压裂废水共存组分在铁活化过硫酸盐氧化酞酸脂类污染物中的影响机制研究

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压裂废水(Fracturing wastewater,FWW)是油气井水力压裂作业后返排产生的高浊度、高盐度、高TOC且难生物降解的废水,处理难度大。过硫酸盐(peroxydisulfate,PDS)高级氧化技术在氧化降解工业废水中难降解有机物方面具有优势(同羟基自由基比,硫酸根自由基半衰期长,对含苯环有机物更有效)。但压裂废水中共存的无机离子、有机分子及颗粒物等组分对PDS活化和有机污染物降解效率具有显著影响,其影响效果和作用机制缺乏深入研究。本文构建了(零价)铁(盐)/过硫酸盐氧化体系,以压裂废水中常见的邻苯二甲酸二异辛酯(Di2-Ethyl Hexyl Phthalate,DEHP)为代表性高风险难降解目标污染物,研究了亚铁盐活化PDS(Fe2+/PDS)氧化体系中,废水共存卤素离子、乙二醇、悬浮颗粒物和聚丙烯酰胺(Polyacrylamide,PAM)等对PDS的活化效率、氧化路径及DEHP降解效率的协同效果和作用机制;分析了零价铁活化PDS(Fe~0/PDS)氧化体系中,废水共存组分钡离子和乙二醇对Fe~0表面电子传递效率及DEHP降解效率的影响和机制;探讨了两类氧化体系中乙二醇和硫酸预处理对实际废水DEHP去除的增效调控作用,并对出水DEHP的环境风险及氧化处理成本进行了比较分析。主要结论如下:(1)Fe2+/PDS氧化体系用于降解压裂废水中的DEHP时,废水中共存的卤素离子和乙二醇对DEHP的降解具有协同增效的作用。研究发现,经过10 min的处理,模拟水力压裂后第1天返排地面的废水(FWW(D-1))中DEHP的降解率达41.5%。而纯水体系中,Fe2+/PDS氧化DEHP的降解率仅为6.52%;加入FWW(D-1)中Cl-(313 mM)和Br-(1.1 mM)能将DEHP的降解率分别提高到12.5%和28.1%,再加入乙二醇能够将DEHP的降解率进一步提高到45.1%和42.2%。这是因为氯离子和溴离子生成的高活性氯自由基和溴自由基能更有效地降解DEHP,而乙二醇能够与氧化性自由基(硫酸根自由基和羟基自由基)反应生成醇自由基,能将Fe3+还原为Fe2+,持续活化PDS,促进DEHP的降解。与FWW(D-1)相比,模拟水力压裂后第90天返回地面的废水(FWW(D-90))中DEHP降解率仅为14.4%,这是因为共存的卤素离子浓度较高(Cl-浓度达3577 mM和Br-浓度达15 mM),氯自由基同过量氯离子发生链式反应并最终生成氧化还原电位较低的次氯酸盐,难以直接氧化DEHP。(2)Fe2+/PDS氧化体系中,压裂废水中共存的悬浮颗粒物、PAM和乙二醇能协同促进DEHP的降解。研究发现,经过30 min处理,含有静置14天后所得颗粒物(14-day solids)的模拟废水中DEHP降解率为26.1%。而纯水中,Fe2+/PDS/14-day solids体系中DEHP降解率仅为12.2%。这是因为DEHP的氧化降解主要发生在溶液相,共存的颗粒物因吸附DEHP和活化PDS的Fe2+从而降低了DEHP的降解量;再加入废水组分PAM能够将DEHP降解率提高至24.3%,这是因为颗粒物能吸附PAM,减少表面吸附点位,降低对DEHP和Fe2+的吸附量,从而有利于提高液相中DEHP和活性氧自由基的浓度,提高DEHP的降解率。而再加入乙二醇后,DEHP降解率可提高到30.1%,同样因为醇自由基的产生能将Fe3+还原为Fe2+,持续活化PDS,促进DEHP的降解。相较于14-day solids,含有静置1天后所得颗粒物(1-day solids)的模拟废水中DEHP降解率仅为9.31%,这是因为废水短时间静置产生的颗粒物孔隙率和孔径较小,对高分子聚合物PAM的吸附能力较弱,但对DEHP和Fe2+有强吸附作用,从而降低了溶液相中能被直接降解的DEHP含量。(3)Fe~0/PDS氧化体系用于降解废水中的DEHP时,废水中共存的钡离子会抑制DEHP的降解,而乙二醇对DEHP的降解具有促进作用。研究表明,经过120 min处理,模拟压裂后第1天和第14天返回地面的废水(FWW(D-1)和FWW(D-14))中DEHP的降解率在8%~11%,远低于Fe2+/PDS体系中的降解率(25%~41.5%)。在纯水中,Fe~0/PDS氧化DEHP的降解率为11.1%;而加入废水组分Ba2+后,DEHP的降解率均降至小于1%,这是因为Ba2+与PDS生成的SO42–反应会生成大量硫酸钡沉淀并附着在Fe~0表面,阻碍Fe~0接触并活化PDS,进而抑制氧化性自由基的产生。在Fe2+/PDS/Ba2+再加入乙二醇后,DEHP的降解率可提高到10.2%,因为生成的醇自由基能加快Fe~0到Fe2+的转化过程,从而促进PDS的活化,提高了DEHP的氧化降解。(4)根据压裂废水的实际组成,调控废水共存组分能有效提高DEHP的降解率。研究分析了湖北宜昌某油气田压裂废水的实际组成,与模拟废水相比,该废水中乙二醇等小分子有机促进剂不足,而钡离子浓度较高。通过在Fe2+/PDS和Fe~0/PDS氧化体系中加入乙二醇,均能将DEHP降解率提高到2倍左右,TOC去除率提高到1.5倍左右;在Fe~0/PDS氧化体系中,采用硫酸预处理协同加入乙二醇能将DEHP的降解率提高到3倍以上,TOC去除率提高到2倍左右。实际废水中DEHP的氧化降解能有效降低废水的环境风险,氧化体系的药剂成本均低于5(?)m–3。
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