乙醇對過硫酸鹽氧化地下水中苯系物的影響

韋延梅，陳余道，吳圣華，孟 偉

(桂林理工大學環境科學與工程學院，廣西 桂林 541006)

燃油污染地下水是當今十分普遍的環境問題，燃油中的主要毒性成分為苯、甲苯、乙苯、和二甲苯(統稱BTEX)等苯系物。BTEX具有致癌、致畸、致突作用[1-2]。《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)、《生活飲用水質量標準》(GB 5749—2006)、《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)等把BTEX列為環境監測項目[3]。隨著我國乙醇混合汽油(E10)大力推廣使用，乙醇也會與BTEX一起成為地下水污染物。已有研究表明，乙醇(EtOH)能夠提前消耗本來被生物降解BTEX所利用的電子受體從而抑制BTEX降解，在去除BTEX前先去除乙醇也成為汽油污染地下水修復中的策略[4]。雖然進入地下水的汽油可以通過生物降解、揮發、溶解等自然降解途徑逐漸去除[5]，但在危及附近水體及其它敏感環境的情況下需要通過工程方法盡快修復。目前國內研究傳統汽油(92#等)較多，乙醇汽油研究較少，雖然國外研究得較多但主要停留在自然衰減監測技術，大多數實驗結果反映出乙醇及其中間產物乙酸鹽等對BTEX產生抑制作用。為了進一步研究去除地下水中乙醇汽油的方法，探索更為有效且經濟合理的技術手段，更深入了解乙醇對降解BTEX存在的潛在風險，需要嘗試使用新的修復方法。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗用的乙醇(分析純)從西隴化工股份有限公司購買，不含乙醇的汽油從中石化加油站購買。

1.2 實驗方法

采用1000 mL透明玻璃瓶作為實驗裝置，先向實驗瓶中加入一定量的天然砂，再加入地下水，水砂體積比4∶1。然后向瓶中加入FeSO4·7H2O和Na2S2O8溶液，乙醇溶液，最后迅速加入BTEX飽和溶液，蓋緊后用熱熔膠進行密封，搖晃1～2 min，使溶液與砂充分混合，置于干燥陰涼處。

實驗分對照組(不添加PS和Fe2+)、氧化組(添加PS，不添加Fe2+)和活化組(同時添加PS和Fe2+)3個組別(表1)。加入的BTEX初始濃度為15 mg/L，乙醇濃度為300 mg/L。為區分乙醇對BTEX降解的影響，3個組別中都設置了不加入乙醇的實驗瓶。按照化學計量，完全氧化BTEX所需的PS/BTEX理論摩爾比約為18.4，本次研究設置摩爾比PS/BTEX=20；加入的硫酸亞鐵的量根據前人研究[13-14]設置摩爾比PS/Fe2+=8。為對比PS和Fe2+投注方式不同帶來的影響，對活化組采用了分批次添加方式(表2)。每個實驗瓶均設置了3個重復體，共36個實驗瓶，在室溫22～30℃下密封存放。

1.3 取樣及分析

表1 實驗組別設計

注：“—”表示未添加組分。

表2 活化組PS和Fe2+不同投注方式設計

C=Ccal·DF

式中：C——樣品中過硫酸根的濃度；

Ccal——利用校準曲線擬合方程計算出來的過硫酸根濃度；

DF——樣品稀釋倍數。

2 結果與討論

2.1 對照組

2.2 氧化組

圖1 對照組BTEX/乙醇，DO與濃度變化

圖2 氧化組(未活化)BTEX/乙醇濃度的變化

圖3 氧化組DO與濃度變化曲線

圖4 無乙醇氧化組中PS濃度變化曲線

2.3 活化組

分別采用一次性添加和多次添加兩種方式研究了活化的PS對BTEX和添加了乙醇的BTEX的氧化效果。

2.3.1一次性添加PS和活化劑

(1)

(2)

另外，活化組OxA1-E乙醇一級衰減速率0.008 6 mg/(L·d)，略大于氧化組Ox-E 0.006 2 mg/(L·d)，活化的PS對乙醇的氧化能力僅稍有提高。

圖5 一次性添加PS和Fe2+后BTEX/乙醇濃度的變化

2.3.2分批次添加PS和活化劑

(3)

因此，乙醇在多次添加PS和活化劑的條件下，其濃度逐漸降低。OxA3-E在第57天濃度為61.3 mg/L，衰減速率0.0312 mg/(L·d)，OxA2-E與OxA4-E衰減速率較低，兩者與OxA1-E接近。

圖6 PS和Fe2+分批添加下BTEX/乙醇濃度的變化

圖7 活化組DO與濃度變化曲線

表3 活化組一級動力學擬合結果

注：擬合方程lnCt=-Kt+lnC0；K—去除速率常數/mg·(L·d)-1；R2—相關系數

3 結論

(1)當沒有乙醇存在時，PS能夠有效氧化去除地下水中燃油污染物BTEX，但同時會影響微生物活性，抑制BTEX的生物降解作用；當有乙醇存在時，PS能夠優先氧化BTEX。

(2)在添加總量一定的情況下，多批次添加PS和Fe2+有利于BTEX的去除，但有乙醇存在時，由于乙醇的競爭作用，BTEX去除速率有所下降。

(3)基于過硫酸鹽的原位化學氧化可應用于氧化去除地下水中的乙醇汽油污染物，采用分批次添加方式有助于實現更高的BTEX降解率和更快的降解速率。