摘要
油基钻井岩屑中富含石油烃类有机物，在我国被列为危险废物，不当的处置将对人体和环境造成严重危害。利用陶粒窑协同热处理油基钻井岩屑，可有效处理其中油基钻井岩屑的有机污染物，近年来受到广泛关注。然而，当前研究多集中于制陶工艺的优化方面，少有关注制陶过程的潜在环境风险，烧制陶粒过程中烟气的多环芳烃（PAHs）生成与代谢机理尚不清楚，制约了烟气污染的控制。本研究在实验室条件下，使用油基钻屑和钙基膨润土为主要原料，研究了油基钻井岩屑烧制陶粒过程中烟气的气相及颗粒相中PAHs的存在和相分配，并研究了不同工艺参数对PAHs赋存的影响。得到的主要结果如下: 对原料的理化特性研究表明，油基钻井岩屑含有较高的挥发分（11.7％）和热值（1018kcal/kg）,矿物相以石英、重晶石、方解石及白云石为主，SiO2、BaSO4及Al2O3含量分别为35.4％、11.9％及8.4％;钙基膨润土含有较高的灰分（90％）,矿物相以石英、微斜长石、蒙脱石和伊利石为主，SiO2和Al2O3分别高达71.4％和14.4％,根据Riley三元相图，两者混合制陶掺比不超过1∶1。而热重-差热分析表明两者最强质量损失峰出现在100℃左右，而熔点出现在1150℃左右，故干燥温度应大于100℃,烧制温度应达到1150℃。 对油基钻井岩屑污染特性研究表明，傅里叶红外光谱分析分别在3423、2956、1747、1619、1087cm-1峰高处观察到-OH、C-H、-C=O、-C=C-、-C-O的拉伸震动,且油基钻井岩屑中含有大量PAHs及其合成的前体物质，共检出9.26×104mg/kg的石油烃、5种苯系物（69.5μg/kg甲苯、53.7μg/kg乙苯、196μg/kg间（对）二甲苯、96.2μg/kg邻二甲苯）和10种PAHs（含量高达1307μg/kg，其中萘与菲含量最高，分别占比39.9％和27.2％）,表明油基钻井岩屑协同处置过程具有PAHs排放的潜在风险。 不同温度下，气粒两相中PAHs均呈现先升高后下降的趋势，高温将促进PAHs的生成，并于900℃下达到峰值（气相1575μg/kg、颗粒相114μg/kg）;气相PAHs中萘、菲、芴等低环（2～3环）PAHs占总量的88～98％,而颗粒相中荧蒽、芘、苯并[a]蒽、屈、苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽等中高环（4～6环）PAHs通常处于主导地位（22～88％）;900℃以下，温度的升高促进了高环（5～6环）PAHs的生成;高环(5～6环)PAHs是∑TEQ的主要贡献者，其对气相和颗粒相∑TEQ的贡献值最高分别可达88％和98％;高环PAHs更易在颗粒相中富集，高温条件下颗粒相中PAHs的∑TEQ(12.2～17.9μg/kg)高于气相;对PAHs的来源分析结果表明，100℃时气相中PAHs主要来源为石油源，200℃以上为燃烧源;颗粒相中仅100℃的PAHs来源为石油源，其他温度均为燃烧源;吸收作用主导了PAHs的气粒分配。 原料配比与气相和颗粒相∑PAHs及∑TEQ具有显著正相关性(p＜0.05),较低的油基钻井岩屑添加量(20％)降低了炉管内的自由基浓度和不完全燃烧反应,抑制了高环PAHs和颗粒物的生成，气相和颗粒相∑TEQ增量较小(分别为3.03μg/kg和1.05μg/kg)。通气量则与气相和颗粒相∑PAHs及∑TEQ具有显著负相关性(p＜0.05),增加通气量减少了有机物的停留时间，PAHs的合成反应不能完全进行，气相和颗粒相中PAHs降低;主成分分析的结果表明，主导PAHs排放工艺参数按重要程度排序为温度＞原料配比＞通气量。
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