非等温条件下有机污染物在粘土衬垫中的扩散分析

填埋场中垃圾降解作用产生的热量在黏土衬垫中的运移会形成温度场,温度场会对污染物的运移产生影响。文章在多孔介质热力学理论和污染物运移理论相结合的基础上,主要考虑温度场对污染物扩散的影响,建立了非等温条件下有机污染物在黏土衬垫中的一维扩散模型,并采用分离变量法得到了模型的解析解。基于文中模型,对比了非等温条件和等温条件下有机污染物在黏土衬垫中的运移。非等温条件的黏土衬垫底部浓度比等温条件下的浓度大,非等温模型比等温模型更偏于安全。解析解可为实验数据的拟合及分析、衬垫的设计提供参考。进一步的参数分析表明:增大阻滞因子Rd和黏土厚度L可以减小黏土衬垫底部由温度梯度引起的有机污染物浓度。     

非等温分布条件下三层复合衬垫中有机污染物一维瞬态运移规律研究

针对非等温分布条件下由土工膜(geomembrane,简称GMB)+土工复合膨润土衬垫(geosynthetic clay liner,简称GCL)+压实黏土衬垫(compacted clay liner,简称CCL)组成的3层复合衬垫中有机污染物一维瞬态运移问题,考虑了对流、扩散、机械弥散、吸附、降解和热扩散等因素,建立了相应的数学模型。该模型可考虑扩散系数和渗透系数等参数随温度变化。利用有限差分法,获得了该模型的数值解。通过将所建模型计算结果分别与试验结果、已有解析模型计算结果和COMSOL软件计算结果进行对比,验证了所建模型的正确性。基于所定义的击穿时间t_b,以甲苯作为代表性有机污染物分析和讨论了不同因素对运移行为的影响。结果表明：(1)非等温分布条件会使渗透系数、扩散系数和线性吸附系数等参数发生变化,其中渗透系数和扩散系数的变化会加快运移过程,尤其是扩散系数,而线性吸附系数的变化会减慢运移速率;(2)复合衬垫上部和底部温度差ΔT的增大会使击穿时间t_b减小,底部运移通量J_b增大;当ΔT为0、10、20、30、40 ...     

考虑非等温环境下污染物在黏土中的运移解析模型

利用广义积分变换法推导了非等温条件下污染物在压实黏土衬垫中的运移解析解。所提出的解析解考虑了分子扩散、对流、吸附和热扩散的耦合效应,并考虑了压实黏土的渗透系数、分布系数和有效扩散系数3个参数随温度的变化。通过与热扩散试验结果、已有的解析解和基于COMSOL软件的数值模型的对比,验证了所提出的解析解。利用经过验证的解析解,研究了非等温环境以及压实黏土的渗透系数、有效扩散系数和分布系数3个参数随温度的变化对甲苯在压实黏土衬垫系统中迁移的影响。结果表明,非等温环境以及压实黏土的渗透系数、有效扩散系数和分布系数随温度的变化均对甲苯在压实黏土衬垫中迁移有着显著的影响。不考虑非等温环境的影响将极大低估污染物的溢出量和污染物的击穿时间。既有解析解忽略压实黏土的渗透系数和有效扩散系数随温度的变化会极大低估甲苯的流出速率,而忽略压实黏土分布系数随温度的变化会极大高估甲苯击穿衬垫系统的时间和达到稳态的时间。所提出的解析解能够考虑热扩散作用,同时考虑了压实黏土的渗透系数、分布系数和有效扩散系数3个参数随温度的变化,较既有解析解更贴近工程实际,能够为压实黏土衬垫系统的设计和服役性能评价提供指导和借鉴。     

有机污染物在复合衬垫中的运移分析

有机污染物在垃圾填埋场复合衬垫中有两种不同的运移方式:土工膜上缺陷处污染物的运移和完好复合衬垫中污染物的扩散。文章分别用有限差分法和解析法对两种方式下污染物的累积量进行计算,分析了两种方式对有机污染物运移所做的贡献。研究表明:GCL(人工合成材料粘土衬垫)复合衬垫以有机污染物在完好复合衬垫中的扩散为主,可以忽略缺陷处污染物的运移;而CCL(压实黏土衬垫)复合衬垫中两种运移方式所做的贡献在同一数量级,需要考虑两种方式的共同作用。在GCL复合衬垫下铺设粘土层能有效改善GCL复合衬垫对有机污染物的阻止效果。     

有机污染物在完好复合衬垫中的迁移分析

在复合衬垫中,有机污染物除了在土工膜缺陷处发生迁移外,在完好土工膜中的迁移也是主要方式。考虑有机污染物在土工膜边界处的浓度跳跃现象,建立了有机污染物在完好复合衬垫中迁移的一维模型,得到了解析解。通过与有限差分解的比较,验证了解答的合理性。应用该解答分析了GCL复合衬垫和CCL复合衬垫防止有机污染物渗漏的效果。结果表明,CCL复合衬垫的效果较好,可以通过黏土改性和增加黏土厚度的方法来提高其有效性。有机污染物类型的选择对GCL复合衬垫的分析结果影响较大,而阻滞系数的变化对分析结果影响较小。     

基于有机污染物扩散的复合衬垫厚度的概率设计

有机污染物在复合衬垫中的运移以扩散方式为主。目前关于运移参数不确定性及其对衬垫性能影响的研究还不多,复合衬垫厚度的设计也没有考虑不确定性的影响。总结了运移参数已有的成果,采用蒙特卡罗法研究了半无限条件下运移参数的变异性对衬垫底部污染物质量浓度和通量的影响,并对衬垫厚度进行了设计。研究表明:土工膜中有机污染物的分配系数和扩散系数的变异性对质量浓度和通量的影响可以忽略,而土中有机污染物的扩散系数和阻滞系数的变异性对其影响则非常显著。确定性方法计算的结果偏于危险,有必要加强对土中有机污染物的扩散系数和阻滞系数概率特性的研究。以甲苯为例进行黏土衬垫厚度设计,结果表明:概率计算方法得到的黏土衬垫厚度约为确定性方法的1.71~1.81倍,采用概率方法进行衬垫设计更合理。     

考虑热扩散的黏土衬垫中污染物运移简化计算

以单层压实黏土衬垫为研究对象,在传统对流弥散方程的基础上考虑温度梯度下污染物的热扩散运移,得到简化条件下半无限边界的解析解。研究表明,考虑热扩散效应所得的衬垫底部相对浓度和通量均大于传统对流弥散方程所得结果,S_T越大时相对浓度和通量也越大,当S_T=0.5 K-1时稳定通量达到S_T=0时稳定通量2.5倍。热扩散通量是对流通量的-AS_TD/v倍,两者均随时间的增加而增大;分子扩散通量则先增加达到峰值后减小趋于零。同时考虑温度对运移参数的影响和热扩散效应时,温度升高使衬垫底部相对浓度增大,导致击穿时间提前,污染物通量显著增大;当温度从30℃升高至70℃时,击穿时间从8.5 a提前至5.1 a,稳定通量增大约1.7倍。在进行衬垫设计时不考虑温度的影响将使污染风险大幅增加。     

非等温分布条件下考虑半透水边界时饱和黏土的一维固结解析解

温度的变化会导致土体的物理力学性质改变,且在一些实际工程中,饱和黏土会处于非等温分布状态。为此,针对非等温分布条件下饱和黏土的一维固结问题,考虑了更具普遍性的半透水边界,通过某些假定推导了单级线性加荷形式下饱和黏土一维固结控制方程,并利用分离变量法求解得到了控制方程的解析解。通过将所提解析解分别与已有解析解和有限差分解展开对比分析,验证了所提解答的正确性。基于所提解析解,利用某一算例分析了温度梯度、半透水边界参数及加荷时间对固结性状的影响。结果表明：温度梯度 M 越大,土体的渗透性越大,土体的固结速率越快;半透水边界参数 R1和 R2越大,相同时间内土体的超孔隙水压力越小,土体的平均固结度越大;土体的平均固结度随加荷时间 tc 的增大而减小,这主要是由于加荷阶段所施加的外荷载小于最终荷载,但加荷时间tc的延长可一定程度减小土体中产生的最大超孔隙水压力。     

非等温条件下道路水分迁移的数值模拟

通过分析季节冻土区的温度分布规律,建立了温度随时间的变化函数.在此基础上,基于连续介质力学和热力学理论,建立了道路水分迁移过程中的水热耦合动力学模型,并对季节性冻土地区的水分迁移现象进行数值模拟分析,初步探讨了在非等温冻结条件下,水热耦合过程中路基填料的含水量和温度随时间和深度变化的关系,计算结果表明,冻结过程中在冻结峰面附近形成一个冻结含水量峰值,且该峰值随着冻结时间的延长而向深度发展,这对于路基路面的综合设计,道路冻害的预报有着重要的理论意义和实际应用价值.但要真正体现道路路基水分迁移的机理,有待于建立水分迁移过程中水、热、动载和渗流耦合模型,这是有待于进一步解决的问题.     

重金属污染物在黏土固化注浆帷幕中的运移规律

基于渗透和弥散作用,探讨了黏土固化注浆帷幕对污染物的阻滞机制,通过土柱试验,分析了注浆帷幕对重金属污染物的渗透性能和弥散性能,采用污染物运移过程数值模拟的一维对流-弥散计算模型,研究了重金属污染物在注浆帷幕中的运移规律。试验表明,不同的污染物质在黏土固化注浆帷幕中的渗透性能和弥散性能不同,镉的迁移速度大于铅。数值计算表明,注浆帷幕的厚度及其渗透性、弥散性和水力梯度等重要控制参数对重金属污染物在帷幕中的运移过程具有显著影响。     

降雨入渗条件下非饱和黏土边坡稳定性分析

大量研究表明,主要且直接诱发边坡失稳的主要因数是降雨,雨水入渗对非饱和土质边坡稳定性的影响最大。分析非饱和黏土边坡基质吸力和渗流场影响,采用有限元软件FLAC2D建立非饱和黏土边坡的数值模型,研究计算在降雨强度不同条件下,降雨时间相同和降雨总量相同这两种情况对边坡稳定性的影响。结果表明:非饱和黏土边坡内部的剪应变增量随降雨强度的变大而增大,边坡的位移也和降雨强度呈正相关关系,降雨强度越大越容易造成黏土边坡表层失稳。     

降雨入渗条件下非饱和黏土边坡稳定性分析

大量研究表明,主要且直接诱发边坡失稳的主要因数是降雨,雨水入渗对非饱和土质边坡稳定性的影响最大。分析非饱和黏土边坡基质吸力和渗流场影响,采用有限元软件FLAC2D建立非饱和黏土边坡的数值模型,研究计算在降雨强度不同条件下,降雨时间相同和降雨总量相同这两种情况对边坡稳定性的影响。结果表明:非饱和黏土边坡内部的剪应变增量随降雨强度的变大而增大,边坡的位移也和降雨强度呈正相关关系,降雨强度越大越容易造成黏土边坡表层失稳。     

联合机制下黏土垫层多离子扩散模型

扩散是工程领域中的一种重要现象,尤其是针对填埋场底部的压实黏土垫层。扩散过程受多种因素影响,如离子种类、离子价态和离子浓度等,因此建立准确的扩散模型对填埋场垫层系统设计和评估具有极其重要的意义。引入简化的Guntelberg活度系数表示真实溶液与理想溶液浓度值的偏差,采用化学势和扩散势共同表征多离子扩散的驱动力,并考虑黏土介质特有的半透膜性能对离子扩散规律的影响,建立了复杂机制联合作用下多组分并存时离子在黏土垫层中的扩散模型。采用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics对所建扩散模型进行数值求解,结果表明,黏土半透膜效应、溶液非理想性和扩散势均显著影响多离子扩散行为,考虑黏土半透膜效应及溶液非理想性条件下,多离子扩散进程明显减缓,考虑扩散势时,阳离子扩散速度显著提高。复杂机制联合作用下,多离子扩散规律并非单一影响机制的简单叠加,各机制之间相互制约共同影响多离子扩散行为。     

有机膨润土制备条件对其吸附有机污染物性能的影响

以溴化十六烷基三甲铵为改性剂，对天然钙基膨润土进行有机化改性，系统地研究了改性剂用量以及钠化，热活化和酸活化对有机膨润土吸附苯酚、苯胺、苯、甲苯和二甲苯的影响，并初步探讨了有机膨润土与有机物间的作用机理。实验结果表明，改进剂用量是影响有机膨润土对有机物吸附性能的主要因素；改性剂用量相同时，钠化土的吸附效果明显好于直接改性的6.0%土，而热活化和酸活化对于有机膨润土吸附不同的有机物时影响程度也不同。应用有机膨润土建造垃圾填埋场防渗衬层具有一定的可行性。     

煤矸石淋滤液中污染物在GCL中的扩散性能

为验证土工合成黏土衬垫（Geosynthetic Clay Liners,GCL）作为煤矸石处置场衬垫层建设材料的可行性,采用垂直式双筒扩散装置进行室内扩散试验,研究了煤矸石淋滤液中典型污染物Zn²⁺、Mn²⁺和SO₄^2-在人工钠化膨润土GCL中的扩散性能,使用有限层法模拟软件POLLUTE V7对污染物随时间变化的曲线进行拟合,确定3种污染物在人工钠化膨润土GCL中的扩散系数。研究结果表明,污染物在GCL中的扩散系数低于它们在传统压实黏土衬垫层中的扩散系数,从而能更有效地控制煤矸石淋滤液中污染物在GCL中的扩散迁移行为。     

有机污染物在长江三角洲城市群典型沉积物中的迁移行为

长江三角洲城市群地区是中国沉积类型种类相对多、岩性类型复杂的地质区域。改革开放以来该地区化工企业快速发展, 使有机化工产品泄漏到土壤和沉积物中的风险加大, 对环境构成了较大的安全隐患, 因此, 掌握污染物在土壤和沉积物中的迁移转化规律对后续开发利用具有实用意义。采集并分析了长江三角洲城市群4种代表性的沉积物, 以邻氯甲苯为代表开展了有机污染物在沉积物中迁移行为的研究, 并利用SPSS软件建立邻氯甲苯吸附量与沉积物理化性质之间的相关方程。研究结果表明: 长江三角洲城市群湖积相、湖沼积相、冲湖积相和冲积相沉积物的有机质含量直接控制其对邻氯甲苯的吸附阻滞能力, 土壤的pH、矿物成分、阳离子交换量对邻氯甲苯的吸附能力影响不大, 苏州的湖积和湖沼积沉积物中有机质含量较高(7~63 g/kg), 其对邻氯甲苯的吸附阻滞能力较强, 而南京、镇江等地的冲积沉积物和常州、江阴南部的冲湖积沉积物中有机质含量较低(4~15 g/kg), 对邻氯甲苯的吸附能力较弱, 使污染物更易迁移; Freundlich模型能够较好地拟合不同种类沉积物对邻氯甲苯的等温吸附过程, 表征吸附强度的系数KF与沉积物的有机质含量呈显著正相关, 有机质含量越大, KF值越大, 沉积物对邻氯甲苯的吸附强度越强, 邻氯甲苯的等温吸附过程线性程度越高。研究成果将有利于预测有机污染物在长江三角洲城市群地区不同种类沉积物中的吸附行为, 为治理污染和调整工业布局提供理论依据。     

反硝化条件下地下水中常见有机污染物苯和甲苯微生物降解研究

随着石油的开采及其比工工业的发展,地下水遭受了以苯和甲苯为代表的芳香烃污染,以其危害巨大和具有普遍性而引起人们的高度重视,然而,直到现在尚无成熟且经济有效的治理方法。在过去近20年的时间里,国外主要是欧美等国家的许多水文地质学者和环境学者围绕如何去除地下水有机污染物、恢复含水层开展了大量研究工作,而我国在这方面的研究尚处在起步阶段,亟待加强。     

有机污染物在改性黄土中的吸附和迁移滞后性研究

用阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（HDTMA-Br）和阴离子型表面活性剂十二烷基苯磺酸钠（SDBS）对黄土进行改性处理，并制备了一系列土壤样品。比较了甲苯在天然黄土和改性土中的不同吸附特性，并探讨了它们不同的吸附机理。通过比较甲苯在两类土壤中的吸附特性可以发现，等温吸附曲线均符合弗德里希方程式．但改性黄土的吸附能力为天然黄土的3—6倍。当同时用阴一阳离子表面活性剂进行黄土改性，吸附能力比单独使用阳离子表面活性剂改性的黄土增强15％-20％。土柱实验证明改性黄土对有机污染物对硝基苯胺的迁移具有明显的滞后性，使污染带前锋到达土柱出水口的时间延迟了50倍，也使土柱被穿透的时间延长了3.5倍。可见用表面活性剂对黄土改性能有效地在包气带滞留污染物。在一定程度上延缓或防止地面石油泄漏对含水层的污染。     

还原态蒙脱石有氧条件产生羟自由基降解有机污染物

近期见有含二价铁矿物可活化分子氧产生羟自由基而氧化污染物的报道。本文选用土壤/沉积物中的常见组分蒙脱石(含铁约2%),研究了还原态蒙脱石在不同条件下活化分子氧降解苯酚的效果。结果表明,20g/L还原态蒙脱石(还原程度为30%)在pH=6和有氧条件下,可通过产生羟自由基使11μM苯酚的降解率在6h内持续增加至59.1%。苯酚降解率对应的最佳pH为5,当pH>6时降解率则随着p H的升高而急剧降低;苯酚降解效果还随还原态蒙脱石剂量(0~40g/L)增加而提高;苯酚初始浓度为11μM降解率最高,增加或者降低初始浓度均使降解率降低。还原态蒙脱石铁含量低,活化分子氧时其八面体边缘配位和结构内部二价铁共同起作用,而受八面体层Al、Mg等惰性组分阻碍,其结构二价铁难以向边缘位置传递电子,这与前期报道的还原态绿脱石(含铁约20%)不同。