污染场地多相抽提低碳修复布井方案优化模拟研究.pdf
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1、污染场地多相抽提低碳修复布井方案优化模拟研究金嘉路1,杨逸文1,王震1,张婉莹2,周龑3,张峰4,李磊5,崔长征1*1.华东理工大学资源与环境工程学院,国家环境保护化工过程环境风险评价与控制重点实验室,上海市环境保护化学污染物环境标准与风险管理重点实验室,上海2002372.上海市环境科学研究院,国家环境保护城市土壤污染控制与修复工程技术中心,上海2002333.中石化第五建设有限公司,广东 广州5101454.上海格林曼环境技术有限公司,上海2000015.中石化炼化工程(集团)股份有限公司洛阳技术研发中心,河南 洛阳471003摘要:多相抽提(multi-phase extraction,
2、MPE)技术常用于土壤与地下水修复,高效、低碳和低成本的布井方案优化是多相抽提技术进一步发展的关键.本研究通过自主编写的 MATLAB-TMVOC 联合优化程序,以模拟的苯污染场地为研究对象,对抽提井群水平布设方案和抽提井开筛位置进行优化,并探究了土壤渗透率对抽提井布设方案的影响.结果表明:MATLAB-TMVOC 联合优化程序具有快速高效的特点,可以免除复杂的人工调参过程,相比人工优化可节省 50%以上的模拟时间和 90%以上的模拟量.优化后的抽提井布设间距随着土壤渗透率的降低而缩小,对于本研究所构建的模型,当土壤渗透率处在 2101381012 m2范围内时,土壤渗透率每减少 1013 m
3、2,优化后的抽提井间距会减小约 0.13 m,即土壤渗透率减少一个数量级,抽提井间距应减小 17.8%48.3%.对于土壤渗透率低于 1013 m2的黏性地层,污染羽核心位置的布井间距应当小于 4 m.优化后的修复方案能够降低成本、减少碳排放,当目标去除率为 90%时,优化后的 MPE 修复方案可以节约 29.7%34.7%的运行成本、22.7%29.3%的总成本以及 21.4%40.4%的碳排放量.研究显示,污染场地 MPE 修复井布设方案应当与场地渗透率和污染羽分布相结合,采取在污染源至污染羽尾方向上由密至疏的非均匀布井方案,以实现高效低碳修复.关键词:多相抽提;污染场地;布井方案;低碳修
4、复;TMVOC中图分类号:X53文章编号:1001-6929(2023)08-1596-11文献标志码:ADOI:10.13198/j.issn.1001-6929.2023.06.14Optimization of Low-Carbon Multi-Phase Extraction Remediation Well Locationsin Contaminated Sites by SimulationJIN Jialu1,YANG Yiwen1,WANG Zhen1,ZHANG Wanying2,ZHOU Yan3,ZHANG Feng4,LI Lei5,CUI Changzheng1*1
5、.State Environmental Protection Key Laboratory of Environmental Risk Assessment and Control on Chemical Process,Shanghai KeyLaboratory of Environmental Standards and Risk Management of Environmental Protection Chemical Pollutants,School of Resourcesand Environmental Engineering,East China University
6、 of Science and Technology,Shanghai 200237,China2.State Environmental Protection Engineering Center for Urban Soil Contamination Control and Remediation,Shanghai Academy ofEnvironmental Sciences,Shanghai 200233,China3.Sinopec Fifth Construction Co.,Ltd.,Guangzhou 510145,China4.Shanghai Greenment Env
7、ironmental Co.,Ltd.,Shanghai 200001,China5.SINOPEC Engineering Group Luoyang R&D Center of Technology,Luoyang,Henan 471003,ChinaAbstract:Multi-phase extraction(MPE)technology is commonly used for soil and groundwater remediation.Optimizing well locationsfor efficient,low-carbon and cost-effective re
8、mediation is crucial to the further development of MPE technology.In this study,a self-developed MATLAB-TMVOC joint optimization program was used to optimize the horizontal location and screen opening position of the 收稿日期:2023-05-04修订日期:2023-06-04作者简介:金嘉路(1996-),男,上海人,.*责任作者,崔长征(1978-),男,河南焦作人,教授,博士
9、,博导,主要从事污染土壤与地下水修复研究,基金项目:国家重点研发计划重点专项(No.2018YFC1803300)Supported by National Key Research and Development Program of China(No.2018YFC1803300)第 36 卷第 8 期环境科学研究Vol.36,No.82023 年 8 月Research of Environmental SciencesAug.,2023extraction wells in a simulated benzene-contaminated site.The influence of s
10、oil permeability on the layout plan of extraction wells wasalso investigated.The results showed that the MATLAB-TMVOC joint optimization program exhibited rapid and efficient characteristics.It eliminated the complex manual parameter adjustment process,saved more than 50%of simulation time and reduc
11、ed more than 90%ofsimulation compared to manual optimization.The optimized spacing between extraction wells decreased with decreasing soil permeability.For the model constructed in this study,when the soil permeability was within the range of 21013 m2 to 81012 m2,a decrease of 1013 m2in soil permeab
12、ility led to a reduction of 0.13 m in the optimized spacing between extraction wells.With a decrease of one order ofmagnitude in soil permeability,the spacing between extraction wells should be reduced by 17.8%to 48.3%.For cohesive formations withsoil permeability below 1013 m2,the spacing between w
13、ells in the core area of the pollution plume should be less than 4 m.The optimizedremediation plan can reduce costs and carbon emissions.When the target removal rate is set at 90%,the optimized MPE remediation plancan save 29.7%to 34.7%of operational costs,22.7%to 29.3%of total costs,and 21.4%to 40.
14、4%of carbon emissions.The study revealedthat the arrangement of MPE remediation wells in contaminated sites should be combined with site permeability and pollution plumedistribution,and a non-uniform well layout plan from dense to sparse in the direction from the pollution source to the tail of the
15、pollutionplume in order to achieve effective and low-carbon remediation.Keywords:multi-phase extraction;contaminated sites;location of wells;low-carbon remediation;TMVOC 多相抽提(multi-phase extraction,MPE)是一种通过“抽提井”真空提取污染区域地下的气体、地下水和非水相液体(non-aqueous phase liquids,NAPL),将污染物分离和处理的原位场地修复技术,作为气相抽提(soil v
16、apor extraction,SVE)的改进技术已被广泛应用于实践,可以与空气注入与原位热脱附等其他技术联合应用强化修复效果1-3.MPE 修复对于中高渗透性的土壤具有较好的修复效果,在我国,张峰4在华东地区某工厂甲苯污染砂质粉土场地进行了 MPE修复中试试验,在 25 d 内总共去除甲苯污染物约 125kg,占总去除 NAPL 污染物的 85%,部分监测点修复后未检出 NAPL 残余.张晶等5在某有机复合污染砂质粉土场地应用 MPE 和原位化学氧化技术进行了联合修复,45 d 的修复周期内收集了约 100 L 的 LNAPL,污染物去除率大于 90%.修复井间距对场地修复具有重要意义,NA
17、PL 污染场地修复常存在拖尾与反弹现象6,Bass 等7对44 个实际场地的修复案例的调查结果显示,当单井所需修复的半径小于 5 m 时,往往能无反弹修复,而所需覆盖半径超过 7 m 时,修复往往失败.现有的研究显示,土壤渗透率等水文地质因素对抽提井影响半径和修复效率有着极大的影响8-10,然而,目前 MPE现场实践通常依据工程经验均匀布设抽提井,没有针对场地渗透率等水文地质条件及污染羽分布设计布井方案,常采用密集的梅花桩布点法布设抽提井,导致 MPE 修复效率低、成本高.因此,如何根据场地情况优化 MPE 布井方案和工艺,降低修复成本,提升抽提效率,降低碳排放量备受关注11-12.由于实际场
18、地的复杂性和不确定性,单独探寻各渗透率等地质参数下的抽提井影响半径没有实际意义11,13,近年来,越来越多的研究者通过 TMVOC、GMS、MT3DMS 等商业软件及模型,利用数值模拟研究土壤地下水修复过程,优化布井方案和操作工艺14-17.这一过程中,部分研究者通过模拟软件刻画实际污染场地模型,经人工调参的方式,修改模拟参数,比选最佳修复工艺和布井方案18-19.但人工调参试错法机械重复性强,往往只能涉及 50100 次的工作量,为减少人工试参的过程,也有研究者基于模拟软件的模拟结果,建立简化替代模型,利用 MATLAB等数据处理软件结合优化算法计算最优方案20,但替代模型的精确度会影响优化
19、结果的正确性.为此,部分研究者直接利用外部程序调用地下水模拟软件,结合优化算法计算最优布井方案和操作工艺,其中基于 MT3DMS 开发的模块化地下水优化软件(modulargroundwater optimizer,MGO)被广泛应用在地下水抽出问题中21,该方法在保证模拟准确性的同时也免除了人工调参过程.耿国婷等22利用 MGO 模拟三氯乙烯污染含水层的抽水修复过程,利用遗传算法优化抽提井布井位置及抽水量等工艺参数,减少了 18%的运行成本,提升了经济效益.但 MGO 基于的模拟软件 MT3DMS 主要适用于地下水抽出修复,其修复区域主要为地下水含水层,而MPE 过程涉及气、液、NAPL三相
20、变化,修复区域包含包气带和含水层,现有研究普遍采用针对多相运移问题开发的 TMVOC 软件模拟 MPE 修复过程9,23-24.TMVOC 是由美国伯克利实验室开发的基于质能守恒、亨利定律等物理化学理论规律模拟多相流体在饱和-非饱和带运移的模拟软件,能够有效模拟抽提修复过程,反应修复过程中污染物浓度等参数变化.孙超等25和王颖9分别通过 TMVOC 模拟了场第 8 期金嘉路等:污染场地多相抽提低碳修复布井方案优化模拟研究1597地中热强化 SVE 修复过程和苯系物在一维土柱的垂向迁移过程,TMVOC 模拟结果与试验数据的拟合优度(R)分别为 0.995 和 0.89.在对场地模拟还原的基础上,
21、研究者基于 TMVOC 模型探究了抽提修复过程中的主要影响因素与最优参数,王颖9通过 TMVOC模拟对 15 个场地的 SVE 修复效果的影响因素进行了灰色关联度分析,结果表明土壤渗透率的关联度最高,为 0.841.田蕾等23通过 TMVOC 对苯和乙烯污染的低渗透场地模型的 MPE 修复过程进行了模拟,探究抽提井开筛位置的最优设计参数,结果显示,抽提井开筛最优位置应处于含水层深部.近年来,已有研究者开始尝试将 TMVOC 与优化算法相结合,如Sookhak 等11利用 TMVOC-MP 与遗传算法相结合,优化了 MPE 修复场地中抽提井水平布井方案,指出均匀布井方案并非最佳修复方案.现有的优
22、化研究尚缺乏对污染场地内每口抽提井开筛位置的优化探讨,实际修复过程中,抽提井开筛位置位于非饱和区时修复以气相污染物抽取为主,而位于饱和区时修复以地下水和自由相 NAPL 抽取为主,统一的抽提井的开筛位置难以达到最优抽提效果26,针对开筛位置的优化修复方案具有必要性.因此,本研究利用 MATLAB 实现遗传算法和TMVOC 软件调用,构建了基于场地污染羽分布和土壤渗透率、有机碳含量等水文地质条件优化 MPE 修复方案的 MATLAB-TMVOC 联合优化程序,在优化布井水平位置的同时优化各抽提井的开筛位置,并探究了不同数量井群的最优布设及开筛位置,总结了不同土壤渗透率下的最优布井规律,以期为实际
23、现场抽提井布设提供指导,实现高效和低碳修复.1 研究方法 1.1 MPE 模拟与优化软件本研究所涉及的软件包括数据处理软件 MATLAB(R2021a,MathWorks,Inc.,美国)、地下水模拟软件TMVOC(TOUGH2-TMVOC,Lawrence BerkeleyNational Laboratory,美国)和地下水模拟及可视化软件PetraSim(Version 5.1,RockWare,Inc.,美国).1.2 MPE 修复模型设置根据现有场地尺度模拟研究9,11,18,23,本研究以苯作为唯一污染物,建立了二维切片概念模型,模型尺寸及网格划分如图 1 所示.模型水平方向上长度
24、为100 m,竖直方向上深度为 15 m,厚度为 1 m.此外,模型上部设置高度为 0.001 m 的网格作为大气边界,左右两侧设置水平长度为 0.001 m 的网格作为定压水头边界.模型网格均匀划分,在水平方向上以 2 m 为单位长度划分网格,以最左侧作为相对水平距离等于0 m的原点;在竖直方向上以 1 m 为单位长度划分网格,将地下水埋深位置作为相对深度等于 0 m 的原点.模型顶部相对深度为5 m,表示其位于地下水位线以上5 m;模型底部相对深度为10 m,表示其位于地下水位线以下 10 m.模型网格总数为 832 个,按照由左至右、由下往上的方式逐行编号.在场地内进行为期 1 年的释放
25、以模拟污染物的泄漏,并进行 1 年的污染物迁移扩散模拟以设置污染物初始分布,并模拟了为期 90 d的 MPE 修复.50020406080100510相对深度/m相对水平距离/m图 1 模型尺寸与网格划分Fig.1 Model size and grid division 模型岩性设置中采用修正后的 Stone 模型27描述场地相对渗透率,其方程形式如式(1)(3)所示:krg=(SgSgr1Swr)A(1)krw=(SwSwr1Swr)A(2)krn=krnSnSnr0.05(3)krgkrwkrnkrnSgSwSnSgrSwrSnrSgrSwrSnr式中,、分别表示气相、液相和 NAPL
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- 污染 场地 多相 抽提低碳 修复 方案 优化 模拟 研究
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