土壤含水层处理系统对再生水入渗过程中“三氮”去除的柱试验模拟

土壤含水层处理系统(soil aquifer treatment,SAT)是一种重要的人工回灌地下水方式。以再生水为回灌水源时,水中含有的"三氮"可能会对回灌区地下水造成污染风险。研究各种因素对在SAT中去除再生水中"三氮"的影响具有重要意义。本研究中,通过高200cm、内径50cm土柱试验,研究了SAT系统中粒径、干湿比(落干期与淹水期的比值)、在系统表层增加生物炭及渗透流速对实际再生水"三氮"去除效果的影响。结果表明,在干湿比1∶1条件下,实际河道细砂和中细砂柱底部出水中NH_4-N平均去除率分别为73%和66%,去除机理主要为吸附和硝化作用,NO_2-N基本被去除。系统中硝化作用导致NO_3-N浓度升高,出水中NO_3-N浓度平均增长了3.0%～4.1%。在深度115cm以上,中细砂柱内比细砂柱内的硝化作用更强,这导致了更高的NH_4-N去除率和更低的NO_3-N去除率。延长落干期后(干湿比3∶1),系统具有了更强的复氧能力,促进了硝化作用,使得NH_4-N的平均去除率提高了20%,而NO_3-N的降低了3%～4%,增加了NO_3-N污染风险。在中细砂层添加5%重量生物炭后,吸附性能增强,使其对NH_4-N平均去除率增加了20%～32%,但对NO_3-N影响不明显。渗透流速与NH_4-N的去除和NO_3-N的增加均呈负相关。综合分析可得出,影响SAT系统去除"三氮"的最主要因素是干湿比和渗透流速,在回补水源中NH_4-N浓度较高时,可考虑在SAT系统表层添加生物炭以增强其去除效果。     

星云湖南岸主要入湖河流氮入湖污染特征及南岸调蓄系统削减效果研究

为明确星云湖主要入湖河流向湖体的氮素营养盐输送特征,研究以星云湖南岸4条主要入湖河流单元雨季与旱季不同形态氮素的监测数据为基础,系统研究了星云湖南岸主要入湖河流单元不同形态氮的入湖浓度时空变化及不同形态氮对入湖TN的贡献,并探讨了已建南岸带状调蓄系统入湖污染削减效果。结果表明:①星云湖南岸主要入湖河流单元TN浓度为1.1～18.69 mg/L,DTN浓度为1.88～8.61 mg/L,且农田径流污染导致雨季TN浓度均高于旱季。②南岸大多数入湖河流单元样点中氮素以NO_3-N为主,占TN 39.49%;PN和NH3-N含量相近,分别占TN的28.50%与24.75%;DON含量相对较少,占TN的9.97%。雨季NH3-N、NO_3-N及PN对入湖TN的贡献显著增加。③星云湖南岸四条入湖河流在经过调蓄系统调蓄后,TN浓度均呈现下降趋势,TN平均削减率达到32.35%。不同形态氮素削减效果以NO_3-N最佳,平均削减率达到58.22%;NH_3-N及PN削减效果相对不显著。④星云湖南岸带状调蓄系统应考虑不同形态氮污染季节性差异,并进一步与湖滨湿地串联,提升调蓄系统对NH_3-N与PN的削减效果。     

人工回灌过程中地下水微生物群落变化

人工回灌过程中,回灌水的注入使目的含水层地下水环境发生变化,微生物条件也会随之改变,从而影响地下水环境质量及水文地球化学作用。以上海市某人工回灌试验场为例,在分析人工回灌过程中水化学演化特点的基础上,应用DGGE技术对场地回灌过程中地下水中的微生物群落结构变化进行研究,为评价人工回灌对地下水水质安全的影响提供科学的理论依据。结果表明:人工回灌作用使目的含水层地下水中的Eh值及DO质量浓度升高,分别由64.0 mV、1.12 mg/L升至534.4 mV、1.44 mg/L;同一位置处微生物群落结构与原始地下水状态的相似性随时间降低;同一时刻距离回灌井越远的监测井的微生物群落结构越接近于原始地下水状态。随着回灌的进行,目的含水层地下水中优势菌属(种)共有7种,其中Rubrivivax gelatinosus和Candidatus Accumulibacter phosphatis clade IIA str.的反硝化能力以及Rhodoferax ferrireducens对Fe³⁺的还原能力,对地下水水化学组分产生影响。     

高盐强酸性地下水中复合苯系污染物原位芬顿氧化实验研究

在原位氧化过程中,实际场地地下水和含水介质的物化特征是影响氧化效果的重要因素,而目前对此影响的研究较少。以某场地实际高盐强酸性复合苯系污染地下水为研究对象,以地下水中2-硝基-4-甲氧基苯胺(2-nitro-4-methoxyaniline,2-N)和3-硝基-4-甲氧基苯胺(3-nitro-4-methoxyaniline,3-N)为特征污染物,探究芬顿(Fenton)试剂原位氧化特征,并研究液相环境因素(初始H2O2浓度、初始Fe2+浓度、初始pH值、初始醋酸(Acetic acid,HAc)浓度、初始SO4^2-浓度)以及含水层介质对Fenton法去除2-N和3-N的影响。结果显示:(1)Fenton法去除2-N和3-N效果显著,且在初始液相条件为c(H2O2)=7 mmol/L、c(Fe²⁺)=4 mmol/L、pH=4、c(HAc)=0 mg/L和c(SO4^2-)=0 mmol/L时去除效果最佳;(2)各因素对Fenton法氧化2-N和3-N的影响不同,加入H₂O₂和Fe²⁺使2-N和3-N去除率上升,增大HAc浓度使2-N和3-N去除率下降;(3)含水层介质对2-N和3-N具有一定吸附性,且对3-N的吸附性强于2-N,二者在本实验中最大吸附态占比分别为29%和42%,而吸附态的存在会抑制Fenton法对2-N和3-N的去除;(4)矿物分析结果显示介质含有少量黄铁矿,在硫酸环境下,介质腐蚀溶解释放Fe²⁺,在达到一定浓度后,无需额外添加Fe²⁺即可完成Fenton反应进而去除2-N和3-N。     

喀斯特山区溪流上覆水—孔隙水—沉积物中不同形态氮的赋存特征及其迁移——以麦西河为例

选取贵州百花湖入湖支流麦西河为对象,研究了上覆水—孔隙水—沉积物体系氮的形态差异,结果表明:麦西河上覆水中,以硝态氮(NO-3-N)为主,氨态氮(NH+4-N)次之,亚硝态氮(NO-2-N)最低;孔隙水中,溶解无机氮中以NH+4-N为主, NO-3-N次之, NO-2-N最低;沉积物中,总氮(TN)的含量为1110.67～4413.16mg/kg;固定态铵含量为34.56～170.05mg/kg,占TN的1.47%～6.25%;可交换态氮以NH+4-N为主, NO-3-N次之, NO-2-N最低。孔隙水NH+4-N是上覆水NH+4-N的2.65～19.51倍,上覆水NO-3-N是孔隙水NO-3-N的7.14～20.43倍。沉积物TN与孔隙溶解水无机氮(DIN)、孔隙水NH+4-N、沉积物可交换态氮和沉积物可交换性NH+4-N呈显著正相关;在沉积物中,可交换性NO-3-N与可交换性NH+4-N及可交换态氮呈显著正相关,可交换性NH+4-N与可交换态氮呈极显著正相关;孔隙水溶解无机氮与孔隙水NH+4-N呈极显著正相关。麦西河不同介质中氮的迁移关系则表现为:由于浓度梯度,上覆水中的NO-3-N扩散到孔隙水中,进而累积到沉积物中;沉积物的可交换性NH+4-N,进入孔隙水,最终扩散到上覆水中。      

屋顶雨水回灌裂隙岩溶含水层连通示踪试验

雨水回灌后对岩溶水的影响分析和效果需要对回灌井和下游的观测井监测数据说明。由于岩溶含水层中岩溶发育极不均匀,在测定地下水位并判定出地下水流向的基础上,连通示踪试验是选择与回灌井相对应的观测井的有效办法。用氯化钠作为示踪剂,监测不同测井不同埋深地下水电导率随时间变化的方法确定了岩溶水观测井选址、岩溶含水层的结构及水文地质条件。示踪试验结果表明,3#观测井(西院井)可用来监测雨水回灌效果,并计算出该地区的地下水势流速在9 m/h～20 m/h之间。该成果对北方地区岩溶含水层回灌和环境评价具有重要的参考价值。     

卫河流域河流地下水流系统氮素运移的数值模拟

卫河是海河流域污染最严重的河流之一,该河如何影响附近浅层地下水的水质是长期受到重视但缺乏定量研究的关键问题。为探讨这一问题,利用Hydrus 2d模型模拟河流非饱和带氮素的迁移转化,以GMS软件中的RT3D模块模拟氮素在饱和含水层中的运移,将包气带底部淋滤出的污染物浓度定为饱和带溶质运移模型的上边界条件,首次实现了河流非饱和带饱和含水层氮素运移的联合模拟,得到河流线状污染源对浅层地下水的影响程度及范围。研究结果表明：由于吸附作用、硝化反硝化作用的存在,从河流上游到下游,包气带厚度加大,运移至含水层中的NH4-N、NO2-N浓度呈下降趋势,而NO3-N浓度则呈上升趋势。随着入渗时间的增长,进入饱和含水层中的NH4-N、NO2-N、NO3-N的浓度逐渐升高并最终保持稳定。污染的河流对浅层地下水的影响呈带状分布,污染物随入渗水流在包气带中垂直入渗;在饱和含水层中以水平运移为主,污染羽偏向地下水流动的方向,其影响距离不超过500 m。     

人类活动对内蒙古托克托县浅层地下水NO– 3-N污染的驱动作用

地下水NO_3~–-N污染已成为当今世界上一个日趋严重的环境问题和社会问题。本文在水文地质调查基础上,应用地质统计学方法对所采集样品测试数据进行了分析,结果表明呼和浩特市托克托县浅层地下水NO_3~–-N分布极不均匀,NO_3~–-N含量大于20 mg/L的地下水分布面积占全区总面积的72.1%,广泛分布于古城镇以南的区域。少数井点地下水NO_3~–-N含量已大于100 mg/L,最高达304.6 mg/L,已发展成为硝酸型地下水。通过采用水质解析法和化学平衡法分析地下水NO_3~–-N污染来源,揭示了人类污水灌溉、粪便堆放、化肥施用等活动对托克托县地下水NO_3~–-N污染有重要的驱动作用。     

干湿交替条件下包气带土柱中氮素迁移转化规律实验

干湿交替的回灌方法常被用于解决地面回灌补给地下水的堵塞问题。研究干湿交替条件下地面回灌对地下水的影响对于指导再生水回灌地下水具有重要实际意义。通过室内土柱模拟实验,在入渗强度为10.5 mm/h的条件下,日均进水量3 888 mL;用干湿交替的地面回灌模式持续运行136 d,累计灌入氨氮含量为5 mg/L的模拟再生水23 894 L,研究包气带土柱对氨氮的去除效果及氮素在包气带中的迁移转化规律。研究表明,充分利用包气带的好氧、兼氧和厌氧环境,生物脱氮是地下水回灌过程中脱氮的主要途径。包气带对氨氮的去除机理主要为土壤对氨氮的吸附作用和微生物的降解作用。回灌过程中累积在土颗粒表面的氨氮在干期发生硝化作用,干湿交替会加强氮素在包气带的迁移转化,导致干期后的回灌初期大量硝态氮迁移到饱和带地下水中。     

土壤含水层处理系统对再生水入渗过程中"三氮"去除的柱试验模拟

土壤含水层处理系统(soil aquifer treatment,SAT)是一种重要的人工回灌地下水方式。以再生水为回灌水源时,水中含有的“三氮”可能会对回灌区地下水造成污染风险。研究各种因素对在SAT中去除再生水中“三氮”的影响具有重要意义。本研究中,通过高200 cm、内径50 cm土柱试验,研究了SAT系统中粒径、干湿比(落干期与淹水期的比值)、在系统表层增加生物炭及渗透流速对实际再生水“三氮”去除效果的影响。结果表明,在干湿比1∶1条件下,实际河道细砂和中细砂柱底部出水中NH₄-N平均去除率分别为73%和66%,去除机理主要为吸附和硝化作用,NO₂-N基本被去除。系统中硝化作用导致NO₃-N浓度升高,出水中NO₃-N浓度平均增长了3.0%4.1%。在深度115 cm以上, 中细砂柱内比细砂柱内的硝化作用更强,这导致了更高的NH₄-N去除率和更低的NO₃-N去除率。延长落干期后(干湿比3∶1),系统具有了更强的复氧能力,促进了硝化作用,使得NH₄-N的平均去除率提高了20%,而NO₃-N的降低了3%4%,增加了NO₃-N污染风险。在中细砂层添加5%重量生物炭后,吸附性能增强,使其对NH₄-N平均去除率增加了20%32%,但对NO₃-N影响不明显。渗透流速与NH₄-N的去除和NO₃-N的增加均呈负相关。综合分析可得出,影响SAT系统去除“三氮”的最主要因素是干湿比和渗透流速,在回补水源中NH₄-N浓度较高时,可考虑在SAT系统表层添加生物炭以增强其去除效果。     

矿井水地下回灌过程中主要污染组分迁移转化规律研究

为了研究矿井水地下回灌过程中主要污染组分迁移转化规律,以神府矿区浅埋煤层为对象,开展了矿井水地下回灌实验,结果表明:研究区矿井水中超标的项目有TDS、CODcr、Cl、F、总大肠菌群、大肠埃希氏菌以及肉眼可见物,SO_4、NH_4、NO_3等指标的浓度也较高。回灌出水中含盐量在前期逐渐增大,后期基本稳定;氧化还原反应使TOC浓度减少超过50%,其中大分子有机物在包气带环境中被优先去除。回灌过程中NH_4的去除主要发生在包气带,主要发生氧化反应,去除率可达73.1%;NO_3去除主要发生在饱和带,平均去除率为85.7%,主要发生了还原反应。     

水力旋转填料生物接触氧化处理城市污水的研究

通过对中试规模的新型水力旋转填料生物接触氧化法处理城市污水的试验研究,利用新型填料的独特构型,增强反应器的传质性能,探讨了接触氧化池对COD、NH+4-N的去除,及水力停留时间、气水比、温度对处理效果的影响。试验结果表明在水力停留时间为2~2.5h,气水比为(7~8)∶1,进水COD、NH4+-N浓度分别为130.1~366.5mg/L、11.3~19.2mg/L的条件下,两者的平均去除率为75.9%、65.4%,出水COD、NH4+-N浓度均已达到国家二级排放标准;气水比和水力停留时间对接触氧化池处理效果的影响较为明显;低温下接触氧化池对有机物、氨氮的去除仍具有较好的效果。     

含水层人工回灌物理堵塞的实验与数值模拟

以地表水体和雨洪水作为回灌水源,人工补给地下含水层过程中会发生含水层堵塞问题(特别是物理堵塞),将严重影响人工回灌的效果.采用模拟实验系统研究了悬浮固体颗粒对含水介质堵塞的机理,并用数学模型预测了含水介质物理堵塞的发生和发展过程.研究表明,含水介质的渗透性在回灌初期不断下降,随着回灌时间的延长逐渐趋于稳定;另外,悬浮物堵塞会导致介质的非均质性,渗透距离越小的砂层,堵塞越严重.建议将回灌液悬浮物浓度控制在25mg/L之内,在雨季悬浮物浓度较高时要进行周期性反冲洗,其频率为1次/d.     

基于时序参数分析的砂岩热储回灌特征变化研究——以山东临清市为例

为促进山东省临清市地热资源循环利用,开展了地热水回灌工程。针对采暖期前与采暖期两种情形的回灌情况,监测了开采井及回灌井的水量、水温、水位及井口压力等,并基于时序参数分析了回灌能力及最大回灌量、开采井温度场、水质变化和回灌堵塞程度。结果表明：本次施工的回灌井能够满足单井100%回灌,单井自然回灌量可达121～227 m3/h;总体上开采井地热水温度表现为在供暖期上升、供暖末期下降的趋势;由于井位深度差别,在供暖期前后,开采井矿化度比回灌井分别高约45.34%和17.33%;经过一个供暖季的回灌,虽然在回扬过程中渗透系数有一定的改善,但仍由0.7699 m/s降至0.3254 m/s,有明显变小的趋势。     

潮白河再生水补给河道对周边浅层地下水影响的数值模拟研究

再生水在北京被广泛用于补给河道,2007年底至2017年共有2.3×108 m3再生水补给至潮白河顺义段。其污染物本底值较高（Cl?浓度约62~122 mg/L）,通过河床入渗补给到周边的含水层中,对周边地下水产生一定影响,尤其是浅层地下水。为了定量评价再生水补给河道对周边浅层地下水的影响,基于10年（2007—2017）的地下水监测数据,建立了再生水补给河道周边的地下水水流和溶质运移模型,模拟了受水区浅层地下水的水位和Cl?浓度的变化,分析了浅层地下水水量、Cl?负荷和NO₃-N负荷的变化。结果表明,再生水补给河道后的前2年（2007—2009）,河道周边浅层地下水水位迅速抬升了3~4 m,之后在再生水的持续补给下保持稳定。但受深层地下水开采影响,2007—2014年研究区整体浅层地下水的水量仍在下降。2014年底实施地下水压采措施后,浅层地下水水量从2014年底的3.76×108 m3恢复到了2017年底的3.85×108 m3。周边浅层地下水中的Cl?浓度从再生水补给前的5~75 mg/L变化到了补给后的50~130 mg/L,之后保持稳定。浅层地下水水质受再生水影响的范围从2008年底的11.7 km2扩大到2017年的26.7 km2,影响区内的Cl?负荷从2008年底的1.8×103 t增加到2017年底的3.8×103 t,NO₃-N负荷从2008年的29.8 t下降到2017年的11.9 t。尽管研究显示影响范围外的浅层地下水质受再生水影响不明显,但潜在的咸化和污染的隐患不容忽视,需要在后续研究中进一步明确。     

电化学循环井耦合氧化 -还原降解地下水中三氯乙烯

三氯乙烯（TCE）是一种地下水中常见的有机污染物,传统的地下水循环井修复技术虽然有效但耗时长,且需配套地面处理。文章研发了一种电化学循环井耦合修复体系,以期通过顺序化学氧化 -还原作用高效快速降解地下水中TCE。以地下水循环井为基础,通过抽水井中的地下水电解,原位提供O2和H2,投加Fe（Ⅱ） -EDTA络合物活化O2产生羟基自由基氧化降解TCE,进而利用钯催化剂催化剩余的H2还原降解TCE。在二维砂槽模拟含水层中评价了该体系的运行效果,含水层中初始TCE浓度为7.50 mg/L,经过13天的连续通电处理后,TCE浓度降低到1.65 mg/L,降解率达到78%。处理后Cl-浓度相应增加118.20 μmol/L,接近于TCE降解量（44.50 μmol/L）的3倍,证明TCE近乎完全脱氯。运行过程中,TCE平均降解速率由0~5 d的0.90 mg/(L·d) 降低到9~13 d的0.10 mg/(L·d),氧化降解主要发生在前期阶段,钯催化还原效率较为稳定,后期两种过程降解效率都逐渐下降,主要原因是溶解态Fe（Ⅱ）浓度减少以及钯催化剂活性降低。该耦合修复体系是基于地下水循环井技术的改进,其氧化 -还原作用机理有望实现地下水中多种不同有机污染物的降解。     

水源热泵井施工中水文地质参数确定的探讨——以东煤沈阳钻探机械研制中心厂房水源热泵井施工为例

以单井抽水试验资料为基础,计算出该区的新近系砂砾岩含水层的出水量为40m^3/h。为解决水源热泵系统的热源及同层回灌问题,进行了较长时间的带有观测孔的抽水试验及回灌试验。试验表明：该区的渗透系数为32.16m/d,影响半径为166m,回灌渗透系数为14.38m/d,回灌影响半径为61m。据此计算干扰井单井抽水量为38.51m^3/h,干扰井单井回水量为11.14m^3/h,同时确定该区的抽灌井比例为1∶4。根据用水需求,该区设计抽水两口,回灌井8口,备用一口回灌井,形成该区的水源热泵系统。系统运行近两年来,单井出水量、回灌量及水位降深均符合设计要求,达到了预期效果。     

电化学循环井驱动模拟含水层化学氧化降解三氯乙烯

传统原位化学氧化地下水修复技术存在氧化剂迁移距离短和利用率低等问题。本研究在双井循环模式促进传质的基础上,通过注水井中的地下水电解原位提供O₂和H₂,配合乙二胺四乙酸(ethylenediamine tetraacetic acid,EDTA)络合溶解出含水层Fe(Ⅱ),活化O₂产生羟基自由基(•OH),实现地下水三氯乙烯(TCE)的氧化降解。在填充了砂土和黏土互层的二维砂槽中,设置电流为0.2 A、流速为72 cm/d、初始TCE浓度为3 mg/L,经过9 d的连续通电处理后,TCE浓度降低到1 mg/L,降解率达到67%。通电前投加0.5 mmol/L EDTA,经过1 d水流循环后含水层中溶解态Fe(Ⅱ)浓度从02 mg/L增加到414 mg/L,黏土区域较高。通电过程中,循环井促进O₂、Fe(Ⅱ)-EDTA和TCE的有效接触与反应,使TCE氧化降解。通电初期,黏土区域Fe(Ⅱ)氧化速率、TCE降解速率较周围慢,后期差异逐渐减小。未通电时加入醋酸钠可促进Fe(Ⅲ)还原,使含水层中铁循环利用。该修复过程通过循环井提升了氧化剂迁移距离,使用源于含水层的Fe(Ⅱ)-EDTA和稳定性较好的O₂提高了氧化剂利用率,有望应用于有机污染地下水修复。     

呼吉尔特矿区石拉乌素煤矿矿井涌水水源判别及定量分析

针对石拉乌素煤矿主要充水含水层以及井下涌水中各含水层充水的贡献度不清等问题,采用水质全分析、同位素及有机物检测,查明了顶板巨厚复合含水层地下水以及井下涌水中主要离子、矿化度、氢氧同位素、有机物含量特征。研究结果表明：志丹群含水层地下水矿化度平均为237.05mg/L,水化学类型为HCO₃-Ca·Na型;直罗组含水层地下水矿化度平均为1 371.09mg/L,水化学类型为SO₄-Na及SO₄·HCO₃-Na型;矿井水矿化度平均为1 507.08mg/L,水化学类型为SO₄·HCO₃-Na型;志丹群含水层地下水、直罗组含水层地下水δD与δ¹⁸O基本落在当地大气降水线上或其附近,矿井水δD与δ¹⁸O基本落在志丹群含水层水和直罗组含水层水之间;白垩系志丹群含水层地下水、直罗组含水层地下水与矿井水的三维荧光光谱相似;同位素分析结果显示井田南翼矿井涌水中志丹群含水层水占31.18%,直罗组含水层水占68.82%,井田北翼矿井...     

近15年北部湾西部近岸大气湿沉降中无机氮的研究

本文利用2000~2014年北部湾西部近岸的两个城市(河内和太平)的湿沉降无机氮(NO_3~--N和NH_4~+-N)数据,分析了湿沉降无机氮的浓度和通量的长期变化规律,并结合北部湾海水中的无机氮浓度讨论了湿沉降对海水生态系统的影响。结果表明,近15年来河内和太平两个区湿沉降无机氮的月平均浓度总体上在5~9月较低,在10月至次年4月较高;这两个区域湿沉降无机氮的年平均浓度总体呈上升趋势。估算结果表明的湿沉降给北部湾带来的NO_3~--N和NH_4~+-N的量分别为46448.6和83220.5 t/a。湿沉降可能对于近年来北部湾海水中NH_4~+-N的相对含量升高及N过剩有重要影响。