粘度改性与相转移催化协同强化原位氧化/还原修复DNAPL污染非均质含水层机理

In-situ chemical oxidation/reduction is a promising approach for DNAPL polluted groundwater remediation. However, heterogeneity induces fluid bypassing by creating preferential flow channels in the high-permeability zones and leaving the low permeability zones bypassed during remedial amendment injection. In addition, because of its polarity, remedial amendment cannot be delivered into DNAPL phase and react with DNAPL difficultly. The project focus on the delivery improvement of remedial amendment via viscosity modification by shear-thinning fluid (STF) coupled with phase-transfer catalyst (PTC). The objectives of this project are to investigate the transportation and distribution characteristics of STF-PTC in heterogeneous aquifer; to determine the effects of aquifer media texture and its constituents on the transportation and distribution of STF-PTC; to clarify the influences of hydrogeological conditions on transportation and distribution of STF-PTC; to investigate the processes, kinetics and mechanisms of delivery and reactions of remedial amendment in aquifer; to analysis influences and its mechanisms of hydrogeological conditions on the mass transfer rates and remediation efficacy, and establish their response relationship; to comprehensive evaluate the enhanced remediation efficiency of DNAPL polluted heterogeneous aquifer by viscosity modification coupled with phase-transfer catalyst. The findings of this project will provide strong theory support for remediation of contaminated heterogeneous aquifer.

原位化学氧化/还原是一种具有较好发展前景的DNAPL污染地下水修复方法，但受含水层非均质性的影响，注入的修复试剂在高渗透区易形成“优先流”，而在低渗透区易形成“绕流”；另外，修复试剂和DNAPL之间的极性差异使修复试剂无法有效进入DNAPL内部进行反应。本项目拟用剪切稀化流体（STF）对修复试剂粘度改性并协同相转移催化（PTC）提高修复试剂的传输效率。项目主要研究STF-PTC在非均质含水层中的迁移规律和变化特征；确定含水层介质岩性及其组成对STF-PTC迁移分布的影响；明确STF-PTC注入后的水文地质效应；弄清修复试剂在含水层中的传输、反应的动力学过程、特征和机理；分析水文地质条件对试剂传输效率和修复效能的影响及机理，建立它们之间的响应关系；综合评估粘度改性和相转移催化协同强化修复DNAPL污染非均质含水层的效能。本项目的研究可为非均质含水层的污染修复提供有力的理论基础。

三氯乙烯（TCE）是地下水中常见的有机污染物之一，属于重非水相液体（DNAPL），具有较低的水溶性和较高的稳定性，其造成的地下水污染的恢复治理是一个难题。原位化学氧化/还原技术以其经济、高效等优点在DNAPL污染地下水修复研究和应用中备受青睐。针对该技术实际应用中含水层非均质性与反应传质效率低对修复效率的限制，本项目使用剪切稀化流体（STF）对修复试剂进行粘度改性并协同相转移催化剂（PTC）提高修复试剂向非均质含水层中的传输效率和与DNAPL的接触效率，以提高修复效率。本项目重点研究了PTC强化TCE氧化反应动力学及影响因素，PTC的强化传质作用及机理，STF-PTC与氧化剂（MnO4-）构成的修复试剂复配体系的兼容性、迁移同步性及传输性能，相转移催化强化含水层中DNAPL降解性能等内容。结果表明PTC能够显著提高氧化剂与DNAPL的两相反应速率，促进TCE降解。PTC的强化传质能力主要基于相转移、加速DNAPL溶解和缓解MnO2生成三种作用，加速溶解作用在TCE氧化初期（1 h）贡献较大，加速溶解与相转移促进的氧化剂消耗比例分别为16.9%和7.8%；加速溶解作用会逐渐减弱并消失，而相转移存在于整个TCE降解过程，且其贡献比例较之反应初期仅降低了12.6%；10 mol% PTC减少了体系中29.5%的MnO2生成，其有利于MnO4-向溶解态Mn(Ⅱ)和Mn(Ⅲ)生成，从而缓解MnO2生成以降低含水层堵塞风险。修复试剂复配体系仍具有剪切稀化特性，具有良好的兼容性，且基本能够实现同步迁移；STF能够提高修复试剂在非均质含水层内的波及效率，有效穿透低渗透区；对于不同的地层结构特征，低渗透区所占待修复含水层体积比例越大，STF的波及效率越低；含水层介质渗透系数级差越小，越有利于STF向低渗透区传输；对于不同排列次序的互层结构，当低渗透层位于高渗透层下层时更有利于STF传输。通过PTC强化修复DNAPL TCE污染含水层显著提高了MnO4-的有效利用率，TCE去除率提高了48.0%，并有效缓解了修复过程中含水层渗透系数的降低，使含水层渗透系数在修复完成后稳定于8.85 × 10-5-1.06 × 10-4 m/s。由此可见，STF-PTC协同强化修复DNAPL污染含水层具有较好的应用前景。