《Journal of Contaminant Hydrology》：Enhanced performances of the coupled thermal conductive heating-groundwater circulation well approach
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本研究通过实验室 sandbox 实验和数值模拟评估了耦合热传导加热（TCH）和地下水循环井（GCW）系统对保守示踪剂（Brilliant Blue）和半挥发性有机污染物（硝基苯）的修复效果。结果表明，加热显著缩短了保守示踪剂的修复时间（2.5%-50%），但对最终修复面积影响较小；硝基苯修复面积随加热温度升高显著增加（53.95%-99.74%），时间减少4%-95%。机制分析表明对流是主要去除机制，挥发和吸附的贡献随温度变化。
胡行路|胡月|刘传坤|王伟佳|蒲胜岩|焦桐|郑春苗
中国地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），成都610059
摘要
大多数关于地下水循环井（GCW）及其与其他修复技术结合的研究都是在常温条件下进行的。为了填补这一空白，本研究通过一系列实验室规模的沙箱实验，并结合数值模拟，评估了这种热传导加热（TCH）- GCW系统的修复效果，针对的是保守性示踪剂（亮蓝）和半挥发性有机污染物（硝基苯）。对于保守性示踪剂，加热显著加快了GCW的修复过程，但不同加热条件下的最终修复面积和修复效率结果相似。例如，在110°C的加热温度下，观测点的修复时间比不加热条件减少了2.5%–50%，而加热条件下的最终修复面积仅增加了不到6%。对于硝基苯，更高的加热温度可以带来更好的修复效果，尤其是在尾矿区。在加热条件下，硝基苯的修复面积从53.95%增加到99.74%，所需的修复时间减少了4%–95%。通过数值模拟的情景分析，量化并排序了使用TCH-GCW方法去除硝基苯的四种机制过程的相对贡献：对流 > 水动力扩散 > 挥发 > 吸附，而保守性示踪剂的去除归因于对流。随着加热温度的升高，由于扩散和挥发去除的硝基苯的质量和相对贡献也增加了。
引言
近几十年来，随着场地规模的地下水污染逐渐演变成一个全球性的环境问题，积极进行受污染地下水的场地规模修复变得至关重要（Hadley和Newell，2014；Ciampi等人，2023a）。然而，目前用于地下水污染修复的主要技术仍存在局限性，如残留污染物的积累和潜在的二次污染（Ciampi等人，2024）。
作为一种新的原位地下水污染修复技术，地下水循环井（GCW）从同一井筒内不同深度的筛网中抽取和注入水，从而在井周围建立局部地下水循环（Gvirtzman和Gorelick，1992）。这种循环可以有效将受污染的地下水引入井中，随后在井筒内（例如通过井内处理模块）或通过连接到井的地面处理系统去除污染物。净化后的水再注入含水层。这一迭代过程确保了受污染含水层中污染物的持续去除（Chen等人，2010；Ciampi等人，2023b）。然而，GCW技术仍面临一些限制，包括较长的操作时间和在处理某些污染物（如半挥发性有机化合物）时去除不完全（Zhao等人，2016；Ciampi等人，2024）。为了解决这些缺点，开发了各种GCW组合技术（例如与表面活性剂、生物修复或化学氧化结合），并在实际案例中成功应用（Knox等人，1997；Gandhi等人，2002；Ciampi等人，2023b）。这些GCW技术已在实验室和现场规模上成功应用于多种污染物，包括氯化溶剂和苯、甲苯、乙苯和二甲苯（BTEX）（Gandhi等人，2002；Ciampi等人，2010）。
为了提高GCW的性能，整合热处理过程提供了一种独特的机制来应对半挥发性和顽固性污染物的挑战。热传导加热（TCH）技术通过直接加热含水层来增强污染物的去除（Sun等人，2020）。该技术具有在尾矿区（受污染残留区域）去除污染物的优势（Tatti等人，2017；Li等人，2022），并且适用于具有不同含水层渗透性或土壤质地的场地（Mechati等人，2004；Munholland等人，2015）。TCH技术可以提高半挥发性和非水相液体的挥发性和迁移性，并已有效应用于多种污染物，如氯化溶剂和石油烃（Heron等人，2015；Chen等人，2024）。总体而言，TCH方法主要通过加速反应过程（如挥发和脱附）来去除地下水中的污染物（Nishiwaki等人，2011；Colombano等人，2020），而GCW主要利用加速的对流流动来捕获和迁移含水层中的污染物（Chen等人，2010；Al-Hashimi等人，2021）。
理论上，将GCW与TCH结合可以协同提高修复效果。含水层温度是影响修复过程的关键因素。由于热传递导致的温度升高可以显著提高含水层的水力传导性，从而促进液相传输的迁移和污染物的去除（Muniruzzaman等人，2014；Hicknell等人，2018）。温度还会影响地下水中化合物的水动力扩散，因为污染物的扩散能力随温度升高而增加（Quintard和Whitaker，1994）。此外，加热降低了污染物在固体介质上的吸附强度，促进了它们从吸附态向溶解态的转变。同时，通过显著增加污染物的蒸气压，加热大大提高了它们从液相到气相的挥发质量传递速率（Heron等人，2015；Sun等人，2024）。因此，将TCH和GCW结合可以被视为一种可行的策略，以缩短修复时间并提高GCW的整体修复效果。
迄今为止，关于TCH-GCW组合方法的具体研究仍然有限。在实验室规模的研究中，Li等人（2024）评估了GCW在加热条件下的热传递效率和修复效果的提高。尽管该研究采用了不同的方法来驱动GCW（曝气泵）和加热系统（将加热管道放置在GCW内），揭示了TCH-GCW组合方法的巨大潜力，但GCW诱导的污染物迁移过程与TCH增强的热反应过程之间的基本相互作用机制仍未阐明和量化。因此，本研究探讨了加热是否由于加速了污染物迁移或改变了污染物在含水层中的物理化学反应特性（如挥发性）而提高了GCW的性能这一关键问题。
本研究将TCH和GCW方法整合到一个耦合系统中。通过使用亮蓝作为可溶性保守性示踪剂和硝基苯作为代表性的半挥发性有机污染物，通过沙箱示踪实验和数值模拟评估了该系统的性能。亮蓝被用作可溶性保守性示踪剂。硝基苯是一种有毒且半挥发的有机污染物，常见于地下水中，对生态系统构成重大威胁（Gong等人，2023），被选为该研究中的代表性半挥发性有机污染物。主要目标是：1）评估和比较TCH-GCW系统对可溶性保守性示踪剂和半挥发性有机污染物的修复效果；2）研究加热温度与TCH-GCW最终性能之间的关系；3）了解加热如何影响GCW在含水层中驱动的污染物去除。TCH-GCW组合方法有望为地下水污染的修复提供更高效和可靠的解决方案。
研究路线图
框架分为两部分：保守性示踪剂和硝基苯（半挥发性有机污染物）。保守性示踪剂的部分旨在探索加热对GCW引发的地下水流动的影响，而硝基苯的部分旨在研究该系统内的传输和反应过程。每个部分都包括沙箱示踪实验和数值模型。
可溶性保守性示踪剂的TCH-GCW系统性能
在沙箱实验中，当加热条件设置为无加热、70°C、90°C和110°C时，含水层（40个观测点）的平均温度分别为10°C、34°C、56°C和79°C。由于GCW驱动的水循环增强了热扩散，这些加热条件下的温度分布呈蝴蝶形状（图S5）。GCW在沙箱内驱动的地下水头分布相似
加热对有机污染物迁移的影响
保守性示踪剂（亮蓝）的传输主要由对流主导。在实验室规模下，均匀介质中对流的亮蓝传输特征是水动力扩散参数最小和浓度前沿明显（Koch和Flühler，1994；Forrer等人，1999；Germán-Heins和Flury，2000；Nobles等人，2010）。加热的一个关键效应是降低了地下水的粘度，从而直接提高了水力传导性
结论
本研究通过综合实验室规模的沙箱实验和数值模拟，研究了TCH-GCW方法去除不同类型污染物的性能。我们的研究阐明了TCH方法如何增强GCW的修复效果，主要发现如下：
1)在不同加热温度下，对保守性示踪剂的最终修复效率和修复面积的影响较小，而
CRediT作者贡献声明
胡行路：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，数据管理。胡月：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，概念化。刘传坤：撰写 – 审稿与编辑，方法学，资金获取，概念化。王伟佳：撰写 – 审稿与编辑，调查，数据管理。蒲胜岩：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。焦桐：撰写 –
未引用的参考文献
Song等人，2015
Tang等人，2015
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金[资助编号：42477070]、国家重点研发计划[资助编号：2020YFC1808300]以及四川省自然科学基金[资助编号：2025ZNSFSC0259、2025ZNSFSC1213和2025ZNSFSC0412]的支持。
