بررسی تأثیر پارامترهای مهم در مدل عددی یک‌بعدی انتقال آلاینده در حضور کلوئید در محیط متخلخل اشباع

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترای مهندسی محیط‌زیست- منابع آب، دانشکده محیط‌زیست، پردیس دانشکده فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 دانشیار، گروه مهندسی محیط‌زیست، دانشکده محیط‌زیست، پردیس دانشکده فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

انتقال آلودگی به آب‌های زیرزمینی که با توجه به مصرف بیش از حد و افت سطح آن در طول سال‌های اخیر آسیب‌پذیری زیادی دارند، از اهمیت زیادی برخوردار است. یکی از پارامترهای مهم انتقال آلاینده به آبهای زیرزمینی، حضور ذرات کلوئیدی است. این ذرات اغلب باعث تسهیل انتقال آلاینده‌ها به عمق‌های پایین‌تر خاک در شرایط اشباع می‌شوند، ولی در شرایط خاصی، تأخیر در انتقال آلاینده نیز ایجاد می‌کنند. بنابراین بررسی تأثیر پارامترهای مختلف بر انتقال آلاینده در حضور کلوئید امری ضروری است. در این پژوهش به‌منظور بررسی تأثیر پارامترهای مختلف و همچنین تأثیر حضور کلوئید بر انتقال آلاینده، ابتدا یک آزمایش انتقال کروم شش ظرفیتی در حضور ذرات کلوئیدی بنتونیت در یک ستون با محیط متخلخل اشباع انجام شد. سپس مدل عددی یک‌بعدی بر مبنای معادلات و اندرکنش‌های سه فاز خاک، ذرات کلوئید و آلاینده در محیط متخلخل اشباع توسعه داده شد. معادلات استفاده شده در این پژوهش که بر اساس مطالعات گذشته بوده است، شامل 6 معادله دیفرانسیلی به‌همراه 6 مجهول بود که از طریق روش عددی تفاضل محدود با استفاده از دو نقطه تقریبی بازگشتی برای مشتق زمان و تفاضل مرکزی برای مکان حل شد. مدل عددی این پژوهش با مقدار ضریب تعیین 98/0 با نتایج آزمایشگاهی واسنجی شد و ضرایب ثابت معادلات بهینه شدند. بررسی پارامترهای مهم نشان داد که با افزایش نرخ رسوب ذرات کلوییدی بر روی ماتریس جامد، مقدار آلاینده کمتری انتقال پیدا می‌کند که اثباتی بر تأثیر ذرات کلوئیدی بر انتقال آلاینده است. همچنین افزایش نرخ جذب ذرات آلاینده توسط ذرات کلوئیدی و سرعت جریان، باعث افزایش انتقال آلاینده می‌شود. بررسی نتایج نشان داد که 2 برابر کردن ضریب پخش هیدرودینامیکی ذرات آلاینده و کلوییدی باعث افزایش بیش از 100 برابری در ابتدای آزمایش و افزایش تقریباً 15 درصدی در انتهای آزمایش می‌شود. در نهایت، افزایش تخلخل نیز باعث بیشتر شدن فضای خالی میان ذرات و انتقال بیشتر کروم می‌شود. نتایج این پژوهش حاکی از تأثیر بسزای ذرات کلوئیدی بنتونیت در تسهیل و افزایش انتقال کروم در محیط متخلخل اشباع است. همچنین ضریب پخش بیشترین تأثیر را در انتقال کروم در حضور ذرات کلوئیدی در محیط متخلخل اشباع دارد. در نتیجه در محیط‌های مستعد آلودگی آب‌های زیرزمینی باید حضور ذرات کلوئیدی بررسی شود و با انجام مدل‌سازی، تأثیر پارامترها در آن محیط مشخص شود تا تدابیر لازم برای کنترل آن انجام شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigating the Effect of Important Parameters in a One-Dimensional Numerical Model of Pollutants Transmission in the Presence of Colloid in a Saturated Porous Medium

نویسندگان [English]

  • Behzad Ghiasi 1
  • Mohammad Hossein Niksokhan 2
1 PhD Candidate of Environmental Engineering-Water Resources, School of Environment, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
2 Assoc. Prof., of Environmental Engineering, School of Environment, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده [English]

Transmission of pollutants to high vulnerability groundwaters is significant due to the uncontrolled growth of water harvesting from wells in recent years. One of the significant parameters for the pollutants transfer to groundwater is the presence of colloidal particles. These particles often facilitate the transfer of pollutants to lower soil depths in saturated conditions. However, in particular circumstances, they also delay the transmission of pollutants. Therefore, it is necessary to study the effect of various parameters on the transfer of pollutants in the presence of colloids. In this research, in order to investigate the effect of various parameters and the effect of colloid presence on pollutant transfer, first, a hexavalent chromium transmission experiment was performed in the presence of bentonite colloidal particles in a saturated porous medium column. Then a one-dimensional numerical model has been developed based on three-phase equations and interactions of soil, colloid particles, and pollutants in a saturated porous medium. The equations in this research include six differential equations that have six unknown parameters. These equations are solved with finite difference method, which uses two points reverse differential approximation for derivatives of time and central difference approximation for spatial derivatives. The numerical model was calibrated with experimental results with a determination coefficient of 0.98 and constant coefficients of the equations were optimized. Investigation of the important parameters showed that by increasing the deposition rate of colloidal particles on the solid matrix, less pollutant content was transferred, which is a fact for the effect of colloidal particles on pollutant transport. Also, increasing the rate of pollutants absorption by colloidal particles and increasing the flow velocity, increases the pollutant transport. The results indicated that doubling the hydrodynamic diffusion coefficient of the contaminant and colloidal particles increased transmission by more than 100 times at the beginning of the experiment and by approximately 15% at the end of the experiment. Finally, the increase in porosity increases the gap between the particles and the chromium transmission. The results of this study indicate the significant effect of bentonite colloidal particles in facilitating and enhancing chromium transport in saturated porous media. Also, the diffusion coefficient has the most influence on chromium transport in the presence of colloidal particles in the saturated porous media. As a result, the presence of colloidal particles in groundwater-contaminated environments should be monitored and the effects of parameters in that environment should be determined by modeling to take the necessary measures to control it.

کلیدواژه‌ها [English]

  • colloidal particles
  • Pollutant Transmission
  • Groundwater pollution
  • Numerical Model
  • Finite difference method
Bekhit, H. M., El-Kordy, M. A. & Hassan, A. E. 2009. Contaminant transport in groundwater in the presence of colloids and bacteria: model development and verification. Journal of Contaminant Hydrology, 108(3-4), 152-167.
Bekhit, H. M. & Hassan, A. E. 2005. Two-dimensional modeling of contaminant transport in porous media in the presence of colloids. Advances in Water Resources, 28(12), 1320-1335.
Bradford, S. A. & Leij, F. J. 2018. Modeling the transport and retention of polydispersed colloidal suspensions in porous media. Chemical Engineering Science, 192, 972-980.
Burri, N. M., Weatherl, R., Moeck, C. & Schirmer, M. 2019. A review of threats to groundwater quality in the anthropocene. Science of the Total Environment, 684, 136-154.
Chen, C., Liu, K. & Shang, J. 2018. Effects of ionic strength, electrolyte type, pH, and flow rate on transport and retention of atmospheric deposition particles in saturated porous media. Journal of Soils and Sediments, 18(3), 1066-1075.
Corapcioglu, M. Y. & Jiang, S. 1993. Colloid‐facilitated groundwater contaminant transport. Water Resources Research, 29(7), 2215-2226.
De Jonge, L. W., Kjærgaard, C. & Moldrup, P. 2004. Colloids and colloid-facilitated transport of contaminants in soils. Vadose Zone Journal, 3(2), 321-325.
Energy, I. R. O. I. M. O. 2018. Iran Water Statistical Yearbook. (In Persian)
He, J., Wang, D. & Zhou, D. 2019. Transport and retention of silver nanoparticles in soil: Effects of input concentration, particle size and surface coating. Science of the Total Environment, 648, 102-108.
Hunter, R. J. 2001. Foundations of Colloid Science, Oxford University Press.
Katzourakis, V. E. & Chrysikopoulos, C. V. 2014. Mathematical modeling of colloid and virus cotransport in porous media: application to experimental data. Advances in Water Resources, 68, 62-73.
Kheirabadi, M., Niksokhan, M. H. & Omidvar, B. 2017. Colloid-associated groundwater contaminant transport in homogeneous saturated porous media: mathematical and numerical modeling. Environmental Modeling and Assessment, 22(1), 79-90.
Li, X., Zhang, W., Qin, Y., Ma, T., Zhou, J. & Du, S. 2019. Fe–colloid cotransport through saturated porous media under different hydrochemical and hydrodynamic conditions. Science of the Total Environment, 647, 494-506.
Malgaresi, G., Zhang, H., Chrysikopoulos, C. & Bedrikovetsky, P. 2019. Cotransport of suspended colloids and nanoparticles in porous media. Transport in Porous Media, 128(1), 153-177.
Mccarthy, J. F. & Mckay, L. D. 2004. Colloid transport in the subsurface: past, present and future challenges. Vadose Zone Journal, 3(2), 326-337.
Mills, W. B., Liu, S. & Fong, F. K. 1991. Literature review and model (COMET) for colloid/metals transport in porous media. Groundwater, 29(2), 199-208.
Roy, S. B. & Dzombak, D. A. 1997. Chemical factors influencing colloid-facilitated transport of contaminants in porous media. Environmental Science and Technology, 31(3), 656-664.
Saiers, J. E. 2002. Laboratory observations and mathematical modeling of colloid‐facilitated contaminant transport in chemically heterogeneous systems. Water Resources Research, 38(4), 3-1-3-13.
Saiers, J. E. & Hornberger, G. M. 1999. The influence of ionic strength on the facilitated transport of cesium by kaolinite colloids. Water Resources Research, 35(6), 1713-1727.
Sen, T. K. & Khilar, K. C. 2006. Review on subsurface colloids and colloid-associated contaminant transport in saturated porous media. Advances in Colloid and Interface Science, 119(2-3), 71-96.
Sen, T. K., Nalwaya, N. & Khilar, K. C. 2002. Colloid‐associated contaminant transport in porous media: 2. Mathematical modeling. AIChE Journal, 48(10), 2375-2385.
Sen, T. K., Shanbhag, S. & Khilar, K. C. 2004. Subsurface colloids in groundwater contamination: a mathematical model. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 232(1), 29-38.
Šimůnek, J., He, C., Pang, L. & Bradford, S. A. 2006. Colloid-facilitated solute transport in variably saturated porous media: numerical model and experimental verification. Vadose Zone Journal, 5(3), 1035-1047.
Speight, J. G. 2019. Natural Water Remediation: Chemistry and Technology, Butterworth-Heinemann.
Valsala, R. & Govindarajan, S. K. 2019. Co-colloidal BTEX and microbial transport in a saturated porous system: numerical modeling and sensitivity analysis. Transport in Porous Media, 127(2), 269-294.