一种原位热活化过硫酸盐氧化修复石油烃污染场地土壤技术参数的优化模型制造技术

本发明专利技术属于土壤有机污染修复技术领域，公开了一种原位热活化过硫酸盐氧化修复石油烃污染场地土壤技术参数的优化模型

【技术实现步骤摘要】
一种原位热活化过硫酸盐氧化修复石油烃污染场地土壤技术参数的优化模型


[0001]本专利技术属于土壤有机污染修复
，具体涉及一种原位热活化过硫酸盐氧化修复石油烃污染场地土壤技术参数的优化模型
。

技术介绍

[0002]石油开采
、
运输
、
贮存和加工过程常伴随大量石油物质的泄露，这些泄露的石油物质最终汇聚在土壤，导致土壤石油污染问题日益严重
。
石油烃是一类由烷烃
、
环烷烃
、
烯烃和多环芳烃等烃类物质组成的复杂疏水性混合物
。
土壤中的石油烃不仅会影响土壤微生物群落结构，堵塞土壤孔隙，造成植物死亡，还会通过蒸发
、
渗流等作用进入大气和水体，进而对人类健康产生持久性危害
。
为降低石油烃污染土壤的生态和健康风险，需要对其开展有效的修复治理
。
[0003]原位化学氧化
(ISCO)
技术因其可快速实施
、
修复周期短
、
对环境扰动小，被广泛应用于石油烃污染土壤的修复
。
过硫酸盐作为
ISCO
系统中一种重要氧化剂，具有持久性
、
强氧化性和高选择性等优点
。
过硫酸盐自身既可直接降解污染物，也可被热
、
碱
、
过渡金属活化后生成硫酸根自由基
(
·
SO4‑
)、
羟基自由基
(
·
OH)
等，大大提高污染物的降解速率
。
其中，热活化方式活化过程中不必向地下注入额外的物质，且活化效率高，在实际污染土壤修复领域有着广阔的应用前景
。
[0004]热活化过硫酸盐基本原理是通过对污染土壤升温，使过硫酸盐分子中的
‑
O
‑
O
‑
键断裂，生成
·
SO4‑
。
文献
(RancB
é
r
é
nice,et al."Comparison of the effectiveness of soil heating prior or during in situ chemical oxidation(ISCO)of aged PAH
‑
contaminated soils."Environmental Science and Pollution Research24(2017):1
‑
14)
报道，升温在促进过硫酸盐活化的同时，还会增加污染物传质速率及可给性
(
解吸
、
溶解
)
，提高氧化反应速率
。
[0005]然而，热活化过硫酸盐降解石油烃的过程十分复杂，受土壤性质
、
石油烃特性
、
加热温度和过硫酸盐剂量等因素的影响，导致污染土壤石油烃去除效果难以预测
。
目前，围绕热活化过硫酸盐修复石油烃污染土壤主要开展了实验室实验研究
。
文献
(
任军贤
,
等
."
热活化过硫酸盐氧化污染土壤中的石油烃
."
土壤
,54(2022):579
‑
585.)
报道，当过硫酸钠剂量从
0.8mmol/g
增加至
2.4mmol/g
时，石油烃的去除效率呈显著的上升趋势
。
当氧化剂为
2.4mmol/g
时，石油烃的去除效率可达
69
％
。
文献
(LiYT,et al."Treatment of soil contaminated with petroleum hydrocarbons using activated persulfate oxidation,ultrasound,and heat:A kinetic and thermodynamic study."Chemical Engineering Journal,428(2021):131336.)
报道，热活化过硫酸盐降解石油烃过程符合伪二级反应动力学，在一定范围内，速率常数随温度的升高而增加，随土壤
pH
的增大而减小
。
但上述实验室尺度的研究反应条件均匀，与实际原位体系相差很大，其结论难以应用于
ISCO
工程
。
[0006]实际污染场地中，不同区域土壤性质
、
石油烃特性通常差异较大，且修复过程中污染土壤温度
、
过硫酸盐与石油烃反应活性随时空不断发生变化，使得实际原位修复体系复杂程度远大于实验室尺度，石油烃修复技术参数及去除效果确定更加困难
。
现有热活化过硫酸盐氧化修复石油烃污染场地工程中，多采用经验法则确定加热能量
、
过硫酸盐剂量等技术参数，之后结合现场试验所测得的石油烃去除结果数据，对上述技术参数进一步优化调整
。
但该方法对土壤性质条件复杂的污染场地适用性差，实施过程复杂，需多次取样测试以确定最终技术参数，且无法全面反映相关技术参数对石油烃去除效果的影响规律
。
目前，尚无原位热活化过硫酸盐氧化体系下石油烃污染场地土壤修复技术参数的优化模型
。
[0007]因此，本专利技术围绕原位热活化过硫酸盐氧化修复石油烃污染场地土壤技术参数难确定的问题，建立了一种原位热活化过硫酸盐氧化修复石油烃污染场地土壤技术参数的优化模型
。
首先，通过开展原位热活化过硫酸盐修复石油烃污染土壤的数值模拟研究，获得不同土壤性质
、
石油烃特性
、
加热能量
、
过硫酸盐消耗及其输送技术参数下土壤石油烃去除量的数据，通过构建土壤性质
、
石油烃特性
、
过硫酸盐消耗及其输送技术参数与加热能量的交互项，表征原位热活化过硫酸盐氧化体系下加热能量变化对石油烃去除过程的影响，采用多元线性回归的方法，构建了原位热活化过硫酸盐氧化修复石油烃污染场地土壤技术参数的优化模型，为热活化过硫酸盐
ISCO
技术应用优化提供技术参考
。

技术实现思路

[0008]本专利技术针对原位热活化过硫酸盐氧化修复石油烃污染场地土壤技术参数难确定的问题，构建一种原位热活化过硫酸盐氧化修复石油烃污染场地土壤技术参数的优化模型，从而能够基于实际污染场地土壤性质和石油烃特性，直接利用该优化模型对热活化过硫酸盐
ISCO
工程中加热能量
、
过硫酸盐输送等技术参数进行优化
。
[0009]本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种原位热活化过硫酸盐氧化修复石油烃污染场地土壤技术参数的优化模型，其特征在于，步骤如下：
(1)
基于原位热活化过硫酸盐氧化修复石油烃污染场地土壤的数值模拟原位热活化过硫酸盐氧化修复过程中土壤热量传递主要基于土壤热传导以及液相迁移所造成的热量输运，传热控制方程如式
(1)
所示：式中：
θ
s
为土壤孔隙度；
s
为土壤饱和度；
ρ
为流体密度，
kg/m3，取
1000kg/m3；
ρ
s
为土壤干密度，
kg/m3，取
2650kg/m3；
c
为流体质量热容，
kJ/(kg
·
K)
，取
4.2kJ/(kg
·
K)
；
c
s
为土壤质量热容，
kJ/(kg
·
K)
，取
0.84kJ/(kg
·
K)
；
t
为时间，
d
；
T
为土壤温度，
K
；
q
为流体渗流速度，
m/d
；
H
e
为热量源汇项，
kJ/m3；
λ
e
为土壤有效导热系数，
W/(m
·
K)
；为哈密顿算子；土壤有效导热系数如
(2)
～
(3)
所示：
λ
e
＝
(
λ
sat
‑
λ
dry
)
·
K
e
+
λ
dry (2)
式中：
λ
sat
为饱和土壤的导热系数，
W/(m
·
K)
；
λ
dry
为干土的导热系数，
W/(m
·
K)
；
K
e
为
Kersten
系数；
ε
为形状参数，与砂粒含量有关，对于砂粒含量大于
40
％的粗质土壤和砂粒含量小于
40
％的细质土壤，
ε
的取值分别为
0.96、0.27
；土壤水流及溶质运移控制方程如式
(4)
～
(5)
所示：所示：式中：为压力水头，
m
；
t
为时间，
d
；
S0为土壤储水率，反映其压缩性大小，
1/m
；
s
为土壤饱和度，的函数；
s
e
为土壤有效饱和度，
s
e
＝
(s
‑
s
r
)/(s
s
‑
s
r
)
，
s
r
为土壤残余饱和度，
s
s
为土壤最大饱和度；
K
为土壤渗透系数，
m/d
；
k
r
为相对渗透系数，
s
e
的函数；
f
μ
为流体粘度系数，反映温度和溶质浓度变化对流体粘度的影响；
χ
为流体浮力系数，反映温度和溶质浓度变化对流体密度的影响；
Q
为流体源汇项，
1/d
；
e
为单位重力矢量；
C
i
为溶质
i
的浓度，
g/L
；
D
为弥散系数，
m2/d
；
Г
为溶质消耗项；流体密度随温度及过硫酸盐浓度的变化关系如式
(6)
所示：
ρ
(C,T)
＝
‑
0.0055(T
‑
273)2+0.0228(T
‑
273)+999.84+0.635C
ꢀꢀ
(6)
流体粘度随温度及过硫酸盐浓度的变化关系如式
(7)
～
(8)
所示：
ζ
＝
(T
‑
423)/100
ꢀꢀ
(7)
式中：
C
为过硫酸盐质量浓度，
g/L
；
μ
为流体粘度，
cp
；
ζ
为归一化温度；
ω
为过硫酸盐质量分数，
ω
＝
C/
ρ
；土壤有效饱和度
s
e
、
相对渗透系数
k
r
的计算基于
VGM
模型，如
(9)
～
(10)
所示：
式中：
n
为孔径分布指数；
α
，
m
为曲线拟合系数，
m
＝1‑
1/n
；液相石油烃
、
过硫酸盐消耗项分别如
(11)
～
(12)
所示：
...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡喜运，司明睿，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：