地下水中复合氯苯类有机物环境风险评估模拟和生物炭去除特性研究

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近年来,随着《土壤污染防治行动计划》和《土壤污染防治法》的实施,我国场地土壤污染得到了一定控制和改善,然而由于地下水污染具有隐蔽性、复杂性和高度异质性,我国地下水污染防控与修复仍面临着巨大挑战。化工溶剂场地是长江经济带、京津冀等地区典型的高污染、高风险污染场地,普遍存在氯苯类和氯代烃类有机污染物的复合污染。本研究调研了我国某化工遗留场地地下水污染情况,查明了地下水中氯苯类、氯代烃类典型污染物的复合污染特征,污染物在含水层迁移过程中对场边界水体具有潜在风险。利用相关模型预测了氯代有机污染物在含水层中发生侧向迁移过程对场地周边水环境的风险;针对地下水中氯苯类复合污染物,利用秸秆和木屑分别在300℃和500℃热解温度下制备了生物质多孔炭材料,通过对氯苯(MCB)、1,2-二氯苯(1,2-DCB)和1,2,4-三氯苯(1,2,4-TCB)复合污染物的静态吸附批实验和动态柱吸附实验,揭示了不同氯原子取代苯环特征条件下,污染物在生物炭上的吸附竞争机制以及生物炭中的小分子有机物对污染物吸附的影响机制。进一步研究氯苯有机物在300℃和700℃秸秆生物炭上的吸附及在模拟人体体液中的解吸特征,利用饮用地下水模型评估生物炭在去除地下水氯苯有机物过程中对人体的安全性。主要结论如下:利用英国水文地质模型预测场地地下水中苯、乙苯、氯苯、1,2-二氯苯、1,4-二氯苯超标污染物迁移趋势,表明在30 m左右各污染物均低于检出浓度,迁移至合规点时远低于检出浓度。说明污染物对于场地边界处水环境风险可接受。吸附及解吸实验结果表明,生物炭对氯苯有机物的吸附性能为:1,2,4-TCB>1,2-DCB>MCB。木屑生物炭比秸秆生物炭对于氯苯类有机物具有更高的吸附能力。去除溶解性有机质(Dissolved Organic Matter,DOM)后,残渣生物炭相比原态生物炭对氯苯有机物的吸附性能下降。主要是因为溶解性有机质对于孔径具有阻塞效应,而淋溶实验结果表明木屑生物炭的DOM含量极少,同时电镜和孔隙表征表明木屑的孔隙更易开放,因此500℃制备的木屑生物炭对于去除地下水氯苯类有机物更具优势。本研究结果对于生物炭去除地下水中复合氯苯类有机物的实际应用提供理论基础。300℃、700℃的秸秆生物炭对于复合氯苯有机物中1,2,4-TCB的吸附量最高分别可达16 mg/g、32 mg/g。复合氯苯有机物解吸到人体模拟液的量占吸附量的百分比值在0.2~0.36之间。另外根据摄入生物炭吸附的1,2,4-TCB总量计算出致癌风险在1×10-5和1×10-4之间,属于极可能风险,即使利用解吸到人体模拟液中的浓度进行计算,得出风险多分布在1×10-6和1×10-5之间,属于可能的风险。生物炭在去除地下水过程中对人体的安全性值得重视。
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