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石油烃类污染物在天然水体中的迁移转化
成员:王逸夫、袁康庄、汤明亮、张书浩
一、
绪论
石油地质组成复杂,
主要包括饱和与不饱和烃、
芳烃类化合物、
沥青质、
树脂类等。
< br>石油的开采、冶炼、使用和运输过程的污染和遗漏事故,以及含油废水的排放、污水灌
溉、各种石油制品的挥发、不完全燃烧物飘落等引起一系列石油污染问题。石油烃是由
碳氢化合物组成的复杂混合体,没有明显的总体特征,主要由烃类组成,目前对环境污
染构成威胁的主要分为
(1)
烷烃,可分为直链烃、支链烃和环
烃;
(2)
芳烃、多环芳烃。
石油烃中
不同的馏分会对人类和动植物产生不同影响。
当石油类污染发
生时,
污染物往往不是单一组分,
而是多种污染物共存的复合污
染,
各组份间往往会发生各种相互作用,并对水体的迁移转化过程产生影响,如不同组分
在
含水层介质的吸附上,往往会发生竞争吸附,从而改变部分组分的迁移性和生物降解特
性。以往对于复合污染物迁移转化研究主要集中在多环芳烃类(芘、萘、菲)
,以及苯
系物(
BTEX
)的复合污染等,组分之间从分子结构、化学性质、作用机制方面均具有一
定的相似性,
而对组分种类、理化性质、作用机制差别较大的芳香烃和氯代烷烃复合污
染所开展的研究
则较少,
此类复合污染物对地下水的污染机制和在地下水中的迁移转化
< br>机理尚不明确,诸如地下水中多组分竞争吸附规律、含水层介质中有机质对污染物吸附
作用机理、污染场地包气带、含水层微生物多样性等。
由
于资料匮乏,以及关于石油烃类污染物在水体中效应的研究不够完善,并且石油
类污染物
一般相对集中在特定区域的地下水、废水、以及水体沉积物中。故本文主要对
这三种环境
中的石油烃污染物的迁移转化机理进行论述和总结。
二、
浅层地下水中石油烃污染物迁移转化机理
1.
迁移转化方式
当芳香烃、氯代烷烃污
染物进入地下水系统后,所发生的迁移转化作用主要包
括对流弥散、吸附、降解、挥发等
几个过程。污染物的迁移转化作用除受自身特性
影响外,同时受污染场地的地下水环境因
素、地质、水文地质条件等要素的影响。
目前国内外关于有机污染物在地下水中的迁移转
化机理研究主要集中在吸附作用
和生物降解作用两方面。
p>
弥散迁移,又称水动力弥散,研究单个流体粒子的运动速度偏离于平均渗流速
度的效应。当污染物在地下水中存在浓度梯度时,污染物粒子将受到扩散作用的影
响,但与对流作用相比,扩散项通常非常小,只有当流速极低时,扩散作用影响才
会显
现。
吸附作用:孔隙介质中含有溶解某种物质的地下水时,该
溶质会受到静电或化
学力的作用离开溶剂,并被固定于空隙介质固体基质的表面或内部,
这个过程称为
吸附作用。固体对溶质的亲和吸附作用主要分为三种基本作用力,通过静电
引力和
范德华力引起的吸附作用叫物理吸附;
通过固体表面和溶
质之间化学键力引起的吸
附称为化学吸附,而介质对污染物的吸附往往是多种吸附共同作
用的结果。有机物
在土壤上的吸附,
主要分为两部分,
一部分被矿物质吸附,
另一部分被有机质吸附。
由于土壤中矿物质颗粒通常具有极性,在水溶液中发生偶极作用,使水分子在极性
作用下
同有机污染物发生竞争吸附,占据矿物颗粒表面的吸附位,非极性的有机物
则较难与矿物
质结合,因此有机质对污染物的吸附起到了更加主要的作用。
生物降解作用:
石油类污染物会在微生物作用下被氧化成为低分子化合物或完
全分解为二氧化碳和水,
所以生物降解是地下水中石油类污染物主要的自然
衰减作
用之一,对石油类污染物的去除起着重要的作用。石油类污染物的降解作用主要受
自身分子结构、环境因素、以及微生物条件等影响。石油类污染物属于成分复杂的
混合物,含有链烃、环烷烃、芳香烃、卤代烃以及其他衍生物等。由于每种污染物
自身的物理、化学性质不同,导致被微生物降解难易程度不尽相同,其中最易降解
的是饱和烃,其次是芳香烃,不易降解的为分子量较高的芳香烃类化合物等。
2.
特征污染物
研究者所选取的特征污染
物为二氯甲烷、三氯甲烷、笨。石油类污染地下水中
的苯主要来自于石油中芳香烃族化合
物,而氯代烃的主要来源则有两种:
(
1
)天然
存在的有机氯化物以复杂的络合物形式存于原油中,
且
主要存在于沥青质和胶质中。
(
2
)污
染场地所在区域以开采稠油为主。稠油粘度高、凝固点高、密度大,为了
便于开采和运输
,会采用掺入稀油或加入以含氯代烃为主的降凝剂、减黏剂、乳化
剂等方式降低其黏度。
此外,由于石油埋藏深度大或过度开采导致产量减少,采油
企业往往依赖于使用化学添加
剂等手段来提高产量,
原油中化学添加剂的含量比例
也逐渐升高
。根据研究发现,原油生产过程中添加的化学药剂中所含氯代烃一般为
二氯甲烷、三氯甲
烷、四氯化碳、二氯丙烷、二氯乙烷、环氧氯丙烷等。
3.
研究结果
研究者通过管道泄漏形成的
上浮大量原油的地表积水入渗过程,
对三种特征污
染物在此种污
染途径下的迁移规律进行研究,并测定三种特征污染物的阻滞系数。
从计算结果来看,含
水层介质对特征污染物阻滞系数顺序为:苯
>
三氯甲烷
>
二氯甲
烷,二氯甲烷在含水层中的迁移性是最
强的,三氯甲烷其次,苯在含水层中的迁移
性则最弱,即在同等条件下,二氯甲烷、三氯
甲烷对地下水造成的危害更大。含水
层渗流柱模拟实验主要用于模拟特征污染物的迁移过
程,实验结果显示,吸附作用
对特征污染物去除的贡献率:三氯甲烷为
< br> 87%
,二氯甲烷为
85%
,苯为
94%
;生物
降解作用对特征污染物去除的贡献率:
三氯甲烷为
3%
,
二氯甲烷为
2%
。
苯为
3%
。
说明研究区含水层介质粒径细,对污染物吸附容量大;地下水径流滞缓,使污染物
同含水层介质的接触时间增长;
含水层介质中,
有机质含量高,
对有机物吸附量大。
从
DNA
测序结果来看氯代烃、苯降解菌并非场地中的显著微生物群落,降解
菌含
量少,导致生物降解作用所占比重偏低,说明还需要长时间的自然选择和驯化作用<
/p>
才会使生物降解作用加强。
4.
资料补充
石油类有机污染物通常为不溶性有机污染物,进入地下环境后通常以非水
相流体
p>
(Non-Aqueous Phase
Liquids
,
简称
NAPL)<
/p>
的形式存在于含水介质和地下
水中,根据其密度大小,可以把它们
分为两类:一类是密度小于水的轻非水相液体
(LNAPL)
主
要是石油烃类,如汽油、柴油煤油等,简称轻油;另一类是密度大于水
的重非水相液体<
/p>
(DNAPL)
,主要是含氯的碳氢化合物的人工添加剂,如三氯
乙烯
(
TCE
)
,四氯乙烯(
PCE
)等,简称重油。
石油烃污染物在地下水系统中的动态分配过程:
石油污染物
进入地下含水系统
后,并非在单一媒介中以单一的形式存在,而是随着环境条件的改变,
在地下水和
含水介质中的一个动态分配的过程,而这些过程又受到多种因素制约。
Davis
等
(
1997
年)研究发现石油污染物不仅会在地下水面形成自由的、独立的非水相流
体,
还会分配进入土壤、
水、
气体中,
分配的过程受到蒸汽压力、
亨利常数、
比重、
溶解度等因素影响。
Barker
等(
p>
2007
年)研究发现污染物进入含水介质后在介质