多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)是指具有两个或两个以上苯环的芳香烃，是一类持久性的环境污染物.研究发现，PAHs可存在于大气、水体和土壤中(Haritash et al., 2009)，且大部分的PAHs都具有低水溶性、高辛醇-水分配系数及电化学稳定性等特性(Alcántara et al., 2008).因此，PAHs能够在土壤中长期存在并富集，进而严重威胁着人类身心健康.此外，PAHs普遍具有不易被生物降解、潜在的生物累积性及致癌性(Gong et al., 2010)，PAHs污染也因此受到人们的广泛关注.土壤中多环芳烃污染的去除是土壤修复领域的重要课题，目前，已有物理、化学、微生物等多种修复技术被用于土壤中PAHs的去除，但高环多环芳烃因其低生物降解性、疏水性及缓慢的脱附作用等特性而较难被降解(Allan et al., 2007)，因而成为多种修复技术需要克服的难点.

使用Fenton′s试剂氧化土壤中有机污染物的研究一直受到广泛关注.艾军勇等(2012)将超声波、紫外线和Fenton′s试剂联用去除土壤中的石油烃，发现石油烃的降解率在4 h内可达到71.61%；Kim等(2009)采用电-Fenton法去除土壤中的菲，分别研究了H₂SO₄、HCl两种无机酸助剂在体系中对菲降解率的影响；杜勇超等(2011)研究了络合剂改良的Fenton′s体系去除土壤中多环芳烃的影响因素，发现由羟苯基-β-环糊精(HPCD)改良的Fenton′s体系可使菲的降解率达到70%.相较于传统的Fenton′s体系，通过电、紫外、络合剂改良的类Fenton′s体系能更有效地去除土壤中的污染物，但也受制于设备、成本、二次污染等因素，故其在实际场地中的应有具有局限性(Gomes et al., 2013).

在以往的Fenton′s体系去除土壤中有机污染物的研究中，常以无机酸调节土壤的pH值，这会对土壤原有理化性质造成破坏(曾华冲等，2008).故本研究采用有机酸(乳酸、L-酒石酸、柠檬酸)代替无机酸调节土壤pH值，有机酸可在土壤环境中经微生物降解，避免土壤的严重酸化.类Fenton′s体系中影响多环芳烃降解反应的因素较多，且各因素的水平范围较大，若采用传统单因素或正交实验方法会造成实验工作量巨大，因此，本文采用均匀设计法安排实验.均匀设计实验法最早由方开泰和王元(1996)两位教授提出，以一致分布理论为理论基础，与传统单因素或者正交实验方法相比，能在最少的实验次数内考察多因素和多水平的实验结果，从而得到优化目标条件.

基于此，本研究通过考察H₂O₂用量、FeSO₄用量、反应温度、反应时间、水土比、有机酸用量及土壤中PAHs含量7个因素对PAHs去除率的影响，并用DPS分析软件对实验结果进行处理，最后关联得到土壤中PAHs去除率与各因素之间的回归方程.

试剂：硫酸亚铁(FeSO₄ · 7H₂O)、双氧水(30%，H₂O₂)购自国药集团化学试剂有限公司；柠檬酸(C₆H₈O₇ · H₂O)购自上海申博化工有限公司；酒石酸(C₄H₆O₆)、乳酸(C₃H₆O₃)、冰乙酸(C₂H₄O₂)、甲醇(CH₃OH)、二氯甲烷(CH₂Cl₂)、正己烷(C₆H₁₄)购自江苏强盛功能化学股份有限公司；以上试剂均为分析纯；蒽(Anthracene，C₁₄H₁₀，纯度99%)、芘(Pyrene，C₁₆H₁₀，纯度98%)购自北京百灵威科技有限公司.

实验用土壤采自上海崇明岛，土壤在阴凉处经自然干燥，研磨过60目筛备用.分析检测结果表明，该土壤类型为砂质壤土，其理化性质分析测定结果如表 1所示.

表1(Table 1)

表1 土壤理化性质 Table 1 Properties of the soil sample

表1 土壤理化性质 Table 1 Properties of the soil sample pH 有机质/ (g·kg-1) 机械组成 金属含量/ (mg·kg-1) PAHs含量/ (mg·kg-1) 粘粒 粉砂 砂粒 Cd Hg Cu Fe Pb Zn 蒽 芘 7.5 16.8 6.0% 33.6% 60.4% 0 0 22.6 17119.9 39.2 124.5 0 0

称取100 g土壤于培养皿中，加入溶解了一定浓度蒽、芘的甲醇溶液，将培养皿静置于通风橱中6 d，甲醇挥发后得到不同含量水平的含蒽和芘的老化染毒土壤样品.在实际污染场地中，PAHs的含量范围很广，因此，在本研究中配制了12种不同含量水平的含有等量蒽和芘的染毒土壤，其染毒剂量范围为90~585 mg · kg^-1(计算值).

精确称量5.00 g染毒土壤，放入250 mL的三口烧瓶中，按一定水土比加入去离子水配成泥浆，然后逐次加入一定量的有机酸和FeSO₄ · 7H₂O，在恒温磁力搅拌(DF101S，上海卫凯仪器设备有限公司)下逐滴加入H₂O₂.反应结束后将泥浆经真空过滤使土壤和反应液分离，最后分别对土壤和反应液中的残留毒物量进行分析.

采用索氏提取法萃取土壤中的多环芳烃(张谦栋等，2011)，具体实验步骤为：精确称取2.00 g冷冻干燥后的土壤加入到圆筒滤纸内，加入体积比为1 ∶ 1的二氯甲烷和正己烷，在80 ℃恒温加热下提取24 h，萃取液加入甲醇经旋转蒸发仪浓缩至1 mL，重复以上浓缩步骤2次.加入甲醇将上述浓缩液定容至10 mL，过0.45 μm滤膜去除颗粒物后进高效液相色谱仪(LC-20AT型，日本岛津公司)分析测定浓缩液中PAHs的浓度，多环芳烃去除率R的定义见式(1).

HPLC检测条件：流动相为甲醇 ∶ 水=10 ∶ 1，色谱柱为Athena C18-WP，紫外检测器，检测波长250 nm，流速为1.1 mL · min^-1，柱温30 ℃，进样量20 μL，此时，蒽和芘的HPLC图谱见图 1.

图 1(Fig. 1)

图 1 蒽和芘的高效液相色谱图 Fig. 1 HPLC Spectrum of Anthracene and Pyrene

类Fenton′s反应后反应液中有机成分的萃取方法参考《水质 多环芳烃的测定 液液萃取和固相萃取高效液相色谱法》(HJ 478—2009)，取50 mL反应后的液体，置于250 mL分液漏斗中，加入20 mL二氯甲烷作为萃取液，振摇5 min，静置分层后收集有机相，重复萃取2次，合并有机相，加入无水硫酸镁，脱水干燥；使用旋转蒸发仪浓缩萃取液至1 mL，加入5 mL正己烷置换溶液，重复浓缩步骤3次，最后浓缩至1 mL，过0.45 μm滤膜去除颗粒物后进气相色谱-质谱联用仪(GC-MS，7890A-5795型；质谱检测器：5975C，美国Agilent)分析样品成分.

GC-MS检测条件：色谱柱为HP-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm，美国Agilent)，质谱检测器，GC进样口温度270 ℃，载气流速1.0 mL · min^-1，分流比5 ∶ 1；升温程序：初始温度60 ℃，保持2 min，以20 ℃ · min^-1升至200 ℃，以10 ℃ · min^-1 升至270 ℃，保持4 min； 质谱工作模式为全扫描，离子源温度200 ℃，四级杆温度150 ℃，电子轰击能70 eV.

以复合染毒剂量为90 mg · kg^-1的土壤为反应土，进行类Fenton′s氧化反应.在相同实验条件下分别考察乳酸(pH=4.32)、L-酒石酸(pH=4.11)，柠檬酸(pH=4.14)为助剂时对多环芳烃去除率的影响.此时反应时间为20 min，反应温度为51 ℃，FeSO₄ · 7H₂O 用量为0.12 mol · L^-1，H₂O₂用量为1.2 mol · L^-1，水土比为6 ∶ 1(质量比)，助剂的添加量为0.25 mol · L^-1.蒽和芘的去除率见图 2，反应后3种体系的干燥土壤的pH值在6.5左右.由图可知，在相同的实验条件下，使用柠檬酸为助剂时，蒽的去除率为81.3%，芘的去除率为85.5%；而使用乳酸和L-酒石酸为助剂时，蒽和芘的去除率都不超过60%.燕启社(2006)使用硫酸调节污染土壤pH值，在类似的反应条件下，芘的去除率为88% 左右，与本研究以柠檬酸为助剂时的芘去除率基本持平.由以上结果可知，柠檬酸达到了传统无机酸作为助剂的效果.3种有机酸体系的pH值排序为：乳酸>柠檬酸>L-酒石酸，这与3种有机酸的酸性大小一致：L-酒石酸>柠檬酸>乳酸(pK_a常数越小，酸性越大).有研究表明，L-酒石酸与柠檬酸等有机酸都能与金属生成络合物(陶正兴，2013)，3种有机酸的分子质量排序为：柠檬酸> L-酒石酸>乳酸，因为有机酸分子质量越大，与Fe³⁺形成的络合物稳定系数越大(体系中添加的Fe²⁺部分氧化成Fe³⁺)，在水相中的存在时间也更久，进而能减缓H₂O₂受Fe²⁺及Fe³⁺催化产生 · OH的速率，延长体系中 · OH对污染物的氧化时间，从而提高土壤中PAHs的去除率.故此时，柠檬酸为体系助剂时效果最好.另外，从经济成本角度考虑，乳酸单价为12 元 · kg^-1，柠檬酸单价为5元 · kg^-1，L-酒石酸单价为30元 · kg^-1；且柠檬酸来源广泛、绿色安全，在反应体系中的效果也最好.因此，本研究选择以柠檬酸为反应体系的助剂.

图 2(Fig. 2)

图 2 不同有机酸助剂对土壤中多环芳烃去除率影响 Fig. 2 Effect of different organic acids on removal yield of PAHs in soil

类Fenton′s反应体系中有H₂O₂用量(X₁)、FeSO₄ · 7H₂O用量(X₂)、水土比(X₃)、反应温度(X₄)、反应时间(X₅)、柠檬酸用量(X₆)及土壤中多环芳烃的含量(X₇)等7个实验因素.若采用单因素实验或正交实验，当考察因素的水平较宽时，则会带来极大的实验工作量，且考察各因素间的交互作用也存在困难，故本研究使用均匀设计法设计实验.使用U₁₂^*(₁₂¹⁰)均匀设计表设计类Fenton′s氧化反应体系中各实验因素方案，每组实验进行2次，以蒽和芘的总去除率为响应因子，实验设计和结果见表 2.

表2(Table 2)

表2 均匀设计实验方案及结果 Table 2 Experimental scheme of uniform design method and experimental results

表2 均匀设计实验方案及结果 Table 2 Experimental scheme of uniform design method and experimental results 实验序号 H2O2/ (mol·L-1) FeSO4·7H2O/ (mol·L-1) 水土比 实验温度/ ℃ 实验时间 /min 柠檬酸/ (mol·L-1) 染毒剂量/ (mg·kg-1) 总去除率 1 0.1 0.02 3.0 60 180 0.45 585 71.02% 2 0.2 0.04 6.0 35 100 0.30 540 63.70% 3 0.3 0.06 2.5 75 20 0.15 495 70.01% 4 0.4 0.08 5.5 50 200 0 450 43.56% 5 0.5 0.10 2.0 25 120 0.50 405 60.30% 6 0.6 0.12 3.0 65 40 0.35 360 73.54% 7 0.7 0.01 1.5 40 220 0.20 315 32.95% 8 0.8 0.03 4.5 80 140 0.05 270 69.77% 9 0.9 0.05 1.0 55 60 0.55 225 42.74% 10 1.0 0.07 4.0 30 240 0.40 180 83.50% 11 1.1 0.09 0.5 70 160 0.25 135 57.61% 12 1.2 0.11 3.5 45 80 0.10 90 83.55%

由表 2可见，多环芳烃的去除率与单一实验因素的关系不呈线性，因此，采用非线性回归方法对实验数据进行拟合.在DPS7.05数据处理系统中，使用二次多项式逐步回归法对表 2中的实验数据进行处理，得到回归方程(2).

根据DPS软件的方程拟合结果，回归方程(2)的可决系数R²=0.9952，剩余标准差S=1.8393，p=0.0002<0.01，F=119.355>F_0.05(7，4)=6.09，通过F检验，调整后可决系数R²_a=0.9868，Durbin-Watson统计量d=1.30220950.根据回归模型得到最高指标时各个因素的组合见表 3.从回归方程的统计指标看，Durbin-Watson统计量d值略小，而理论上应接近2.此外，表 3中的多环芳烃总去除率为145.86%，而超过100%的去除率无法在实验中获得，因此，需要对回归方程(2)进行修正.

表3(Table 3)

表3 最高指标时各个因素组合 Table 3 Combination of experiment factors in the case of the highest indicators

表3 最高指标时各个因素组合 Table 3 Combination of experiment factors in the case of the highest indicators 总去 除率 H2O2/ (mol·L-1) FeSO4·7H2O/ (mol·L-1) 水土比 实验温度/ ℃ 实验时间 /min 柠檬酸/ (mol·L-1) 染毒剂量/ (mg·kg-1) 145.8682% 1.2000 0.1200 5.9939 49.0127 76.7160 0.5500 91.0002

为了使回归模型更加稳定可靠，在表 2的均匀设计实验的基础上，另外补充2组均匀实验对回归方程(2)进行修正，实验设计及多环芳烃去除率见表 4.使用DPS7.05对表 2和表 4的均匀实验结果进行二次多项式逐步回归分析，得到回归模型(3).

表4(Table 4)

表4 回归方程修正实验及结果 Table 4 Amendment experiment of regression equation and experimental results

表4 回归方程修正实验及结果 Table 4 Amendment experiment of regression equation and experimental results 实验 序号 H2O2/ (mol·L-1) FeSO4·7H2O/ (mol·L-1) 水土比 实验温度/ ℃ 实验时间 /min 柠檬酸/ (mol·L-1) 染毒剂量/ (mg·kg-1) 总去除率 1 0.3 0.06 2.5 75 10 0.15 495 64.24% 2 1.2 0.12 6 50 77 0.55 90 95.74%

根据DPS软件的方程拟合结果，回归方程(3)的可决系数R²=0.9912，剩余标准差S=2.6008，p=0.0001<0.01，F=70.5094>F_0.05(8，5)=4.82，通过F检验，调整后可决系数R²_a=0.9771，Durbin-Watson统计量 d=2.31564642.最高指标时各个因素组合见表 5.回归方程(3)的各统计指标说明方程中各因素相关性强，实验值与拟合值误差小，拟合方程的可信度较高，此外，方程最高指标时的总去除率(99.45%)也在合理范围之内.

表5(Table 5)

表5 修正后最高指标时各个因素组合 Table 5 Combination of experimental factors in the case of the highest indicators after amendment

表5 修正后最高指标时各个因素组合 Table 5 Combination of experimental factors in the case of the highest indicators after amendment 总去除率 H2O2/ (mol·L-1) FeSO4·7H2O/ (mol·L-1) 水土比 实验温度/ ℃ 实验时间 /min 柠檬酸/ (mol·L-1) 染毒剂量/ (mg·kg-1) 99.4517% 1.2000 0.1200 6.0000 53.4912 18.4525 0.5500 96.1512

为了验证拟合方程(3)预报的准确性，使用Matlab的R and 函数对各因素水平取随机数，构成随机验证实验，实验设计、反应结果及计算结果见表 6.以表 6中总去除率实验值对总去除率拟合值作拟合曲线(图 3).此时，随机验证实验的回归方程计算值与实验值的线性拟合方程可决系数为0.9910，且相对误差在5%以内，说明回归方程(3)能可靠地预测实验结果.

图 3(Fig. 3)

图 3 拟合值与实验值比值图 Fig. 3 Ratios of experimental removals to calculated removals

以上结果表明，通过均匀设计法安排实验，本研究以12次实验就完成了7因素12水平实验过程的考察.并通过DPS对实验结果的拟合，得到各实验因素(X_i)及各因素间的交互作用对土壤中PAHs去除率(实验指标Y)的作用方程.此时，若使用正交设计法，12水平数的实验至少需要144(12²)次实验才能分析出各因素水平对实验指标Y的作用规律. 由此可见，对于实验因素多、水平范围广的实验来说，均匀设计法能极大地提高实验效率.

表6(Table 6)

表6 随机验证实验方案、结果及拟合误差 Table 6 Experimental results, fitting error and design of r and om verification experiment

表6 随机验证实验方案、结果及拟合误差 Table 6 Experimental results, fitting error and design of r and om verification experiment 序号 H2O2/ (mol·L-1) FeSO4·7H2O/ (mol·L-1) 水土比 实验温 度/℃ 实验时 间/min 柠檬酸/ (mol·L-1) 染毒剂量/ (mg·kg-1) 总去除率 实验值 总去除率 拟合值 拟合误差 1 1.2 0.12 6.0 53 22 0.55 90 93.90% 100.80% -2.89% 2 0.3 0.04 4.3 58 75 0.36 225 57.14% 54.42% 4.76% 3 0.2 0.11 1.0 30 37 0.01 405 52.87% 50.72% 4.07% 4 1.1 0.06 2.5 75 122 0.52 135 83.32% 80.10% 3.87%

对复合染毒剂量为450 mg · kg^-1的土壤及未染毒土壤分别进行类Fenton′s氧化反应，对反应后液体进行液液萃取，萃取液经GC-MS分析其中的成分，样品的总离子流图见图 4，其匹配成分列表见表 7.

图 4(Fig. 4)

图 4 土壤氧化后反应液成份总离子流图(a.450 mg · kg-1复合染毒土壤；b.未染毒土壤) Fig. 4 Total ion chromatogram of reaction liquid components from oxidized soil(a.PAHs contaminated soil; b.uncontaminated soil)

表 7和图 4的反应液成分分析检测结果表明，复合染毒土壤反应液中蒽和芘的含量为零.此时的多环芳烃去除率仅为43.56%(如表 2所示)，理论计算可知，仍有56.44%的多环芳烃残留在体系中，此时未检测到蒽和芘可能与其在水中即反应液中的溶解度极小有关，则剩余多环芳烃仍残留在土中.此外，复合染毒土壤与未染毒土壤的反应液中均检测到了2-甲基戊烷、甲基环戊烷、邻苯二甲酸异丁基壬酯和二苯醚(图 4和表 7).但是，此时未染毒土壤的反应液中未检测到2-甲基丙酮，而复合染毒土壤反应液中却检测到了2-甲基丙酮的存在.上述检测结果表明，2-甲基丙酮很有可能是蒽或者芘的分解产物之一.但总体而言，上述复合染毒土壤反应液中检测到的烷烃、脂类、醚类和酮类等组分不属于污染物.因此，利用类Fenton′s 处理多环芳烃类污染土壤时，多环芳烃的去除率和残留量是研究的重点，而反应后的液体基本不会给环境带来风险和二次污染.

表7(Table 7)

表7 土壤氧化后反应液组分 Table 7 Components of reaction liquid of oxidized soil

表7 土壤氧化后反应液组分 Table 7 Components of reaction liquid of oxidized soil 450 mg·kg-1g复合染毒土壤 未染毒土壤 成分 匹配度 成分 匹配度 2-甲基戊烷 92% 2-甲基戊烷 94% 甲基环戊烷 96% 甲基环戊烷 96% 2-甲基丙酮 85% 二苯醚 90% 二苯醚 67% 邻苯二甲酸丁基己酯 72% 邻苯二甲酸异丁基壬酯 85%

1)以柠檬酸、L-酒石酸、乳酸3种有机酸为类Fenton′s氧化体系的助剂去除污染土壤中的多环芳烃，当以柠檬酸为体系助剂时多环芳烃的最高去除率为83.75%.

2)本研究建立了各反应因素和多环芳烃去除率之间的关联模型方程，经过对比验证实验结果和方程的预报结果可知，该方程对随机实验的拟合误差小于5%，具有准确的预报性.

3)实验中染毒土壤经类Fenton′s氧化处理的结果表明，反应液中未检测到能给环境带来风险的有害污染物.