Principles of Contaminant Hydrogeology
专题讲座
吉林大学环境工程系
2014年5月
水文地质学系统结构
含水层性质
岩性
水动力性质
补给 重 力 径流 水压力 应 力 排泄
地层
地貌 构造
水文地球化学
孔隙介质
裂隙介质
岩溶介质
双重介质
环境水文地球化学
污染质在地下环境中的主要衰减作用
Where: rb = soil bulk density [g/cm3] rn = NAPL bulk density[g/cm3] n = porosity TPH = Total Petroleum Hydrocarbons [mgNAPL/kgdry soil]
rb TPH rn n 10 6

机械过滤 吸附交替作用 溶解、沉淀作用 生物作用


对流、弥散作用
生物地球化学作用
第一讲 污染物的生物地球化学降解
Biogeochemical Degradation f Pollutants
1. 污染物生物地球化学降解原理
（1）地下环境中的主要氧化还原物质
地下环境氧化还原系统中主要包括气体（O2、N2、CH4、CO2）、 溶解性组分（NO3-、NH4+、CH2O、Fe2+、Mn2+、SO42-、HS-、H+）、 固体（FeOOH、MnO2、FeCO3、MnCO3）和存在于固体中的离子交 换态组分（Fe2+、Mn2+、NH4+）。
KJ/molCH2O
-475 -448 -349 -114 -77 -58
1. 污染物生物地球化学降解原理
1. 污染物生物地球化学降解原理
垃圾填埋场
1. 污染物生物地球化学降解原理
包气带 地下水位
产甲烷带
SO42-还原带 铁锰还原带
NO3-还原
含水层
带
地下水流向
氧还原带
1. 污染物生物地球化学降解原理
第二讲 多相流
Multiphase Flow
2.多相流
（1）基本概念
非水相液体（Nonaqueous Phase Liquids, NAPL）
不与水发生混合的液体称为NAPL; 重非水相液体（Dense Nonaqueous Phase Liquids，DNAPL）
比水重的非水相液体；
轻非水相液体（Light Nonaqueous Phase Liquids，LNAPLs） 比水轻的非水相液体
2. 氧化还原带中物质变化特征
3. 氧化还原带动态发展演化过程
c 污染源泄漏 还原性物质 a b c d e t a
b MGZ/SRZ IRZ NRZ/ORZ 低活性带 铁氧化物＋ORZ 低铁带 低铁＋还原性S 丰铁带 好氧 图7.10 氧化还原带动态发展理想模型 氧化还原带发展演化的理论模型 e d c
2.多相流
Partitioning Tracer Test for SN
Chemicals are introduced consisting of conservative and partitioning tracers (PTT) NAPL - Water Partition Coefficient KN. KN = CN/Cw where CN is the conc. in NAPL and Cw is water conc. At steady state, the effect is to delay or retard the PT transport rate according to a retardation factor R = 1 + (KN SN)/(1 - SN) = tp/tn
氧化还原
氧还原 NO3-还原 锰还原 铁还原 SO42-还原 产甲烷
反应方程
CH2O + O2 → CO2 + H2O 5 CH2O+4NO3- →2N2+4HCO3- +CO2+3H2O CH2O+3CO2+H2O+2MnO2→Mn2++4HCO3CH2O+7CO2+4Fe(OH)3→Fe2++8HCO3-+3H2O CH2O+SO42-→H2S+2HCO3CH2O→CO2+CH4 O2>NO3- >Mn4+>Fe3+>SO42-
自由相（Free Phase）
在水动力条件下可流动的连续NAPL。 残余相（Residual Phase）
“困”在孔隙中，在水动力条件下不易流动的NAPL 。
2.多相流
Mobile Phase NAPL or (FreePhase NAPL) is a continuous mass of NAPL that can flow under a hydraulic gradient
Continuous Individual Slug of NAPL NAPL "Blobs" Wate r Solid Volume of NAPL VNAPL
SN
V NAPL V Pore
Can be estimated in the lab via the following:
SN
Volume of Open Pore Space (Effective Porosity) VPore
（2）氧化还原带形成的原理 生物地球化学原理 微生物在利用O2、NO3-、铁锰氧化物和氢氧化物、SO42-等最终 电子受体并通过好氧呼吸、硝酸盐还原、铁锰还原、硫酸盐还原和产 甲烷等代谢途径对有机污染物进行降解，在此过程中，由于最终电子 受体争夺最终电子能力大小的不同，导致氧化还原反应发生的难易程 度也不同，所以在污染晕中形成了一系列不同的氧化还原环境，或者 氧化还原梯度，也就是顺序氧化还原带，即产甲烷带、 硫酸盐还原 带、铁还原带、锰还原带、硝酸盐还原带、氧还原带等。其实质也是 由于地下环境中的各种最终电子受体争夺电子能力的不同所致。 热力学原理 O2、NO3- 、Mn4+、Fe3+和SO42-发生氧化还原反应所需要能量不 同，造成了在不同的氧化还原环境中发生不同的氧化还原反应的难易 程度和次序的不同，从而导致污染晕在时间和空间上依次出现不同的 氧化还原环境，也就是顺序氧化还原带。
NAPL包气带和含水层中相分布示意图
Residual Phase NAPL is trapped in the pore spaces between the soil particles, and cannot be easily moved hydraulically
2.多相流
饱和度：指流体充填体积占总孔隙体积的比例。 剩余饱和度：因毛细作用使其固定不变时的饱和度