天然氣處理廠污水污泥池地下水污染分析

劉亞南　王天英　馮一帆

摘 要：在油氣田的開(kāi)發(fā)和處理過(guò)程中，將會(huì)產(chǎn)生大量的污水，在正常工況下，這些污水都會(huì)經(jīng)過(guò)處理安全地回注地層，不會(huì)對(duì)地下水形成污染，但在非正常工況下，污水產(chǎn)生泄漏將會(huì)對(duì)地下水產(chǎn)生污染。該文以蘇里格氣田第六天然氣處理廠工程實(shí)例，用所建立的地下水溶質(zhì)數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)和分析了天然氣處理廠污水污泥池中污水泄漏后對(duì)地下水的污染，并對(duì)地下水遭受污染后的自修復(fù)能力和人工修復(fù)能力進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，在非正常工況下，污水污泥池中的污染物發(fā)生泄漏時(shí)，會(huì)造成一定范圍內(nèi)地下水的污染，污染面積與泄漏時(shí)間及泄漏量密切相關(guān)。同時(shí)預(yù)測(cè)表明，地下水一旦遭受污染，即使在污染源終止后，依靠地下水系統(tǒng)自身修復(fù)能力，地下水環(huán)境很難恢復(fù)到污染前狀態(tài)，但通過(guò)人工修復(fù)，基本可以恢復(fù)到污染前的地下水環(huán)境狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：污水 泄漏 預(yù)測(cè)評(píng)價(jià) 修復(fù)能力

中圖分類號(hào)：X70 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）03（a）-0100-04

在油氣田的開(kāi)發(fā)和處理過(guò)程中，將會(huì)產(chǎn)生大量的污水，在正常工況下，這些污水都會(huì)經(jīng)過(guò)處理安全地回注地層，不會(huì)對(duì)地下水形成污染，但在非正常工況下，污水污泥池中的污水泄漏將會(huì)對(duì)地下水產(chǎn)生污染。針對(duì)油氣田開(kāi)發(fā)和處理過(guò)程中產(chǎn)生的污水可能對(duì)地下水環(huán)境的影響，前人曾做過(guò)一定的分析和研究[1-3]。該文以蘇里格氣田第六處理廠為例，假定在污水污泥池發(fā)生泄漏情況下，預(yù)測(cè)和分析了對(duì)地下水的污染，并對(duì)地下水遭受污染后的自修復(fù)能力和人工修復(fù)能力進(jìn)行了分析，可為地下水的污染防治措施提供技術(shù)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

蘇里格氣田第六天然氣處理廠地處內(nèi)蒙古自治區(qū)烏審旗巴彥柴達(dá)木東南（圖1），距烏審旗直線距離27km，距巴彥柴達(dá)木直線距離3km，距海流圖河支流2km，距陜蒙界2km。

研究區(qū)位于海流圖河中游地區(qū)，毛烏素沙地腹地。地表多為風(fēng)積砂覆蓋，地形起伏很小，微地貌以灘地為主，灘地間夾有沙丘，沙丘高度2～4m。海流圖河是區(qū)內(nèi)唯一的河流，自西北向東南流經(jīng)研究區(qū)南部，多年平均徑流量0.82億m3/a，多年平均降水量346mm。

研究區(qū)含水層主要包括第四系薩拉烏素組含水層與白堊系含水層。兩個(gè)含水層上下疊置，其間無(wú)有效隔水層，構(gòu)成了一個(gè)統(tǒng)一含水層。第四系與白堊系含水層富水性好，厚度大，是區(qū)內(nèi)重要供水層位。包氣帶巖性主要為滲透性較強(qiáng)的風(fēng)積砂與薩拉烏素組，地下水位埋藏淺（1～3m），包氣帶防污性能弱，含水層易受污染。地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給，開(kāi)采、蒸發(fā)及向海流圖河溢出為主要排泄方式，總體上由東北向西南徑流[4-5]。

2 地下水?dāng)?shù)值模型的建立

模擬軟件選擇使用美國(guó)Briham Young University 開(kāi)發(fā)的GMS（Groundwater Model System），利用MODFLOW模塊來(lái)建立水流數(shù)值模型，在此基礎(chǔ)上，利用MT3D模塊建立溶質(zhì)數(shù)值模型。

研究區(qū)模型東北部以1 216m水位等值線為界，西南部以1 200m水位等值線為邊界，東南、西北部以地下水流線為邊界。模型邊界性質(zhì)見(jiàn)圖2。東北部、西南部邊界為定水頭邊界，東南部、西北部為隔水邊界。模擬區(qū)面積8.28km2。

綜合考慮模擬區(qū)面積、計(jì)算精度和計(jì)算速度，網(wǎng)格剖分為：東西方向上，共剖分為107列，南北方向上，分別剖分為110行。單元格規(guī)格32.8×40.9m，整個(gè)研究區(qū)計(jì)剖分為6 313個(gè)單元格。在邊界條件、匯源項(xiàng)概化、模型離散基礎(chǔ)上，建立地下水流數(shù)值模型，并以此為平臺(tái)，建立溶質(zhì)數(shù)值模型。

3 地下水污染預(yù)測(cè)

第六天然氣處理廠在非正常工況下，可能對(duì)地下水產(chǎn)生污染的設(shè)施和裝置有脫油脫水裝置、甲醇回收裝置、污水處理裝置、污水回注管線和污水回注井等。這里假定生產(chǎn)污水處理裝置中的污水污泥池在事故狀態(tài)下發(fā)生泄漏，采用數(shù)值法來(lái)對(duì)其可能造成的地下水環(huán)境影響進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。

污水污泥池中污染組分有COD、SS、石油類等，這里選擇石油類為預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)因子。生產(chǎn)污水總量864.65m3/d，考慮到出現(xiàn)滲漏時(shí)，滲漏量有不確定性，因此這里虛擬10%、30%兩種不同的滲漏量級(jí)，并概化為連續(xù)恒定排放的點(diǎn)源。《蘇里格氣田第六天然氣處理廠工程初步設(shè)計(jì)》中，生產(chǎn)污水處理工藝要求的進(jìn)水水質(zhì)含油控制指標(biāo)為≤500mg/L，因此將500mg/L作為污染因子預(yù)測(cè)的源強(qiáng)。

基于確定的評(píng)價(jià)因子和源強(qiáng)，在研究區(qū)水流模型基礎(chǔ)上，采用MT3D對(duì)污水污泥池的泄漏對(duì)地下水的污染進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。預(yù)測(cè)分短期（60d）和長(zhǎng)期（730d）兩種時(shí)段。

3.1 發(fā)生少量泄漏對(duì)地下水污染預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

設(shè)定工業(yè)污水在污水污泥池發(fā)生10%的滲漏（滲漏量86.47m3/d），短期（60d）及長(zhǎng)期730d形成的污染暈預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1、圖3、圖4。

由預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出：工業(yè)污水在污水污泥池發(fā)生10%的滲漏，無(wú)論長(zhǎng)期（730d4）還是短期（60d），均會(huì)在地下水中形成污染暈。短期形成的污染暈范圍不是很大，順地下水徑流方向擴(kuò)展距離不超過(guò)150m，長(zhǎng)期污染暈的擴(kuò)展范圍相對(duì)較大，但不超過(guò)300m。

3.2 發(fā)生大量泄漏對(duì)地下水污染預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

設(shè)定工業(yè)污水在污水污泥池發(fā)生30%的滲漏（滲漏量259.40m3/d），短期（60d）及長(zhǎng)期730d形成的污染暈預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6及表2。

很明顯，工業(yè)污水在污水污泥池發(fā)生大量（30%）泄漏時(shí)，短期形成的污染暈范圍不超過(guò)150m，長(zhǎng)期不超過(guò)350m。與少量滲漏形成的污染暈相比，形成的污染暈不但面積較少量泄漏時(shí)要大，且污染暈內(nèi)污染物濃度相對(duì)也較高。

由此可見(jiàn)，污水污泥池中工業(yè)污水一旦在非正常工況下發(fā)生泄漏，將會(huì)對(duì)地下水產(chǎn)生污染，而且泄漏時(shí)間越長(zhǎng)，污染面積越大；泄漏量越大，污染面積也越大。

4 地下水污染修復(fù)能力

4.1 地下水污染自修復(fù)能力

假定污水污泥池中工業(yè)污水在大量泄漏60d后不再泄漏，污染源終止，這樣以前面預(yù)測(cè)的工業(yè)污水大量滲漏60d形成的污染暈（圖5）為初始濃度場(chǎng)，以研究區(qū)水流數(shù)值模型為平臺(tái)，采用MT3D對(duì)污染暈的遷移、擴(kuò)散及演化進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖7。

由預(yù)測(cè)結(jié)果可見(jiàn)，污水污泥池發(fā)生大量工業(yè)污水滲漏，60d形成的污染暈，在污染源終止后，如果僅靠含水層自修復(fù)能力，就是歷時(shí)20年，也難以完全消除；污染暈演化過(guò)程中，中心區(qū)污染物深度雖有很大程度降低，但污染暈面積在不斷擴(kuò)大；依靠地下水系統(tǒng)自身修復(fù)能力，使地下水環(huán)境恢復(fù)到污染前狀態(tài)，將是一個(gè)極其慢長(zhǎng)的過(guò)程。由此說(shuō)明：在污水污泥池發(fā)生大量工業(yè)污水滲漏后，必須人為干預(yù)，才有可能使地下水環(huán)境得到改善和恢復(fù)。

4.2 地下水污染人工修復(fù)能力

人工修復(fù)受污含水層的效果與具體修復(fù)方案有關(guān)，通過(guò)不同布井與抽水方案比較，最終確定在污染暈下游布置3口應(yīng)急抽水井，每口抽水量為500m3/d，是較為適宜的人工修復(fù)方案（圖8）。依該方案對(duì)受污含水層進(jìn)行修復(fù)預(yù)測(cè)，修復(fù)效果預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖9。

由圖9可以看出：采用施工3口應(yīng)急抽水井，每口抽水量500m3/d的污染暈修復(fù)方案，需連續(xù)抽水550d，可以使地下水環(huán)境中的石油類濃度恢復(fù)到符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中的限值要求（石油類限值0.3mg/L），這在地質(zhì)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)技術(shù)上都是可行的。

5 結(jié)語(yǔ)

在非正常工況下，污水污泥池中的工業(yè)污水發(fā)生泄漏時(shí)，會(huì)造成有限范圍內(nèi)地下水的污染，而且這種污染依靠含水層自修復(fù)能力很難恢復(fù)到污染前環(huán)境，但通過(guò)人工修復(fù)，基本可以恢復(fù)到污染前的地下水環(huán)境狀態(tài)。

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