电动力耦合循环井技术修复低渗透含水层污染

2024-03-08杜中海董艳红刘方圆董书君陈韶音吉林大学石油化工污染场地控制与修复技术国家地方联合工程实验室吉林长春10061吉林大学新能源与环境学院吉林长春10061中国市政工程东北设计研究总院有限公司吉林长春10021

中国环境科学 2024年2期

杜中海,董艳红,刘方圆,董书君,陈韶音,董倩,周睿* (1.吉林大学,石油化工污染场地控制与修复技术国家地方联合工程实验室,吉林长春 10061；2.吉林大学新能源与环境学院,吉林长春 10061；.中国市政工程东北设计研究总院有限公司,吉林长春 10021)

低渗透含水层地下水污染修复困难,进入低渗透含水层中的地下水流速会明显降低,导致修复药剂难以进入[1];低渗透含水层中土壤颗粒比表面积大,污染物易留存在介质中,形成二级污染源区[2-3].在常见的抽出-处理等地下水污染修复技术应用过程中,低渗透含水层会因为浓度梯度反向扩散持续释放污染物,导致修复后的污染场地产生拖尾反弹效应[4-7].因此,治理低渗透含水层中的污染是污染场地修复过程中的重要挑战之一[8-9].

在低渗透含水层污染修复中,大多数研究集中在有机污染修复方面[10-13],但对于低渗透含水层中重金属污染修复的研究相对较少,低渗透含水层中重金属污染修复较为困难,目前重金属污染场地多采用异位技术进行修复[14-17].异位修复技术更适合于污染场地范围较小的情况,但难以实现低渗透地层中重金属污染地下水的修复.目前高效修复低渗透含水层中重金属污染的技术方法还很鲜见.

地下水循环井技术具有水动力控制能力强、修复效果好、可在低渗透含水层中运行等优点被应用于低渗透含水层污染场地的修复[18-20].地下水循环井修复技术[21-24]通过抽注水形成水力梯度,引起水流循环,并不断冲刷污染含水层,随之将污染物裹挟进入循环水流从而实现修复[25-27].但循环井技术受水文地质条件的影响较大,在低渗透含水层中应用时存在修复范围小、遗留有修复盲区和修复效果差等问题[19].电动力修复技术[28-29]是利用电场驱动污染物在介质中定向迁移,将污染物转运至阴极、阳极或某一特定位置,随后进一步处理的技术[30],该修复技术不受地层渗透性的影响,在低渗透含水层中仍有较好修复效率和较大的修复范围,但需要对富集在电极附近的污染物进行进一步处理[31-32].

本文针对低渗透含水层受铬酸盐污染的常见地下水环境质量问题,利用物理模拟实验研究方法,探讨电动力耦合循环井技术的修复效果及机理,以期实现对低渗透含水层高效修复的目的,为低渗透含水层地下水污染修复提供一种新的参考思路.

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验试剂:重铬酸钾(K2Cr2O7)、氯化钠(NaCl)、丙酮(CH3COCH3)、(1+1)硫酸(H2SO4)、(1+1)磷酸(H3PO4)、二苯碳酰二肼(C13H14N4O)均为分析纯;石墨板、导线、二维有机玻璃模拟槽;实验使用粉砂(160 目-200 目)作为介质模拟地下水含水层,实验介质渗透系数为2.75×10-6,孔隙度为0.566;实验仪器主要包括直流稳压电源(100V30A,杭州台宇电子有限公司)和紫外-可见分光光度计(Thermo Scientific Evolution 201,赛默飞世尔科技).

1.2 实验装置

实验在二维有机玻璃模拟槽中进行模拟,以粉砂模拟低渗透含水层介质,模拟槽结构为:模拟槽尺寸为长×宽×高=20cm×15cm×25cm,石墨电极尺寸为长×宽×厚=20cm×5cm×0.1cm,模拟槽两侧布设宽为2.5cm 的布水板,模拟槽侧面布设有5 行3 列采样口,从左到右每列距离5cm;最下一行采样口距槽底2cm,第二行采样口距槽底5cm,第二行和其余三行采样口距离5cm,共15 个取样口.最左侧取样口从上到下依次为1～5,中间取样口从上到下依次为6～10,最右侧取样口从上到下依次为11～15.槽内靠近左侧布水板处布设了双筛结构循环井,循环井右侧单侧开孔,上下筛段间由阻隔器分隔.循环井井径为5cm,循环井上下筛段间距离9cm,筛段与实段比例为1:3,即上下两筛段到阻隔器的实段长度均为4.5cm,上下两筛段长度均为1.5cm,循环井下筛段底部到循环井底部距离为2.5cm.实验时循环井抽注方式为下筛段注水、上筛段抽水,通过蠕动泵调整循环流量.循环井井内布设左石墨板,右布水板处布设右石墨板,分别与直流电源正负极相连.循环井和模拟槽位置情况如图1 所示.

图1 实验装置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment

1.3 实验方案

模拟槽采用干法填砂,填完后通过蠕动泵以0.5mL/min 的流量注入自来水进行饱水,使得实验介质充分饱水,饱水至模拟槽水位为23.60cm.静置一晚,保持地下水初始水位为23.60cm.运行循环井,循环井采用下注上抽的逆循环模式,运行中控制循环井抽注水流量为5mL/min,运行稳定后记录测压管水位.研究循环井在低渗透含水层的修复效果和循环水流在模拟槽中各区域的流速和方向.

模拟槽采用干法填砂,填完后通过蠕动泵以0.5mL/min 的流量注入50mg/L 的铬酸根离子和300mg/L 的氯化钠溶液进行饱水,使得实验介质充分饱水,饱水至模拟槽水位为23.60cm.静置一晚,保持地下水初始水位为23.60cm.循环井采用下注上抽的逆循环模式,运行中控制循环井抽注水流量为5mL/min.

运行单循环井修复技术修复被污染低渗透含水层.第30, 60, 120, 360, 540, 900, 1440, 2160, 2880,3600min 时,分别在左右布水板、模拟槽正面取样口以及抽出桶取样,利用紫外-可见分光光度计分析模拟槽中污染物的浓度分布.

运行电动力耦合循环井修复技术修复被污染低渗透含水层.循环井井内石墨板连接电源正极,右侧布水板处石墨板连接电源负极,电源设定为稳压30V 输出,初始电流为0.0194A,同时运行电源和循环井.第30, 60, 120, 360, 540, 900, 1440, 2160, 2880,3600min 时,分别在左右布水板、模拟槽正面取样口以及抽出桶取样,利用紫外-可见分光光度计分析模拟槽中污染物的浓度分布.

Cr(VI)浓度的测定:取0.2mL 样品稀释至5mL,依次加入0.05mL 硫酸(1+1)、0.05mL 磷酸(1+1)、0.2mL 显色液(0.2g 二苯碳酰二肼溶于50mL 丙酮稀释到100mL)后混匀,静置15min 后测定反应液在540nm 处吸光度.

Cr(VI)去除率的测定:模拟槽中饱满50mg/L 的Cr(VI),2 种修复技术分别运行第30,60,120,240,360,540,900,1440,2160,2880,3600,4320,5040min 时,对抽出桶内抽出液取样测定,Cr(VI)去除率如式(1)所示.

式中:Ct为t时刻循环井抽出桶中Cr(VI)的浓度,mg/L;t为循环井运行时间,min;q为循环井注水流量,mL/min;C0为饱水时Cr(VI)的初始浓度,mg/L;Q为饱完水的总流量,L.

电能耗与实验中电压与电流密切相关,能耗计算公式如式(2)所示.

式中:E是处理单位体积污染物所消耗电量,kW•h/m3;Vc是处理土壤的体积,m3;U是施加的电压,V;I是施加的电流,A;t是电动修复时间,h.

2 结果与讨论

2.1 低渗透含水层中循环井技术修复效果

在循环井下注上抽模式下,抽注水流量保持为5mL/min 不变,运行稳定后记录测压管水位,如图2(a)所示,图中方框处为循环井上下筛段单侧开孔的位置,通过蠕动泵在循环井下筛段注入清水,下筛段及其附近水头升高,Δh为正值;上筛段抽水,上筛段及其附近水头降低,Δh为负值.由于上下筛段间存在阻隔器,所以水流只能在含水层中由水头高处流向水头低处,从而在循环井周围形成垂向水动力循环,实现对含水层介质的不断冲刷.循环井未运行时低渗透含水层中的初始水位为23.60cm,运行后上筛段附近水位逐渐稳定为23.30cm,下筛段附近水位逐渐稳定为24.00cm,循环井上下筛段附近取样点2 和4 的Δh分别为-0.30cm 和0.40cm,在低渗透含水层中循环井两个筛段位置处形成了明显的水头差,并以此为驱动力在含水层中形成了稳定的垂向水流循环.距循环井最远位置处,即最右列取样口中|Δh|最大值仅为0.05cm,几乎无循环水流通过.

图2 循环井在低渗透含水层中水头变化和流速矢量图Fig.2 Head variation and velocity vector map of circulation well in low-permeability aquifer

如图2(b)所示,经过处理所形成的流速矢量图更加清晰的呈现了循环水流的运移速度及方向,箭头的长度示意了流速的大小,箭头方向指示水流流动的方向.循环水流由下筛段进入低渗透含水层,并在水力梯度作用下在筛段附近向右以及右上方运动,经过循环井阻隔器所在水平位置后,循环水流向左及左上方运移,最终流回上筛段,并在循环的过程中产生了水流对低渗透含水层介质的冲刷作用;通过流速矢量图可以看出,循环井附近的水流流速最大,大约为最外层水流流速的17 倍.但是循环井运行稳定后,在模拟系统中的右下区域和右上区域几乎无水流循环作用,循环井捕获范围主要呈现为半椭圆形,循环井修复技术在低渗透含水层中的修复范围有限并存在一定的修复盲区.

2.2 电动力耦合循环井技术修复效果及对比分析

电动力耦合循环井采用的下注上抽的逆循环模式,抽注水流量为5mL/min,运行过程中分别于30,60,120,240,360,540,900,1440,2160,2880,3600min 自模拟槽正面各取样口和左右布水板抽取地下水样品并检测分析,经过surfer软件绘制铬酸根离子浓度等值线图如图3所示.当铬酸根离子浓度降到30mg/L以下时,该区域即可视为在修复技术的影响范围内(影响半径);当铬酸根离子浓度降到5mg/L 以下时,该区域即可视为在修复技术的修复范围内(修复半径),选择典型剖面A-A 对污染物浓度变化规律进行分析.由图3(a)可知,其对低渗透含水层污染治理存在修复范围小、遗留有修复盲区和修复效果差等问题.由图3(b)可知,电动力耦合循环井技术所施加电场形成的电动力促进了铬酸根离子的运移,克服了水文地质条件的限制,在低渗透含水层中也有较好的修复效果,在2880min 时就基本完成了整个含水层的修复.

图3 2 种修复技术下铬酸根离子浓度分布等值线图Fig.3 Isoconcentration contour maps of chromate ions under two remediation techniques

修复时间60min 时,电动力耦合循环井修复系统中下筛段注水筛附近发现了污染物浓度降低的情况,单循环井修复时下筛段注水筛附近浓度基本未变化,证明电动力耦合循环井在修复初期时,循环井注水端附近的铬酸根离子受到电场力和循环水流的双重作用效果更好.下筛段附近低渗透含水层的铬酸根离子受电场力作用汇集到了循环井阳极板附近,含水层的铬酸根离子浓度降低.循环井注水时水流从下筛段进入含水层,并推动筛段附近的溶液向右流动,原注水筛附近铬酸根离子随水流迁移至取样口4 位置处,导致该处地下水中铬酸根离子浓度下降;修复120min 时,电动力耦合循环井技术注水端附近可以观测到更加明显的铬酸根离子浓度下降,相比与单循环井修复技术的效果优势明显,取样口4 位置处的铬酸根离子浓度是单循环井修复技术的55.74%.在剖面A-A 处,2 种修复方法下的铬酸根浓度均未出现显著变化.

修复时间240min 时,电动力耦合循环井修复相对于单循环井修复的抽水端附近浓度有一定的下降,取样口2 位置处的铬酸根离子浓度是单循环井修复技术的52.17%.在电动力的促进下,低渗透含水层中靠近阳极板的铬酸根离子运移更快,抽水端附近取样口的铬酸根离子浓度下降,是受到电场力和循环水流的双重作用引起的.修复360min 时,电动力耦合循环井修复的纵向影响半径最大为16cm,单循环井纵向影响半径最大为12cm.电动力耦合循环井修复技术扩大了纵向影响范围,加快了修复进程.

修复时间540min 时,电动力耦合循环井修复的右上区域和左下区域污染物浓度明显降低,其他区域的污染物浓度变化不明显;单循环井修复只有左下区域污染物浓度明显降低.接通电源时,循环井井内的石墨板为阳极,右侧布水板处的石墨板为阴极,铬酸根离子为阴离子受到方向向左的电场力,在低渗透含水层中铬酸根离子受到方向向左的电场力.循环井运行时,通过图2 可知,循环井阻隔器所在水平下方区域的水流向右及右上方运移,铬酸根离子受到方向向右的水流推力;循环井阻隔器所在水平阻隔器上方区域的水流向左及左上方运移,铬酸根离子受到方向向左的水流推力.由此可知,电动力耦合循环井修复时,循环井阻隔器所在水平下方区域的电场力与循环水流作用方向相反,起到了一定的阻碍作用;电场阻碍了污染物的进一步扩散,防止污染物被循环井的循环水流推移到远处导致形成修复盲区;循环井阻隔器所在水平上方区域的电场力与循环水流作用方向相同,促进了铬酸根离子的去除.电动力耦合循环井修复时,右上区域的铬酸根离子持续向左运移,右上区域的铬酸根离子运移到中间取样口6 和7 位置处,此时在取样口12 处的铬酸根离子浓度是单循环井修复的29.95%,修复效果明显.以剖面A-A 处为例,单循环井作用时,受水动力控制,井附近区域污染物浓度明显降低;电动力耦合循环井修复过程中,除循环井水力捕集作用外,铬酸根离子还受到电场力的作用向左运移,使得剖面右侧铬酸根离子浓度也出现了显著降低,剖面上呈现出铬酸根浓度中间高而两侧低的特征.

修复时间900min 时,此时单循环井的横向修复半径约为11cm,电动力耦合循环井在循环井附近的横向修复半径约为10.5cm,电动力耦合循环井横向修复半径相较于单循环井较小.单循环井的纵向修复半径约为9cm,电动力耦合循环井在循环井附近的横向修复半径约为15.5cm,电动力耦合循环井纵向的修复半径相较于单循环井大大增加.电动力耦合循环井修复在横向时有一定阻碍效果,但在纵向上修复范围明显增加.电动力耦合循环井修复去除率是单循环井的1.22 倍,电动力耦合循环井修复的修复效果好.修复1440min 时,电动力耦合循环井修复,铬酸根离子浓度下降到30mg/L 以下,低渗透含水层均在该修复技术的影响范围内,影响半径明显大于单循环井.电动力耦合循环井修复的去除率为83.25%,单循环井修复的去除率为69.51%.修复2160min 时,电动力耦合循环井将70.36%的低渗透含水层修复完成,是单循环井修复面积的1.69 倍.在剖面A-A 处,2 种修复技术的铬酸根离子浓度分布特征与540min 时类似.电动力耦合循环井技术作用时,铬酸根离子浓度明显低于单循环井技术的作用效果,说明电动力修复在该阶段体现出了重要作用.

修复时间2880～3600min 时,低渗透含水层中污染物被电动力耦合循环井修复技术基本完全修复,单循环井修复技术修复的低渗透含水层还有右侧和右上区域的污染物难以去除.单循环井的最大修复半径是15.95cm,电动力耦合循环井的最大修复半径是20.00cm,电动力耦合循环井最大修复半径是单循环井的1.25 倍.单循环井在右侧和右上区域形成了修复盲区,占总低渗透含水层面积的35.56%,电动力耦合循环井修复低渗透含水层污染时无修复盲区.

电动力耦合循环井修复技术可以有效解决单循环井在低渗透含水层中影响范围小、存在修复盲区和修复效果差等问题,也可阻止污染物的进一步扩散.电动力耦合循环井修复技术不受地层渗透性条件的影响,扩大了循环井的横向和纵向的修复范围,在电场力和循环水流的双重作用下,对低渗透含水层地下水污染有良好的修复效果.

如图4 所示,电动力耦合循环井技术修复低渗透含水层时,初始电流为0.0194A,0～15min 时,电流逐渐增大,达到0.0325A,此时电动力的修复效果最好;15～900min 时,循环井注水端注入清水,抽出端抽出污染物,使得模拟槽中可参与运移的阴阳离子总量减少,且阴阳离子在电场的作用下,阴离子向阳极运移并富集,阳离子向阴极运移并富集,使得模拟槽中可参与运移的阴阳离子总量减少,电流最终降至0.900min 后,电流强度降低为0,电动力效果较差.但由于阴阳两极板电势的存在,仍有一定作用.以图3为例,电动力耦合循环井技术修复时,右侧模拟区域污染物浓度不断降低,这是电动力和分子扩散作用共同导致.

图4 电动力耦合循环井修复时电流变化Fig.4 Current variation diagram during the repair of electrodynamic coupled circulation well

由表1 可知,耦合技术对低渗透含水层中重金属污染的修复效果十分显著,去除率可以达到90.56%,提高了2～3 倍,明显高于单纯电动力修复技术的效率.同时,电动力的能耗也从120kW·h/m3左右降低为0.233kW·h/m3,降低了3 个数量级.这是由于耦合技术中水动力循环控制作用显著,可以将水力循环捕获范围内的污染物迅速捕集到循环井中,相较于单纯电动力修复技术运行能耗大为降低,表现出了明显的高效率、低能耗的技术优势.

表1 电动力修复重金属污染相关研究能耗对比Table 1 Comparison of energy consumption in electric powerdriven remediation studies for heavy metal pollution

如图5 所示,在修复初期(0～360min)时,2 种修复方式的去除率基本相同,铬酸根离子去除率均达到了30%以上.此时主要去除抽水端附近低渗透含水层中的铬酸根离子,导致在修复初期时两修复方式效果相同.在修复中期(360～2160min)时,电动力耦合循环井的去除率明显高于单循环井,单循环井的铬酸根离子去除率为72.89%,电动力耦合循环井的铬酸根离子去除率为85.32%.电动形成电场力将铬酸根离子定向运移到抽水端附近和循环水流中,使得在相同时间下电动力耦合循环井去除的铬酸根离子更多.电场力不受地层渗透性条件的影响,电动力耦合循环井修复技术在低渗透含水层修复效果优于单循环井技术.在修复后期(2160～5040min)时,2 种修复方式的铬酸根离子去除率都基本不再增加,电动力耦合循环井对铬酸根离子的去除率可达到90.56%,单循环井对铬酸根离子的去除率只有76.01%.此时水流循环范围内的铬酸根离子基本被修复完全,未去除的铬酸根离子基本处于修复盲区内,难以通过延长修复时间的方法增大铬酸根离子的去除率.

图5 单循环井和电动力耦合循环井去除率对比Fig.5 Comparison of removal rates between single circulation wells and electrokinetic coupled circulation wells

修复初期,水动力控制作用占据主导地位,抽出端捕集的污染物的量基本相同,2 种修复方式修复效果基本相同.修复中期,电动力作用逐渐明显,将模拟区域右侧污染物推移至左侧循环井捕获范围内,并在水力循环控制作用下被捕获并去除.在此过程中,随着电动力作用效果的增强,2 种技术作用效果差距逐渐增大;修复后期,2 种技术作用效果基本稳定,污染物去除效率不再增加.