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基于数值模拟和响应面法的PRB设计研究

谭勇  
【摘要】:地下水污染具有持续时间长、污染控制难度大和修复费用高等一系列典型特征。而PRB(permeable reactive barrier)技术在原位处理污染地下水具有其他原位修复和异位修复无可比拟的优势。应用PRB对地下水进行修复时,往往需要设计PRB的各种属性(包括长、宽、高、水力传导率和活性介质的孔隙率及反应性能等)。影响PRB设计的因素很多,在众多影响因子中选取最重要的几个因素PRB与含水层渗透系数的比log K、PRB的位置D(即污染源与PRB的距离)及PRB的墙体厚度W。利用COMSOL Multiphysics软件建立水平流动地下含水层中连续PRB的流体流动和溶质运移的数值模型,模型的主区域为长70m,宽45m和高10m的长方体状含水层;x=13.4m处设置长15m、宽5m的污染源;污染源的下游一定位置处放置长25m、高10m以及厚度W可变的PRB墙体。分析了特定情境下各单因素对含水层去除效率ωAquifer和PRB去除效率ωPRB、水力停留时间t的影响。 采用响应面方法中的BBD法研究了PRB与含水层渗透系数的比log K、PRB的位置D及PRB的墙体厚度W对污染物进口浓度Cin、PRB的去除效率ωPRB、水力停留时间t和捕获区域宽度的影响。使用Design-expert对模型输入数据进行多元回归分析得到了Cin、ωPRB和t与log K、D和W编码值的二次方程模型,方差分析结果都显示:P0.0001,决定系数R2分别为0.9961、0.9924和0.9993。表明方程模型的显著性很高,拟合度好。在所有的因子中,针对不同的响应值,PRB的墙体厚度都是最显著的影响因子。 基于响应面法的各因素对捕获区域宽度的影响表明:一定范围内捕获区域宽度随着log K的增加而变小,超过某一值时,并不发生变化。污染源与PRB距离越近,所需捕获区域宽度越小,墙体的厚度越大;距离越远,所需捕获区域宽度越大,污染范围越广,不利于污染物的治理与控制。设计应用PRB处理污染地下水时,需平衡各因素之间的关系,兼顾效率与效益,同时注意安全因子的量化。


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