收藏澳门尼斯人娱乐网站 |   设为澳门尼斯人娱乐网站 |   联系大家

欢迎来到澳门尼斯人娱乐网站官方网站!

澳门尼斯人娱乐网站

保护环境,造福人类

多年专注澳门尼斯人娱乐网站销售一站式服务

咨询热线0371-86553310

热门关键词:
澳门尼斯人娱乐网站 > 资讯中心 > 技术支撑

人工注气和生物产气条件下DNAPL在孔隙介质中运移研究(2)

返回列表发布人:tianrenhn   发布时间:2018-10-11  10:28:19

 图 4

  图 4饱水状态AOR(按表 2顺序)光强变化量统计直方图

  为了进一步研究系统误差并验证透射光系统监测技术的有效性,河南污水站运营,选取一个特定区域,选取标准为:TCE注入完成时该区域发生了明显的光强变化,称之为影响区域(area of impact,AOI),位置见图 3,光强变化量统计参数见表 2.据表 2知,饱水状态同一试验中AOR和AOI的统计参数也表现出了差异(如试验1-饱水条件下:AOR的均值为:-1059.3;AOI的均值为:-1547.3),这说明系统误差与空间位置相关.对于注入状态,3组试验中AOI光强变化量均值均远远大于AOR(以试验2-人工注气为例:AOI的均值为5192.3;AOR的均值为:117.8),同时AOI的95%置信下限亦远大于AOR区域的95%置信上限(以试验2-人工注气为例:AOI的95%置信下限为5183.7;AOR的置信上限为:121.3),说明透射光监测系统虽然具有一定的误差,但仍可有效地监测多相流系统中流体的运移.

  为区分光强变化量是由系统误差造成还是由TCE注入引起,此处引入一个阈值(Threshold Value,ThV):系统误差引起光强变化的95%置信上限.在TCE注入过程中,当光强变化量高于ThV时则认为是由TCE注入引起的,是有效的光强变化量.反之,当光强变化量低于或等于ThV时则认为是由于系统误差造成的,是无效的光强变化量.

  4.2 气体分布及饱和度计算

  3个砂箱中TCE注入前的光强分布如图 5所示.其中图 5a是砂箱(C1)饱水时的光强分布情况,显示受填砂方式等人为因素的影响介质表现出一定的非均质性和成层性,实验中难以保证绝对均质.图 5b显示了TCE注入砂箱(C2)前单点人工注气产生的气体分布情形.在人工注气的过程中,气体以垂直向上运动为主,最终在砂箱顶部形成约8~10 cm的人工气体连续分布,图 5b中实线勾勒了人工注气形成气体分布的外部轮廓.单点的注气方式,使得连续气体分布下方形成一个类似'倒三角'的迁移路径,可见气体迁移的'指状'通道.图 5c是菌群KB-1接种到砂箱(C3)约3个月以后,形成的最终气体分布情况.气体随机不连续地分布于整个砂箱(C3)中,未能形成大范围的连续气体分布,在砂箱顶部形成了局部小范围的连续气体分布区域."指状"通道现象与人工注气(图 5b)相比更加明显,图中红点代表了被水包裹的封闭性气泡.从图 5c中亦可以看出八根长短不一的取样针位置,这些取样针用于实验过程中采集水样进行测试分析.

  图 5

  图 5光强分布图

  Niemet和Selker(2001)基于光透法原理建立了关于如何利用光强值求解流体饱和度的5个水/气模型,根据本实验条件,选择水/气模型(模型C具体表达式见文献(Niemet and Selker, 2001)中的方程(11),此处不详细先容.章艳红等(2014)为了简化模型,河南污水站运营,引入了新的参数C1(C1=Ires/Iw,其中Ires是指当砂箱只有残余水时穿过的光强值,Iw是指砂箱完全饱水时穿过的光强值),利用公式Sg=ln(I/Iw)/ln(C1)计算气体饱和度,根据实验具体得到参数取值为0.10,计算得到气体饱和度分布如图 6所示.

  图 6

  图 6砂箱气体饱和度分布图

  4.3 DNAPL入渗和再分布

  将TCE的运移分为入渗和再分布两个阶段,其中TCE注入阶段为入渗期,TCE停止注入后砂箱进入再分布期.3组试验中由TCE入渗和再分布引起光强值的变化如图 7所示.相关研究表明:如果DNAPL的量足够多,可以克服毛管压力和驱逐孔隙中的水,DNAPL在重力作用下将继续往下迁移直到到达弱透水层(Fetter,2011).在饱水条件下,TCE主要是在自身重力的影响下以垂向渗流为主,垂向渗流的同时存在一定的水平渗流(图 7 d中污染羽对称轴-红色实线是一条曲线),局部存在明显的水平渗流(图 7d中x方向约15 cm,depth方向约5 cm处).这可能与前面提到的介质局部非均质性有关,砂箱内出现局部相对较松散或密实的情形.5~15 min内,TCE污染羽前缘以蠕动泵5 mL·min-1的注入速度下10 min内在饱水砂箱(C1)中向下迁移的距离是20.47 cm,平均垂向下迁速度是2.05 cm·min-1.

  图 7

  图 7不同饱水条件下TCE入渗和重分布过程中光强变化量分布

  与饱水条件下TCE迁移相比,人工注气试验中NAPL/水/气三相系统中TCE的迁移仍是受自身重力影响以垂直向下运动为主,然而气体的存在使得TCE的迁移更为复杂,污染羽整体形状更加不规则,尤其是水/气界面和气体迁移通道处.实验结果表明,在depth约5 cm,x方向10~20 cm处存在明显的水平运动.在注入点附近,污染羽形状呈"宽口"型,相对于饱水条件横向扩散更加活跃,这可能与TCE的挥发有关,大范围的连续分布气体使得TCE能够以气态形式的存在.从图 7b可以看出,TCE在饱水区域(左侧)向下迁移的距离明显大于非饱水区域(右侧),河南污水站运营,在本试验中DNAPL在饱和区向下迁移速度更快,说明下迁过程优先驱替孔隙中的水.但是图 7b中非饱和区域(右侧)的横向迁移比饱水区域(左侧)更加明显,说明TCE在进行横向迁移时时更倾向于驱替孔隙中的空气.DNAPL在横向迁移时,当有足够大的可利用的压力使自由相的NAPL通过毛孔时,NAPL便会取代曾经占据的空气或水.所需压力的大小取决于作用在毛孔两边不同流体的毛细作用力的大小.毛细力作用在这两个流体单元的方式在某种程度上可以说明为可湿润性的作用:即能进入毛孔的归类为可湿润流体.在空气/NAPL/水的系统中,可湿润性流体的湿润性为:水 > NAPL > 空气.因此,NAPL在进行横向迁移时优先驱替孔隙中的空气,占据空气的孔隙空间.人工注气条件下,在5 mL·min-1的注入速度下TCE污染羽前缘9 min内在砂箱(C2)中向下迁移的距离是15.57 cm,得到平均垂向下迁速度是1.72 cm·min-1.然而,在饱水条件TCE平均垂向下迁速度是2.05 cm·min-1,这说明气体的存在对TCE的垂向向下迁移具有阻碍作用,与图 7b中TCE在气体内更易进行横向迁移现象吻合.在TCE重分布的过程中连续气体分布的界面处存在较明显的光强变化(图 7h和7k),造成这一变化可能有以下原因:①TCE进入重分布时期由于连续气体分布的存在使得TCE易以挥发态的形式存在,从而引起水/气界面的下移;②TCE入渗过程中气体被TCE驱替出来后由于出水口的设计不易排出砂箱而且TCE的注入阻碍了气体的向上迁移,静置过程中气体通过原有的迁移通道开始向上迁移并在顶部累积造成水/气界面下移;③试验中通过注射泵或蠕动泵的外部压力将TCE注入砂箱内而且注入点位于气体分布内,TCE入渗过程中由于增加的外力影响使得气体压力变大,从而引起气体体积压缩;在重分布过程中这个外力的影响消失,气体压力变小,从而体积变大,造成水/气界面下移.

  在生物产气的条件下,污染羽形状整体呈"狭长"型,TCE的入渗过程还是受重力影响下的垂向下迁为主,迁移过程中横向扩散却弱于人工注气和饱水的情况下,可能与大范围的不连续气体分布和TCE注入速度有关(图 7c,7f).因为本实验中的生物产气在砂箱顶部未能形成大范围的连续气体分布,所以在注入点附近未发现人工注气中出现的"宽口"型的污染羽形态,TCE在注入点附近的横向迁移弱于人工注气条件.对比图 6b和7f,TCE注入结束后,污染池底部(Depth方向约0~5 cm处)光强值变化比较明显的区域位于x方向约10~30 cm和40~50 cm处,然而生物产气气体饱和度分布图(图 6b)中这些区域的气体饱和度却相对较低.相反地,图 7f中污染池底部(Depth方向约0~5 cm处)光强值变化较弱的区域(x方向约0~10 cm和30~40 cm处)生物产气气体饱和度却相对较高.根据光透法原理可知,水/气两相系统中气体饱和度和由气体引起的光强变化量(ΔI1)存在正相关的关系(如图 5c和6b).在污染池底部区域,由生物产气引起的光强变化量(ΔI1)越大,气体饱和度越大,但是由TCE注入引起的光强变化量(ΔI2)却越小.因此说明TCE在水平渗流时,由TCE注入引起的光强变化量(ΔI2)和由生物产气引起的光强变化量(ΔI1)存在负相关的关系.这是因为非饱和带中TCE残余饱和度更低从而引起的光强变化量较小,而且出水口的设计更利于砂箱系统排水导致气体可能会滞留在TCE污染羽内部.在TCE重分布过程中污染羽形态整体没有明显变化,但上部TCE受重力影响继续向下迁移,上部光强值有所降低,未发现人工注气条件下的水/气界面处明显光强变化的现象,可见砂箱内若干离散光强变化点.这可能与重分布期内TCE的局部迁移引起气体的重新分布有关.

  为进一步研究入渗和重分布期间光强随时间的变化,选择了6个研究单元,每个研究单元大小为10×10个栅格(空间大小约为:0.5 cm×0.5 cm),研究单元中心点具体坐标位置见表 3.其中:Up代表污染羽中心上部研究单元,Mi代表污染羽中心中部研究单元,Bo代表污染羽中心下部研究单元,In则是为了研究水/气界面处光强变化而设定的研究单元,为了研究TCE底部污染羽而设定了分别代表污染羽左下,右下研究单元Bl和Br.同时,河南污水站运营,为了便于对比分析不同空间位置的光强变化,引入光强比例(Light ratio)这一统计参数,定义为目标物质引起的光强变化量(ΔI2)与对应饱水条件下光强值(I1)的比值.3组试验中6个研究单元光强比例随时间变化的关系见图 8.水/气界面研究单元(In)光强比例历时曲线在饱水和生物产气条件下近似为一条光强比例为0的直线,只有在人工注气条件下该历时曲线在TCE注入过程(入渗时期)中出现了较小程度的抬升,在静置(TCE重分布)时期光强比例发生了较大的抬升,这一现象与图 7h,7k现象一致,说明入渗过程中主要是以TCE的垂向下迁为主,下迁过程中优先驱替孔隙中的水,同时非饱和区域也发生少量横向迁移从而驱替气体;然而人工注气条件下重分布期气体的重分布现象十分明显不可忽略.污染羽左下,右下的研究单元(Bl和Br)光强比例历时曲线结果表明:在饱水条件和人工注气条件下,TCE在底部堆积成污染池时左右横向迁移没明显的选择性(突破时间:tBl≈tBr),两者砂箱底部污染羽形态整体接近,左右对称性良好.然而,在生物产气条件下,TCE在底部堆积成污染池时优先向右横向迁移然后再向左边横向迁移(突破时间:tBr= 41 min,tBl=92 min).在生物产气条件下,图 6b底部右侧(x方向30~40 cm)处较之于左侧(20~30 cm)聚集较明显的气体分布,TCE污染池优先向右(气体分布明显区域)迁移,这也说明了TCE横向迁移时优先驱替气体,这一现象与人工注气条件下的图 7b一致,而且与地下水流流向无关(注入过程中图 2中孔1作为排水口,即地下水流向大致为底部向左).

  

  图 8

  图 8不同饱水条件下TCE入渗和再分布过程中光强比例变化历时曲线

  TCE注入完成后进入重新分布期,NAPL补给不足时,河南污水站运营,作用在自由DNAPL上的压力就会消失,形成不定形的或者渗透到原来连续流体的NAPL,在毛细力作用下,NAPL会被截留在单独的毛孔或成组的毛孔中(菲利普·B·贝迪恩特等,2010).在试验①中,Up,Mi和Bo3个研究单元在TCE注入结束后,光强比例在重分布期先下降后稳定,表明这些研究单元重分布前期(1d)存在NAPL自由态的下迁,后期则是被截留在单独的毛孔或成组的毛孔中不易移动.Bl和Br光强比例在重分布前期上升是由于接受来自上部的自由态NAPL的补给,后期下降则是由实验误差造成的,试验中观测到底部TCE污染池有部分进入下部取样孔内.在试验②中人工注气条件下,Up,Mi和Bo(除Up外)也表现出和饱水条件下相似的变化,但是Bo下降幅度较之于Mi大,是因为Mi受到了气体的影响(Mi偏大的原因),Up主要是受气体的影响导致TCE可能以挥发态形式存在.Bl和Br在重分布期光强比例有了小幅的抬升,然后保持稳定.在试验3)中,Up,Mi和Bo光强比例在重分布期表现出下降趋势,Br重分布期基本保持稳定,Bl却表现出先升后降的变化,这是与研究单元对应的气体饱和度有关,Bl研究单元的气体饱和度较高(0.36)利于挥发,而Br则处于气体低饱和度区域(0.18).

  图 9给出了3组试验中光强比例在不同时刻的饱和度分布,在注入体积45 mL时,饱水条件下为单峰,而在人工注气和生物产气条件则表现为双峰,存在一个光强比例接近零值的高峰,可能是挥发态的TCE引起的较小光强变化.在注入完成和静置时,零值峰同时出现在3组试验中,而且在人工注气和生物产气条件下的相对比例高于饱水条件.这是因为:除上面所述的挥发态TCE引起的较小光强变化外,随着TCE污染羽和水接触的表面积增大,此时以溶解态形式存在于砂箱中的TCE不容忽略,这一部分引起的光强变化表现出来.与注入体积(45 mL)相比,3组试验中注入完成时光强比例峰值更大,这是由于TCE的不断注入TCE并在砂箱内不断累积引起的光强变化.除近零值峰外,光强比例直方图随时间表现均为由单峰到双峰的变化规律.相对于饱水条件而言,人工注气和生物产气条件下两峰的间距较大.双峰中的光强比例较小峰可能对应迁移过程中截留TCE以残余态形式存在时引起的光强变化,然而光强比例较大峰则代表底部污染池NAPL态TCE引起的光强变化.由于气体的存在导致运移路径上孔隙中TCE的截留量变小,造成下迁过程中光强比例变小;然而更多自由态TCE在底部聚积形成高饱和度的污染池,造成该区域光强比例变大,从而使两峰的间距增大.饱和带中的NAPL的剩余饱和度(LNAPL或DNAPL)比非饱和度带的要高,有以下几个原因:①NAPL与空气密度比大于NAPL与水的密度比,有利于NAPL从非饱和区排出,②在饱和区,NAPL是不可湿润流体,并被束缚在较大的孔隙中,③在有利的毛细管条件下,NAPL在包气带中有尽可能向外围展开的趋势.

  图 9

  图 9不同条件下光强比例不同时刻直方图

  5 结论(Conclusions)

  1) 基于CCD相机的透射光系统是研究多相流迁移规律的一种有效的非侵入式监测方法,应用于实时监测包含水/NAPL, 水/气,水/NAPL/气多相系统中流体渗流过程,系统误差服从不同的正态分布,参数值具有一定的随机性.

  2) 人工注气在砂箱内注入点附近形成一个类似'倒三角'的'指状'通道,最终在砂箱顶部形成了一个连续气体分布区;而生物产气在整个砂箱内形成多个随机的指状通道,同时很多气体以随机的不连续的气泡形式分布在砂箱内,最终在砂箱顶部形成连续气体分布区域.

  3) DNAPL的入渗过程受重力影响以垂向向下迁移为主,河南污水站运营,垂向渗流时更易于驱替孔隙中的水份,然而横向渗流时优先驱替孔隙中的空气,与地下水流向无关.

  4) 气体的存在阻碍了TCE的垂向下迁:本次研究中饱和条件下,5~15 min内,TCE污染羽前缘以蠕动泵5 mL·min-1的注入速度下10 min内在饱水砂箱(C1)中向下迁移的距离是20.47 cm,平均垂向下迁速度是:2.05 cm·min-1;人工注气条件下,在5 mL·min-1的注入速度下TCE污染羽前缘9 min内在砂箱(C2)中向下迁移的距离是15.57 cm,得到平均垂向下迁速度是1.72 cm·min-1.

  5) 气体的存在使得DNAPL污染羽的形状更加不规则;气体的存在也导致迁移路径上孔隙中TCE的截留量变小.(来源:环境科学学报 编辑:章艳红)


相关信息

联系大家
咨询热线:0371-86553310
  • 澳门尼斯人娱乐网站
  • 联系人:周经理
  • 电话:0371-86553310
  • 手机:18137831977
  • 邮箱:hntrhbkj@126.com
  • 企业地址:河南郑州市中原区电厂路乐丁广场1#615室

咨询热线
0371-86553310

手机扫描二维码 手机扫描二维码

联系人:周经理    电话:0371-86553310   
手机:18137831977
邮箱:hntrhbkj@126.com   
地址:河南郑州市中原区电厂路乐丁广场1#615室
版权所有: 澳门尼斯人娱乐网站    

豫公网安备 41010202002513号

XML 地图 | Sitemap 地图