CN113880259B - 一种石油类污染含水层强化自然衰减修复方法 - Google Patents

一种石油类污染含水层强化自然衰减修复方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113880259B
CN113880259B CN202110131867.0A CN202110131867A CN113880259B CN 113880259 B CN113880259 B CN 113880259B CN 202110131867 A CN202110131867 A CN 202110131867A CN 113880259 B CN113880259 B CN 113880259B
Authority
CN
China
Prior art keywords
concentration
zone
injection
redox
electron acceptor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110131867.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113880259A (zh
Inventor
张敏
郭彩娟
史婵
宁卓
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Hydrogeology and Environmental Geology CAGS
Original Assignee
Institute of Hydrogeology and Environmental Geology CAGS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Hydrogeology and Environmental Geology CAGS filed Critical Institute of Hydrogeology and Environmental Geology CAGS
Priority to CN202110131867.0A priority Critical patent/CN113880259B/zh
Publication of CN113880259A publication Critical patent/CN113880259A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113880259B publication Critical patent/CN113880259B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/34—Biological treatment of water, waste water, or sewage characterised by the microorganisms used
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B09—DISPOSAL OF SOLID WASTE; RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
    • B09C—RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
    • B09C1/00—Reclamation of contaminated soil
    • B09C1/002—Reclamation of contaminated soil involving in-situ ground water treatment
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N31/00—Investigating or analysing non-biological materials by the use of the chemical methods specified in the subgroup; Apparatus specially adapted for such methods
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/18—Water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2101/00—Nature of the contaminant
    • C02F2101/30—Organic compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2103/00—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated
    • C02F2103/06—Contaminated groundwater or leachate
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
    • Y02A20/20—Controlling water pollution; Waste water treatment

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Soil Sciences (AREA)
  • Purification Treatments By Anaerobic Or Anaerobic And Aerobic Bacteria Or Animals (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

本发明提供了一种石油类污染含水层强化自然衰减修复方法，包括以下步骤，步骤1，确认电子受体添加位置；划分该场地的氧化还原带，从而确定电子受体添加位置，以向不同的氧化还原带添加对应的电子受体，步骤2，计算添加电子受体总量；步骤3，选择添加电子受体方式。本发明基于定量划分场地氧化还原带的技术方法，能够准确判定在污染场地中添加电子受体总量以及添加范围，实现增强场地自然衰减能力的作用。

Description

一种石油类污染含水层强化自然衰减修复方法
技术领域
本发明涉及地下水修复技术领域，特别是涉及一种石油类污染含水层强化自然衰减修复方法。
背景技术
当前国家对环境保护力度不断加强，土壤地下水污染问题日益凸显，政府和公众对土壤和地下水中污染防治广泛关注。监控自然衰减技术作为一种基于污染风险管控的场地修复并结合污染物自然衰减特征，是土壤和地下水污染修复中较为经济和有效的方法之一。强化自然衰减技术是在监控自然衰减技术基础上，以污染物的自然衰减机理为理论基础，向需要修复的系统引入一种强化措施，增强系统自然衰减能力，达到主动修复目标的修复方法，土壤及地下水中自然衰减作用包括生物降解、对流-弥散、吸附、挥发、化学反应等作用，其中生物降解是污染物自然衰减研究的核心内容之一，能够真正实现有机污染物彻底无毒无害化转化。
微生物依次利用溶解氧、硝酸盐、硫酸盐、Fe3+、Mn4+及CO2等电子受体，发生耗氧呼吸、反硝化、铁锰还原和产甲烷反应等过程实现对有机物降解转化。随着电子受体不断消耗，场地微生物生长代谢趋势减慢，降解强度放缓，因此通过向地下水中添加电子受体的方式对实现强化地下水中自然衰减作用必要可行。当前场地添加电子受体的方法一般为污染区域表土施用或喷灌，或者在污染区域将电子受体注入地下水，并辅以增强地下水循环方式，电动力学等方法加快电子受体反应、迁移速度等方法对电子注入方式做了大量优化。但这些方法并未对电子受体的添加范围以及电子受体添加总量做出定量约束，合理性存疑，因此有必要寻找一种向污染含水层合理添加电子受体的增强自然衰减修复方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的缺乏合理添加电子受体的修复方法，而提供一种石油类污染含水层强化自然衰减修复方法。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种石油类污染含水层强化自然衰减修复方法，包括以下步骤，
步骤1，确认电子受体添加位置：
步骤1.1，根据场地调查结果，确定污染源位置，根据监测点的地下水位，绘制地下水流场，根据地下水流场在监测区域设置监测点，在每一监测点采集地下水样品，所述监测点包含污染含水层；
步骤1.2，选取电子受体和/或产物为检测目标，分析不同时期每一监测点采集到的地下水样品内检测目标的浓度含量；
步骤1.3，以所述检测目标的浓度为横坐标、累积概率百分比为纵坐标绘制所述检测目标浓度的累积概率分布曲线，根据累积概率分布曲线分段特征选取微生物降解作用各降解阶段对应的检测目标的浓度阈值范围；
步骤1.4，根据步骤1.3中得到稳定段对应的检测目标的浓度阈值范围，通过插值法绘制所述检测目标的降解过程中稳定段的分布规律图，得到每一所述检测目标对应的降解作用的稳定段区域；
步骤1.5，将每一所述检测目标对应的降解作用的稳定段区域依次叠加，划分该场地的氧化还原带，从而确定电子受体添加位置，以向不同的氧化还原带添加对应的电子受体；
步骤2，计算添加电子受体总量：
2.1添加电子受体总量＝某氧化还原带面积下地下水背景的电子受体总量与实际氧化还原带电子受体总量之差，某氧化还原带面积下地下水背景的电子受体总量＝该氧化还原带背景区电子受体浓度×氧化还原带面积×含水层厚度×孔隙率，实际氧化还原带电子受体总量＝氧化还原带实际电子受体浓度×氧化还原带面积×含水层厚度×孔隙率；
或者，2.2添加电子受体总量＝某氧化还原带面积下地下水Ⅲ类水质标准电子受体总量与实际氧化还原带电子受体总量之差，某氧化还原带面积下地下水Ⅲ类水质标准电子受体总量＝地下水Ⅲ类水质标准电子受体浓度×氧化还原带面积×含水层厚度×孔隙率，实际氧化还原带电子受体总量＝氧化还原带实际电子受体浓度×氧化还原带面积×含水层厚度×孔隙率；
步骤3，选择添加电子受体方式：
通过注入井将相应的氧化还原带添加电子受体，注入井设置在对应还原带的上游部分，监测井位置设置在注入井下游，注入井的个数为一个或多个；
步骤4，注入流量及注入浓度选择：
根据步骤2得到的添加电子受体总量，结合场地水文地质条件，用软件筛选注入井的注入流量及注入浓度，依据注入流量及注入浓度一次或分次向不同的氧化还原带添加其相应的电子受体，优选的，硫酸盐还原带添加硫酸盐，向硝酸盐还原带添加硝酸盐。
在上述技术方案中，所述石油类污染含水层强化自然衰减修复方法还包括步骤5，计算注入周期，在经过步骤1-步骤4的注入后，检测是否需要再次注入，检测的时间由注入周期确定，注入周期通过室内试验、计算机模拟或者监测井监测污染物浓度及电子受体浓度确定，若监测到含水层中污染物浓度未降低至修复目标值或电子受体浓度低于微生物降解作用稳定段阈值的低值，则需要再次添加电子受体；重复步骤1-步骤4；
优选的，选取监测井中场地地下水作为室内微宇宙实验的实验用水，以COD浓度为观察指标，开展室内微宇宙实验，计算选择污染物降解完全或电子受体平均浓度消耗殆尽的时间较短时间为注入周期。
在上述技术方案中，所述步骤1.1中，所述监测点为处于所述监测区域内的监测井，所述监测区域包括污染源区、上游区、下游区、侧翼区和/或背景区。
在上述技术方案中，所述步骤1.2中，所述电子受体为DO、NO3 -和SO4 2-，所述产物为Mn2+、Fe2+和CH4。
在上述技术方案中，所述步骤1.2中，每一监测点内，采集一个或者多个时间点的地下水样品，所述步骤1.3中，以一个或多个时间点得到的地下水样品内所述检测目标浓度的平均值作为横坐标。
在上述技术方案中，所述步骤1.3中，所述累积概率分布曲线划分降解阶段包括适应段、增长段、稳定段和衰减段，累积概率分布曲线利用分段优化线性回归方法，取相应的转折点为不同降解阶段的阈值，对于电子受体，累积概率分布曲线从上至下的转折点对应的浓度值依次是适应、增长、稳定和衰减段的阈值；对于产物，累积概率分布曲线从上至下的转折点对应的浓度值依次是衰减、稳定、增长和适应段的阈值。
在上述技术方案中，所述步骤1.4中通过插值法绘制所述检测目标的降解过程中衰减段、稳定段、增长段和适应段的分布规律图。
在上述技术方案中，所述步骤1.4中通过插值法绘制所述检测目标的降解过程中稳定段的分布规律图时，采用Surfer、Arc GIS或Map GIS软件。
在上述技术方案中，所述步骤1.5中，叠加时各检测目标对应的降解作用的稳定段区域存在重合，则以根据所述检测目标对应的氧化还原顺序，以后一种检测目标对应的降解作用为主划分氧化还原带，所述检测目标的氧化还原顺序先后为DO、NO3 －、Mn2+、Fe2+、SO4 2－、CH4。
在上述技术方案中，所述步骤1.5中，硫酸盐还原带对应硫酸盐还原作用的稳定段区域，铁还原带对应铁还原作用的稳定段区域，锰还原带对应锰还原作用的稳定段区域，硝酸盐还原带对应硝酸盐还原作用的稳定段区域，氧还原带对应氧还原作用的稳定段区域，产甲烷带对应产甲烷作用的稳定段区域。
在上述技术方案中，对比地下水背景中电子受体浓度与地下水Ⅲ类水标准中电子受体浓度，当地下水背景中电子受体浓度低时，选用2.1的计算方法，当地下水Ⅲ类水标准中电子受体浓度低时，选用2.2的计算方法。
在上述技术方案中，所述步骤3中，注入井数量和位置方法主要由注入周期和氧化还原带面积确定，选择方法包括但不限于以影响半径确认注入井个数及位置，优选的，注入井的个数以该井的影响半径设置，每两个相邻的注入井之间的间距等于该两个注入井的影响半径之和。
在上述技术方案中，所述步骤4中，利用GMS或MODFLOW软件筛选计算注入井的注入浓度和注入流量，依照确保注入井10m范围外浓度不高于1g/L的原则，选用注入浓度和注入流量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明基于定量划分场地氧化还原带的技术方法，能够准确判定在污染场地中添加电子受体总量以及添加范围，实现增强场地自然衰减能力的作用。
2.本发明通过后期监测实现能够验证添加电子受体后，对地下水中污染物浓度、氧化还原环境等影响，并且通过不断调整电子受体的添加量完善增强地下水中微生物发生自然衰减的作用。
3.本发明所需技术简单、成本消耗较低且不易发生二次污染。
4.本发明将微生物的降解阶段规律与电子受体/产物的浓度的累积概率分布曲线相结合，确定了微生物代谢主要阶段(稳定段)作为电子受体/产物消耗/产生的浓度范围，并将电子受体/产物稳定段的阈值作为氧化还原带划分的定量标准，提高了氧化还原带范围划分的准确性。对于重合或过渡带，根据氧化还原顺序，以后一种电子受体/产物为主划分氧化还原带，进一步提高了氧化还原带范围划分的准确性。本发明的氧化还原带的划分没有地域限制，适用范围更加广泛。
附图说明
图1是电子受体/产物累积概率分段曲线，其中a是电子受体累积概率分段曲线，b是降解产物累积概率分段曲线；
图2是某一电子受体/产物各降解阶段分布；
图3是场地含水层氧化还原带概念模型；
图4是电子受体/产物累积概率分布曲线图，其中a1、a2、a3、a4分别是NO3 -1月、3月、4月和平均值的浓度；b1、b2、b3、b4分别是Mn2+的1月、3月、4月和平均值的浓度；c1、c2、c3、4分别是Fe2+的1月、3月、4月和平均值的浓度；d1、d2、d3、d4分别是SO4 2－1月、3月、4月和平均值的浓度；
图5是NO3 -各降解阶段分布规律图，其中(a)、(b)、(c)和(d)依次为1月、3月、4月、平均值；
图6是Mn2+各降解阶段分布规律图，其中(a)、(b)、(c)和(d)依次为1月、3月、4月、平均值；
图7是Fe2+各降解阶段分布规律图，其中(a)、(b)、(c)和(d)依次为1月、3月、4月、平均值；
图8是SO4 2-各降解阶段分布规律图，其中(a)、(b)、(c)和(d)依次为1月、3月、4月、平均值；
图9是场地含水层氧化还原带划分结果。
图10是注入井与监测井设置排布图。
图11是COD浓度随时间变化图。
图12是NO3 -浓度随不同时间变化图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
确定电子受体添加位置
测定地下水中的检测目标(包括电子受体和产物)，结合微生物代谢过程规律，建立电子受体/产物浓度累积概率分布曲线，并将受体/产物浓度累积概率分布的曲线对应微生物降解作用的不同降解阶段。确定微生物降解作用阶段(稳定段)对应的电子受体/产物浓度阈值作为划分场地氧化还原带的依据，以此具体包括如下步骤：
1.监测井布置及样品采集
根据场地调查结果，确定污染源位置，获取场地水文地质参数，包括但不限于渗透系数、水力梯度、地下水位等，并根据场地监测井水位，绘制地下水流场，划分污染源区、上游区、下游区、侧翼区和背景区，五个区域中每一区选取或重新布设监测井各3口，监测井监测层位应包含污染含水层。
根据监测井污染浓度及其与污染源位置(上游、下游、侧翼、距离)的关系，布置各类型污染区域的采样井。将污染物泄露区域设置为污染源区，沿地下水流方向污染源上方未受污染区域视为背景区，沿地下水流方向污染源上方受污染区域视为上游区，沿地下水流方向污染源两侧受污染区域视为侧翼区，沿地下水流方向污染源下方视为下游区。
2.测定方法
根据《生活饮用水标准检验方法》GB/T 5750-2006，《地下水质检验方法》DZ/T0064-93等标准，检测无机水化学组分，主要包括NO3 -、SO4 2-、Fe2+、Mn2+及其他地下水分析指标。
3.累积概率分布法确定阈值
与微生物代谢过程类似，如图1所示，微生物利用某电子受体降解可概化为适应、增长、稳定和衰减四阶段模型：适应段，电子受体/产物略有消耗/积累；增长段，电子受体/产物大量消耗/积累；稳定段，电子受体/产物极大消耗/积累；衰减段，电子受体匮乏，降解量不大，但若处于污染源下游，产物往往仍可能明显积累，这主要是上游产物迁移至此的原因，该段一般与下一电子受体降解类型的适应段存在叠加。
微生物利用某电子受体降解，由于其分为适应、增长、稳定和衰减四个阶段，因此，累积概率分布曲线应表现出具有多个明显转折点的分段直线，两个直线的交点即视为各降解阶段的阈值。具体方法为分段线性回归，两线交点确定为阈值。对于电子受体，累积概率分布曲线从上至下的转折点对应的浓度值依次是适应、增长、稳定和衰减段的阈值；而对于产物则恰好相反。根据图1可得到表1所示的不同降解阶段对应电子受体的浓度阈值。
表1不同降解阶段对应电子受体浓度阈值
4.某一电子受体/产物各降解阶段划分
根据表1数据，利用软件通过插值法绘制各电子受体/产物生物降解过程中各阶段分布规律图，如图2所示。
5.绘制场地氧化还原带，从而确定电子受体添加位置，以向不同的氧化还原带添加对应的电子受体
根据绘制的累积概率分布曲线，获得微生物降解作用各阶段对应的电子受体/产物浓度阈值。由此阈值范围根据绘图软件(Surfer、ArcGIS等)绘制不同电子受体/产物各降解阶段分布图，确定不同电子受体/产物所处的微生物作用下降解作用范围区域。根据已经刻画的不同电子受体/产物稳定段所处的范围，对其进行叠加，叠加顺序与微生物利用电子受体方式顺序相同。其中电子受体利用顺序依次为溶解氧、硝酸盐、四价锰、三价铁、硫酸盐以及二氧化碳。
实施例2
在实施例1的基础上，设计修复方案，具体如下：
一种石油类污染含水层强化自然衰减修复方法，包括以下步骤：
步骤1，确定电子受体添加位置，以向不同的氧化还原带添加对应的电子受体；
步骤1.1，根据场地初步调查结果，确定污染源位置，监测地下水水位，绘制地下水流场，并在污染源、上游、下游、侧翼和背景区五个区域选取监测井各3口，由此形成15个监测点。(分别为图5-图9中标示的井号为MW4、MW14、MW15、M8、PM7、OTBW5、M18、MW5、MW13、MW3、PM3、OTAW4、MW10、MW17和MW6的监测井)。
采集地下水样品时，使用贝勒管采集水样，样品采集后置于4℃便携式冰箱保存，送至实验室测试。采样前使用哈希水质仪测定水温(T)、pH、电导率(SpCond)、溶解氧(DO)、氧化还原电位(ORP)指标；直至该系列指标连续三次测试结果变化在如下范围：T：±1℃，pH：±0.2，SpCond：±3％，DO：±10％或±0.2mg/L，ORP：±20mV。
步骤1.2，选取电子受体/产物为检测目标，所述电子受体为DO、NO3 -、SO4 2-，产物为Fe2+、Mn2+，分析每一监测点采集到的地下水样品内检测目标的浓度含量；在多个时间点(1月、3月和4月)，分析每一监测点采集到的地下水样品内检测目标的浓度含量。
检测目标的浓度检测根据《生活饮用水标准检验方法》GB/T 5750-2006，《地下水质检验方法》DZ/T0064-93等标准，检测无机水化学组分，本实施例中所述微生物降解电子受体为NO3 -、SO4 2-(由于本实施例场地中加入了双氧水，影响地下水中溶解氧含量，对实验结果造成影响，故本实施例暂不划分氧还原带)，所述产物为Fe2+、Mn2+及其他地下水分析指标，产甲烷带应根据CH4浓度进行判断，但由于本场地CH4气较难收集从而很难检测，所以本实施例暂不划分产甲烷带。各检测目标的浓度值见表2。
表2 1月、3月、4月15口井内电子受体/产物浓度
步骤1.3，以所述检测目标的浓度为横坐标、累积百分比为纵坐标绘制所述检测目标浓度的累积概率分布曲线，选取微生物降解作用各降解阶段对应的检测目标的浓度阈值，所述各降解阶段包括适应段、增长段、稳定段和衰减段。
对电子受体/产物多期数据的浓度平均值做累积概率分布曲线，以电子受体/产物平均浓度为横坐标，累积百分比为纵坐标。对回归曲线进行分段，各线段端点确定为阈值。在累积概率分布曲线中，对于电子受体，累积概率分布曲线从上至下的转折点对应的浓度值依次是适应、增长、稳定和衰减段的阈值；而对于产物则恰好相反。
再具体的，以NO3 -浓度为横坐标，累积百分比为纵坐标，图中三段曲线分别为适应段+增长段、稳定段、衰减段。适应段和增长段微生物活动均较微弱，在累积概率分布曲线中分段不明显，表现在同一段直线上，本实施例以背景井中电子受体浓度最低值作为划分适应段和增长段的阈值。产物的累积概率分布曲线分析与电子受体相反，因土壤中存在的铁、锰离子不断补给到地下水中，因此Fe2+、Mn2+不划分衰减段。得到如图4所示的结果，
一般某一电子受体微生物降解过程中，稳定段是该类型降解作用主要发生段，因此选取稳定段对应的电子受体/产物的阈值范围作为该场地氧化还原带划分的阈值范围。降解作用各阶段对应的电子受体/产物浓度阈值范围，如表3所示：
表3降解作用各阶段对应的电子受体/产物浓度阈值
由表3可确定硝酸盐还原作用稳定段浓度阈值范围为3.72-32.68mg/L，锰还原作用稳定段浓度阈值范围为1.81-6.1mg/L，铁还原作用稳定段浓度阈值范围为0.51-1.49mg/L，硫酸盐还原作用稳定段浓度阈值范围为85.83-167.62mg/L。
步骤1.4，根据步骤1.3中得到稳定段对应的检测目标的浓度阈值范围，通过软件中的插值法绘制所述检测目标对应的降解作用的稳定段的分布规律图，得到每一所述检测目标的稳定段区域；
根据表3数据，利用软件(包括但不限于Surfer，Arc GIS或Map GIS等)通过插值法绘制各降解作用在降解过程中各阶段分布规律图(图5-图8)。利用Surfer软件时，首先根据监测井的坐标与其所对应的电子受体浓度通过克里金插值法进行绘图，在生成的图层上，根据步骤3中得到的电子受体/产物的阈值一一对应插值效果图中level的数值范围进行成图。
步骤1.5，将每一所述检测目标对应的降解作用的稳定段区域依次叠加，划分该场地的氧化还原带，硫酸盐还原带对应SO4 2-的稳定段区域，铁还原带对应Fe2+的稳定段区域，锰还原带对应Mn2+的稳定段区域，硝酸盐还原带对应NO3 -的稳定段的区域，氧还原带对应DO的稳定段区域，若叠加时各检测目标的稳定段区域存在重合，则以根据所述检测目标的氧化还原顺序，以后一种检测目标为主划分氧化还原带，所述检测目标的氧化还原顺序先后为DO、NO3 -、Mn2+、Fe2+、SO4 2-和CH4。
利用Surfer、CorelDRAW、Arc GIS或Map GIS等软件，选定图5-8中不同电子受体/产物的稳定段区域，对其进行叠加确定场地氧化还原带，得到如图9所示的图。各降解作用对应的氧化还原带存在着一定程度的重合或过渡区，结合氧化还原发生顺序，设定选用后一种电子受体还原反应为主，即根据各降解作用的稳定段及氧化还原作用的发生顺序划分场地含水层氧化还原带，在作图时，依次按顺序绘制氧还原带、硝酸盐还原带、锰还原带、铁还原带、硫酸盐还原带和产甲烷带。
选取上图中各电子受体/产物稳定段分布区域，按照电子受体利用顺序对其进行叠加，定量刻画场地最终氧化带如图6所示。因此在该场地中向硫酸盐还原带施加硫酸盐，比如K2SO4，并向硝酸盐还原带中施加硝酸盐，比如NaNO3。
步骤2，计算添加电子受体总量
计算添加电子受体总量的方法为以下两种：第一种，添加电子受体总量＝某氧化还原带面积下地下水背景的电子受体总量与实际氧化还原带电子受体总量之差，某氧化还原带面积下地下水背景的电子受体总量＝该氧化还原带背景区电子受体浓度×氧化还原带面积×含水层厚度×孔隙率，第二种，添加电子受体总量＝某氧化还原带面积下地下水Ⅲ类水质标准电子受体总量与实际氧化还原带电子受体总量之差，某氧化还原带面积下地下水Ⅲ类水质标准电子受体总量＝地下水Ⅲ类水标准电子受体浓度×氧化还原带面积×含水层厚度×孔隙率。实际氧化还原带电子受体总量＝氧化还原带实际电子受体浓度×氧化还原带面积×含水层厚度×孔隙率。
对比地下水背景中电子受体浓度与地下水Ⅲ类水标准中电子受体浓度，选取两者浓度更低的电子受体浓度值代入公式进行计算。
以硝酸盐还原带为例，采用第一种计算方法，具体计算方法为利用Surfer、ArcGIS、MapGIS等软件对硝酸盐还原带区域进行白化处理，计算得到实际硝酸盐还原带含水层硝酸盐总量，场地实际硝酸盐还原带硝酸盐总量T1＝硝酸盐氧化还原带实际电子受体浓度(软件计算得到)×硝酸盐氧化还原带面积×含水层厚度5m×孔隙率0.3＝0.48t；
需要添加硝酸盐含量的总量T计算方法为：
T＝硝酸盐还原带面积下地下水背景的电子受体总量-实际硝酸盐还原带含水层硝酸盐总量。
该场地背景井中硝酸盐浓度为47.83mg/L，因此硝酸盐还原带需要添加硝酸盐总量T2＝47.83mg/L×硝酸盐还原带面积×含水层厚度5m×孔隙率0.3＝1t，硝酸盐还原带需要添加的硝酸盐总量T为T2-T1＝0.52t。
步骤3，选择添加电子受体方式
可在注入井中注入电子受体。注入井与监测井一般设置为完整井。完整井是贯穿整个含水层，在全部含水层厚度上都安装有过滤器并能全断面进水的井。根据污染注入周期以及污染羽形状、水文地质条件等确定注入井与监测井位置与数量。
一般将注入井设置在某还原带上游部分，监测井位置设置在注入井下游(图10所示)；注入井可设置一个也可设置多个，若还原带面积较小，修复期限较长，则设置一个注入井，若某还原带面积较大，修复期限较短，可在还原带上增设多口注入井。注入井的个数以该井的影响半径设置，每两个相邻的注入井之间的间距等于该两个注入井的影响半径之和，注入井的影响半径的计算方式可采用经验公式法(潜水库萨金公式，承压水吉哈尔特公式)计算，也可根据抽水试验获取，在此不再赘述。除此之外，必要时可采用地下水循环方式增强地下水动力控制加快反应过程。
根据场地水文地质条件(水力梯度、渗透系数等)用GMS、MODFLOW等软件筛选注入井的注入浓度和注入流量。电子受体进入地下水后，浓度不得高于背景井浓度或地下水Ⅲ类水质标准(GB/T 14848-2017)。多口注入井按需分配添加量，优选的，主流场方向的注入井的注入量大于氧化还原带侧翼的注入井的注入量。根据监测井监测到的电子受体浓度或泄露污染物总量决定注入频次。
步骤4，注入流量及注入浓度选择
在GMS软件中采用直接建模法，建立100m×100m网格区域中潜水含水层水流模型。在考虑含水层中水流作用及弥散作用条件下，通过设置注入井不同注入量以及注入浓度的方式模拟区域中硝酸盐浓度随时间变化，从而确定单个注入井的注入量及注入浓度。
建立场地地下水模型中两侧边界为定水头边界，水力梯度设置为0.001，含水层厚度为5m，含水层水平渗透系数为100m/d。通过调节选择最佳的注入井流量和注入浓度，在调节这两个参数过程中，确保注入井10m范围外浓度不高于1g/L优选的，根据该场地的水文地质特征，渗透性良好时，注入井流量不超过100m3/h。通过调节选定以下参数：注入井流量设置为4m3/h，设置注入浓度为1000mg/L，依据添加硝酸盐总量计算得到注入时长为6天，注入时长是通过注入总量除以注入井流量再除以注入浓度得到。
或者还包括步骤5，添加注入周期的确定。在经过上述步骤1-步骤4的计算及注入后，检测是否需要再次注入，检测的时间由注入周期确定，注入周期的确定方法如下：
为模拟场地中污染物降解，以COD浓度为观察指标，为电子受体注入频次提供数据参考，开展室内微宇宙实验。选取监测井M8中场地地下水作为室内微宇宙实验的实验用水。
实验前测定地下水中COD浓度为49.3mg/L。添加足量的NO3 -为电子受体，确保能够发生生物降解，通过借鉴前人经验，将硝酸盐浓度设置为250mg/L。将配置好的溶液分装到玻璃吊瓶中，并置于恒温培养箱中进行培养，分别于0、2、5、10、15、20天测定溶液中COD浓度及其他相关指标。
结果与现象：
(1)如图11所示，COD测试结果：COD浓度于15天降至1.5mg/L。在第15天降解率为95％，基本完成降解。
(2)如图12所示，硝酸盐结果：NO3 -浓度于15天降低至49.1mg/L。在第20天，NO3 -的消耗率为80.37％。
(3)估算注入周期：微宇宙实验中COD和硝酸盐在降解强度最高时段衰减过程满足零阶衰减，计算得到COD降解的速率为4.1(mg/L)/d，硝酸盐的降解速率为13.5(mg/L)/d。
以此数据指导计算场地注入井注入频次，该场地含水层COD平均值为87mg/L，硝酸盐注入浓度为47.83mg/L。保守估计得到COD降解时间为21.2天，硝酸盐衰减时间为背景井中硝酸盐浓度为47.83mg/L除以降解速率为13.5(mg/L)/d＝3.5天，因此注入井注入频次，即注入周期可参考设置为4天/次，注入时一次注入总量。
在场地应用过程中，注入井中是否需要再次添加电子受体需要对场地地下水中污染物以及电子受体浓度进行监测判断。若含水层中污染物浓度未降低至修复目标值/含水层中电子受体平均浓度消耗殆尽，则再次注入，再次注入时，重复步骤1-4。
通过监测井监测含水层中污染物浓度、电子受体或降解产物浓度(DO、NO3 -、Fe2+、Mn2+、SO4 2-、CH4)、微生物功能基因(硫酸盐还原菌、硝酸盐还原菌等)等实现对注入电子受体的浓度进行调控并可验证修复效果。
第一次加入后，一个添加周期后可以对地下水中的各项指标进行监测，测定污染物浓度是否达标，若达标，可停止添加；若还未达标，对电子受体/产物浓度确认当前场地氧化还原带是否发生改变，判断地下水中电子受体需求量变化，相应需要添加的电子受体量做出调整缩减；功能基因测定测试含水层中微生物对应的功能基因丰度，监测结果基因浓度升高，证明微生物作用增强，可验证修复效果。
实施例3
在实施例2的基础上，对电子受体SO4 2－进行实验。
依据图9划分场地最终氧化还原带计算硫酸盐带需要添加的硫酸盐总量。通过Surfer软件进行网格数据白化处理计算硫酸盐带的面积以及物质体积。
场地实际硫酸盐还原带硫酸盐总量T1＝硫酸盐氧化还原带实际电子受体浓度(软件计算得到)×硫酸盐氧化还原带面积×含水层厚度5m×孔隙率0.3＝16.9t；
需要添加硫酸盐含量的总量T计算方法为：
T＝硫酸盐还原带面积下Ⅲ类水质标准的电子受体总量-实际硫酸盐还原带含水层硝酸盐总量。
该地下水Ⅲ类水质标准中硫酸盐浓度为230mg/L，因此硫酸盐还原带需要添加硫酸盐总量T2＝230mg/L×硫酸盐还原带面积×含水层厚度5m×孔隙率0.3＝35.3t，硫酸盐还原带需要添加的硫酸盐总量为T1-T2＝18.4t。
注入流量及注入浓度选择
在GMS软件中采用直接建模法，建立100m×100m网格区域中潜水含水层水流模型。在考虑含水层中水流作用及弥散作用条件下，通过设置注入井不同注入量以及注入浓度的方式模拟区域中硝酸盐浓度随时间变化，从而确定单个注入井的注入量及注入浓度。
建立场地地下水模型中两侧边界为定水头边界，水力梯度设置为0.001，含水层厚度为5m，含水层水平渗透系数为100m/d。通过调节选择最佳的注入井流量和注入浓度，在调节这两个参数过程中，确保注入井10m范围外浓度不高于1g/L优选的，根据该场地的水文地质特征，渗透性良好，注入井流量不超过100m3/h。通过调节选定以下参数：注入井流量设置为40m3/h，设置注入浓度为1000mg/L，注入总时长可设置为20天，可分2次注入硫酸盐。本发明中修复周期允许的情况下，参照地质条件，可采用多次注入。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种石油类污染含水层强化自然衰减修复方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤1，确认电子受体添加位置：
步骤1.1，根据场地调查结果，确定污染源位置，根据监测点的地下水位，绘制地下水流场，根据地下水流场在监测区域设置监测点，在每一监测点采集地下水样品，所述监测点包含污染含水层；
步骤1.2，选取电子受体和/或产物为检测目标，分析不同时期每一监测点采集到的地下水样品内检测目标的浓度含量；
步骤1.3，以所述检测目标的浓度为横坐标、累积概率百分比为纵坐标绘制所述检测目标浓度的累积概率分布曲线，根据累积概率分布曲线分段特征选取微生物降解作用各降解阶段对应的检测目标的浓度阈值范围；
步骤1.4，根据步骤1.3中得到稳定段对应的检测目标的浓度阈值范围，通过插值法绘制所述检测目标的降解过程中稳定段的分布规律图，得到每一所述检测目标对应的降解作用的稳定段区域；
步骤1.5，将每一所述检测目标对应的降解作用的稳定段区域依次叠加，划分该场地的氧化还原带，从而确定电子受体添加位置，以向不同的氧化还原带添加对应的电子受体；
步骤2，计算添加电子受体总量：
2.1添加电子受体总量=某氧化还原带面积下地下水背景的电子受体总量与实际氧化还原带电子受体总量之差，某氧化还原带面积下地下水背景的电子受体总量=该氧化还原带背景区电子受体浓度×氧化还原带面积×含水层厚度×孔隙率，实际氧化还原带电子受体总量=氧化还原带实际电子受体浓度×氧化还原带面积×含水层厚度×孔隙率；
或者，2.2添加电子受体总量=某氧化还原带面积下地下水Ⅲ类水质标准电子受体总量与实际氧化还原带电子受体总量之差，某氧化还原带面积下地下水Ⅲ类水质标准电子受体总量=地下水Ⅲ类水质标准电子受体浓度×氧化还原带面积×含水层厚度×孔隙率，实际氧化还原带电子受体总量=氧化还原带实际电子受体浓度×氧化还原带面积×含水层厚度×孔隙率；
步骤3，选择添加电子受体方式：
通过注入井将相应的氧化还原带添加电子受体，注入井设置在对应还原带的上游部分，监测井位置设置在注入井下游，注入井的个数为一个或多个；
步骤4，注入流量及注入浓度选择：
根据步骤2得到的添加电子受体总量，结合场地水文地质条件，用软件筛选注入井的注入流量及注入浓度，依据注入流量及注入浓度一次或分次向不同的氧化还原带添加其相应的电子受体，硫酸盐还原带添加硫酸盐，向硝酸盐还原带添加硝酸盐；
所述步骤1.3中，所述累积概率分布曲线划分降解阶段包括适应段、增长段、稳定段和衰减段，累积概率分布曲线利用分段优化线性回归方法，取相应的转折点为不同降解阶段的阈值，对于电子受体，累积概率分布曲线从上至下的转折点对应的浓度值依次是适应、增长、稳定和衰减段的阈值；对于产物，累积概率分布曲线从上至下的转折点对应的浓度值依次是衰减、稳定、增长和适应段的阈值；
所述步骤1.5中，叠加时各检测目标对应的降解作用的稳定段区域存在重合，则以根据所述检测目标对应的氧化还原顺序，以后一种检测目标对应的降解作用为主划分氧化还原带，所述检测目标的氧化还原顺序先后为DO、NO3 －、Mn2+、Fe2+、SO4 2－、CH4；
所述步骤1.1中，所述监测点为处于所述监测区域内的监测井，所述监测区域包括污染源区、上游区、下游区、侧翼区和/或背景区；
所述步骤1.2中，所述电子受体为DO、NO3 -和/或SO4 2-，所述产物为Mn2+、Fe2+和/或CH4；
所述步骤1.4中通过插值法绘制所述检测目标的降解过程中稳定段的分布规律图时，采用插值软件，插值软件为Surfer、Arc GIS或Map GIS。
2.如权利要求1所述的一种石油类污染含水层强化自然衰减修复方法，其特征在于，所述石油类污染含水层强化自然衰减修复方法还包括步骤5，计算注入周期，在经过步骤1-步骤4的注入后，检测是否需要再次注入，检测的时间由注入周期确定，注入周期通过室内试验、计算机模拟或者监测井监测污染物浓度及电子受体浓度确定，若监测到含水层中污染物浓度未降低至修复目标值或电子受体浓度低于微生物降解作用稳定段阈值的低值，则需要再次添加电子受体，重复步骤1-步骤4。
3.如权利要求1所述的一种石油类污染含水层强化自然衰减修复方法，其特征在于，所述步骤1.2中，每一监测点内，采集一个或者多个时间点的地下水样品，所述步骤1.3中，以一个或多个时间点得到的地下水样品内所述检测目标浓度的平均值作为横坐标。
4.如权利要求2所述的一种石油类污染含水层强化自然衰减修复方法，其特征在于，选取监测井中场地地下水作为室内微宇宙实验的实验用水，以COD浓度为观察指标，开展室内微宇宙实验，计算选择污染物降解完全或电子受体平均浓度消耗殆尽的时间较短时间为注入周期。
5.如权利要求1所述的一种石油类污染含水层强化自然衰减修复方法，其特征在于，所述步骤1.4中通过插值法绘制所述检测目标的降解过程中衰减段、稳定段、增长段和适应段的分布规律图。
6.如权利要求1所述的一种石油类污染含水层强化自然衰减修复方法，其特征在于，所述步骤1.5中，硫酸盐还原带对应硫酸盐还原作用的稳定段区域，铁还原带对应铁还原作用的稳定段区域，锰还原带对应锰还原作用的稳定段区域，硝酸盐还原带对应硝酸盐还原作用的稳定段区域，氧还原带对应氧还原作用的稳定段区域，产甲烷带对应产甲烷作用的稳定段区域。
7.如权利要求1所述的一种石油类污染含水层强化自然衰减修复方法，其特征在于，对比地下水背景中电子受体浓度与地下水Ⅲ类水标准中电子受体浓度，当地下水背景中电子受体浓度低时，选用2.1的计算方法，当地下水Ⅲ类水标准中电子受体浓度低时，选用2.2的计算方法。
8.如权利要求1所述的一种石油类污染含水层强化自然衰减修复方法，其特征在于，所述步骤3中，注入井数量和位置方法主要由注入周期和氧化还原带面积确定，选择方法包括但不限于以影响半径确认注入井个数及位置，注入井的个数以该井的影响半径设置，每两个相邻的注入井之间的间距等于该两个注入井的影响半径之和。
9.如权利要求1所述的一种石油类污染含水层强化自然衰减修复方法，其特征在于，所述步骤4中，利用GMS或MODFLOW软件筛选计算注入井的注入浓度和注入流量，依照确保注入井10m范围外浓度不高于1g/L的原则，选用注入浓度和注入流量。
CN202110131867.0A 2021-01-30 2021-01-30 一种石油类污染含水层强化自然衰减修复方法 Active CN113880259B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110131867.0A CN113880259B (zh) 2021-01-30 2021-01-30 一种石油类污染含水层强化自然衰减修复方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110131867.0A CN113880259B (zh) 2021-01-30 2021-01-30 一种石油类污染含水层强化自然衰减修复方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113880259A CN113880259A (zh) 2022-01-04
CN113880259B true CN113880259B (zh) 2023-07-28

Family

ID=79013024

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110131867.0A Active CN113880259B (zh) 2021-01-30 2021-01-30 一种石油类污染含水层强化自然衰减修复方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113880259B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117172993B (zh) * 2023-11-02 2024-02-06 北京建工环境修复股份有限公司 一种基于微生物动态分析的污染场地评估方法及系统

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010023847A1 (en) * 1996-12-17 2001-09-27 Perriello Felix Anthony Method and apparatus for anaerobically degrading pollutants with alkanes

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010023847A1 (en) * 1996-12-17 2001-09-27 Perriello Felix Anthony Method and apparatus for anaerobically degrading pollutants with alkanes

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
地下水石油烃污染物的微生物降解过程及其原位强化修复研究;吕航;《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》;20150115(第01期);第3-5、16-18、26-28、99-102页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113880259A (zh) 2022-01-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Huang et al. Mathematical model for interactions and transport of phosphorus and sediment in the Three Gorges Reservoir
Van Breukelen et al. Biogeochemistry and isotope geochemistry of a landfill leachate plume
Luo et al. Pollution assessment and sources of dissolved heavy metals in coastal water of a highly urbanized coastal area: The role of groundwater discharge
Yang et al. Nitrate sources and biogeochemical processes in karst underground rivers impacted by different anthropogenic input characteristics
Neumann et al. Anthropogenic influences on groundwater arsenic concentrations in Bangladesh
Moncaster et al. Migration and attenuation of agrochemical pollutants: insights from isotopic analysis of groundwater sulphate
Anwar et al. Influence of tides and waves on the fate of nutrients in a nearshore aquifer: Numerical simulations
Palta et al. “Hotspots” and “hot moments” of denitrification in urban brownfield wetlands
Li et al. Characteristics of hydrochemistry and nitrogen behavior under long-term managed aquifer recharge with reclaimed water: A case study in north China
Han et al. Application of a genetic algorithm to groundwater pollution source identification
CN114602959B (zh) 一种治理石油类污染场地的方法
Chiu et al. Using intrinsic bioremediation for petroleum–hydrocarbon contaminated groundwater cleanup and migration containment: Effectiveness and mechanism evaluation
Pain et al. Sources and sinks of CO2 and CH4 in siliciclastic subterranean estuaries
Guo et al. Evaluation of hierarchically weighted principal component analysis for water quality management at Jiaozuo mine
CN113880259B (zh) 一种石油类污染含水层强化自然衰减修复方法
Zhang et al. Enhanced landfill process based on leachate recirculation and micro-aeration: A comprehensive technical, environmental, and economic assessment
Kovač et al. Influence of groundwater quality indicators on nitrate concentrations in the Zagreb aquifer system
CN109283307B (zh) 一种石油化工污染场地污染物自然降解能力评估方法
Zhang et al. A quantitative redox zonation model for developing natural attenuation-based remediation strategy in hydrocarbon-contaminated aquifers
Sidborn et al. SR-Site: Oxygen ingress in the rock at Forsmark during a glacial cycle
Gao et al. Sources and hydrogeochemical processes of groundwater under multiple water source recharge condition
Ma et al. Microbial community structure and denitrification responses to cascade low-head dams and their contribution to eutrophication in urban rivers
Yu et al. Impact of long-term water level fluctuation on the distribution, transport, and fate of phosphorus in reservoir sediment
Li et al. Hydrogeochemical changes during artificial groundwater well recharge
CN116794258A (zh) 一种原位微生物修复地下水的监测评估方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant