一种含水层中氯代烃污染原位生物修复方案优化方法技术

本发明专利技术公开了一种含水层氯代烃污染原位生物修复方案优化方法，属于地下水污染修复领域。该优化方法包括以下步骤：氯代烃修复区及污染区的界定、构建含水层中氯代烃污染原位生物修复模拟模型、构建含水层中氯代烃污染原位生物修复方案多目标优化模型、构建含水层中氯代烃污染修复模拟

【技术实现步骤摘要】
一种含水层中氯代烃污染原位生物修复方案优化方法


[0001]本专利技术属于地下水污染修复领域，涉及一种含水层氯代烃污染原位生物修复方案优化方法。

技术介绍

[0002]近年来挥发性氯代烃作为一种常用的化工原料和有机溶剂，在电子、工业清洗领域被广泛使用，使用过程中的不合理排放已使其成为地下水中最常见的有毒有害污染物之一，严重危害公共环境安全。其中我国北方浅层地下水存在着严重的氯代烃污染，四氯乙烯(PCE)、三氯乙烯(TCE)污染程度最高。由于大部分氯代烃具有“三致”效应：致癌、致畸、致突变的潜在毒性，严重威胁人体健康和水环境安全。因此，修复地下水氯代烃污染刻不容缓。
[0003]目前，国内外学者已采取一系列物理、化学和生物修复技术治理地下水中氯代烃污染，如表面活性剂强化含水层修复(SEAR)技术、原位生物修复(ISB)技术等。其中ISB技术可以实现有机污染物的完全破坏，成为修复地下水中氯代烃的公认技术之一。使用ISB技术修复含水层中氯代烃污染的过程中，绝大多数学者未考虑氯代烃自然衰减的性质，造成了模拟精度低，修复效率和效果不理想的问题，相应的论文如《Modeling chlorinated solvent bioremediation using hydrogen release compound(HRC)》(利用释氢化合物模拟氯化溶剂生物修复)(Ryan C W.，Junqi H.，Mark N G.Modeling chlorinated solvent bioremediationusing hydrogen release compound(HRC)[J].Bioremed
ꢀ‑
iation Journal，2007，10(3)：129
‑
141.)等，想要提高修复效率就必须建立能够精确模拟氯代烃原位生物修复过程的模拟模型。另一方面，大多数修复方案将氯代烃污染修复问题作为单目标问题研究，然而只追求单一目标函数的方案必然造成资源的浪费，含水层氯代烃原位生物修复方案设计过程中，不仅要考虑修复效果，同时也要考虑修复成本的高低。因此，含水层氯代烃污染修复方案的优化是一个多目标优化问题。
[0004]综上所述，现有的针对地下含水层中氯代烃污染修复的方案在模拟精度、权衡修复总成本和剩余污染物浓度方面存在着许多不足之处，优化氯代烃污染修复方案的方法亟待被提出。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是要解决现有技术中存在的问题，即建立一个保证模拟精度，且考虑最佳修复效果和最小修复费用两个目标函数的多目标优化模型，并通过基于NSGA
‑
II算法对其进行求解，得到可以供需求者选择的最优修复方案集。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种含水层中氯代烃污染原位生物修复方案优化方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1，氯代烃修复区及污染区的界定
[0009]设在所述含水层中有一包含氯代烃污染区的区域，并记为氯代烃修复区，该氯代烃修复区与包括在其中的氯代烃污染区均为三维各向同性的承压含水层；将氯代烃修复区
简化为一个高度与地平面平行的矩形体，并取其中任意一个垂直于地平面的横截面记为修复区A，该修复区A为一个长方形，其长边为α，短边为β；
[0010]以修复区A的一个端点为原点建立平面坐标系，且修复区A的长边与X轴平行，修复区A的短边与Y轴平行；令两条长边为隔水边界、两条短边为定水头边界，其中，与Y轴重合的短边记为边界1，另一条短边记为边界2，设水流方向与X轴正向相同，且边界1水头大于边界2水头；
[0011]将在修复区A中的氯代烃污染区记为污染区B，设该污染区B位于0.04α＜X＜0.64a、0.35β＜Y＜0.7β的区间内；
[0012]设在修复区A内还包含一个浓度约束区，该浓度约束区为长方形区域，其右边界与边界2重合，左边界距污染区右边界的直线距离约为0.04α
‑
0.08α；
[0013]设在修复区A内与X轴平行的中线上均匀设置了Γ个抽注井，将其中任意一个记为抽注井I
i
，i＝1，2，...，Γ，Γ个抽注井I
i
从左向右依次排列；
[0014]设在修复过程中通过Γ个抽注井I
i
向氯代烃修复区注入乳酸，并设在注入乳酸瞬间发酵产生氢气，且氢气的总浓度已知；
[0015]设修复过程中，氯代烃修复区的水力梯度为0.0048，孔隙度为0.3，纵向弥散系数为10m2/s，渗透系数为1.8m/d，修复周期N
s
为1000天，所述纵向弥散系数即每秒钟污染物向X轴正向弥散的面积；
[0016]设在修复过程中每一天为一个时间段，共经历了N
s
个修复时间段，将其中任意一个修复时间段记为修复时间段s，s＝1，2，...，N
s
；
[0017]将修复区A平均剖分为有限差分网格，该有限差分网格的每个交叉点为一个节点，并将其中任意一个节点记为节点j0，0＝1，2，...，N，N为修复区A内的节点数；
[0018]步骤2，构建含水层中氯代烃污染原位生物修复模拟模型
[0019]将所述含水层中氯代烃污染原位生物修复模拟模型记为模型1，该模型包括微生物群体降解氯代烃模型、微生物的生长和衰减模型和氯代烃自然衰减模型；
[0020]设氯代烃修复区中的污染物包含以下四种：四氯乙烯、三氯乙烯、二氯乙烯和氯乙烯；设氯代烃修复区中存在两种脱氯微生物，一种脱氯微生物参与降解四氯乙烯和三氯乙烯，称为微生物1，另一种微生物参与降解二氯乙烯和氯乙烯，称为微生物2；
[0021]所述微生物群体降解氯代烃模型的表达式如下：
[0022][0023]式中，V1为参与反应的微生物1的浓度，V2为参与反应的微生物2的浓度，为四氯乙烯通过微生物1参与脱氯作用下的降解率，为四氯乙烯通过微生物1脱氯的最大脱氯常数，C
PCE
为四氯乙烯的初始浓度，为四氯乙烯通过微生物1脱氯作用的半饱和常数，C
TCE
为三氯乙烯的初始浓度，为三氯乙烯通过微生物1脱氯作用的半饱和常数，C
i，s
为修复时间段s内抽注井I
i
中注入的乳酸浓度，为氢气参与时脱氯反应H2水相浓度的阈值，所述阈值为保持微生物正常存活所需要的最低值，为通过微生物1脱氯时H2半饱和常数，为三氯乙烯在微生物1参与脱氯作用下的降解率，为三氯乙烯通过微生物1脱氯的最大脱氯常数，为二氯乙烯在微生物2参与脱氯作用下的降解率，为二氯乙烯通过微生物2脱氯的最大脱氯常数，C
DCE
为二氯乙烯的初始浓度，为二氯乙烯通过微生物2脱氯作用的半饱和常数，C
VC
为氯乙烯的初始浓度，为氯乙烯通过微生物2脱氯作用的半饱和常数，为通过微生物2脱氯时H2半饱和常数，为氯乙烯在微生物2参与脱氯作用下的降解率，为氯乙烯通过微生物2脱氯的最大脱氯常数，为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含水层中氯代烃污染原位生物修复方案优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，氯代烃修复区及污染区的界定设在所述含水层中有一包含氯代烃污染区的区域，并记为氯代烃修复区，该氯代烃修复区与包括在其中的氯代烃污染区均为三维各向同性的承压含水层；将氯代烃修复区简化为一个高度与地平面平行的矩形体，并取其中任意一个垂直于地平面的横截面记为修复区A，该修复区A为一个长方形，其长边为α，短边为β；以修复区A的一个端点为原点建立平面坐标系，且修复区A的长边与X轴平行，修复区A的短边与Y轴平行；令两条长边为隔水边界、两条短边为定水头边界，其中，与Y轴重合的短边记为边界1，另一条短边记为边界2，设水流方向与X轴正向相同，且边界1水头大于边界2水头；将在修复区A中的氯代烃污染区记为污染区B，设该污染区B位于0.04α＜X＜0.64a、0.35β＜Y＜0.7β的区间内；设在修复区A内还包含一个浓度约束区，该浓度约束区为长方形区域，其右边界与边界2重合，左边界距污染区右边界的直线距离约为0.04α
‑
0.08α；设在修复区A内与X轴平行的中线上均匀设置了Γ个抽注井，将其中任意一个记为抽注井I
i
，i＝1，2，...，Γ，Γ个抽注井I
i
从左向右依次排列；设在修复过程中通过Γ个抽注井I
i
向氯代烃修复区注入乳酸，并设在注入乳酸瞬间发酵产生氢气，且氢气的总浓度已知；设修复过程中，氯代烃修复区的水力梯度为0.0048，孔隙度为0.3，纵向弥散系数为10m2/s，渗透系数为1.8m/d，修复周期N
s
时长为1000天，所述纵向弥散系数即每秒钟污染物向X轴正向弥散的面积；设在修复过程中每一天为一个时间段，共经历了N
s
个修复时间段，将其中任意一个修复时间段记为修复时间段s，s＝1，2，...，N
s
；将修复区A平均剖分为有限差分网格，该有限差分网格的每个交叉点为一个节点，并将其中任意一个节点记为节点j0，0＝1，2，...，N，N为修复区A内的节点数；步骤2，构建含水层中氯代烃污染原位生物修复模拟模型将所述含水层中氯代烃污染原位生物修复模拟模型记为模型1，该模型包括微生物群体降解氯代烃模型、微生物的生长和衰减模型和氯代烃自然衰减模型；设氯代烃修复区中的污染物包含以下四种：四氯乙烯、三氯乙烯、二氯乙烯和氯乙烯；设氯代烃修复区中存在两种脱氯微生物，一种脱氯微生物参与降解四氯乙烯和三氯乙烯，称为微生物1，另一种微生物参与降解二氯乙烯和氯乙烯，称为微生物2；所述微生物群体降解氯代烃模型的表达式如下：
式中，V1为参与反应的微生物1的浓度，V2为参与反应的微生物2的浓度，为四氯乙烯通过微生物1参与脱氯作用下的降解率，为四氯乙烯通过微生物1脱氯的最大脱氯常数，C
PCE
为四氯乙烯的初始浓度，为四氯乙烯通过微生物1脱氯作用的半饱和常数，C
TCE
为三氯乙烯的初始浓度，为三氯乙烯通过微生物1脱氯作用的半饱和常数，C
i，s
为修复时间段s内抽注井I
i
中注入的乳酸浓度，为氢气参与时脱氯反应H2水相浓度的阈值，所述阈值为保持微生物正常存活所需要的最低值，为通过微生物1脱氯时H2半饱和常数，为三氯乙烯在微生物1参与脱氯作用下的降解率，为三氯乙烯通过微生物1脱氯的最大脱氯常数，为二氯乙烯在微生物2参与脱氯作用下的降解率，为二氯乙烯通过微生物2脱氯的最大脱氯常数，C
DCE
为二氯乙烯的初始浓度，为二氯乙烯通过微生物2脱氯作用的半饱和常数，C
VC
为氯乙烯的初始浓度，为氯乙烯通过微生物2脱氯作用的半饱和常数，为通过微生物2脱氯时H2半饱和常数，为氯乙烯在微生物2参与脱氯作用下的降解率，为氯乙烯通过微生物2脱氯的最大脱氯常数，为通过H2参与脱氯作用下的利用率，为四氯乙烯消耗H2的化学计量系数，为三氯乙烯消耗H2的化学计量系数，为二氯乙烯消耗H2的化学计量系数，为氯乙烯消耗H2的化学计量系数；所述微生物生长和衰减模型的表达式如下：
式中，为微生物1参与脱氯作用下的利用率，D1为微生物1产量系数，为微生物1的衰减速率常数，V
1，min
为给定的参与反应最低微生物1的浓度，为微生物2参与脱氯作用下的利用率，D2为微生物2产量系数，为微生物2的衰减速率常数，V
2，min
为给定的参与反应最低微生物2的浓度；所述氯代烃自然衰减模型的表达式如下：式中，V
PCE
为四氯乙烯在衰减后的浓度，K
pce
为四氯乙烯的一级降解速率，V
TCE
为三氯乙烯在衰减后的浓度，Y
tce/pce
为四氯乙烯自然衰减系数，K
tce
为三氯乙烯的一级降解速率，V
DCE
为二氯乙烯在衰减后的浓度，Y
dce/tce
为三氯乙烯自然衰减系数，K
dce
为二氯乙烯的一级降解速率，V
VC
为氯乙烯在衰减后的浓度，Y
vc/dce
为二氯乙烯自然衰减系数；步骤3，构建含水层中氯代烃污染原位生物修复方案多目标优化模型将含水层中氯代烃污染原位生物修复方案多目标优化模型记为模型2，在设定的约束条件下，构建模型2；所述设定的约束条件为：
在以上约束条件下，模型2的表达式为：式中，f1为修复总费用，minf1为修复总费用的最低值，a1为钻井费用系数，a2为安装井费用系数，a3为抽注水费用系数，a4为注入乳酸的费用系数，所述钻井费用系数a1为钻得一口抽注井I
i
所需地下空间的费用，所述安装井费用系数a2为安装一口抽注井I
i
所需费用，所述抽注水费用系数a3为在一口抽注井I
i
处抽取1m3水或在一口抽注井I
i
处注入1m3水所需费用，所述注入乳酸的费用系数a4为在一口抽注井I
i
处注入1mol乳酸所需费用；b是抽注井I
i
的存在系数，b等于0或1，当b＝1时，抽注井I
i
使用，当存在系数b＝0时，抽注井I
i
不使用，d
i
为抽注井I
i
的井深，Q
i，s
为抽注井I
i
在修复时间段s内的抽注水速率，负值为抽水，正值为注水，
△
s为修复时间段s的时长，minf2为剩余污染物浓度比的最低值，f2为剩余污染物浓度比，mass
ini
为修复开始时含水层中污染物浓度，mass
end
为修复结束时含水层中污染物浓度；为修复时间段s内节点j0处的污染物浓度，为修复时间段s...

【专利技术属性】
技术研发人员：骆乾坤，赵梦，郭明，孔志伟，孙猛，邓亚平，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：