微气泡耦合洗涤剂脱除土壤中典型有机物-重金属复合污染物及机理研究

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2014年的《全国土壤污染状况调查公报》显示,土壤总的超标率为16.10%,全国土壤环境状况总体不容乐观,土壤污染问题已经引起广泛关注。其中,土壤中有机物多环芳烃(PAHs)及其衍生物具有三致效应,重金属毒性强、难生物降解,各类污染物也可在土壤中富集后通过食物链危害人类健康安全。因此,土壤有机物-重金属污染一体化脱除是当前研究热点之一。土壤有机物-重金属复合污染一体化脱除工艺有客土法、热脱附-固化法、洗涤/氧化-电动联合修复、微生物-植物联合修复等,它们都对土壤有机物-重金属复合污染物有一定的脱除效率,但都存在缺陷,故需要进一步改进。如,热脱附仅适用于挥发性高的有机物和金属污染物治理,对沸点很高的有机物和无机物污染治理效果较差;客土法不能彻底根除土壤污染物,易引起二次污染;洗涤/氧化-电动修复能耗大,投资大,污染物脱除难彻底;微生物-植物联合修复技术仅适用于低浓度复合污染的土壤,且修复时间长。近几年,淋洗修复技术被视为最具多污染物一体化脱除、工艺设备简单、脱除污染物彻底、运行费用低的土壤污染修复技术之一。然而,该技术针对黏性土壤存在洗涤效果不理想、多次洗涤、固液分离难、洗涤剂用量大、价格高、难回收和难降解的缺点,限制了该技术的应用。因此,本文在洗涤过程中向洗涤液中鼓入粒径小、比表面积大、气泡密度小的微气泡,耦合各类洗涤剂,以期实现强化并同时脱除土壤复杂污染物,同时借助气泡富集污染物,降低洗涤液含有污染物浓度。主要研究结论如下:(1)微气泡耦合洗涤剂大幅提高芴和芘脱除率,且分别提高28.87%和13.40%。三种表面活性剂对PAHs(芴和芘)的增溶和洗涤效果为TW-80>SDS>SDBS。鼓入微气泡时,TW-80对芴和芘的脱除率随时间、TW-80浓度、液固比和气液体积比的增加先增加后达到最大,酸性优于碱性,随盐度增加而下降,随水热碳增加先下降后上升。水热炭加入会吸附大量的有机污染物,降低了洗涤液中污染物的浓度,减小二次污染。当洗涤时间120 min,TW-80为4 g/L,固液比为1:25,气液比为1:1,p H为5时,芴和芘脱除率分别为84.15%和72.36%。(2)微气泡耦合混合洗涤剂亦可大幅度提铜(Cu)和镉(Cd)脱除率,且分别提高27.28%和34.96%。微气泡耦合混合洗涤剂对重金属的脱除率随时间、EDTA-2Na和TW-80浓度、固液比和气液比的增加先上升后达到最大,随p H的上升而下降,改性水热炭的加入会抑制微气泡的强化作用,且需加入较高用量水热炭才能达到较高的脱除率。当洗涤时间为120 min,EDTA-2Na为1 g/L,TW-80为2 g/L,固液比为1:30,气液比为1:3,p H为3,Cu和Cd的脱除率分别为86.67%和85.52%。微气泡强化洗涤主要脱除土壤中重金属的酸溶态(F1)和可还原态(F2),以此降低其对土壤生态环境的危害。(3)当洗涤时间120 min,EDTA-2Na为1 g/L,TW-80为6 g/L,固液比为1:25,气液比为1:3,p H为5时,其对土壤中芴、芘、Cu和Cd的脱除率分别为82.59%、72.45%、75.51%和90.93%。复合污染物的同步洗涤与分步洗涤比较发现,污染物脱除率相差不大。分步洗涤与同步洗涤相比,土壤酸性程度高,土壤中阳离子(CEC)减少多,砂化可能性增加;但水热炭通过化学吸附作用可脱除洗涤液和微泡沫液中芴和芘污染物,从洗涤液再生与水处理角度讲,分步洗涤更科学。(4)微气泡耦合洗涤剂脱除土壤中PAHs和重金属的原因主要为TW-80的“增溶作用”脱除PAHs和EDTA-2Na的“络合作用”脱除重金属;微气泡尺寸小、稳定性强,破坏土壤黏性,促进土壤解吸更多污染物质;微气泡比表面积大、疏水性强,能“吸附”并“运载”有机污染物质和重金属络合物质,打破土壤-污染物-洗涤剂间的平衡,增加土壤解吸污染物。
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