過單純的抽提技術(shù)有效去除,因此,在層狀低滲介質(zhì)進行有機物修復(fù)治理時,可投入一定量的表面活性劑以增加低滲介質(zhì)的滲透性,提高吸附相VOCs去除效率[26].

3.3 介質(zhì)滲透率對MPE技術(shù)去除效率的影響

如圖10所示,隨著介質(zhì)滲透率的降低,VOCs污染暈范圍顯著減小,垂向最大運移深度分別為10.75, 9.75, 8.25m.三相中百分含量最大的NAPL相VOCs大量聚集在滲透率最低的第2層介質(zhì)中,且介質(zhì)滲透率越低,流體流動能力越弱,向氣相、液相VOCs傳質(zhì)速率減慢[27],NAPL相VOCs所占百分數(shù)越大.

抽提1a后,計算得到介質(zhì)情景S1、S2、S3中抽提井單井抽氣流量分別為3.69, 1.46, 1.74m3/h,單井抽液流量分別為0.074, 0.014, 0.012m3/h,介質(zhì)滲透率降低,污染物越難抽出.抽提結(jié)束后介質(zhì)中各相VOCs去除百分數(shù)見表5.介質(zhì)S1、S2、S3中VOCs總質(zhì)量去除率分別為89.8%、87.7%、78.0%,介質(zhì)滲透率越低,總質(zhì)量去除效率也降低.介質(zhì)S3中氣相VOCs去除率最高,但由于氣相VOCs總量較少,不到VOCs總含量的1%,對VOCs總質(zhì)量去除率貢獻不大.介質(zhì)情景S1、S2中液相VOCs去除率相差不大,介質(zhì)情景S3中液相VOCs去除率較低.當介質(zhì)滲透率較低時,含量最多的NAPL相VOCs去除率越低,導(dǎo)致介質(zhì)情景S3中VOCs總質(zhì)量去除率降低.因此,可考慮在低滲透層采用增滲技術(shù)與MPE技術(shù)聯(lián)合治理,提高介質(zhì)滲透率,增強流體流動性,使NAPL相VOCs更容易被抽出.對介質(zhì)情景S2和S3,第2層為黏土層表面吸附了大量固相VOCs,且這部分VOCs難以通過簡單的抽提技術(shù)有效去除,可通過一定的表面活性劑增溶作用[28],去除黏土層中大量固相VOCs.

圖10 不同介質(zhì)中總VOCs質(zhì)量分數(shù)變化

a～c分別代表介質(zhì)情景S1、S2和S3

表5 不同介質(zhì)參數(shù)情景下介質(zhì)中各相VOCs去除率

4 結(jié)論

4.1 根據(jù)VOCs泄露模型模擬結(jié)果,苯泄露案例中苯在潛水面形成一定厚度的“浮油層”,其最大總質(zhì)量分數(shù)位于潛水面;TCE泄露案例中TCE達到潛水面后繼續(xù)向下部運移,其最大質(zhì)量分數(shù)位于潛水面以下的含水層;苯和TCE 以1:1混合泄露案例中的VOCs污染暈形態(tài)類似于TCE組分運移的污染暈,最大質(zhì)量分數(shù)位于深部含水層,其原因是混合組分VOCs的密度比水的密度大,且NAPL相VOCs占VOCs物質(zhì)的量分數(shù)的90%以上.

4.2 不同MPE技術(shù)抽提模型比較發(fā)現(xiàn):隨著抽提井抽提深度增加,多相抽提的效率將提高,3種抽提情景對應(yīng)的去除率在29.1%～89.8%.包氣帶中氣相VOCs最先被抽提出,泄漏點下方含水層中存在的大量NAPL相VOCs直接以NAPL相被抽提出;隨著液相VOCs含量減少,介質(zhì)中VOCs原有的固液平衡被打破,促使固相VOCs解吸并被抽提井抽出.抽提結(jié)束以后較長時間,介質(zhì)中殘余的VOCs總量減少,但液相、吸附相VOCs含量持續(xù)增加,成為地下水潛在的二次污染源.

4.3 3種層狀介質(zhì)下不同滲透率情景抽提效率分別為78.0%～89.8%,介質(zhì)滲透率減小時,VOCs垂向及橫向運移范圍均減小,且抽提效率也降低;NAPL相含量均占VOCs總量的90%以上,且介質(zhì)滲透率越低,NAPL相含量越高;NAPL相VOCs主要富集在中部較低滲透層,并且這部分VOCs難以被完全清除,從而降低了VOCs去除效率.

[1] 谷慶寶,張 倩,盧 軍,等.我國土壤污染防治的重點與難點 [J]. 環(huán)境保護, 2018,46(1):14-18.

Gu Q B, Zhang Q, Lu J, et al. Priority areas and difficulties of soil pollution control in China [J]. Environmental Protection, 2018,46(1): 14-18.

[2] 宋易南,侯德義,趙勇勝,等.京津冀化工場地地下水污染修復(fù)治理對策研究[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2020,33(6):1345-1356.

Song Y N, Hou D Y, Zhao Y S, et al. Remediation strategies for contaminated groundwater at chemical industrial sites in the Beijing- Tianjin-Hebei Region [J]. Research of Environmental Sciences, 2020, 33(6):1345-1356.

[3] 胡黎明,邢巍巍,吳照群.多孔介質(zhì)中非水相流體運移的數(shù)值模擬[J]. 巖土力學(xué), 2007,28(5):951-955.

Hu L M, Xing W W, Wu Z Q. Numerical simulation of non-aqueous phase liquids migration in porous media [J]. Rock and Soil Mechanics, 2007,28(5):951-955.

[4] 周友亞,賀曉珍,李發(fā)生,等.氣相抽提去除紅壤中揮發(fā)性有機污染物的去污機理探討 [J]. 環(huán)境化學(xué), 2010,29(1):39-43.

Zhou Y Y, He X Z, Li F S, et al. Decontamination mechanism of the volatile organic compound removal from red earth by soil vapor extraction [J]. Environmental Chemistry, 2010,29(1):39-43.

[5] 楊樂巍,沈鐵孟,肖 鋒,等.含有非水相液體(苯)的土壤氣相抽提體系傳質(zhì)實驗研究[J]. 土壤學(xué)報, 2008,45(6):1046-1050.

Yang L W, Shen T M, Xiao F, et al. Mass transfer in NAPL (Benzene)- containing SVE system [J]. Acta Pedologica Sinica, 2008,45(6):1046- 1050.

[6] 王 磊,龍 濤,張 峰.用于土壤及地下水修復(fù)的多相抽提技術(shù)研究進展[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報, 2014,30(2):137-145.

Wang L, Long T, Zhang F. Advancement in development of multi- phase Extraction (MPE) technology for remediation of soil and groundwater [J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2014, 30(2):137-145.

[7] 王 穎,汪 洋,唐 軍,等.基于TMVOC的水位波動帶土壤氣相抽提模擬[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2020,40(1):350-356.

Wang Y, Wang Y, Tang J, et al. Numerical simulation of SVE in groundwater table fluctuation zone based on TMVOC [J]. China Environmental Science, 2020,40(1):350-356.

[8] 張 祥.有機污染場地原位多相抽提修復(fù)研究進展[J]. 應(yīng)用化工, 2020,49(1):207-211.

Zhang X. Research progress in the organic contaminated site remediation by in site multi-phase extraction technology [J]. Applied Chemical Industry, 2020,49(1):207-211.

[9] 王 靜,張 峰,劉 路.多相抽提技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望 [J]. 廣州化工, 2019,47(8):14-18.

Wang J, Zhang F, Liu L. Overview and Prospect of Multi-phase Extraction ( MPE) Technology [J]. Guangzhou Chemical Industry, 2019,47(8):14-18.

[10] 施小清,吳吉春,劉德朋,等.飽和介質(zhì)中重非水相液體運移的數(shù)值模擬及敏感性分析[J]. 南京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2011,47(3):299- 307.

Shi X Q, Wu J C, Liu D P, et al. Numerical simulation of transportation of dense non-aqueous phase liquids in the subsurface environment [J]. Journal of Nanjing University (Natural Sciences), 2011,47(3):299-307.

[11] 張云達,顧春杰,何 健,等.多相抽提技術(shù)在有機復(fù)合污染場地治理中的應(yīng)用 [J]. 上海建設(shè)科技, 2018,(1):71-74.

Zhang Y D, Gu C J, He J, et al. Application of multiphase extraction technology in the treatment of organic compound polluted sites [J]. Shanghai Construction Technology, 2018,(1):71-74.

[12] 張 峰.輕質(zhì)非水相流體污染場地的雙相抽提修復(fù) [J]. 環(huán)境科技, 2012,25(6):35-37.

Zhang F. Remediation of LNAPL contaminated site by dual phase extraction [J]. Environmental Science and Technology, 2012,25(6): 35-37.

[13] 王錦淮,顧春杰.多相抽提+原位化學(xué)氧化聯(lián)合技術(shù)在有機污染場地的工程應(yīng)用 [J]. 上?；? 2017,42(12):20-24.

Wang J H, Gu C J. Engineering application of multiphase extraction and in-situ chemical oxidation combined technology in organic contaminated sites [J]. Shanghai Chemical Industry, 2017,42(12): 20-24.

[14] Yoon H, Werth C J, Valocchi A J, et al. Impact of nonaqueous phase liquid (NAPL) source zone architecture on mass removal mechanisms in strongly layered heterogeneous porous media during soil vapor extraction [J]. Journal of Contaminant Hydrology, 2008,100(1/2): 58-71.

[15] Kaleris V. Influence of rate-limited sorption on the cleanup of layered soils by vapor extraction [J]. Journal of Contaminant Hydrology, 2002, 55:1–27.

[16] Oostrom M, Hofstee C, Walker R C, et al. Movement and remediation of trichloroethylene in a saturated heterogeneous porous medium: 1. Spill behavior and initial dissolution [J]. Journal of Contaminant Hydrology, 1999,37:159-178.

[17] 施小清,張可霓,吳吉春.TOUGH2軟件的發(fā)展及應(yīng)用 [J]. 工程勘察, 2009,37(10):29-34.

Shi X Q, Zhang K N, Wu J C. The history and application of TOUGH2 code [J]. Research of Geotechnical Investigation, 2009,37(10):29-34.

[18] Pruess K, Battistelli A. TMVOC, simulator for multiple volatileorganic chemicals [R]. Lawrence Berkeley National Lab. (LBNL),Berkeley, CA (United States), 2003.

[19] Lari K S, Davis G B, Johnston C D. Incorporating hysteresis in a multi-phase multi-component NAPL modeling framework: a multi- component LNAPL gasoline example [J]. Advances in Water Resources, 2016,96:190-201.

[20] Pruess K, Battistelli A. TMVOC, A numerical simulator forthree- phase non-isothermal flows of multicomponent hydrocarbonmixtures in variably saturated heterogeneous media [R]. Office ofScientific & Technical Information Technical Reports, 2005.

[21] Parker J C, Lenhard R J, Kuppusamy T. A parametric model for constitutive properties governing multiphase flow in porous media [J]. Water Resource Research, 1987,23(4):618-624.

[22] 楊 洋,趙傳軍,李 娟,等.低溫條件下基于TMVOC的土壤氣相抽提技術(shù)數(shù)值模擬 [J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2017,30(10):1587-1596.

Yang Y, Zhao C J, Li J, et al. Numerical simulation through SVE technique based on TMVOC under low temperature [J]. Research of Environmental Science, 2017,30(10):1587-1596.

[23] 束善治,梁宏偉,袁 勇.輕非水相液體在非均質(zhì)地層包氣帶中運移和分布特征數(shù)值分析 [J]. 水利學(xué)報, 2002,(11):31-37.

Shu S Z, Liang H W, Yuan Y. Numerical analysis of transportation and distribution of light non-aqueous phase liquids in partially saturated heterogeneous soils [J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2002,(11): 31-37.

[24] 鄭德鳳,趙勇勝,王本德.輕非水相液體在地下環(huán)境中的運移特征與模擬預(yù)測研究[J]. 水科學(xué)進展, 2002,13(3):321-325.

Zheng D F, Zhao Y S, Wang B D. Research on the moving behaviors and modeling of light nonaqueous phase liquid in subsurface [J]. Advances in Water Science, 2002,13(3):321-325.

[25] 施小清,姜蓓蕾,吳吉春,等.非均質(zhì)介質(zhì)中重非水相污染物運移受泄漏速率影響數(shù)值分析[J]. 水科學(xué)進展, 2012,23(3):376-382.

Shi X Q, Jiang B L, Wu J C, et al. Numerical analysis of the effect of leakage rate on dense non-aqueous phase liquid transport in heterogonous porous media [J]. Advances in Water Science, 2012, 23(3):376-382.

[26] Robert T, Martel R, Lefebvre R, et al. Impact of heterogeneous properties of soil and LNAPL on surfactant-enhanced capillary desaturation [J]. Journal of Contaminant Hydrology, 2017,204:57-65.

[27] Yoon H, Werth C J, Valocchi A J, et al. Impact of non-aqueous phase liquid ( NAPL ) source zone architecture on mass removal mechanisms in strongly layered heterogeneous porous media during soil vapor extraction [J]. Journal of Contaminant Hydrology, 2008, 100(1/2):58-71.

[28] 郭瓊澤,張 燁,姜蓓蕾,等.表面活性劑增強修復(fù)地下水中PCE的砂箱實驗及模擬[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2018,38(9):3398-3405.

Guo Q Z, Zhang Y, Jiang B L, et al. Experiment and numerical simulation of surfactant-enhanced aquifer remediation in PCE contaminated laboratory sandbox [J]. China Environmental Science, 2018,38(9):3398-3405.

A numerical simulation study on remediation efficiency of Multi-Phase Extraction (MPE) in petrochemical contaminated sites of low permeability.

TIAN Lei, HU Li-tang*, ZHANG Meng-lin

(College of Water Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)., 2022,42(2)：925～935

This paper utilized the software TOUGH3/TMVOC to build a conceptual model of a typical contaminated site in North China, and simulated the transport and distribution of Volatile Organic Chemicals (VOCs) in layered low-permeability strata. In addition, simulation scenarios under diffident conditions were set up to understand the effect of the permeability in the medium to efficiency of multi-phase extraction (MPE). VOCs mainly occurred in form of non-aqueous phase liquid (NAPL), and the maximum saturation of NAPL was located in the aquifer underneath the leakage position. When the maximum depth of extraction well was -8.75m, VOCs in NAPL phase could be effectively removed, which occupied the maximum mass fraction in the medium, and the total organic matter removal rate reached 89.8%. Besides, multi-phase extraction wells promoted the desorption of adsorption phase VOCs, and reduced the content of adsorbed VOCs in the medium effectively. After a period of extraction, the contents of residual VOCs in liquid and adsorption phase increased, which could become a potential secondary pollution source to groundwater. With the decreasing of the permeability in layered medium, the efficiency of MPE was reduced, and the residual VOCs in NAPL phase were difficult to extract in low permeability layer, which resulted in the decreasing of total organic removal rates.

volatile organic chemicals；multi-phase extraction；TMVOC；numerical simulation；low permeability media

X53

A

1000-6923(2022)02-0925-11

田 蕾(1998-),女,湖北襄陽人,北京師范大學(xué)碩士研究生,主要從事地下水數(shù)值模擬方面的研究.

2021-06-28

國家自然科學(xué)基金資助項目(41831283,41877173);水體污染控制與治理科技重大專項(018NX07109-003)

* 責(zé)任作者, 教授, litanghu@bnu.edu.cn