1、监测自然衰减(MNA)是一种应用较广的经济有效的土壤和地下水污染修复技术,而非水相液体(NA-P L)在非均质地层中的运移过程是自然衰减效果评估的重要内容。为了准确刻画多相流体在土壤及地下水中的生物降解过程,以我国北方某典型苯酚污染场地为例,基于连续三年的地下水质动态监测数据,利用多相流数值模拟软件T OUGH 3/TMVO C B i o构建了考虑M o n o d生物降解过程的苯酚运移的多相流数值模型。模型再现了现状条件下多相态苯酚的空间分布和时间变化过程,分析了吸附和M o n o d生物降解参数的敏感性。最后,讨论了吸附和微生物降解参数不确定条件下,溶解、挥发、吸附和生物降解作用去除苯
2、酚贡献率,对污染源处置的2种情景进行了模拟预测。研究发现,苯酚呈现间歇性泄漏,在地下介质中以吸附相为主,其次为液相和气相,最少为自由相。在参数不确定性影响下,生物降解作用为1 7.9 1%5 8.0 2%,并且降水条件会影响苯酚浓度的季节性变化。在未来2 0年内,在苯酚污染源完全去除和保持现状泄漏条件时,第2 0年末苯酚总质量去除率分别达到9 8%和8 0%以上。识别了多相流模型中敏感性较高的生物降解参数,为石化场地有机物生物降解过程数值模拟提供参考,同时可为我国MNA技术的应用提供理论依据。关键词:非水相液体;监测自然衰减;数值模拟;敏感性分析;土壤-地下水系统2 0 2 3-0 3-2 6
3、收稿;2 0 2 3-0 5-0 8修回;2 0 2 3-0 6-1 3接受中图分类号:X 5 3 文章编号:2 0 9 6-8 5 2 3(2 0 2 3)0 4-0 0 3 7-1 0d o i:1 0.1 9 5 0 9/j.c n k i.d z k q.t b 2 0 2 3 0 1 6 8 开放科学(资源服务)标识码(O S I D):N u m e r i c a l s i m u l a t i o n s t u d i e s o n m o n i t o r e d n a t u r a l a t t e n u a t i o n o f p h e n o l
4、 i n a q u i f e r s c o n s i d e r i n g t h e b i o d e g r a d a t i o n e f f e c tH u L i t a n g1 a,1 b,T i a n L e i1 a,1 b,W a n g D o n g2,H u a n g S h i q i1 a,1 b(1 a.C o l l e g e o f W a t e r S c i e n c e s;1 b.E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r o f G r o u n d w a t
5、e r P o l l u t i o n C o n t r o l a n d R e m e d i a t i o n o f M i n i s t r y o f E d u c a t i o n,B e i j i n g N o r m a l U n i v e r s i t y,B e i j i n g 1 0 0 8 7 5,C h i n a;2.S I NO P E C(B e i j i n g)R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C h e m i c a l I n d u s t r y C o.,L t d.,B
6、 e i j i n g 1 0 0 0 1 3,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v eM o n i t o r i n g n a t u r a l a t t e n u a t i o n(MNA)i s a w i d e l y u s e d,e c o n o m i c a l a n d e f f e c t i v e r e-m e d i a t i o n t e c h n i q u e f o r s o i l a n d g r o u n d w a t e r c o n t a m i n a t
7、i o n.T h e m i g r a t i o n o f n o n a q u e o u s p h a s e l i q u i d(NA P L)i n h e t e r o g e n e o u s s t r a t a i s a n i m p o r t a n t e l e m e n t i n t h e a s s e s s m e n t f o r t h e e f f i c i e n c y o f MNA.M e t h o d sB a s e d o n t h r e e c o n s e c u t i v e y e a
8、r s o f d y n a m i c g r o u n d w a t e r q u a l i t y m o n i t o r i n g d a t a,t h e p u r p o s e o f t h i s s t u d y i s t o a c c u r a t e l y c h a r a c t e r i z e t h e b i o d e g r a d a t i o n p r o c e s s e s o f m u l t i p h a s e f l u i d s a t a t y p i c a l p h e-n o l
9、c o n t a m i n a t e d s i t e i n n o r t h e r n C h i n a.A m u l t i p h a s e f l o w n u m e r i c a l m o d e l o f p h e n o l t r a n s p o r t c o n s i d e r-h t t p s:/d z k j q b.c u g.e d u.c n 地质科技通报 2 0 2 3年 i n g M o n o d b i o d e g r a d a t i o n p r o c e s s e s b a s e d o n
10、 TOUGH 3/TMVO C B i o s o f t w a r e w a s d e v e l o p e d a n d a p p l i e d.T h e m o d e l d e p i c t e d t h e s p a t i a l d i s t r i b u t i o n a n d t e m p o r a l v a r i a t i o n o f p h e n o l u n d e r t h e c u r r e n t c o n d i t i o n s w e l l a n d a n a l y s e d t h e
11、s e n s i t i v i t i e s o f t h e a d s o r p t i o n a n d b i o d e g r a d a t i o n p a r a m e t e r s.T h e p a p e r a l s o d i s-c u s s e d t h e r e m o v a l c o n t r i b u t i o n s o f d i s s o l u t i o n,v o l a t i l i z a t i o n,a d s o r p t i o n a n d b i o d e g r a d a t
12、i o n e f f e c t s u n d e r u n c e r t a i n t y o f a d s o r p t i o n a n d m i c r o b i a l d e g r a d a t i o n p a r a m e t e r s a n d p r e d i c t e d t w o d i f f e r e n t n a t u r a l a t t e n u a-t i o n s c e n a r i o s f o r s o u r c e d i s p o s a l.R e s u l t sT h e c o
13、 n t r i b u t i o n o f p h e n o l r e m o v a l v a r i e s o v e r a r a n g e u n d e r t h e i n f l u e n c e o f p a r a m e t e r u n c e r t a i n t y,w i t h 1 7.9 1%t o 5 8.0 2%f o r b i o d e g r a d a t i o n,a n d p r e c i p i t a t i o n c o n-d i t i o n s a f f e c t t h e s e a s
14、 o n a l v a r i a t i o n i n p h e n o l c o n c e n t r a t i o n s.I n t h e f u t u r e 2 0 y e a r s,u n d e r t h e c o n d i t i o n s w i t h c o m p l e t e r e m o v a l o f t h e p h e n o l s o u r c e a n d t h e p r e s e n t l e a k a g e m o d e l,t h e t o t a l m a s s r e m o v a
15、 l r a t e o f p h e n o l w i l l a r r i v e a t 9 8%a n d 8 0%a t t h e e n d o f t h e 2 0 t h y e a r,r e s p e c t i v e l y.C o n c l u s i o nT h i s p a p e r i d e n-t i f i e s t h e b i o d e g r a d a t i o n p a r a m e t e r s w i t h h i g h s e n s i t i v i t y i n t h e m u l t i
16、p h a s e f l o w m o d e l,w h i c h p r o v i d e s a r e f e r e n c e f o r t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n o f t h e o r g a n i c m a t t e r b i o d e g r a d a t i o n p r o c e s s a t p e t r o c h e m i c a l s i t e s a n d c a n a l s o p r o v i d e a t h e o r e t i c a l
17、b a s i s f o r t h e a p p l i c a t i o n o f MNA t e c h n o l o g y i n C h i n a.K e y w o r d s:n o n-a q u e o u s l i q u i d;m o n i t o r i n g n a t u r a l a t t e n u a t i o n;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n;s e n s i t i v i t y a n a l y s i s;s o i l-g r o u n d w a t e r s y
18、s t e mR e c e i v e d:2 0 2 3-0 3-2 6;R e v i s e d:2 0 2 3-0 5-0 8;A c c e p t e d:2 0 2 3-0 6-1 3 非水相液体(n o n-a q u e o u s p h a s e l i q u i d,简称NA P L)是地下水中最常见的污染组分之一,主要来源于石油化工企业的泄漏。该类污染物水相溶解度小、泄漏过程隐蔽,且大多数组分具有“三致”作用,严重危害生态环境及人类健康。随着环境问题的加剧和政府环境治理力度的加强,NA P L污染及修复已成为当前备受公众和社会关注的环境问题。NA-P L在地下水
19、中的迁移机制复杂,以吸附态、自由态、溶解态、挥发态等形态存在于土壤地下水系统中,随着地下水位的变动对地下水造成长期的污染。对于NA P L污染迁移规律的研究,最早集中在油品泄漏后在地下水中的迁移趋势及其物理机制的相关实验研究1。自D a m2将NA P L在地下水的运动作为两相流问题研究以来,关于NA P L在地下介质中的运动一般以多相流的角度进行研究3。直到2 0世纪7 0年代随着大型计算机的发展,数值模拟在实践领域中被大量应用4-6,这为求解多相流体迁移转化模型开拓了新的空间。NA P L污染物在土壤和地下水中的迁移和转化涉及多相流、多组分运移,往往难以实现对这些复杂过程的实际探测7,因此
20、目前广泛采用数学和计算机模型来模拟NA P L污染物的迁移和归趋8。将多相流动简化为溶质的单相流动,则可以利用溶质运移模拟软件模拟溶质的迁移转化过程,主要考虑溶质的吸附解吸、反应和生物降解 过 程,代 表 性 的 软 件 如R T 3 D9-1 0。部 分 学者1 1-1 3根据多组分多相流运移的控制方程和附加方程自主开发了模拟软件,主要用于描述考虑溶解和吸附过程的石油污染物运移,但软件推广和普及率低。UT C h e m和TMVO C软件是国内外广泛应用的多相流数值模拟器,UT C h e m的优势在于描述地下水污染修复过程1 4-1 5,而TMVO C能有效模拟区域尺度多组分多相流的运移过
21、程1 6。在增加了生物降解模块后,TMVO C包括了NA P L的溶解、吸附、挥发和生物降解等过程的描述。监测自然衰减技术(m o n i t o r e d n a t u r a l a t t e n u a-t i o n,简称MNA)是石化污染场地中较为常用的地下水原位修复技术,由于具有成本低、环境影响小和绿色可持续等技术优势,受到广泛关注1 7-1 9。最初,美国空军环境中心将自然衰减定义为由吸附、弥散、稀释、挥发和生物降解等衰减机制的集合2 0。美国地质调查局2 1对某垃圾填埋场污染羽进行了长达1 2年的监测,发现随着场地电子受体含量降低,污染羽有机物浓度逐渐下降。卡尔斯鲁厄理工
22、学院等2 2监测了德国某焦油污染场地地下水中复合有机污染物的自然衰减作用。挥发性酚是石化场地污染的主要来源之一,在检测中通常以苯酚对其进行计量。苯酚泄漏后一般会在土壤环境中富集,由于地下水动力条件等原因造成地下水污染。由于生物毒性大,苯酚在地下水污染研究中非常重要,但据国内外已有文献的检索,难以找到地下水系统中监测自然衰减技术应用于苯酚的案例。实验表明2 3,石化污染场地中的土著微生物菌群在苯酚生物降解中发挥着重要作用,苯酚的好氧降解以氧气为电子受体,将苯酚最终降解为H2O和C O2等无害产物,生物降解对石化污染土壤和地下水的修复起着重要的作用。石化场地中苯酚的泄漏可能是历史原因或事故引起,但
23、随着企业管理水平的不断提高,事故情景下的泄漏一般难以发生,即使发生,因为一般具有应急管理预案,污染也具有一定的可控性。地下水污染溯源的难点在于历史泄漏条件的查明,而现状监83 第4期胡立堂等:考虑生物降解的含水层苯酚自然衰减的数值模拟研究测到的地下水苯酚浓度可间接反映地下水动力影响下的泄漏条件。TMVO C B i o作为模拟NA P L在土壤和地下水中运移的有效工具,不仅包括了从非饱和土壤泄漏到饱和地下水的挥发、吸附过程的描述,同时加入M o n o d方程描述受微生物、氧气影响下的有机物生物降解过程。M a c Q u a r r i e等2 4采用双重M o n o d方程与对流-弥散模
24、型计算了有机物在电子受体(溶解氧)和细菌群影响下的衰减作用。J e a n等2 5对比了基于M o n o d方程和一级动力学反应的苯-甲苯-二甲苯(B T X)多组分有机物自然衰减模型,发现M o n o d方程的模型比一级动力学反应模型更接近实验结果。赵梦等2 6将M o n o d方程嵌入到R T 3 D模块中,构建了承压含水层中D NA P L自然衰减模型。目前,对于生物降解过程的应用案例较少2 7,而多相流数值模拟计算耗时长,特别是缺乏对吸附和生物降解等反应参数不确定性的研究,监测自然衰减效果的案例稀少。笔者拟以中国北方某石油化工固废垃圾处置场的风化花岗岩含水层为例,结合近3年场地地
25、下水位和水质监测数据,选择苯酚为代表性污染物,利用多相流数值模拟技术对苯酚自然衰减效果进行评价和分析,探讨反应参数不确定性对自然衰减效果的影响,为研究区内地下水中MNA技术的应用评价提供理论依据。1 研究方法1.1多相流数值模型本研究采用TOUGH 3/TMVO C B i o模块进行模拟。TMVO C B i o模块是由美国劳伦斯伯克利国家实验室开发的水、气体和挥发性有机物(v o l a t i l e o r g a n i c c h e m i c a l s,简称VO C s)在多维非均质多孔介质中三相非等温流动的数值模拟软件2 8,专为解决碳氢燃料或有机溶剂在饱和区和不饱和区泄漏
26、造成的污染问题而设计,涉及到对流、扩散、吸附、生物降解等过程,可以分析气相-液相-NA P L相三相系统间的相互转化2 9。针对多相流控制方程具有强 非 线 性 的 特 点,TOUGH 3/TMVO C B i o采 用N e w t o n-R a p h s o n迭代法、并行迭代解法器库A Z-T E C或P E T S c库进行非线性方程组求解,并行计算显著提高了软件的应用效率3 0。在TMVO C B i o中,对于任一体积为Vm,表面积为m的渗流区,组分i(i=w(水),a(空气),n(NA P L)的质量守恒方程为:ddtVmMidVm=mFimdm+VmqidVm(1)式中:V
27、m为流动单元体的体积;m为表面积;Mi为组分i在单位土壤介质中质量;Fi为进入到流体单元体的组分i的总通量;qk为组分i在单元体的源汇相;m为流动区单元体表面的外法向单位矢量。Mi包含了气相、液相和NA P L相的总和。单位体积内水相、气相和NA P L相的总质量表示为:Mi=SXi+Mia d s(2)式中:为多孔介质的孔隙度;S为相的饱和度(=w,a,NA P L,即为水、气和NA P L相);为相的密度;Xi为组分i在相中的质量分数;Mia d s为组分被土壤介质瞬时解吸的吸附量,对于水相和气相为0,NA P L相可表示为:Mia d s=(1-)RwXiwKf(3)式中:Xiw为组分i
28、在水相中的摩尔分数;R为多孔介质颗粒密度;K为有机碳分配系数;f为土壤中有机碳质量分数。各组分流量通量包含各相态的总和,而且不同相态在重力与毛细压力的共同作用下遵循达西定律:Fi=Fi=-kkrwu(肀P-Pg)(4)式中:k为岩石的固有渗透率;kr是相的相对渗透率;u为相的动力黏度;P为相的压力;g是重力加速度。1.2自然衰减过程模块的算法VO C s的自然衰减涉及挥发、吸附和生物降解等过程。本文模拟的VO C s污染物为苯酚。苯酚的挥发和溶解过程采用亨利定律表征,具体可参考文献2 8 和3 0。在固体颗粒表面的吸附用可逆的线性平衡吸附模型刻画,见式(3)。生物降解速率由修正后的M o n
29、o d动力学方程计算3 1,该方程可以解释各种限制因素对微生物降解速率的影响。本研究采用乘法M o n o d模型,即假设所有限制因素同时影响底物吸收速率3 2-3 3,不考虑毒性抑制和微生物竞争带来的抑制效应。含水层中微生物对主要基质的降解过程表示为:dCb i odt=-0,BB(5)式中:Cb i o为作为基质的碳氢化合物浓度,即单位质量水体中化合物的质量;B为微生物浓度,即单位质量水体中的微生物质量;0,B为单位质量微生物对特定基质的利用速率,可由式(6)确定:0,B=m a x,BCb i oKC+Cb i oEKE+E(6)式中:m a x,B为单位质量微生物对特定基质的最大利用速
30、率;E为电子受体浓度;KC为基质半饱和常数;KE为电子受体半饱和常数。93h t t p s:/d z k j q b.c u g.e d u.c n 地质科技通报 2 0 2 3年 地下水中微生物浓度增长率与基质吸收带来的浓度增加和自然死亡带来的浓度减少两方面相关。微生物浓度变化速率用一阶衰变过程表示为:dBdt=Y0,BB-B(7)式中:Y为微生物产生系数,即单位质量有机物产生的生物质;为微生物一阶死亡速率常数。1.3参数敏感性分析方法苯酚在地下介质中的吸附以及生物降解参数具有不确定性,因此以观测井中苯酚在液相中的质量分数为输出变量,分析不同参数取值对质量分数的敏感性。本研究设置不同参数取
31、值,分别进行模拟计算,再采用手动计算敏感度。灵敏度分析利用结果对参数求偏导数,反映参数变化对结果的影响程度,即:Si=y/j(8)式中:Sj为当j参数变化时对输出结果y的影响程度,也就是灵敏度系数。由于不同参数单位不同,将式(8)标准化后得到灵敏度系数的计算公式为:Sj=(y/y)/(j/j)(y(j+j)-y(j)/y(j)(j/j)(9)2 场地特征和模型设计2.1污染场地概况研究区为中国北方风化花岗岩风化裂隙含水层,海拔在7 53 5 0 m之间,其坡降平均为24(图1)。研究区属暖温带半湿润季风性大陆性气候区,2 0 0 0-2 0 2 0年平均年降水量约为5 3 0 mm,降水量集中
32、在汛期,69月降水量约占年降水量的7 5%。研究区没有常年性的河流。已有钻孔揭露地下3 54 0 m深度从上至下依次为回填土、全风化和强风化花岗岩、中等风化花岗岩、弱风化和无风化花岗岩。全风化和强风化花岗岩深度一般为51 5 m,构成了区域主要含水层。研究区内地下水位埋深11 1 m,季节波动性不大。地下水由西北向东南流动。固废填埋场在近几年按正规填埋场要求进行改建,但由于存在历史遗留的潜在污染源,2 0 1 8-2 0 2 0年监测到填埋场附近以苯酚等为主的挥发性有机物在地下水中的浓度为0.0 0 30.0 3 2 m g/L,间歇性地超过了地下水类标准(0.0 1 m g/L),而在离填埋
33、场1 k m的下游观测井尚未发现苯酚超标。本研究主要考虑由固废垃圾填埋场污染源泄漏产生的苯酚污染运移和自然衰减过程。2.2模型设计根据含水层分布及地下水流动特征,以可能的图1 研究区域图F i g.1 M a p o f t h e s t u d y a r e a污染源泄漏范围为重点研究区,从而确定了多相流模型范围,模拟区面积约1 2.8 k m2。模型西北侧和东南边界为已知压力边界,其他边界为零通量边界。假定模型在入渗补给条件下形成静态的压力平衡条件,进而研究NA P L在土壤及地下水系统中的运移过程。垂向上划分为4层,自上而下的4层岩性及厚度分别为:回填土(22 7 m);强风化花岗岩
34、(1 0 m);中风化花岗岩(7 m);弱风化花岗岩(5 0 m),每个概化层再细分为5个模拟层。中风化和弱风化的花岗岩可能存在裂隙引起的不连续流体运移,但考虑到污染物和地下水主要在全风化土层和强风化带运移,本研究忽略不连续裂隙水流作用,按照等效多孔介质进行模拟。图2 研究区三维网格图F i g.2 T h r e e-d i m e n s i o n a l g r i d s y s t e m i n t h e s t u d y a r e a利用I GME S H3 4软件进行网格剖分,水平方向剖分为非规则网格,在泄漏点附近进行加密。平面上,研究区划分为2 8 8 4个网格单元;
35、垂向上划分为2 9个非等间距网格,在潜水面附近等关键位置进行网格加密,共剖分为2 8 8 42 9=8 3 6 3 6个网格(图2)。模型顶部为大气压力边界,其边界层厚度设置为0.1 m;模型底部为隔水的定压边界,其厚度04 第4期胡立堂等:考虑生物降解的含水层苯酚自然衰减的数值模拟研究划为0.1 m;其他层从上至下分别细分为1 0层,5层,2层和1 0层,分层情况如表1。现状条件下,场区浅层地下水无人工开采,主要接受降水入渗补给,通过侧向流出进行排泄。取入渗系数为0.0 5,大气降水在地面的入渗补给强度为0.0 0 4 80.1 8 5 5 mm/d。模拟时段为1 0 8 0 d(2 0 1
36、 8-2 0 2 0年),模型的时间步长根据源汇项、输出时间断面和收敛情况进行自动调整。模型中地下水初始压力分布和苯酚初始浓度分布的确定是个难点。研究区西北侧及东南侧均为已知压力边界,根据西北和东南侧的压力根据2 0 1 8-2 0 2 0年的地下水位埋深来设定,取多年平均的月降水量以及到地面的降水入渗补给系数进行长时间的动态模拟,从而获得多相流数值模型的初始压力条件。由于含水层厚度不大,研究中采用等温模型计算,假定环境温度恒定为2 0。根据2 0 1 8-2 0 2 0年地下水中苯酚浓度的监测数据分析,苯酚泄漏点在填埋场附近,呈现间歇式超出五类地下水质特征。填埋场存在近4 0 a,企业高速发
37、展的历史可能有数十年,苯酚的历史泄漏无法判断。假定苯酚持续泄漏3 a,之后间歇泄漏6 a,根据模型计算而获得苯酚的初始空间分布。2 0 1 8-2 0 2 0年的苯酚源强根据监测的苯酚浓度来间接确定,推测分别发生在4 5 04 6 0,9 9 01 0 0 0 d,泄漏速率分别为8.1,4.0 5 k g/d。余诗航等3 5曾于2 0 2 0年1 1月对填埋场取5 0 c m深度取土样和水样测定污染组分,土壤含水率范围在6.2 7%9.5 4%,土壤总有机碳为0.2 7%1.7 7%,而在地下水中未检测到苯酚,因此说明苯酚可能主要在非饱和土层泄漏。2.3模型参数设置根据已有钻孔的抽水试验结果,
38、中等和全风化层的渗透系数为0.82.5 m/d,因此垂向的渗透率参数如表1所示,假定水平向饱和渗透率为垂向渗透率的2倍。在常温常压条件下,苯酚的摩尔质量是9 4.1 1 1 g/m o l,密 度 为1 0 1 7 k g/m3,沸 点 为4 5 5.2 K,亨利定律常数为0.2 2,在水体中的溶解度为5 1 7 m g/L。由于不同介质的苯酚吸附分配参数未知,参照TMVO C B i o的VO C s参数库以及中国土壤有机质数据集,不同介质中苯酚的固-液分配系数为0.1 4 6 m3/k g,介质中(TO C)为0.0 5%。修正的S t o n e三相渗透率计算公式,水、NA P L和气的
39、残余饱和度分别取为0.2 0,0.0 5,0.0 1,孔径指数取为3.0;毛细压力采用P a r k e r等的三相毛细压力计算公式,水的残余饱和度为0.0,指数取为1.8 4,NA P L与气和水与NA P L的经验系数分别取为1 0和1 1。与生物降解有关的过程涉及多个反应参数,由于缺乏针对性的试验,参考TMVO C B i o手册3 6和B a t t i s t e l l i等人的研究结果3 1选取生物降解反应参数,见表2,取基准取值的0.11 0倍范围作为参数敏感性范围。苯酚或者被生物降解被去除,或者由于物理化学作用,在介质中呈现气相、水溶液相、吸附相、NA P L相并在不同相态之
40、间转化。表1 模型分层和孔隙度与渗透率参数列表T a b l e 1 L i s t o f m o d e l l a y e r s,p o r o s i t y a n d p e r m e a b i l i t y分层岩性分层号厚度/m垂向饱和渗透率/m2孔隙度/%人工回填土21 122 751 0-1 21 5全-强风化层1 21 61 031 0-1 21 2中风化层1 71 8711 0-1 21 1弱-微风化层1 92 85 011 0-1 31 0表2 苯酚吸附和生物降解的主要参数3 1,3 6T a b l e 2 M a j o r p a r a m e t e
41、r s r e l a t e d t o p h e n o l a d s o r p t i o n a n d b i o d e g r a d a t i o n参数基准取值敏感性范围固-液分配系数/(m3k g-1)0.1 4 60.0 1 4 61.4 6 0介质有机碳质量浓度/%0.0 50.0 10.2微生物最大利用速率/1 0-7s-11.2 70.2 56.3 5基质半饱和常数/1 0-6(k gk g-1)214微生物产出系数/(k gk g-1)0.50.12.5氧气利用率/(m o lm o l-1)7.53.7 51 5.0氧气半饱和常数/1 0-7(k gk
42、g-1)1 02.05 0微生物死亡速率/1 0-9s-12 3.14.1 01 0 23 模拟结果分析3.1压力和苯酚浓度的模拟结果典型观测井位于垃圾填埋场内,测定的是潜水中地下水位和苯酚浓度。沿典型剖面AA 的初始液相饱和度分布如图3-a示,在地表以下23 0 m内液相饱和度由0.0 5增加到1.0 0,即由非饱和变为饱和状态。将压力转化为地下水位,获得监测点的模拟与实测水位的关系如图3-b示,相对误差范围为0.1 8%6.5 4%,整体拟合效果较好。研究区西北地区地下水位高,东南地区地下水位低,地下水流由西北流向东南。图4为1 0 8 0 d内模拟的固废填埋场W 1井液相苯酚质量分数与实
43、测液相浓度变化的对比曲线,两者变化趋势基本一致。当苯酚发生泄漏时,苯酚质量分数升高并到达峰值,之后由于吸附、生物降解等自然衰减作用,苯酚质量分数降低。在此期间,苯酚的间歇性泄漏(第4 5 04 6 0,9 9 01 0 0 0 d)使介14h t t p s:/d z k j q b.c u g.e d u.c n 地质科技通报 2 0 2 3年 图3 研究区初始液相饱和度分布(a)以及模拟与实测地下水水位关系(b)曲线F i g.3 D i s t r i b u t i o n o f i n i t i a l l i q u i d s a t u r a t i o n(a)a n
44、d r e l a-t i o n s h i p c u r v e s b e t w e e n t h e o b s e r v e d a n d s i m u l a-t e d w a t e r t a b l e s(b)质中苯酚含量再次增加,1 0 8 0 d内共泄漏1 2 1.5 k g。模型可计算出介质中苯酚的气相、液相、吸附相、自由相和总质量的变化,计算出每个时间断面的不同相态质量占总质量的比例(图5)。由图可见,介质中苯酚主要以吸附相存在(占比6 5.0 0%以上),其次为液相苯酚(占比约9.7 2%)、气相苯酚(占比约6.4 4%),最少的为NA P L相苯酚
45、(占比为2.4 7%1 9.2 0%)。自由相NA P L比例呈现逐渐减少的趋势,也可发现吸附相NA P L比例有增大的趋势,因为苯酚总质量总体呈现减少趋势(图4)。图4 典型观测井中实测液相苯酚质量浓度与模拟的液相苯酚质量分数随时间变化F i g.4 M e a s u r e d v e r s u s s i m u l a t e d p h e n o l m a s s f r a c t i o n s i n t h e l i q u i d p h a s e o v e r t i m e i n a t y p i c a l o b s e r v a-t i o n
46、 w e l l3.2微生物变化为了解生物降解作用的强度及变化规律,做出填埋场典型观测井微生物质量分数与苯酚液相质量图5 介质中各相苯酚占总质量比例随时间变化F i g.5 C h a n g e i n t h e r a t i o o f p h e n o l c o n t e n t i n e a c h p h a s e t o t h e t o t a l a m o u n t i n t h e m e d i u m w i t h t i m e分数之间的关系(图6),微生物在液相中的质量分数变化范围为1.01 0-71.41 0-7,泄漏时苯酚液相质量分数快速增加,随后由于生物降解作用及其他物理化学反应,苯酚液相质量分数逐渐下降。介质中由于苯酚降解过程中微生物逐渐消耗,微生物生长速率小于死亡速率,微生物质量分数先