【摘要】：地下水作為重要的淡水資源，與人類(lèi)的生活是息息相關(guān)的。但是近些年來(lái)，由于地下水的不合理開(kāi)發(fā)利用、污染物的過(guò)度排放和一些突發(fā)性污染泄漏事件，造成了地下水的嚴(yán)重污染。而苯類(lèi)有機(jī)物是地下水中比較常見(jiàn)的一類(lèi)污染物，其中苯、甲苯、乙苯、二甲苯（BTEX）和硝基苯是石油行業(yè)中重要的原材料，在石油及其衍生產(chǎn)品的運(yùn)輸、使用、生產(chǎn)等環(huán)節(jié)造成的泄漏和滲漏現(xiàn)象，均能夠引起地下環(huán)境中苯類(lèi)有機(jī)物的污染問(wèn)題。地下環(huán)境中的苯類(lèi)污染物以非水相液體（NAPL）形式存在，BTEX屬于輕非水相液體（LNAPL），硝基苯屬于重非水相液體（DNAPL），均是毒性較強(qiáng)的污染物，具有“致癌、致畸、致突變”作用，它們一旦進(jìn)入到地下水中，對(duì)人類(lèi)的健康將產(chǎn)生極大的威脅。所以關(guān)于地下水中苯類(lèi)有機(jī)物污染的控制與修復(fù)引起人們?cè)絹?lái)越廣泛的關(guān)注。 控制和治理地下水中苯類(lèi)有機(jī)物污染的方法有很多，如抽出-處理法、原位化學(xué)法、空氣擾動(dòng)法、微生物處理法、可滲透反應(yīng)墻方法等，這些修復(fù)技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)，但是也有不足，有些方法對(duì)污染場(chǎng)地的適應(yīng)性較差、有些方法修復(fù)費(fèi)用較高、有些方法對(duì)環(huán)境干擾較大等。原位反應(yīng)帶修復(fù)技術(shù)（IRZ）是近些年發(fā)展起來(lái)的一種新型原位修復(fù)手段。該技術(shù)能夠最大程度地減少污染物的暴露以及對(duì)環(huán)境的擾動(dòng)，具有修復(fù)效果好、投資少、見(jiàn)效快，并且施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，因此該修復(fù)技術(shù)應(yīng)用前景非常廣闊。 本研究在綜合國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，將原位反應(yīng)帶修復(fù)技術(shù)應(yīng)用到地下水苯類(lèi)有機(jī)污染物的控制和處理當(dāng)中，選擇較難修復(fù)的BTEX和硝基苯作為目標(biāo)污染物。通過(guò)系列實(shí)驗(yàn)考察芬頓試劑對(duì)地下水中BTEX污染的氧化去除效果，并對(duì)各種影響因素進(jìn)行對(duì)比分析，確定最佳處理工藝條件；探討地下水流速、地下介質(zhì)類(lèi)型等因素對(duì)原位反應(yīng)帶修復(fù)技術(shù)的影響；并對(duì)地下含水層中的BTEX污染采用原位反應(yīng)帶技術(shù)進(jìn)行修復(fù)研究。另外通過(guò)系列實(shí)驗(yàn)考察淀粉改性納米鐵漿液對(duì)硝基苯污染的還原處理效果，并進(jìn)行影響因素對(duì)比分析，確定最佳處理工藝條件；探討地下水流速、地下介質(zhì)類(lèi)型等因素對(duì)原位反應(yīng)帶技術(shù)修復(fù)硝基苯污染的影響，并探討硝基苯還原產(chǎn)物苯胺的原位微生物反應(yīng)帶的去除效果；采用原位化學(xué)反應(yīng)帶和原位微生物反應(yīng)帶聯(lián)合技術(shù)對(duì)地下含水層中的硝基苯污染進(jìn)行修復(fù)研究。 本課題的創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在： （1）采用原位反應(yīng)帶技術(shù)應(yīng)用于地下水中苯類(lèi)有機(jī)污染物的修復(fù)，通過(guò)注入井將反應(yīng)試劑注入到污染暈中，形成有效的原位反應(yīng)帶，對(duì)污染物進(jìn)行去除處理，同時(shí)研究了水文地質(zhì)因素對(duì)原位反應(yīng)帶技術(shù)修復(fù)效果的影響，得出具體工藝參數(shù)，為修復(fù)污染場(chǎng)地提供技術(shù)參考。該方法最大限度的減少對(duì)環(huán)境的擾動(dòng)，克服了PRB等原位修復(fù)技術(shù)對(duì)污染土體開(kāi)挖的不足。 （2）采用淀粉作為納米鐵的修飾材料，制成包覆形納米鐵，使用淀粉改性納米鐵漿液對(duì)地下水中的硝基苯污染物進(jìn)行還原處理，總結(jié)出影響實(shí)驗(yàn)效果的具體工藝參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)地下含水層中的硝基苯污染進(jìn)行了原位化學(xué)還原反應(yīng)帶修復(fù)實(shí)驗(yàn)研究。該項(xiàng)研究成果已經(jīng)申報(bào)并獲得了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。 （3）摸索了將芬頓試劑注入到模擬含水層中，形成的原位化學(xué)氧化反應(yīng)帶對(duì)BTEX污染進(jìn)行氧化的去除效果，確定具體的工藝影響參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了BTEX污染原位反應(yīng)帶修復(fù)的影響因素研究，為應(yīng)用芬頓試劑原位反應(yīng)帶技術(shù)修復(fù)污染地下環(huán)境的工程實(shí)踐奠定了基礎(chǔ)。 通過(guò)系列實(shí)驗(yàn)研究了芬頓試劑作為修復(fù)地下水中BTEX污染反應(yīng)試劑的去除效果，確定BTEX污染處理的最佳工藝參數(shù)，研究結(jié)果表明，①在反應(yīng)體系中過(guò)氧化氫的濃度越大，地下水中的BTEX去除效果越好；②在過(guò)氧化氫與BTEX摩爾比相同的條件下，過(guò)氧化氫與二價(jià)鐵離子摩爾比越小，即體系中Fe2+的含量越多，BTEX的去除效果越好，但是如果二價(jià)鐵離子的含量過(guò)多，反應(yīng)體系中的沉淀量增多，影響B(tài)TEX的去除效果；③當(dāng)過(guò)氧化氫與二價(jià)鐵離子的摩爾比為8時(shí)，BTEX的平均去除效率均能達(dá)到90%以上，此時(shí)體系pH由初始的6～7迅速降低至3左右，ORP由初始的-44mV迅速增加到450～500mV范圍內(nèi)，反應(yīng)體系屬于強(qiáng)氧化的環(huán)境；④BTEX的氧化去除過(guò)程均符合二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。 在對(duì)原位化學(xué)氧化反應(yīng)帶影響因素的研究中，采用水平放置的模擬柱模擬地下水中的BTEX污染狀況，通過(guò)注入井注入芬頓氧化試劑，考察水文地質(zhì)因素對(duì)芬頓試劑形成的原位反應(yīng)帶氧化處理BTEX的影響，研究結(jié)果顯示：①注入的芬頓試劑能夠在模擬柱中形成有效的原位化學(xué)氧化反應(yīng)帶，氧化去除污染物BTEX；②各取樣口BTEX的去除率距離注入井口越近，去除率越大，而且各個(gè)取樣口BTEX濃度呈現(xiàn)依次降低，然后再依次升高的趨勢(shì)；③地下水流速較大時(shí)（0.33m/d），在模擬柱運(yùn)行的前期，BTEX的去除效果較好，而在運(yùn)行后期，地下水流速（0.11m/d）較小的模擬柱中BTEX的去除效果較好；④芬頓氧化試劑在注入總量相同的情況下，兩次注入時(shí)BTEX的去除效果比單次注入時(shí)好；⑤由于地下介質(zhì)類(lèi)型不同，介質(zhì)孔隙度大小不同，形成的原位反應(yīng)帶對(duì)BTEX氧化去除率保持時(shí)間也不相同，粗砂中反應(yīng)帶去除BTEX維持高效的時(shí)間較細(xì)砂短；⑥模擬柱在注入芬頓氧化試劑后，反應(yīng)體系內(nèi)各取樣口的ORP均有不同程度的上升，而pH均有不同程度的下降，反應(yīng)體系處于酸性氧化環(huán)境。 利用自制納米鐵漿液、金屬銅改性納米鐵漿液和淀粉改性納米鐵漿液，對(duì)地下水中的硝基苯進(jìn)行還原處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明零價(jià)鐵的不同形態(tài)對(duì)地下水中硝基苯的還原效果影響很大，采用0.8%淀粉改性納米鐵漿液時(shí)，硝基苯的還原率可達(dá)100%，苯胺的轉(zhuǎn)化率達(dá)83.33%，而且改性納米鐵漿液還原處理硝基苯的過(guò)程符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程3袰=-0.7623t+0.3469。 通過(guò)水平放置的模擬柱模擬地下水中的硝基苯污染，采取注入的方式將淀粉改性納米鐵漿液注入到地下水環(huán)境中，形成了有效的原位化學(xué)還原反應(yīng)帶，還原去除地下水中的硝基苯污染，取得較好效果。研究結(jié)果表明：①當(dāng)?shù)叵滤魉俸妥⑷氲矸鄹男约{米鐵漿液的濃度相同時(shí)，含水層介質(zhì)是粗砂，硝基苯的還原效率為84.15%，苯胺的轉(zhuǎn)化率為28.48%；含水層介質(zhì)是細(xì)砂，硝基苯的還原效率為82.98%，苯胺的轉(zhuǎn)化率為26.39%；②當(dāng)?shù)叵滤魉俸秃畬咏橘|(zhì)類(lèi)型相同，注入的淀粉改性納米鐵漿液的濃度為18.0g/L時(shí)，硝基苯的還原效率為84.15%，苯胺的轉(zhuǎn)化率為28.48%；注入的淀粉改性納米鐵漿液的濃度為5.0g/L時(shí)，硝基苯的還原效率為92.98%，苯胺的轉(zhuǎn)化率為36.84%；③當(dāng)含水層介質(zhì)類(lèi)型和注入的淀粉改性納米鐵漿液濃度相同時(shí)，地下水流速(0.1m/d)較小時(shí)，硝基苯的還原效率為84.15%，苯胺的轉(zhuǎn)化率為28.48%；地下水流速（0.4m/d)較大時(shí)，硝基苯的還原效率為42.79%，苯胺的轉(zhuǎn)化率為22.17%。可見(jiàn)當(dāng)含水層介質(zhì)是粗砂、地下水流速較小、注入的淀粉改性納米鐵漿液的濃度較小時(shí)，硝基苯的還原效果最好，苯胺的轉(zhuǎn)化率最高。 通過(guò)在模擬柱中加入營(yíng)養(yǎng)鹽，形成原位微生物反應(yīng)帶，強(qiáng)化苯胺的自然衰減作用實(shí)驗(yàn)，為原位化學(xué)反應(yīng)帶和原位微生物反應(yīng)帶聯(lián)合去除硝基苯和產(chǎn)物苯胺提供理論依據(jù)。研究結(jié)果表明在模擬柱中加入營(yíng)養(yǎng)鹽，能夠激活體系中的土著微生物，當(dāng)碳、氮、磷的比例為100:5:1時(shí)，激活的土著微生物能夠有效降解去除苯胺，苯胺的最大去除率接近100%。 為進(jìn)一步探索應(yīng)用原位反應(yīng)帶技術(shù)修復(fù)BTEX污染的地下含水層的具體工藝參數(shù)，采用模擬槽模擬地下含水層，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)污染物質(zhì)BTEX進(jìn)入含水層后，形成污染暈，開(kāi)始時(shí)污染暈集中在注入井周?chē)暮畬禹敳�，然后逐漸向下游遷移擴(kuò)散，污染暈中的污染物BTEX的濃度自上而下漸次遞減。當(dāng)污染源污染含水層22小時(shí)之后，監(jiān)測(cè)到BTEX在含水層中形成了全面污染暈。污染暈形成后，從注入井注入芬頓試劑，在含水層中形成芬頓試劑原位反應(yīng)帶；在實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行期內(nèi)，監(jiān)測(cè)到污染物BTEX的濃度逐漸減小，污染物E（乙苯）的平均去除率達(dá)到100%，BTX的平均去除率也能夠達(dá)到95%以上。適時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置各取樣口水中的pH和DO值的變化情況，結(jié)果顯示在注入芬頓試劑后，各取樣口溶解氧值均有不同程度的升高，平均值由原來(lái)的2.00mg/L迅速上升到20.00mg/L左右。各取樣口的pH由原來(lái)的pH=7均產(chǎn)生不同程度的降低。 在利用原位化學(xué)反應(yīng)帶和原位微生物反應(yīng)帶技術(shù)聯(lián)合修復(fù)地下含水層中硝基苯污染的研究中，從注入井將淀粉改性納米鐵漿液注入到含水層中，形成原位化學(xué)反應(yīng)帶，能夠?qū)Φ叵潞畬又械南趸轿廴井a(chǎn)生良好的修復(fù)效果，硝基苯的平均還原率為53.72%～69.75%，苯胺的平均轉(zhuǎn)化率為3.25%～33.20%；在含水層中注入營(yíng)養(yǎng)鹽后，能夠?qū)⒉糠滞林⑸锛せ睿纬稍晃⑸锓磻?yīng)帶，不僅增大了硝基苯還原產(chǎn)物苯胺的降解效率，同時(shí)對(duì)硝基苯的去除效果也產(chǎn)生影響。含水層中的pH均較初始pH大，DO值也維持在高于初始水平的基礎(chǔ)上，反應(yīng)體系呈現(xiàn)弱堿性的厭氧環(huán)境。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類(lèi)號(hào)】：X523

【引證文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2717321