地下水污染曝气修复对含水层介质与水化学特征的扰动效应

Air sparging (AS) is a cost-efficient technique for cleaning up subsurface contamination worldwide. Over the past few decades, great effort has been made in the control of environmental factors on AS operations, while there is little of insight on the environmental impacts induced by AS, such as physical materials perturbation, groundwater displacement and hydro-chemical evolution. This project focuses on the characteristics and mechanism of porous media mobilization and hydrochemical evolution during AS with multidisciplinary efforts from hydrogeology, hydrochemistry and fluid mechanics. Both theoretical analysis and experimental simulations will be applied for studying the particles mobilization and hydrochemical evolution under different AS conditions. Major impact factors will be identified through comparisons of batch experiments and the interactions between them will be examined as well. Suspended particles transport and hydrochemical evolution will be coupling with multi-phase flow model to quantify the variation of porous media and groundwater hydrochemistry during AS respectively. The feedbacks of these environmental changes to AS remediatial efficiency will be evaluated comprehensively. Knowledge from this research will provide useful insights on the environmental responses to AS activities and the AS remediation mechanisms, which also support effective remediation engineering design, operation & regulation and risk management in terms of theoretical analysis.

曝气修复是目前最常用的地下水污染原位修复技术之一，长期以来人们总是关注外部条件对曝气修复过程和效果的影响，却忽视人为修复活动引起的地下环境扰动。本项目从曝气修复与环境特征的互馈关系出发，通过不同条件下的曝气扰动模拟实验，运用水文地质学、水文地球化学及流体力学的理论方法，研究曝气过程中含水层介质与水化学特征的时空动态变化，分析其主要控制因子和影响规律，揭示扰动效应产生机理；通过分析介质扰动与水化学扰动指标响应特征的时空变化异同及其内在联系，揭示二者之间的相互作用；基于模拟实验，分析多相渗流、颗粒迁移沉积、非饱和流水文地球化学演化等机制，构建曝气修复过程含水层多孔介质时空分异及水化学演化的数学模型，模拟扰动的演变过程、预测其发展趋势，并分析扰动效应对修复效果产生的反馈影响。项目成果对于深化理解曝气修复机制、降低扰动对修复过程的不利影响以及优化调整修复运行方案等具有重要的科学理论和实践意义。

曝气修复是常用的地下水污染修复技术，长期以来人们总是关注外部条件对曝气修复过程和效果的影响，却忽视人为修复活动引起的地下环境扰动。本项目从曝气修复与环境特征的互馈关系出发，研究曝气过程中含水层介质与水化学特征的时空分异机制。主要包括：.（1）建立了曝气过程的二相渗流数值模型，并将模拟得到的影响带与测压水头、摄像捕捉、电阻率响应等方法的指示范围进行比对，相互验证良好。利用模型研究了曝气流型及其影响因素，以及扰动效应产生空间区域的特征。.（2）开展了野外单井曝气实验，系统监测了曝气过程中地下环境的物理、化学及生物扰动，包括水位及溶氧变化、温度场响应、主要离子/pH / Eh/TDS/EC等指标及微生物活性变化等。利用水位、溶氧和温度场响应刻画了曝气影响带空间三维形态，与数值模型结果匹配。通过Slug test发现影响带内渗透系数及孔隙度出现明显增加。但与此同时，除了曝气带来的气体混合效应明显、无机碳相间平衡被打破外，主要无机离子没有显著变化，微生物活性则出现了不同程度的波动。.（3）建立了多孔介质孔隙度变化与曝气参数的量化关系模型，结果表明：孔隙度的增幅与多孔介质单元初始孔隙度呈正比，还与空气饱和度有关，气相饱和度越大的区域，驱替作用越强，孔隙度增加越明显。.（4）基于理论模型推导，开展了多孔介质扰动效应的室内研究，包括孔隙度变化的电阻率响应指示方法实验、基于ERT法的曝气过程孔隙度扰动研究实验、曝气过程渗透系数及弥散系数变化实验。结果显示：孔隙度变化可以通过非破坏性的电阻率法来有效监测，二者之间的关系用Archie模型拟合良好；ERT法在柱实验中亦能很好地指示曝气前后的孔隙度变化，且孔隙度变幅与曝气流量（气相饱和度）成正比，与理论模型一致；此外，曝气活动使得砂柱渗透系数和弥散系数增加，出现了优先流通道。 .（5）利用柱实验揭示了曝气活动使得土壤胶体颗粒释放的现象，释放强度与曝气流量和初始胶体含量呈正比。模式胶体物质穿透实验研究表明：微小颗粒在地下环境中的迁移收到多种机制影响，尤其是水化学条件（离子强度、阳离子价态）控制，微小颗粒不仅自身具有迁移性，还导致共存污染物发生易化迁移现象。.项目成果对于深化理解曝气修复机制、降低扰动对修复过程的不利影响以及优化调整修复运行方案等具有重要的科学理论和实践意义。