论文题目: 原位曝气去除地下水中MTBE及数学模拟研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 化学工程
作者: 郑艳梅
导师: 李鑫钢
关键词: 原位曝气,地下水修复,运移,数学模拟
文献来源: 天津大学
发表年度: 2005
论文摘要: 原位曝气(in situ Air Sparing,AS)是一种新兴的地下水原位修复技术,主要用于处理可挥发性有机物造成的饱和土壤和地下水污染。本文以被甲基叔丁基醚(MTBE)污染的地下水作为主要修复对象,从理论基础、过程参数、传质影响因素、流体力学等方面对原位曝气的复杂过程进行了系统的研究。由吸附平衡实验确定MTBE在砂土中的液-固吸附等温线为Freundlich关系,并用非线性最小二乘法拟合得到MTBE在生物降解过程中基质最大利用速率、半饱和常数及生物得率。采用间歇实验,确定了MTBE好氧降解的条件:温度25℃;pH值8.5;接种量30%。对被油污染土壤的土著混合菌进行驯化、分离,得到一株降解MTBE的优势菌MTBE-2,根据生理生化实验和16SrDNA测序结果,确定出该菌种为蜡状芽孢杆菌(Bacillus cereus)。采用土柱实验,系统地研究了不同操作条件下AS去除地下水中MTBE污染的影响因素。实验结果表明:无生物降解情况下,当曝气流量增加到0.10m~3/h时,去除率达95%,为本操作条件的最佳曝气流量。土壤的渗透率与去除效率有直接关系,渗透率越大,污染物的去除效率越高,渗透率越小则越易产生“拖尾”现象。在高渗透率介质中,间歇曝气与连续曝气二者的去除效果基本一致,而在低渗透率介质中,间歇曝气可以明显改善连续曝气中存在的“拖尾”现象。通过考察不同初始条件下挥发率与生物降解率的大小,确定MTBE由水相向空气孔道中气相的挥发是主要的传质机理。好氧降解微生物的存在,使得通过曝气不能去除的较低浓度MTBE修复的更为彻底。根据污染物在地下水中的状态,提出了包含对流、水动力弥散、相间传质及生物转化等一维AS传质模型。通过比较模型计算结果和土柱实验数据,表明空气饱和度的不均匀分布对修复影响是不可忽略的。本文模型可以正确预测有、无生物降解的一维AS传质过程。在AS动量方程基础上,提出了AS二维流场的数学模型,采用有限元法求解,得到了二维非稳态空气饱和度场、速度场和稳态压力场分布。结果显示空气饱和度随着曝气时间和距曝气井位置的不同而变化,在曝气5小时左右,流场区域稳定。
论文目录:
中文摘要
ABSTRACT
前言
第一章 文献综述
1.1 AS 技术简述及应用状况
1.1.1 AS 技术简述
1.1.2 MTBE 污染状况
1.1.3 AS 应用概况
1.2 AS 修复效果影响因素
1.2.1 土壤及地下水的环境因素
1.2.2 曝气的压力和流量
1.2.3 地下水的流动
1.3 AS 过程中的传质研究
1.3.1 污染物的相间传质
1.3.2 污染物的转化机理——生物降解
1.3.3 污染物的传递机理
1.4 数学模拟研究进展
1.4.1 集总参数模型
1.4.2 多相流模型
1.5 本文的主要研究内容
第二章 AS 物理及数学模型的建立和推导
2.1 AS 过程的物理模型描述
2.1.1 物理描述
2.1.2 模型基本假定
2.2 AS 过程中污染物迁移的耦合控制方程
2.2.1 组分质量守恒方程
2.2.2 流动方程
2.3 本章小结
第三章 基本模型参数的描述及其实验测定
3.1 土壤渗透率
3.2 吸附参数的测定
3.2.1 实验方法
3.2.2 平衡吸附类型及实验结果
3.3 MTBE 在土壤体系的有效扩散系数研究
3.4 相间传质系数
3.5 本章小节
第四章 降解 MTBE 优势好氧菌种的培养分离与鉴定
4.1 微生物的培养与驯化
4.2 MTBE 降解条件的确定
4.2.1 实验仪器
4.2.2 分析方法
4.2.3 温度对 MTBE 降解过程的影响
4.2.4 pH 值对 MTBE 降解过程的影响
4.2.5 接种量对MTBE 降解过程的影响
4.2.6 MTBE 降解过程中溶解氧的变化
4.3 优势菌种的分离和筛选
4.3.1 菌种的分离纯化过程
4.3.2 菌种的筛选
4.4 优势菌种的鉴定
4.4.1 形态特征
4.4.2 培养及生理生化特征
4.4.3 分子生物学鉴定
4.4.4 结果与讨论
4.5 本章小结
第五章 AS去除MTBE无生物降解的实验研究及理论分析
5.1 实验方案
5.1.1 实验体系
5.1.2 实验流程
5.1.3 实验方案
5.2 实验结果与讨论
5.2.1 曝气流量的影响
5.2.2 介质渗透率的影响
5.2.3 不同曝气形式的影响
5.3 理论模型及数值求解方法
5.3.1 模型描述
5.3.2 模型的数值求解
5.3.3 模拟结果与讨论
5.4 本章小结
第六章 AS去除MTBE有生物降解的实验研究及数值模拟
6.1 实验方案
6.1.1 实验体系
6.1.2 实验流程
6.1.3 分析方法
6.1.4 实验方案
6.2 实验结果与讨论
6.2.1 曝气实验1~#
6.2.2 曝气实验2~#
6.2.3 曝气实验3~#
6.3 微生物降解参数的测定及拟合
6.3.1 Monod 参数和生物的率拟合
6.3.2 参数的实验测定
6.3.3 实验及拟合结果
6.4 理论模型及数值求解方法
6.4.1 模型描述
6.4.2 模型的数值求解
6.4.3 模拟结果与讨论
6.5 本章小结
第七章 AS 二维流场数值模拟研究
7.1 二维流动方程推导
7.2 模拟区域及模拟参数
7.3 定解条件
7.4 模型的数值求解及模拟结果
7.4.1 空气饱和度场
7.4.2 非稳态速度场分布
7.4.3 稳态压力场分布
7.5 本章小结
第八章 结论
参考文献
发表论文和参加科研情况说明
附录
附录一 培养基成份
附录二 菌体计数报告
附录三 菌种16SrDNA 序列
附录四 Monod 参数拟合程序
附录五一维土柱无生物降解程序
附录六一维土柱有生物降解程序
附录七二维空气饱和度模拟程序
附录八二维速度场模拟程序
致谢
发布时间: 2007-07-10
参考文献
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