一种新的模拟模型，用于评估好氧-厌氧生物刺激作用在含水层-潜水层耦合地下系统中对BTEX（苯、甲苯、乙烯、二甲苯）迁移的影响

《Journal of Environmental Management》：A novel simulation model to assess the impact of Aerobic–Anoxic biostimulation mediated BTEX migration in a coupled Vadose–Phreatic subsurface system

BTEX污染在毛细管-潜水层（CVP）系统的迁移与生物降解机制研究，开发BioVPM耦合模型模拟多组分污染物行为，揭示土壤质地（砂/粘土）与含水层深度对降解效率及微生物活性调控作用，优化原位生物修复策略。

　　

Akanksha Srivastava | T.I. Eldho

印度理工学院孟买分校土木工程系，马哈拉施特拉邦孟买，400076，印度

摘要

由BTEX（苯、甲苯、乙苯和二甲苯）引起的地下水和土壤污染对地下环境构成了威胁，而生物修复提供了一种有前景的净化策略。本研究提出了一种新的模拟模型，该模型结合了水文地球化学和微生物动态，以评估BTEX在非饱和带-含水层（CVP）中的迁移情况，从而实现受污染含水层的原位生物刺激。开发了一种二维生物刺激驱动的非饱和带-含水层迁移（BioVPM）模型。该模型考虑了非饱和带的垂直流动和含水层的二维流动，同时忽略了毛细 fringe效应，因为它们对溶解相质量的影响有限。流动、溶解、传输和生物刺激模型被耦合起来，以模拟综合的BTEX动态。模型结果表明，与自然衰减相比，生物刺激显著提高了BTEX的减少程度：苯减少了约83%，甲苯减少了65%，乙苯减少了57%，二甲苯减少了52%，从而最小化了CVP系统内的污染羽流扩散。苯的垂直羽流迁移减少了约1.25倍，其他组分的减少也较为明显。BTEX的迁移和对生物修复的响应受到土壤质地的显著影响。沙子有利于溶解和迁移，而粘土则抑制迁移，但能保留更多的生物量。沙子的高渗透性有利于快速对流，而粘土则通过吸附和逐步释放来增强滞留作用。含水层深度在水文地球化学动态中起着关键作用，其中氧气在大约18天内减少了约99%，硝酸盐在50天内减少了约18%。较深的区域由于氧气供应有限，触发了更有效的（缺氧）硝酸盐驱动的生物刺激。

引言

地下污染通常是由于存在大量不可接受的生物可降解有机物引起的。石油烃（PHC）在地下环境中的迁移已成为环境水文地质学中一个极其重要的问题，因为它对地下水来源和生态系统的可持续性构成持续风险（Dehghani等人，2022年；Ho等人，2023年）。在PHCs中，BTEX在汽油泄漏、工业排放和溢出中最为常见。已知BTEX会导致多种健康风险，尤其是癌症和致突变影响等（Alao等人，2023年）。BTEX在地下积累会降低其质量并改变地球化学平衡，因此理解其迁移行为和降解机制至关重要（Pande等人，2020年）。

当BTEX释放到地下时，它会与非饱和带和含水层的复杂水文地球化学和水文动态相互作用。非饱和带通过水分含量的波动作为缓冲层，限制污染物的迁移，从而影响污染物的挥发和溶解。这两个区域之间的氧化还原状态和水力条件的变化通常会导致同时发生多种衰减机制的动态相互作用（Rodrigo-Ilarri等人，2023年）。理解这些相互联系对于预测污染物命运、建立修复框架和确保可持续性至关重要（Pande等人，2020年）。生物分解是去除BTEX最有效和可靠的过程。好氧细菌在富氧环境中繁衍，而氧气受限的深层区域则有利于缺氧降解。这种好氧-缺氧转变对于维持地下系统的降解潜力至关重要。通过注入电子受体进行的生物刺激已被证明可以加速BTEX的降解（Srivastava等人，2024年）。

BTEX的降解受到水文地质参数、污染物的化学性质和本土微生物活动的显著影响（Gaur等人，2018年）。由于土壤-地下水之间的连通性和复杂的水文-生物地球化学相互作用，预测PHC在非饱和带-含水层系统中的命运仍然具有挑战性，需要采用综合建模方法（DeVaull等人，2020年；Sarma和Singh，2021年）。因此，开发一个能够准确预测CVP系统中PHC命运的模型是必要的。

许多研究独立探讨了烃类在非饱和带和含水层中的命运（Kacem等人，2019年；Kikumoto和Nakamura，2017年；Srivastava等人，2023年；Srivastava和Valsala，2023年）。Zhu等人（2012年，2011年）提出了一种使用三维地下水数学模型的非饱和水流综合耦合策略。Zhu等人（2017年）的研究通过结合各种生物地球化学动态和氮传输，扩展了单物种框架的范围。Huang等人（2020年）应用实验室框架和多孔及裂隙介质中的试验，研究了LNAPL的迁移和修复机制。尽管耦合建模技术取得了显著进展（Huang等人，2020年；Pan等人，2024年；Zhu等人，2011年，2012年，2017年），但在CVP系统中明确整合多组分溶解和反应传输的研究仍然有限。因此，在有氧-缺氧条件下准确预测PHC生物刺激方面仍存在显著差距。为了解决这一差距，本研究提出了BioVPM模型，该模型在一个单一传输框架内整合了两个区域的流动。这一新型模型结合了吸附、溶解、挥发和顺序氧化还原驱动的好氧-缺氧生物刺激。该框架评估了氧化还原变化、电子受体可用性和微生物活动如何影响水文地质耦合和不同土壤质地下的BTEX迁移——这是现有模型中未明确涉及的方面。与以往的研究不同，当前模型通过在一个反应传输模型中整合顺序氧化还原驱动的好氧-缺氧生物刺激，推动了研究的进步。

创新之处在于过程层面的整合，而不仅仅是简单的模块耦合。本研究探讨了（i）非饱和带和含水层流动的耦合如何影响污染羽流行为，（ii）电子受体如何调节氧化还原驱动的好氧-缺氧生物刺激，（iii）土壤质地和含水层深度如何影响微生物的反应和电子受体的利用，以及（iv）评估多电子受体生物刺激的代表性模拟时间。这些见解提供了基于过程的理解，这是以往BTEX传输和衰减研究中未明确涉及的。

部分摘录

耦合流动-传输-生物刺激模拟器的开发

本节提供了一种开发数值模拟器的新方法，该模拟器在CVP系统中整合了流动、传输和生物刺激。图1展示了一个代表CVP系统中静态BTEX泄漏的概念性场景。同时模拟了四种BTEX成分，以捕捉化合物特定的迁移性和污染羽流行为。生物刺激通过表面注入电子受体（氧气和硝酸盐）来实现。基础模型域被假设为均匀的

数值建模程序

在流动模型中，使用预测器-校正算法来处理非线性：$h_i^{\left(0\right)}=h_i^n$。相关的三对角线性系统使用Tridiagonal Thomas算法（Mallik，2001年）求解。采用BICGSTAB（Van der Vorst，1992年）来求解离散线性系统。进行多次迭代，直到达到所需的收敛容忍度。采用的收敛容忍度值为${10}^{?6}$，并在每个时间步继续迭代，直到残差误差满足这些条件

所提出模型的验证

由于缺乏基于现场的、实验的或数值数据集来捕捉含水层系统中溶解、多物种传输和PHCs生物降解的联合作用，直接对提出的BioVPM模型进行现场验证仍然是一个挑战。为此，在完全耦合之前采用了多层次的模块化验证策略。验证按模块进行（流动、溶解、传输和生物降解），以证明各个部分的正确性

讨论

本研究表明，所开发的BioVPM模型可以用于评估CVP系统中BTEX的变化，包括微生物活动、电子受体动态和BTEX的溶解速率，从而优化原位修复。通过分析土壤质地对BTEX移动和生物刺激的影响，该模型有助于地下水监测、资源管理、环境影响评估和风险评价。

模型的准确性可以通过额外的

结论

本研究提出了一个新颖的建模框架，表明好氧-缺氧生物刺激通过减少污染羽流迁移和维持生物降解来促进BTEX的衰减。土壤质地和含水层深度影响污染物的传输和微生物动态——粗粒土壤和较深的区域加速降解，而细粒土壤通过滞留作用支持更高的生物量。苯的迁移性最强，而二甲苯和乙苯的迁移性最弱。考虑到质地和深度的依赖性

CRediT作者贡献声明

Akanksha Srivastava：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，验证，方法论，调查，形式分析，概念化。T.I. Eldho：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论，调查，形式分析，概念化。

参与同意

不适用。

伦理批准

不适用。

出版同意

不适用。

资助

作者声明在准备本手稿期间未收到任何资金、拨款或其他支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。