地下水中石油烃生物降解的同位素地球化学研究

某油田开采厂区由于油井返水事故造成了浅层地下水污染,直接影响到当地居民的地下水饮水安全,急需选取适当的修复方法对该地区地下水进行治理。在众多修复方法中,监测自然衰减修复技术因其具有利用天然衰减能力,不产生次生污染物,对生态环境和土地使用的干扰程度极小等特点而成为首选。该技术包括对流、弥散、挥发、吸附和生物降解作用等过程,其中只有生物降解作用能够通过破坏污染物结构而将其彻底根除。因而生物降解作用是否发生及其反应程度直接影响着自然衰减修复技术的效果,对该过程进行研究是评价自然衰减技术可行性和适宜性的关键。 本文以该石油污染场地为例,在充分分析场地水文地质条件、地下水石油烃污染特征的基础上,综合研究场地地下水和土壤的水化学和稳定碳、硫同位素数据分布规律,并通过因子分析、聚类分析、同位素守恒和瑞利分馏模型分析等手段,探讨了场地地下水污染特征,分析了控制污染场地监测指标形成分布的主要过程,识别地下水中石油类组分生物降解作用的机理。具体研究成果如下： 一、场地地下水污染特征 对场地污染源和污染源下游不同位置自地表至含水层上部不同深度土样TPH含量分析结果表明：地下水污染途径为直接穿透式污染,主要是油井返水事故使含油污水直接穿透进入含水层所造成的。 地下水中TPH含量多期监测结果显示各监测井中地下水均受到了不同程度的污染,监测期间各监测井TPH浓度基本稳定,空间上地下水中TPH污染晕由污染源沿水流方向向下游扩展,污染晕轴部大体位于观测孔Z1-1、Z7、Z16、Z9所构成的直线上,向轴两侧TPH浓度逐渐降低。 二、地下水石油烃污染场地水化学时空分布特征及其形成过程 对污染场地水化学指标时空变化特征分析结果显示：各个监测井中主要指标含量在3个月的监测期内变化不大,相对较稳定,说明污染场地地下水环境已经达到了一个相对平衡的状态；空间上沿着污染晕轴线由污染源向下游监测生物降解作用的各指标表现出一定的规律性：表征石油烃生物降解产物的DIC含量逐渐降低,各主要电子受体则由低变高,而代表地下水环境的主要理化指标pH值、Eh则相应地表现出升高的趋势,说明了可能发生了石油烃的生物降解作用。 应用因子分析的方法,成功地从众多监测指标中提取出影响场地地下水化学性质的5个主因子,结合各主因子所对应成分在空间上的变化规律,证明了控制场地地下水化学环境的主要影响因素为矿物的溶解作用和石油烃的微生物降解反应。在此基础上,以代表微生物降解作用的F2主因子在各观测点的得分系数为依据,对石油烃微生物降解反应程度在空间上的强弱分布进行了研究,结合聚类分析的方法,将各监测点按水化学性质及其揭示的反应过程划分为两大类,类别1分布于污染源和污染晕上游,主要控制因素为石油烃微生物降解作用；类别2主要分布于场地污染晕下游和边缘位置,主要受到了可溶矿物的溶解过程影响。验证了由因子分析得分系数得到的结论。 三、地下水中石油烃生物降解的碳同位素地球化学 通过对场地水文地质条件、矿物分析结果、土壤有机碳和水化学指标含量的分析,确定场地地下水未污染条件下无机碳的主要来源为碳酸盐矿物的溶解过程,进而得到未污染地下水δ13C值在-10%0附近。 场地内受到石油烃污染的地下水δ13CDIC值表现出两种不同的趋势：由污染场地Z7断面向污染晕下游随着石油烃含量逐渐减少,地下水中DIC含量也相应降低,而δ13C值逐渐升高到Z10的未污染地下水水平；相应地,Z7断面上游污染源附近各观测井地下水中δ13C值则均高于场地地下水背景值范围。结合场地污染特征、降解产物和电子受体含量空间分布以及不同来源无机碳δ13C值范围分析,Z7断面下游受污染地下水主要受到了石油烃不产甲烷的生物降解作用产生的无机碳的补给,而其上游地下水无机碳含量则主要受到了产甲烷的生物降解作用的影响。 针对场地受到石油烃污染的地下水δ13CDIC进行的守恒分析结果表明,污染场地Z7断面以下受污染地下水中无机碳含量的增加有58.9%来源于石油烃的不产甲烷微生物降解作用： 四、地下水中石油烃生物降解的硫同位素地球化学 污染场地地下水SO42+及其δ34S值空间上变化规律为：沿着污染晕延伸方向场地内Z1-1断面以下随着SO42-含量逐渐升高,δ34S值呈现逐渐降低的趋势,说明上游生物降解作用更彻底,利用了更多SO42-作为电子受体,同时使得残余的SO42-中更加富集34S同位素。 场地污染源附近Z23和E3孔的δ34S值偏低,分析其原因可能是受到了δ34S值较低的含油污水侵入以及含水介质中铁的氢氧化物及氧化物的吸附作用的影响。 污染场地地下水处于较为封闭的系统条件下,利用瑞利分馏模型得到污染场地内SO42-中34S的富集系数ε为-8.23%。,与其他石油烃污染地下水尘物降解作用研究中报道的结果较为一致。证明了以SO42-作为电子受体的生物降解作用对污染场地硫同位素地球化学环境的影响。