電動(dòng)力耦合循環(huán)井技術(shù)修復(fù)低滲透含水層污染

杜中海,董艷紅,劉方圓,董書(shū)君,陳韶音,董 倩,周 睿* (1.吉林大學(xué),石油化工污染場(chǎng)地控制與修復(fù)技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,吉林 長(zhǎng)春 10061；2.吉林大學(xué)新能源與環(huán)境學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 10061；.中國(guó)市政工程?hào)|北設(shè)計(jì)研究總院有限公司,吉林 長(zhǎng)春 10021)

低滲透含水層地下水污染修復(fù)困難,進(jìn)入低滲透含水層中的地下水流速會(huì)明顯降低,導(dǎo)致修復(fù)藥劑難以進(jìn)入[1];低滲透含水層中土壤顆粒比表面積大,污染物易留存在介質(zhì)中,形成二級(jí)污染源區(qū)[2-3].在常見(jiàn)的抽出-處理等地下水污染修復(fù)技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中,低滲透含水層會(huì)因?yàn)闈舛忍荻确聪驍U(kuò)散持續(xù)釋放污染物,導(dǎo)致修復(fù)后的污染場(chǎng)地產(chǎn)生拖尾反彈效應(yīng)[4-7].因此,治理低滲透含水層中的污染是污染場(chǎng)地修復(fù)過(guò)程中的重要挑戰(zhàn)之一[8-9].

在低滲透含水層污染修復(fù)中,大多數(shù)研究集中在有機(jī)污染修復(fù)方面[10-13],但對(duì)于低滲透含水層中重金屬污染修復(fù)的研究相對(duì)較少,低滲透含水層中重金屬污染修復(fù)較為困難,目前重金屬污染場(chǎng)地多采用異位技術(shù)進(jìn)行修復(fù)[14-17].異位修復(fù)技術(shù)更適合于污染場(chǎng)地范圍較小的情況,但難以實(shí)現(xiàn)低滲透地層中重金屬污染地下水的修復(fù).目前高效修復(fù)低滲透含水層中重金屬污染的技術(shù)方法還很鮮見(jiàn).

地下水循環(huán)井技術(shù)具有水動(dòng)力控制能力強(qiáng)、修復(fù)效果好、可在低滲透含水層中運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于低滲透含水層污染場(chǎng)地的修復(fù)[18-20].地下水循環(huán)井修復(fù)技術(shù)[21-24]通過(guò)抽注水形成水力梯度,引起水流循環(huán),并不斷沖刷污染含水層,隨之將污染物裹挾進(jìn)入循環(huán)水流從而實(shí)現(xiàn)修復(fù)[25-27].但循環(huán)井技術(shù)受水文地質(zhì)條件的影響較大,在低滲透含水層中應(yīng)用時(shí)存在修復(fù)范圍小、遺留有修復(fù)盲區(qū)和修復(fù)效果差等問(wèn)題[19].電動(dòng)力修復(fù)技術(shù)[28-29]是利用電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)污染物在介質(zhì)中定向遷移,將污染物轉(zhuǎn)運(yùn)至陰極、陽(yáng)極或某一特定位置,隨后進(jìn)一步處理的技術(shù)[30],該修復(fù)技術(shù)不受地層滲透性的影響,在低滲透含水層中仍有較好修復(fù)效率和較大的修復(fù)范圍,但需要對(duì)富集在電極附近的污染物進(jìn)行進(jìn)一步處理[31-32].

本文針對(duì)低滲透含水層受鉻酸鹽污染的常見(jiàn)地下水環(huán)境質(zhì)量問(wèn)題,利用物理模擬實(shí)驗(yàn)研究方法,探討電動(dòng)力耦合循環(huán)井技術(shù)的修復(fù)效果及機(jī)理,以期實(shí)現(xiàn)對(duì)低滲透含水層高效修復(fù)的目的,為低滲透含水層地下水污染修復(fù)提供一種新的參考思路.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)試劑:重鉻酸鉀(K2Cr2O7)、氯化鈉(NaCl)、丙酮(CH3COCH3)、(1+1)硫酸(H2SO4)、(1+1)磷酸(H3PO4)、二苯碳酰二肼(C13H14N4O)均為分析純;石墨板、導(dǎo)線、二維有機(jī)玻璃模擬槽;實(shí)驗(yàn)使用粉砂(160 目-200 目)作為介質(zhì)模擬地下水含水層,實(shí)驗(yàn)介質(zhì)滲透系數(shù)為2.75×10-6,孔隙度為0.566;實(shí)驗(yàn)儀器主要包括直流穩(wěn)壓電源(100V30A,杭州臺(tái)宇電子有限公司)和紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(Thermo Scientific Evolution 201,賽默飛世爾科技).

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在二維有機(jī)玻璃模擬槽中進(jìn)行模擬,以粉砂模擬低滲透含水層介質(zhì),模擬槽結(jié)構(gòu)為:模擬槽尺寸為長(zhǎng)×寬×高=20cm×15cm×25cm,石墨電極尺寸為長(zhǎng)×寬×厚=20cm×5cm×0.1cm,模擬槽兩側(cè)布設(shè)寬為2.5cm 的布水板,模擬槽側(cè)面布設(shè)有5 行3 列采樣口,從左到右每列距離5cm;最下一行采樣口距槽底2cm,第二行采樣口距槽底5cm,第二行和其余三行采樣口距離5cm,共15 個(gè)取樣口.最左側(cè)取樣口從上到下依次為1～5,中間取樣口從上到下依次為6～10,最右側(cè)取樣口從上到下依次為11～15.槽內(nèi)靠近左側(cè)布水板處布設(shè)了雙篩結(jié)構(gòu)循環(huán)井,循環(huán)井右側(cè)單側(cè)開(kāi)孔,上下篩段間由阻隔器分隔.循環(huán)井井徑為5cm,循環(huán)井上下篩段間距離9cm,篩段與實(shí)段比例為1:3,即上下兩篩段到阻隔器的實(shí)段長(zhǎng)度均為4.5cm,上下兩篩段長(zhǎng)度均為1.5cm,循環(huán)井下篩段底部到循環(huán)井底部距離為2.5cm.實(shí)驗(yàn)時(shí)循環(huán)井抽注方式為下篩段注水、上篩段抽水,通過(guò)蠕動(dòng)泵調(diào)整循環(huán)流量.循環(huán)井井內(nèi)布設(shè)左石墨板,右布水板處布設(shè)右石墨板,分別與直流電源正負(fù)極相連.循環(huán)井和模擬槽位置情況如圖1 所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

模擬槽采用干法填砂,填完后通過(guò)蠕動(dòng)泵以0.5mL/min 的流量注入自來(lái)水進(jìn)行飽水,使得實(shí)驗(yàn)介質(zhì)充分飽水,飽水至模擬槽水位為23.60cm.靜置一晚,保持地下水初始水位為23.60cm.運(yùn)行循環(huán)井,循環(huán)井采用下注上抽的逆循環(huán)模式,運(yùn)行中控制循環(huán)井抽注水流量為5mL/min,運(yùn)行穩(wěn)定后記錄測(cè)壓管水位.研究循環(huán)井在低滲透含水層的修復(fù)效果和循環(huán)水流在模擬槽中各區(qū)域的流速和方向.

模擬槽采用干法填砂,填完后通過(guò)蠕動(dòng)泵以0.5mL/min 的流量注入50mg/L 的鉻酸根離子和300mg/L 的氯化鈉溶液進(jìn)行飽水,使得實(shí)驗(yàn)介質(zhì)充分飽水,飽水至模擬槽水位為23.60cm.靜置一晚,保持地下水初始水位為23.60cm.循環(huán)井采用下注上抽的逆循環(huán)模式,運(yùn)行中控制循環(huán)井抽注水流量為5mL/min.

運(yùn)行單循環(huán)井修復(fù)技術(shù)修復(fù)被污染低滲透含水層.第30, 60, 120, 360, 540, 900, 1440, 2160, 2880,3600min 時(shí),分別在左右布水板、模擬槽正面取樣口以及抽出桶取樣,利用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)分析模擬槽中污染物的濃度分布.

運(yùn)行電動(dòng)力耦合循環(huán)井修復(fù)技術(shù)修復(fù)被污染低滲透含水層.循環(huán)井井內(nèi)石墨板連接電源正極,右側(cè)布水板處石墨板連接電源負(fù)極,電源設(shè)定為穩(wěn)壓30V 輸出,初始電流為0.0194A,同時(shí)運(yùn)行電源和循環(huán)井.第30, 60, 120, 360, 540, 900, 1440, 2160, 2880,3600min 時(shí),分別在左右布水板、模擬槽正面取樣口以及抽出桶取樣,利用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)分析模擬槽中污染物的濃度分布.

Cr(VI)濃度的測(cè)定:取0.2mL 樣品稀釋至5mL,依次加入0.05mL 硫酸(1+1)、0.05mL 磷酸(1+1)、0.2mL 顯色液(0.2g 二苯碳酰二肼溶于50mL 丙酮稀釋到100mL)后混勻,靜置15min 后測(cè)定反應(yīng)液在540nm 處吸光度.

Cr(VI)去除率的測(cè)定:模擬槽中飽滿50mg/L 的Cr(VI),2 種修復(fù)技術(shù)分別運(yùn)行第30,60,120,240,360,540,900,1440,2160,2880,3600,4320,5040min 時(shí),對(duì)抽出桶內(nèi)抽出液取樣測(cè)定,Cr(VI)去除率如式(1)所示.

式中:Ct為t時(shí)刻循環(huán)井抽出桶中Cr(VI)的濃度,mg/L;t為循環(huán)井運(yùn)行時(shí)間,min;q為循環(huán)井注水流量,mL/min;C0為飽水時(shí)Cr(VI)的初始濃度,mg/L;Q為飽完水的總流量,L.

電能耗與實(shí)驗(yàn)中電壓與電流密切相關(guān),能耗計(jì)算公式如式(2)所示.

式中:E是處理單位體積污染物所消耗電量,kW?h/m3;Vc是處理土壤的體積,m3;U是施加的電壓,V;I是施加的電流,A;t是電動(dòng)修復(fù)時(shí)間,h.

2 結(jié)果與討論

2.1 低滲透含水層中循環(huán)井技術(shù)修復(fù)效果

在循環(huán)井下注上抽模式下,抽注水流量保持為5mL/min 不變,運(yùn)行穩(wěn)定后記錄測(cè)壓管水位,如圖2(a)所示,圖中方框處為循環(huán)井上下篩段單側(cè)開(kāi)孔的位置,通過(guò)蠕動(dòng)泵在循環(huán)井下篩段注入清水,下篩段及其附近水頭升高,Δh為正值;上篩段抽水,上篩段及其附近水頭降低,Δh為負(fù)值.由于上下篩段間存在阻隔器,所以水流只能在含水層中由水頭高處流向水頭低處,從而在循環(huán)井周?chē)纬纱瓜蛩畡?dòng)力循環(huán),實(shí)現(xiàn)對(duì)含水層介質(zhì)的不斷沖刷.循環(huán)井未運(yùn)行時(shí)低滲透含水層中的初始水位為23.60cm,運(yùn)行后上篩段附近水位逐漸穩(wěn)定為23.30cm,下篩段附近水位逐漸穩(wěn)定為24.00cm,循環(huán)井上下篩段附近取樣點(diǎn)2 和4 的Δh分別為-0.30cm 和0.40cm,在低滲透含水層中循環(huán)井兩個(gè)篩段位置處形成了明顯的水頭差,并以此為驅(qū)動(dòng)力在含水層中形成了穩(wěn)定的垂向水流循環(huán).距循環(huán)井最遠(yuǎn)位置處,即最右列取樣口中|Δh|最大值僅為0.05cm,幾乎無(wú)循環(huán)水流通過(guò).

圖2 循環(huán)井在低滲透含水層中水頭變化和流速矢量圖Fig.2 Head variation and velocity vector map of circulation well in low-permeability aquifer

如圖2(b)所示,經(jīng)過(guò)處理所形成的流速矢量圖更加清晰的呈現(xiàn)了循環(huán)水流的運(yùn)移速度及方向,箭頭的長(zhǎng)度示意了流速的大小,箭頭方向指示水流流動(dòng)的方向.循環(huán)水流由下篩段進(jìn)入低滲透含水層,并在水力梯度作用下在篩段附近向右以及右上方運(yùn)動(dòng),經(jīng)過(guò)循環(huán)井阻隔器所在水平位置后,循環(huán)水流向左及左上方運(yùn)移,最終流回上篩段,并在循環(huán)的過(guò)程中產(chǎn)生了水流對(duì)低滲透含水層介質(zhì)的沖刷作用;通過(guò)流速矢量圖可以看出,循環(huán)井附近的水流流速最大,大約為最外層水流流速的17 倍.但是循環(huán)井運(yùn)行穩(wěn)定后,在模擬系統(tǒng)中的右下區(qū)域和右上區(qū)域幾乎無(wú)水流循環(huán)作用,循環(huán)井捕獲范圍主要呈現(xiàn)為半橢圓形,循環(huán)井修復(fù)技術(shù)在低滲透含水層中的修復(fù)范圍有限并存在一定的修復(fù)盲區(qū).

2.2 電動(dòng)力耦合循環(huán)井技術(shù)修復(fù)效果及對(duì)比分析

電動(dòng)力耦合循環(huán)井采用的下注上抽的逆循環(huán)模式,抽注水流量為5mL/min,運(yùn)行過(guò)程中分別于30,60,120,240,360,540,900,1440,2160,2880,3600min 自模擬槽正面各取樣口和左右布水板抽取地下水樣品并檢測(cè)分析,經(jīng)過(guò)surfer軟件繪制鉻酸根離子濃度等值線圖如圖3所示.當(dāng)鉻酸根離子濃度降到30mg/L以下時(shí),該區(qū)域即可視為在修復(fù)技術(shù)的影響范圍內(nèi)(影響半徑);當(dāng)鉻酸根離子濃度降到5mg/L 以下時(shí),該區(qū)域即可視為在修復(fù)技術(shù)的修復(fù)范圍內(nèi)(修復(fù)半徑),選擇典型剖面A-A 對(duì)污染物濃度變化規(guī)律進(jìn)行分析.由圖3(a)可知,其對(duì)低滲透含水層污染治理存在修復(fù)范圍小、遺留有修復(fù)盲區(qū)和修復(fù)效果差等問(wèn)題.由圖3(b)可知,電動(dòng)力耦合循環(huán)井技術(shù)所施加電場(chǎng)形成的電動(dòng)力促進(jìn)了鉻酸根離子的運(yùn)移,克服了水文地質(zhì)條件的限制,在低滲透含水層中也有較好的修復(fù)效果,在2880min 時(shí)就基本完成了整個(gè)含水層的修復(fù).

圖3 2 種修復(fù)技術(shù)下鉻酸根離子濃度分布等值線圖Fig.3 Isoconcentration contour maps of chromate ions under two remediation techniques

修復(fù)時(shí)間60min 時(shí),電動(dòng)力耦合循環(huán)井修復(fù)系統(tǒng)中下篩段注水篩附近發(fā)現(xiàn)了污染物濃度降低的情況,單循環(huán)井修復(fù)時(shí)下篩段注水篩附近濃度基本未變化,證明電動(dòng)力耦合循環(huán)井在修復(fù)初期時(shí),循環(huán)井注水端附近的鉻酸根離子受到電場(chǎng)力和循環(huán)水流的雙重作用效果更好.下篩段附近低滲透含水層的鉻酸根離子受電場(chǎng)力作用匯集到了循環(huán)井陽(yáng)極板附近,含水層的鉻酸根離子濃度降低.循環(huán)井注水時(shí)水流從下篩段進(jìn)入含水層,并推動(dòng)篩段附近的溶液向右流動(dòng),原注水篩附近鉻酸根離子隨水流遷移至取樣口4 位置處,導(dǎo)致該處地下水中鉻酸根離子濃度下降;修復(fù)120min 時(shí),電動(dòng)力耦合循環(huán)井技術(shù)注水端附近可以觀測(cè)到更加明顯的鉻酸根離子濃度下降,相比與單循環(huán)井修復(fù)技術(shù)的效果優(yōu)勢(shì)明顯,取樣口4 位置處的鉻酸根離子濃度是單循環(huán)井修復(fù)技術(shù)的55.74%.在剖面A-A 處,2 種修復(fù)方法下的鉻酸根濃度均未出現(xiàn)顯著變化.

修復(fù)時(shí)間240min 時(shí),電動(dòng)力耦合循環(huán)井修復(fù)相對(duì)于單循環(huán)井修復(fù)的抽水端附近濃度有一定的下降,取樣口2 位置處的鉻酸根離子濃度是單循環(huán)井修復(fù)技術(shù)的52.17%.在電動(dòng)力的促進(jìn)下,低滲透含水層中靠近陽(yáng)極板的鉻酸根離子運(yùn)移更快,抽水端附近取樣口的鉻酸根離子濃度下降,是受到電場(chǎng)力和循環(huán)水流的雙重作用引起的.修復(fù)360min 時(shí),電動(dòng)力耦合循環(huán)井修復(fù)的縱向影響半徑最大為16cm,單循環(huán)井縱向影響半徑最大為12cm.電動(dòng)力耦合循環(huán)井修復(fù)技術(shù)擴(kuò)大了縱向影響范圍,加快了修復(fù)進(jìn)程.

修復(fù)時(shí)間540min 時(shí),電動(dòng)力耦合循環(huán)井修復(fù)的右上區(qū)域和左下區(qū)域污染物濃度明顯降低,其他區(qū)域的污染物濃度變化不明顯;單循環(huán)井修復(fù)只有左下區(qū)域污染物濃度明顯降低.接通電源時(shí),循環(huán)井井內(nèi)的石墨板為陽(yáng)極,右側(cè)布水板處的石墨板為陰極,鉻酸根離子為陰離子受到方向向左的電場(chǎng)力,在低滲透含水層中鉻酸根離子受到方向向左的電場(chǎng)力.循環(huán)井運(yùn)行時(shí),通過(guò)圖2 可知,循環(huán)井阻隔器所在水平下方區(qū)域的水流向右及右上方運(yùn)移,鉻酸根離子受到方向向右的水流推力;循環(huán)井阻隔器所在水平阻隔器上方區(qū)域的水流向左及左上方運(yùn)移,鉻酸根離子受到方向向左的水流推力.由此可知,電動(dòng)力耦合循環(huán)井修復(fù)時(shí),循環(huán)井阻隔器所在水平下方區(qū)域的電場(chǎng)力與循環(huán)水流作用方向相反,起到了一定的阻礙作用;電場(chǎng)阻礙了污染物的進(jìn)一步擴(kuò)散,防止污染物被循環(huán)井的循環(huán)水流推移到遠(yuǎn)處導(dǎo)致形成修復(fù)盲區(qū);循環(huán)井阻隔器所在水平上方區(qū)域的電場(chǎng)力與循環(huán)水流作用方向相同,促進(jìn)了鉻酸根離子的去除.電動(dòng)力耦合循環(huán)井修復(fù)時(shí),右上區(qū)域的鉻酸根離子持續(xù)向左運(yùn)移,右上區(qū)域的鉻酸根離子運(yùn)移到中間取樣口6 和7 位置處,此時(shí)在取樣口12 處的鉻酸根離子濃度是單循環(huán)井修復(fù)的29.95%,修復(fù)效果明顯.以剖面A-A 處為例,單循環(huán)井作用時(shí),受水動(dòng)力控制,井附近區(qū)域污染物濃度明顯降低;電動(dòng)力耦合循環(huán)井修復(fù)過(guò)程中,除循環(huán)井水力捕集作用外,鉻酸根離子還受到電場(chǎng)力的作用向左運(yùn)移,使得剖面右側(cè)鉻酸根離子濃度也出現(xiàn)了顯著降低,剖面上呈現(xiàn)出鉻酸根濃度中間高而兩側(cè)低的特征.

修復(fù)時(shí)間900min 時(shí),此時(shí)單循環(huán)井的橫向修復(fù)半徑約為11cm,電動(dòng)力耦合循環(huán)井在循環(huán)井附近的橫向修復(fù)半徑約為10.5cm,電動(dòng)力耦合循環(huán)井橫向修復(fù)半徑相較于單循環(huán)井較小.單循環(huán)井的縱向修復(fù)半徑約為9cm,電動(dòng)力耦合循環(huán)井在循環(huán)井附近的橫向修復(fù)半徑約為15.5cm,電動(dòng)力耦合循環(huán)井縱向的修復(fù)半徑相較于單循環(huán)井大大增加.電動(dòng)力耦合循環(huán)井修復(fù)在橫向時(shí)有一定阻礙效果,但在縱向上修復(fù)范圍明顯增加.電動(dòng)力耦合循環(huán)井修復(fù)去除率是單循環(huán)井的1.22 倍,電動(dòng)力耦合循環(huán)井修復(fù)的修復(fù)效果好.修復(fù)1440min 時(shí),電動(dòng)力耦合循環(huán)井修復(fù),鉻酸根離子濃度下降到30mg/L 以下,低滲透含水層均在該修復(fù)技術(shù)的影響范圍內(nèi),影響半徑明顯大于單循環(huán)井.電動(dòng)力耦合循環(huán)井修復(fù)的去除率為83.25%,單循環(huán)井修復(fù)的去除率為69.51%.修復(fù)2160min 時(shí),電動(dòng)力耦合循環(huán)井將70.36%的低滲透含水層修復(fù)完成,是單循環(huán)井修復(fù)面積的1.69 倍.在剖面A-A 處,2 種修復(fù)技術(shù)的鉻酸根離子濃度分布特征與540min 時(shí)類似.電動(dòng)力耦合循環(huán)井技術(shù)作用時(shí),鉻酸根離子濃度明顯低于單循環(huán)井技術(shù)的作用效果,說(shuō)明電動(dòng)力修復(fù)在該階段體現(xiàn)出了重要作用.

修復(fù)時(shí)間2880～3600min 時(shí),低滲透含水層中污染物被電動(dòng)力耦合循環(huán)井修復(fù)技術(shù)基本完全修復(fù),單循環(huán)井修復(fù)技術(shù)修復(fù)的低滲透含水層還有右側(cè)和右上區(qū)域的污染物難以去除.單循環(huán)井的最大修復(fù)半徑是15.95cm,電動(dòng)力耦合循環(huán)井的最大修復(fù)半徑是20.00cm,電動(dòng)力耦合循環(huán)井最大修復(fù)半徑是單循環(huán)井的1.25 倍.單循環(huán)井在右側(cè)和右上區(qū)域形成了修復(fù)盲區(qū),占總低滲透含水層面積的35.56%,電動(dòng)力耦合循環(huán)井修復(fù)低滲透含水層污染時(shí)無(wú)修復(fù)盲區(qū).

電動(dòng)力耦合循環(huán)井修復(fù)技術(shù)可以有效解決單循環(huán)井在低滲透含水層中影響范圍小、存在修復(fù)盲區(qū)和修復(fù)效果差等問(wèn)題,也可阻止污染物的進(jìn)一步擴(kuò)散.電動(dòng)力耦合循環(huán)井修復(fù)技術(shù)不受地層滲透性條件的影響,擴(kuò)大了循環(huán)井的橫向和縱向的修復(fù)范圍,在電場(chǎng)力和循環(huán)水流的雙重作用下,對(duì)低滲透含水層地下水污染有良好的修復(fù)效果.

如圖4 所示,電動(dòng)力耦合循環(huán)井技術(shù)修復(fù)低滲透含水層時(shí),初始電流為0.0194A,0～15min 時(shí),電流逐漸增大,達(dá)到0.0325A,此時(shí)電動(dòng)力的修復(fù)效果最好;15～900min 時(shí),循環(huán)井注水端注入清水,抽出端抽出污染物,使得模擬槽中可參與運(yùn)移的陰陽(yáng)離子總量減少,且陰陽(yáng)離子在電場(chǎng)的作用下,陰離子向陽(yáng)極運(yùn)移并富集,陽(yáng)離子向陰極運(yùn)移并富集,使得模擬槽中可參與運(yùn)移的陰陽(yáng)離子總量減少,電流最終降至0.900min 后,電流強(qiáng)度降低為0,電動(dòng)力效果較差.但由于陰陽(yáng)兩極板電勢(shì)的存在,仍有一定作用.以圖3為例,電動(dòng)力耦合循環(huán)井技術(shù)修復(fù)時(shí),右側(cè)模擬區(qū)域污染物濃度不斷降低,這是電動(dòng)力和分子擴(kuò)散作用共同導(dǎo)致.

圖4 電動(dòng)力耦合循環(huán)井修復(fù)時(shí)電流變化Fig.4 Current variation diagram during the repair of electrodynamic coupled circulation well

由表1 可知,耦合技術(shù)對(duì)低滲透含水層中重金屬污染的修復(fù)效果十分顯著,去除率可以達(dá)到90.56%,提高了2～3 倍,明顯高于單純電動(dòng)力修復(fù)技術(shù)的效率.同時(shí),電動(dòng)力的能耗也從120kW·h/m3左右降低為0.233kW·h/m3,降低了3 個(gè)數(shù)量級(jí).這是由于耦合技術(shù)中水動(dòng)力循環(huán)控制作用顯著,可以將水力循環(huán)捕獲范圍內(nèi)的污染物迅速捕集到循環(huán)井中,相較于單純電動(dòng)力修復(fù)技術(shù)運(yùn)行能耗大為降低,表現(xiàn)出了明顯的高效率、低能耗的技術(shù)優(yōu)勢(shì).

表1 電動(dòng)力修復(fù)重金屬污染相關(guān)研究能耗對(duì)比Table 1 Comparison of energy consumption in electric powerdriven remediation studies for heavy metal pollution

如圖5 所示,在修復(fù)初期(0～360min)時(shí),2 種修復(fù)方式的去除率基本相同,鉻酸根離子去除率均達(dá)到了30%以上.此時(shí)主要去除抽水端附近低滲透含水層中的鉻酸根離子,導(dǎo)致在修復(fù)初期時(shí)兩修復(fù)方式效果相同.在修復(fù)中期(360～2160min)時(shí),電動(dòng)力耦合循環(huán)井的去除率明顯高于單循環(huán)井,單循環(huán)井的鉻酸根離子去除率為72.89%,電動(dòng)力耦合循環(huán)井的鉻酸根離子去除率為85.32%.電動(dòng)形成電場(chǎng)力將鉻酸根離子定向運(yùn)移到抽水端附近和循環(huán)水流中,使得在相同時(shí)間下電動(dòng)力耦合循環(huán)井去除的鉻酸根離子更多.電場(chǎng)力不受地層滲透性條件的影響,電動(dòng)力耦合循環(huán)井修復(fù)技術(shù)在低滲透含水層修復(fù)效果優(yōu)于單循環(huán)井技術(shù).在修復(fù)后期(2160～5040min)時(shí),2 種修復(fù)方式的鉻酸根離子去除率都基本不再增加,電動(dòng)力耦合循環(huán)井對(duì)鉻酸根離子的去除率可達(dá)到90.56%,單循環(huán)井對(duì)鉻酸根離子的去除率只有76.01%.此時(shí)水流循環(huán)范圍內(nèi)的鉻酸根離子基本被修復(fù)完全,未去除的鉻酸根離子基本處于修復(fù)盲區(qū)內(nèi),難以通過(guò)延長(zhǎng)修復(fù)時(shí)間的方法增大鉻酸根離子的去除率.

圖5 單循環(huán)井和電動(dòng)力耦合循環(huán)井去除率對(duì)比Fig.5 Comparison of removal rates between single circulation wells and electrokinetic coupled circulation wells

修復(fù)初期,水動(dòng)力控制作用占據(jù)主導(dǎo)地位,抽出端捕集的污染物的量基本相同,2 種修復(fù)方式修復(fù)效果基本相同.修復(fù)中期,電動(dòng)力作用逐漸明顯,將模擬區(qū)域右側(cè)污染物推移至左側(cè)循環(huán)井捕獲范圍內(nèi),并在水力循環(huán)控制作用下被捕獲并去除.在此過(guò)程中,隨著電動(dòng)力作用效果的增強(qiáng),2 種技術(shù)作用效果差距逐漸增大;修復(fù)后期,2 種技術(shù)作用效果基本穩(wěn)定,污染物去除效率不再增加.

3 結(jié)論

3.1 提出了一種新型電動(dòng)力耦合循環(huán)井修復(fù)低滲透含水層中地下水污染的技術(shù),解決了循環(huán)井在低滲透含水層中傳質(zhì)效率低、修復(fù)范圍小、存在水力循環(huán)盲區(qū)等問(wèn)題,修復(fù)效果顯著提升.

3.2 電動(dòng)力耦合循環(huán)井技術(shù)實(shí)現(xiàn)了弱透水層中帶電離子組分的強(qiáng)化定向遷移及水動(dòng)力捕獲去除,相比循環(huán)井技術(shù),修復(fù)半徑擴(kuò)大為原來(lái)的1.25 倍,修復(fù)盲區(qū)面積占比從35.56%降為0,污染物的去除率從76.01%提高到了90.56%.

3.3 電動(dòng)力耦合循環(huán)井技術(shù)相比單純電動(dòng)力技術(shù)作用效果提高了2～3倍,電動(dòng)力能耗降低了3個(gè)數(shù)量級(jí),表現(xiàn)出了明顯的高效率、低能耗技術(shù)優(yōu)勢(shì).

3.4 還需要進(jìn)一步研究水動(dòng)力控制參數(shù)及電動(dòng)力條件對(duì)耦合技術(shù)運(yùn)行效果及綜合能耗的影響,進(jìn)一步探究耦合作用機(jī)制及污染物去除機(jī)理,為工程化應(yīng)用提供參考.