地下水位波动带内BTEX在天然和空气扰动修复下的分异演变机理

Fate and transport mechanism of organic contaminants in subsurface environment is the key scientific foundation of groundwater pollution control and remediation. This project study the behaviour of the toxic BTEX in the fluctuation zone of groundwater table, the active variation zone in energy and mass, via multidisciplinary effort of contaminant hydrogeology, microbiology and molecular biology. Employing theoretical analysis and experimental simulations, it is proposed to study the impact of natural and air sparging (AS) remediation on spatial variation of hydrogeochemistry and functional microorganism, and also the distribution and movement of BTEX fractions. The key component is to understand the multi-phase behaviour of BTEX, i.e. solid-fluid-gas, in the water table fluctuation zone, to investigate the interactions between BTEX and physio-chemical and biological environmental factors. It is aimed to determine the community, activity and structure of the microbial at a molecular level, identify adaption and biodegradation to BTEX stress. The natural attenuation and AS remediation of BTEX in such an environment can be better understood, so that it fate and transport can be known well to support effective remediation engineering in terms of theoretical understanding.

有机污染物在地下环境中的迁移转化机理，是进行地下水污染控制和修复的关键科学基础。本项目选择地下环境中物质与能量变化活跃的地下水位波动带为研究主体，以地下水中典型有毒污染物-苯系物(BTEX)为研究对象，融合污染水文地质学、微生物学、分子生物学等理论和方法，采用理论分析与实验模拟的思路，研究地下水位天然波动及空气扰动(AS)修复对水文地球化学条件和地下环境功能微生物时空分布的影响，刻画BTEX污染组分在水位波动带内的时空分异特征和迁移转化机理。研究在天然和AS条件下水位波动带中BTEX在固－液－气相中组分的分异规律，揭示BTEX分异与物－化－生环境因素的相互影响机制。通过对水位波动带水土系统中功能微生物活性、群落结构的分子水平研究，识别其对BTEX的响应和生物降解效应，进一步揭示BTEX自然衰减和AS修复机理，从而深化对地下环境污染物迁移转化机理的认识，为实现有效修复奠定坚实的理论基础

本项目以环境因素变化活跃的地下水位波动带为研究主题，以BTEX有机污染物为研究对象，基于实际石油污染场地的污染组分特征及环境条件，通过典型单元体、一维土柱、二维槽等不同尺度的室内模拟实验，结合计算机软件模拟，综合运用渗流、溶质运移、微生物学等理论，系统研究了地下水位波动带BTEX不同赋存形态的形成机理、变化特征和相互转换过程；水位波动带内水动力特征、BTEX的迁移及天然衰减规律、衰减机制；介质类型、含水率、波动条件等环境因素对BTEX的时空分异特征及传质规律的影响；BTEX降解作用微生物的识别、降解机理及地下水中天然微生物的演变规律、水文地球化学特征变化；研究了地下水浅部含水层中，空气扰动（AS）条件下，气流迁移形态特征-基于高密度电阻率法（ERT）非扰动监测；AS条件下，土壤中微生物及其胞外聚合物降解BTEX的去除规律；介质的分选性、粒度级配、注气流量等实验变量对AS动态变化的影响。研究结果表明：地下水位波动带中，BTEX随波动周期发生自然衰减，衰减速率先快后慢，且与介质类型密切相关。BTEX的天然衰减机制，时间上，波动初期为水动力作用（水流冲刷作用），后期为溶解和混合作用，水位波动过程中，BTEX逐渐通过微生物降解作用衰减，吸附作用贯穿于整个水位波动过程中BTEX的衰减行为；空间上，上边缘以挥发作用为主；下边缘以微弱的溶解作用为主。BTEX不同组分在地下环境中的赋存形态主要包括自由态、溶解态及残留态；BTEX不同赋存形态在水位波动带中的变化特征及迁移行为不同，与介质类型、含水率、水位波动频率等环境因素密切相关。地下水位的波动导致了地下水中微生物多样性发生了改变；能够降解BTEX的微生物以及其他功能微生物被识别并发生降解作用；天然水位波动极大影响了地下环境的氧化还原条件。高密度电阻率法（ERT）在AS监测中具有很好的灵敏度及准确性，曝气流量及压力是影响AS气流迁移形态及扰动范围的重要因素。本项目研究成果有助于理解BTEX在地下环境中的分布演变规律及BTEX的天然衰减机制；理解AS手段修复BTEX污染的作用机理，从而为有针对性地选择高效低耗的土壤和地下水污染修复技术，奠定了坚实的理论基础；同时，可为石油污染物修复策略的制定及完善提供现实指导。