现代化工

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (1) : 225-231. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.01.039

工业技术

可渗透反应墙耦合抽出-注入水力控制技术在石化污染场地地下水修复中的应用

周慧娣 ¹^,² ,
杨昱 ¹ ,
徐祥健 ¹ ,
邓圣 ¹ ,
夏甫 ¹ ,
韩旭 ¹ ,
肖瀚 ¹^,^* ,
姜永海 ¹

作者信息 +

Application of permeable reaction barrier coupled pumping-recharge hydraulic control technology upon groundwater remediation in petrochemical contaminated sites

ZHOU Hui-di ¹^,² ,
YANG Yu ¹ ,
XU Xiang-jian ¹ ,
DENG Sheng ¹ ,
XIA Fu ¹ ,
HAN Xu ¹ ,
XIAO Han ¹^,^* ,
JIANG Yong-hai ¹

Author information +

文章历史 +

Received		Published
2024-04-02		2025-01-20
Issue Date	Revised Date
2025-01-17	2024-04-02

PDF (4550K)

摘要

选择可渗透反应墙(PRB)耦合抽出-注入水力控制技术对地下水进行修复,利用GMS软件MODFLOW和MT3DMS模块建立假想场地的水流模型以及污染物的溶质运移模型,基于该技术修复效果的关键影响因素(地下水水动力条件、水文地质条件和修复材料污染物去除性能)设置不同情景,对比分析不同情景的模拟结果,通过数据分析拟合推导出污染物去除率r与抽出-注入量Q、含水层渗透系数K、污染物去除效率η之间的定量关系表达式,指导该技术在实际场地应用时的关键参数设置。以山东某石化污染场地为例进行对比实验,发现修复2 a后耦合修复技术和单一修复技术的污染物去除率分别为75.2%~80.1%和12.9%~14.7%,表明耦合修复技术在渗透性较差、水力梯度较小的污染场地修复效果明显好于单一修复技术。

Abstract

Permeable reaction barrier (PRB) coupled pumping-recharge hydraulic control technology is selected to remediate the polluted groundwater.MODFLOW and MT3DMS modules of GMS software are employed to establish the groundwater flow model and solute transport model of pollutants in a hypothetical contaminated site,while different scenarios are set according to the key influencing factors for the remediation effect of this technology,including groundwater hydrodynamic conditions,hydrogeological conditions and pollutant removal characteristics of remediation materials.Based on comparisons of various scenarios’ simulation results and data analysis,the quantitative relationship expressions among pollutant removal rate r,pumping-recharge quantity Q,aquifer hydraulic conductivity K and pollutant removal efficiency η are derived,which can be used to guide the key parameter setting of the technology when applying to actual contaminated site.Taking an actual petrochemical contaminated site in Shandong province,China as an example,simulation results indicate that after 2 years of remediation,the removal rates of pollutants by the coupling remediation technology and the single PRB remediation technology are 75.2%-80.1% and 12.9%-14.7%,respectively,demonstrating that the remediation performance of the coupling remediation technology is much better than that of single PRB remediation technology in the contaminated site with poor permeability and small hydraulic gradient.

Graphical abstract

关键词

石化污染场地 / 影响因素 / 修复效果 / PRB耦合抽出-注入水力控制技术 / 污染地下水修复

Key words

petrochemical contaminated sites / influencing factor / remediation effect / PRB coupled pumping and recharge hydraulic control technology / remediation of contaminated groundwater

Author summay

周慧娣(1998-),女,硕士生,研究方向为地下水污染模拟,huiditj@163.com。

引用本文

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周慧娣,杨昱,徐祥健,邓圣,夏甫,韩旭,肖瀚,姜永海. 可渗透反应墙耦合抽出-注入水力控制技术在石化污染场地地下水修复中的应用[J]. 现代化工, 2025, 45(1): 225-231 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.01.039

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我国石化污染场地多具有多源复合、持久、毒性大的污染特征,严重危害地下水环境和人类健康,污染地下水修复问题已引起广泛关注:华北、西北、东北以及华南等地区的石化污染场地目前最主要应用监测自然衰减技术、植物修复技术、生物可渗透反应墙技术以及淋洗-抽提技术进行修复^[1⇓⇓-4]。Chung等^[5]发现PRB技术适用于石化污染地下水的修复;Guerin等^[6]在实际监测中验证了MODFLOW、MT3D对PRB去除效果模拟结果的准确性;Saadatpour等^[7]证明PRB反应材料的反应系数对污染物去除效果的影响大于PRB宽度和PRB渗透系数。根据文献调研,我国60%以上的石化污染场地土壤类型为渗透性较低的黏土、粉质黏土和粉土^[8],但实践证明,PRB对于渗透性较差、水力梯度较小的含水层存在修复时间长、修复效果一般等瓶颈问题^[9⇓⇓-12]。PRB技术与抽出-注入水力控制技术耦合,可人为改变含水层的水动力条件,加快地下水循环,缩短修复时间,提高修复效果^[9]。该耦合修复技术修复效果的影响因素主要包括地下水水动力条件、水文地质条件和PRB污染物去除性能^[13⇓-15],然而关于这一方面的研究成果相对较少。

本研究推导了污染物去除率与关键参数之间的定量关系表达式并采用数值模拟方法模拟该技术在实际污染场地应用时的污染物去除效果,并与PRB单一修复技术污染物去除效果进行对比,明确PRB耦合抽出-注入水力控制技术与PRB单一修复技术在渗透性较差、水力梯度较小的污染场地应用的差异。研究成果可以为PRB耦合抽出-注入水力控制技术在实际污染场地的合理设计和高效运行提供重要参考。

1 PRB耦合抽出-注入水力控制技术简介

PRB耦合抽出-注入水力控制技术(以下简称“耦合修复技术”)由PRB单元、抽出-注入水力控制单元和地面水处理反应单元3部分构成,技术示意图如图1所示。

该技术通常将PRB单元布设于污染羽下游边界处,在地下水流的作用下,污染物首先经过PRB吸附降解,未被吸附降解的污染物随地下水流继续向下游迁移,被布设于PRB下游的抽水井捕获抽出后,通过管道输送至布设于污染羽上游的注水井回注淋洗包气带和含水层,残余污染物在地下水流的作用下,再次经过PRB吸附降解,以此往复循环至实现修复目标。为有效降低进入包气带和含水层的水中污染物含量,在抽出-注入水力控制单元中加入地面水处理反应单元,在回注淋洗包气带和含水层之前进一步吸附降解抽水井抽出的地下水。

2 关键因素对耦合修复技术污染物去除率的影响

影响耦合修复技术修复效果的关键因素包括含水层水文地质条件(含水层渗透系数K)、抽出-注入水动力条件(抽注井的抽注量Q)、PRB污染物去除效率η_v和地面水处理反应器污染物去除效率η_h[其中PRB和地面水处理反应器污染物去除总效率η=1-(1-η_v)×(1-η_h)]^[16],为探究关键因素对耦合修复技术污染物去除率的影响,基于GMS模拟软件的MODFLOW和MT3DMS模块,构建假想污染场地地下水流和溶质运移模型,基于K、Q、η设置189种模拟情景,根据不同情景的数值模拟结果,定量分析污染物去除率与K、Q、η之间的关系。

2.1 假想场地模型构建

2.1.1 模拟软件简介

GMS是地下水模型系统(grounder modeling systems)的简称,是美国Brigham Young University环境模型研究实验室和美国陆军排水工程实验工作站联合开发的用于地下水模拟的图形界面软件,具有良好的操作界面和优良的三维可视化效果^[17⇓-19]。本研究利用GMS软件的MODFLOW和MT3DMS模块建立地下水流模型和污染物运移模型。

2.1.2 场地概化和边界条件及水文地质参数设置

模拟区为58 m×28 m的矩形假想场地,模拟含水层为潜水含水层,厚度为20 m。地下水流假设为稳定流,模拟过程中水力梯度不变(假设为0.25%),地下水流向由西向东(西侧边界接受地表水体侧向补给,东侧边界向地表水体排泄)。模拟区东、西边界设定为定水头边界(水头值分别假设为10.000、10.145 m),南、北边界和底界设定为零流量边界,顶界设定为定流量边界,如图2所示。

PRB污染物去除效率通过网格的化学反应系数设置,地面水处理反应器去除效率通过注水井进水浓度设置。假想场地的水文地质参数设置、PRB和抽出/注入井的参数设置详见表1^[20-21]。

2.1.3 时空离散

潜水含水层水平方向剖分为58行28列的 1 m×1 m正方形网格,垂向剖分为20层,每层厚度为1 m。模拟期共计3 a,划分为36个应力期(1个月为1个应力期),时间步长为1 d。

2.1.4 污染羽范围刻画

石化污染场地特征污染物主要为非水相液体(NAPLs),包括密度比水小、位于含水层顶部的轻质非水相液体(LNAPLs)和密度比水大、位于含水层底部的重质非水相液体(DNAPLs)^[22-23],由于溶解度低,即使对污染源实施源头控制(停止泄漏),赋存于含水层顶部的LNAPLs和赋存于含水层底部的DNAPLs仍会持续缓慢释放污染物,因此含水层顶部及底部各设置一个持续性点源污染源,污染羽的范围由自然状态下(即未设置PRB和抽注井时)点源污染源持续释放10 a后污染羽的空间分布特征确定(假设污染物浓度超过4 g/L的区域为污染羽范围)如图2所示。

2.2 情景设置

基于抽注水量Q,渗透系数K,PRB去除效率η_v和地面水处理反应器去除效率η_h设置189种模拟情景,详见表2。

2.3 模拟结果分析

通过189种不同情景模拟结果的数据分析拟合(如图3所示),获取渗透系数K在1×10^-4~1 m/d范围不同修复时间内含水层污染物去除率r与含水层渗透系数K、抽注水量Q、PRB和地面水处理反应器污染物总去除效率η之间的定量关系,详见表3。发现r与ηKQ之间呈线性关系,拟合系数R²在 0.8~0.9范围内;r与η²KQ之间呈线性关系,拟合系数R²在0.8~0.9范围内。定量关系表达式的提出,可以为耦合修复技术应用于实际污染场地修复时的工艺参数选择提供重要参考。

3 耦合修复技术在实际污染场地的应用

3.1 研究区概况

3.1.1 场地基本信息

实际场地位于山东省淄博市某石化污染场地,该场地包括A₀、A₁、A₂、A₃和A₄ 5个待修复地块,其中A₀、A₁、A₃和A₄地块地面有厂区道路和异位热脱附设备,地下存在较多燃气管道和供水供电线路,耦合修复技术实施难度较大,而A₂地块地面无道路、围墙和设备,地下无燃气管道和供水供电线路,且地块内现有2眼观测井有监测数据,所以选取A₂地块作为研究区(如图4所示),A₂地块面积约为800 m²,周长约为145 m。位于山前冲积平原,地形平坦,地表完整,土层岩性均一。研究区所在区域属暖温带半湿润季风型大陆性气候,全年降雨量约为600 mm,年平均气温为12.3~13.1℃,无河流水塘等地表水体。

3.1.2 水文地质条件

根据前期钻探资料揭示的12 m深度范围内地层情况,地层自上而下划分为杂填土、粉质黏土、粉土、粉质黏土4层(如图5所示),12 m深度以下为渗透性很差的黏土层。地下水稳定水位埋深为自然地表下2.2~2.45 m,平均为2.35 m,相应标高为40.11~40.37 m,平均为40.24 m,平均水力梯度约为5‰。

3.1.3 污染特征与修复目标

根据前期场调报告,研究区内地下水中的特征污染物为苯和氯乙烯,苯的浓度为242~9 180 μg/L[如图6(a)所示],氯乙烯的浓度为1 130~3 100 μg/L[如图6(b)所示],根据场地修复实施方案的要求,修复时间为2 a,修复后苯的浓度不得超过 2 611 μg/L,氯乙烯的浓度不得超过787 μg/L。目前场地内苯的最大值超标3.516倍,氯乙烯的浓度超标3.939倍。

3.2 模型建立

3.2.1 时空离散

潜水含水层水平方向剖分为67行34列的 1 m×1 m正方形网格,垂向剖分为3层(上层为粉质黏土层,中层为粉土层,下层为粉质黏土层),各层顶底板标高根据前期场调报告中的高程离散点数据插值确定。

3.2.2 初始和边界条件

研究区侧向边界设置为通用水头边界(第Ⅲ类边界条件),顶部边界设置为开放边界,接受降水入渗补给并通过蒸发排泄,因12 m以下为渗透性很差的不透水黏土层,底部边界设置为零流量边界(第Ⅱ类边界条件)。

3.2.3 水文地质参数

根据前期场调报告,第一层(粉质黏土层)渗透系数设定为0.006 m/d,第二层(粉土层)渗透系数0.05 m/d,第三层(粉质黏土层)渗透系数0.006 m/d;各层孔隙度均设定为0.3;各层纵向弥散度、横向弥散度和垂向弥散度均设定为10、1、0.1 m。

3.2.4 源汇项

源汇项主要包括降雨入渗、蒸发以及侧向径流。侧向流入量和侧向流出量通过模型侧向通用水头边界处理;根据前期场报告,研究区年均降雨量为 600 mm,降水入渗系数设定为0.1,年均蒸发量约为1 200 mm,极限蒸发深度设定为4 m。

3.2.5 模型校准

根据前期场调报告中的等水位线图进行模型校正,微调各层渗透系数的值,每次参数调整后重新运行模型直至模拟等水位线与场调报告中的等水位线较为一致(如图7所示)。

模型校准后,地下水流场模拟结果见图8(a)。苯的溶质运移模拟结果见图8(b),模拟区北部苯含量超过筛选值(2 611 μg/L),氯乙烯的溶质运移模拟结果见图8(c),模拟区全区氯乙烯含量均超过筛选值(787 μg/L)。

3.2.6 耦合修复技术参数设置

影响耦合修复技术污染物去除率的关键参数主要包括含水层渗透系数K、抽出-注入水量Q以及技术总去除效率η。含水层渗透系数K已在地下水流和溶质运移模型中设置,而抽出-注入水量Q以及技术去除效率η可以根据表3中的定量关系表达式计算结果加以设置。研究区的修复目标是2 a内将苯和氯乙烯浓度降至筛选值以内,经计算,污染物去除率r至少需要达到75%,根据表3中的定量关系表达式r=31.676ηKQ+0.426 1和r=33.204η²KQ+0.425 1,计算得到耦合修复技术总去除效率η为0.954,抽注量Q为18.13 m³/d,在此基础上,根据η与η_v、η_h的关系,确定了7种η_v、η_h的情景,详见表4。在已构建的地下水流和溶质运移模型中加入技术参数。PRB布设于污染羽下游,抽水井布设于污染羽下游,注水井布设于污染羽上游。PRB和抽注水井的具体布设方式如图9所示。

3.3 模拟结果分析

7种情景的模拟结果详见表5,发现采用耦合修复技术修复2 a后,污染物去除率均达到75%以上,超过修复目标值75%,其中情景1的污染物去除率最高,达到80.1%。情景1修复前和修复后苯和氯乙烯的浓度变化如图7(b)、7(c)和图10所示,可以看出,苯和氯乙烯污染羽的面积大幅度减小。

为探究耦合修复技术与PRB单一修复技术污染物去除效果的差异,将模型中的抽出-注入模块和地面水处理反应器模块移除,仅保留PRB模块,模拟7种情景下污染物去除效果,详见表6。可以看出,与PRB单一修复技术相比,耦合修复技术的修复效率可以提高4.1~5.2倍。

4 结论

(1)PRB耦合抽出-注入水力控制技术修复效果的关键影响因素包括地下水水动力条件、水文地质条件和修复材料污染物去除性能,污染物去除率r与抽出-注入量Q、含水层渗透系数K、污染物去除效率η之间存在的定量关系可用于指导该耦合技术在实际污染场地应用时的关键参数设置。

(2)与PRB单一修复技术相比,PRB耦合抽出-注入水力控制技术针对渗透性差、水力梯度小的含水层可以取得较好的修复效果。实际污染场地的模拟结果显示,耦合修复技术污染物去除率比单一修复技术提高4.1~5.2倍。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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