地下水污染的修复取决于含水层介质的渗透性和均质性,以及目标污染物的特性,其中的难点和瓶颈问题是重非水相液体污染物（DNAPL）在非均质含水层中的修复。因为DNAPL密度大,容易向含水层下部迁移聚集,使用常规技术难以有效修复;此外实际含水层几乎都具有非均质性,不同渗透性的地层交互沉积,其中低渗透性含水层中污染物的去除尤为困难。所以,非均质含水层有机污染的修复技术研究具有重要的实际意义。本论文主要选择了具有挥发性和半挥发性的DNAPL污染物,研究其在非均质含水层中的强化热蒸汽修复技术。热蒸汽注入修复技术是一种能同时修复挥发性和半挥发性有机污染含水层的有效方法,但在低渗透和非均质污染含水层中热蒸汽技术的应用效果受到一定的影响。所以,如何提高热蒸汽在非均质含水层的修复效果是目前的关键问题。热蒸汽修复技术在发达国家虽然应用较多,但对于修复效果的影响因素以及非均质含水层中的修复效果缺乏系统性的研究。目前有关非均质含水层对蒸汽迁移、温度分布规律及污染物修复效果的影响尚不清楚,有关非均质含水层中强化热蒸汽注入技术修复效果方面的研究鲜有报道。所以如何提升非均质含水层中热蒸汽修复技术的效果,仍然是目前面临的关键问题。本论文主要研究了热蒸汽修复污染含水层的影响因素,如蒸汽注入流量、介质类型、污染物种类、温度等。定量描述了温度对有机物物理性质的影响,并发现了醇类作为共沸剂时溶液共沸温度的变化。研究了热蒸汽进入均质含水层和非均质含水层（层状非均质含水层和含透镜体非均质含水层）时蒸汽的迁移与温度的分布规律,并建立了温度的分布模型。研发了在非均质含水层中加入醇类来强化污染含水层修复效果的方法技术,并阐明了醇强化热蒸汽修复污染含水层的机理。研究成果为热蒸汽原位修复技术的强化提供了理论依据,具有实际应用意义。本论文研究不仅提高了非均质含水层中有机物的去除效果,缩短了修复时间,还降低了修复成本,为热蒸汽修复技术在非均质污染含水层中的应用提供了新思路。论文的主要研究成果如下:1.综合多种因素,特别考虑了四种醇类在降低表面张力和共沸温度两方面的作用,最终选取乙醇作为强化热蒸汽修复的试剂。氯苯、硝基苯与水组成的二元混合体系共沸温度分别为94.3℃、97.4℃。加入乙醇后共沸温度分别降低了12.9℃和14.2℃,共沸温度的降低大幅度降低了能耗,从而减少了去除污染物的费用。2.综合考虑修复效能与修复成本,确定30℃为氯苯去除的底限温度。当温度高于30℃时,氯苯在不同介质中均有较好的去除效果。研究发现萘去除的底限温度为50℃。当温度高于底限温度时,在不同介质中氯苯和萘的去除率均在93.0%以上。根据氯苯的底限修复温度预测蒸汽的修复面积,将预测修复面积与实测氯苯去除率高于98.0%时的修复面积进行对比,发现两者相差仅为8.7%。因此,利用有机物的底限温度可以在一定程度上预测热蒸汽的修复面积。3.在均质含水层中,当含水层水力梯度非常小时,蒸汽注入后温度呈现对称分布;当地下水流速增大时,由于水流的对流作用,使得蒸汽影响区域向下游扩展,温度不再呈现对称分布。蒸汽注入流量和介质粒径都会影响升温区分布的形状。研究发现:当介质渗透系数小于1.6×10-3 cm/s（细砂）时,升温区呈H型分布。当渗透系数大于3.5×10-2 cm/s（中砂）时,且蒸汽注入流量较大时（1.0 kg/h）呈V型分布,蒸汽注入流量较小（0.5 kg/h）时呈H型分布。综合含水层介质的导热性、渗透性以及毛细力的作用,不同含水层中升温区面积大小顺序为:粗砂＞细砂＞中砂。细砂含水层中较高的升温区面积主要是由于热管效应和热弥散导致的。当毛细力较大时,产生的冷凝水不易回流到升温区使温度降低,且由于热弥散的作用,细砂中水与介质的换热过程增强,因此细砂含水层具有更强的传热能力,使其具有较大的升温区面积。4.研究发现:在层状非均质含水层中,上层低渗透性介质和下层高渗透性介质的地层结构对蒸汽发生了阻截,形成了蒸汽阻截型界面,导致蒸汽在界面下方聚集,下层介质温度升高。渗透系数比（下层/上层）R值增大约20倍时,界面下方平均温度升高15℃,硝基苯浓度降低了47.0%,而上层低渗透地层硝基苯浓度增大了1倍左右。界面作用导致温度分布不均,下层介质硝基苯的去除率增大,硝基苯在上层介质累积,硝基苯的去除不均匀,修复效果变差。界面阻截作用导致热蒸汽难以进入到上层介质,上层低渗透含水层中热对流减弱,主要依靠温度差产生的热传导传热,上层介质传热变慢,修复效果降低。明确了热蒸汽修复层状非均质含水层时,修复效果减弱的原因。针对由于层状非均质界面导致修复效果下降的问题,进行了强化热蒸汽修复效果的研究。在R=381的层状非均质污染含水层体系中,加入乙醇后,模拟体系平均温度上升了12℃,蒸汽影响区域增大13.0%,地下水中硝基苯的含量降低了16.1%,固相上硝基苯的含量降低了14.0%。添加乙醇后减少了上层介质内污染物的累积,增强了硝基苯的去除效果。乙醇的加入导致表面张力大幅度降低,表面张力梯度引起了Marangoni对流的产生,增强了传热与传质过程。并且在蒸汽区发生了共沸,增强了污染物的去除,降低了修复成本。5.在含低渗透性透镜体非均质含水层中,在透镜体下方形成蒸汽阻截型界面,导致蒸汽绕流透镜体,修复效果不理想。当渗透系数比（背景/透镜体）R值由88增加到190时,透镜体内平均温度降低了17℃,升温区面积降低了42.0%,透镜体内硝基苯去除率降低了31.0%。渗透系数比越大,蒸汽注入技术修复硝基苯污染透镜体非均质含水层的效果越不理想。针对由于低渗透性透镜体导致硝基苯修复效果降低的问题,进行了强化热蒸汽修复效果的研究。当渗透系数比R=88和R=190时,通过加入乙醇进行强化,模拟体系平均温度和蒸汽影响区域面积均有所上升。地下水中硝基苯的浓度分别降低了20.0%和40.7%,透镜体内硝基苯的浓度分别降低了23.0%和49.5%。固相上硝基苯主要集中在低渗透透镜体内,加入乙醇后,透镜体内固相上硝基苯的含量降低了30.0%以上。这证明在不同地层结构中加入乙醇后均能增强蒸汽注入技术的修复效果,减缓了蒸汽注入技术在非均质含水层中应用的限制,从而进一步扩大了蒸汽注入技术的应用范围。本论文的主要创新体现在:揭示了热蒸汽在均质含水层和非均质含水层的迁移和传热机制,明确了热蒸汽修复非均质含水层修复效果下降的原因与机理。发现了氯苯去除率高于96.0%和萘去除率高于93.0%的底限温度,并在模拟体系中验证了底限温度预测修复面积的可行性。提出了利用乙醇强化热蒸汽修复非均质含水层的方法,并阐明了乙醇强化修复的机理。研究成果为热蒸汽修复技术方案优化及强化修复提供了理论支撑。