石油污染土壤修復(fù)技術(shù)的進展

童 玲，陳偉勝，，鄭西來，鄧建綿

（1. 華北水利水電學院 環(huán)境與市政工程學院，河南 鄭州 450011；2. 中國海洋大學 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島 266100）

專論與綜述

石油污染土壤修復(fù)技術(shù)的進展

童 玲1，陳偉勝1，2，鄭西來2，鄧建綿1

（1. 華北水利水電學院 環(huán)境與市政工程學院，河南 鄭州 450011；2. 中國海洋大學 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島 266100）

綜述了石油污染土壤修復(fù)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的瓶頸，分析了石油污染對油-水-土界面性質(zhì)、土-水關(guān)系和土壤滲透性等水理性質(zhì)的影響。對石油污染土壤再利用于工程建設(shè)進行了探討，并總結(jié)了石油污染土壤主要的力學性質(zhì)變化，為石油污染土壤修復(fù)技術(shù)的工程實踐和機理研究提供參考。

石油污染；土壤；修復(fù)；再利用；水理特性；力學性質(zhì)

石油是廣泛應(yīng)用的能源和化工原材料。土壤受到石油污染后，部分土著生物能主動降解部分石油烴，進行土壤自我修復(fù)。但由于有機質(zhì)和碳含量大量增加，N和P嚴重缺乏及土壤pH的改變，使得土著生物的生長遭到破壞，通常表現(xiàn)為寸草不生，嚴重破壞了局部的生態(tài)環(huán)境［1］。同時，遷移性強的石油烴如苯、甲苯、二甲苯和乙基苯等會隨土壤水分遷移，穿過土壤包氣帶到達地下含水層而污染地下水，再隨地下水的開采利用危害人類健康。還有一些難降解石油烴如萘、蒽等多環(huán)芳烴可長期蓄積在土壤中，通過食物鏈對人類產(chǎn)生長遠危害。因此，石油對土壤的污染存在環(huán)境復(fù)雜、范圍廣、治理難、周期長、危害大的特點。

本文綜述了石油污染土壤修復(fù)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，指出了修復(fù)技術(shù)應(yīng)用的瓶頸，分析了石油污染對油-水-土界面性質(zhì)、土-水關(guān)系和土壤滲透性的影響，對石油污染土壤再利用于工程建設(shè)進行了探討，并討論了石油污染土壤主要的力學性質(zhì)變化，為因地制宜地修復(fù)和重新開發(fā)利用石油污染場地提供一些有益的建議。

1 石油污染土壤修復(fù)技術(shù)的發(fā)展和瓶頸分析

1.1 修復(fù)技術(shù)的發(fā)展

石油污染土壤是一種典型的有機污染土。按污染物處理形態(tài)與場址關(guān)系劃分，可分為原位修復(fù)、現(xiàn)場修復(fù)與異位修復(fù)。常見的原位修復(fù)技術(shù)有土壤氣相抽提（SVE）、生物通風（BV）、原位化學氧化、雙向抽提等。原位修復(fù)技術(shù)一般要配合鉆井抽吸。SVE主要針對不飽和區(qū)的高揮發(fā)性污染物，如石油產(chǎn)品中的輕質(zhì)烴、汽油等，而對于揮發(fā)性較差的柴油、燃料油和煤油等的去除率不高，更適合采用BV。對于較難去除的組分，則需要采用外加氧化劑來提高去除率。雙向抽提可對飽和及不飽和區(qū)污染的地下水、石油產(chǎn)品自由相和氣相同時進行處理，但抽提出來的氣體和液體需要單獨處理，耗費大量資金，也可與其他原位修復(fù)技術(shù)相結(jié)合來提高處理效率。常見現(xiàn)場修復(fù)技術(shù)如土地耕作，可在原地對石油污染土壤進行翻耕通風，并適當添加營養(yǎng)物質(zhì)、礦物質(zhì)以促進生物降解，在良好的條件下修復(fù)時間大約需要6個月到2年，操作費用相對較低，但占地面積較大，對初始有機物濃度高或有重金屬污染的土壤不適用，且耕作通風后的尾氣需要經(jīng)過處理才能放空。常見異位修復(fù)技術(shù)如生物堆肥是將污染土壤挖掘后送到指定地點進行后續(xù)處理，幾乎對污染區(qū)域所有石油組分的去除都有效，并可通過封閉的系統(tǒng)設(shè)計控制廢氣排放，但工程量較大，耗費大量資金。此外，將石油污染土壤與煤粉混合，加入適量分散劑和助燃劑成型，用作固體燃料也不失為一種經(jīng)濟有效的方法。

1.2 修復(fù)技術(shù)發(fā)展的瓶頸分析

石油污染土壤修復(fù)技術(shù)的選擇和處理效果與石油污染物的組成與性質(zhì)、石油污染物在土壤中的變遷和土壤環(huán)境等條件密切相關(guān)。近30年來，國外有關(guān)石油污染土壤生物修復(fù)技術(shù)的研究呈現(xiàn)持續(xù)升溫的趨勢，從實驗室到實地的原位修復(fù)，從降解菌的分離到基因工程技術(shù)的應(yīng)用，在規(guī)模上和理論上不斷擴大和深入［2］。原位修復(fù)技術(shù)相對簡單，成本較低，但存在環(huán)境影響大、耗時長、見效慢和易使污染物擴散等缺點。異位修復(fù)技術(shù)可通過強化降解條件來提高處理效率，但要額外運輸污染土壤，占用一定的場地和安裝通風設(shè)備均會增加處理成本［3］。殘留油的種類和殘留量很大程度上決定了石油污染土壤修復(fù)的技術(shù)難度、方法選擇、資金投入和持續(xù)時間。

2 石油污染土壤的水理性質(zhì)變化

土壤水理性質(zhì)（含水性、滲透性、脹縮性和凝聚性等）與土壤中水的持留、生物生長、污染物遷移、水土流失、土壤巖漠化和生態(tài)環(huán)境等密切相關(guān)。正確了解和評價土壤的水理性質(zhì)是防止產(chǎn)生不良環(huán)境和工程問題的關(guān)鍵，但目前的修復(fù)研究卻很少與污染土壤的水理性質(zhì)聯(lián)系起來。

2.1 油-水-土界面性質(zhì)

對土壤儲油層的研究發(fā)現(xiàn)，油-水界面張力、油滴在水溶液中的接觸角和土壤孔隙大小、含水性均影響儲油層中石油的殘留。Bear［4］研究發(fā)現(xiàn)，對于一定的含水介質(zhì)和油品，石油殘留量主要取決于毛細作用的大小。油-水界面張力低時產(chǎn)生的石油吸附持留量低［5-6］。當含水介質(zhì)被石油污染后，油-水界面張力低于水-空氣表面張力，也低于石油烴-水界面張力，其原因是由于石油中表面活性物質(zhì)在油-水界面上的吸附積累所致［7-8］。Mercer等［9］研究表明，接觸角是濕潤相表面張力、非濕潤相表面張力和濕潤相-非濕潤相界面張力的函數(shù)，通過測定接觸角可以判斷固體表面的濕潤性，水濕潤性表面的接觸角小于70°，油濕潤性表面的接觸角大于120°。Anderson等［10］報道，天然含水介質(zhì)（礫石、砂性土、黏性土）主要由鋁硅酸鹽礦物組成，顆粒表面帶負電性，其表面具有明顯的水濕潤性。Quyum等［11］研究發(fā)現(xiàn)，石油污染可以改變土壤的濕潤性質(zhì)，即能使原來親水性的土壤具有明顯的疏水性，只有當土壤所含水分超過某一臨界含水量時，這種土壤的疏水性才能再轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性。

2.2 土-水關(guān)系

Li等［12］研究發(fā)現(xiàn)，用化學毒理分析來確定生物修復(fù)的終點并不能評估修復(fù)后土壤對植物生長的支持能力或容量。石油污染土壤的土-水關(guān)系已經(jīng)失衡，生物修復(fù)僅能部分去除石油污染物，殘余石油烴則導(dǎo)致土壤對水的吸收力低。土-水關(guān)系不僅是評價土壤石油污染程度的重要指標，也是評價植物生長與生物修復(fù)的重要因素。Lehman等［13］研究了微生物對土壤結(jié)構(gòu)、可濕性、油-水界面張力等性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)10 年內(nèi)土著生物不會影響土壤可濕性和油-水界面張力；但超過10年，微生物活動產(chǎn)生的表面活性物質(zhì)可能改變土壤的水理性質(zhì)。因此，向石油污染土壤中添加乳化劑、生物表面活性劑、蛭石、親脂性肥料等，可明顯促進石油烴的降解，使污染土壤的土-水關(guān)系得到改善。

2.3 滲透性

石油污染引起的土壤滲透性變化不僅影響水和氣體的運移速率，而且影響污染物的傳質(zhì)和擴散，對生物降解效率有決定性作用［14］。M clachlan等［15］調(diào)查濱海沙灘石油污染時發(fā)現(xiàn)，石油污染后砂土的滲透性明顯降低，變化的大小取決于砂土含油量、石油的風化狀態(tài)及石油和砂土的混合程度。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，滲透系數(shù)與砂土顆粒大小成正比，與砂土含油量成反比，認為石油污染后土壤的孔隙度減小是造成滲透性變化的主要原因［16］。不同污染程度的柴油、原油污染砂土和壤土的滲透性研究發(fā)現(xiàn)，原油引起的土壤滲透系數(shù)降低程度比柴油顯著，這是由于原油的黏滯系數(shù)明顯高于柴油的黏滯系數(shù)。柴油污染土壤的滲透系數(shù)在同一數(shù)量級內(nèi)變化；而原油質(zhì)量分數(shù)大于2%時，砂土的滲透系數(shù)降低一個數(shù)量級；原油質(zhì)量分數(shù)為8%時，壤土的滲透系數(shù)降低兩個數(shù)量級［17］。電學特性測定結(jié)果顯示，柴油污染前后土壤的電介質(zhì)常數(shù)很小但變化顯著，這一結(jié)果為應(yīng)用地下探測雷達或其他高頻電磁傳感器探測土壤污染物提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［18-19］。

3 石油污染土壤再利用問題探討

3.1 石油污染土壤再利用的必要性

1991年的海灣戰(zhàn)爭導(dǎo)致了目前世界歷史上最大規(guī)模的原油泄漏?？仆赜途?、石油儲罐和設(shè)施的爆炸造成大面積的土壤被石油污染，表層土壤石油污染面積接近19.05 Mm2，科威特周邊區(qū)域存在69個油湖，石油污染土壤約9.13 Mm3，歷經(jīng)20多年仍無法完全回收、清除和修復(fù)［20］。這樣巨大面積的石油污染土壤對環(huán)境既有長期的影響也有短期的影響［21］。最緊急的情況是受污染地區(qū)的的重建，這種石油污染土壤的工程特性與潔凈土壤是有差別的，所以必須研究石油污染土壤的工程特性。

除了清除或修復(fù)石油污染土壤以外，對環(huán)境影響最小的方法是將其合理的用于建設(shè)，即這些土壤可以經(jīng)過合理內(nèi)襯和隔離處理后進行再利用（如用于路堤建設(shè)），以減小污染物的遷移和對環(huán)境的影響。石油污染土壤再利用于道路和停車場建設(shè)或作為回填土有很多經(jīng)濟和環(huán)境優(yōu)勢，可減少工程材料造價。如果這些污染土壤不能再利用，它們需要被隔離或處理以達到環(huán)境安全，這項花費將是昂貴的。然而，這種石油污染土壤不同于常規(guī)土壤，需要對其強度、壓縮性和承載能力進行測定［22］，以避免其用于建設(shè)后帶來不良后果。另外，工程的類型和位置也需要慎重考慮。

3.2 石油污染土壤的力學性質(zhì)變化

研究者認為石油污染土壤可用作工程如道路建設(shè)中的穩(wěn)定性材料。對海灣戰(zhàn)爭溢油污染土壤進行的大量實驗證明，石油污染會導(dǎo)致土壤的強度和滲透性減弱、壓縮性增強［23-24］；原油污染后砂土的地基承載力也顯著降低［25-26］。燃料油也會導(dǎo)致土壤液限增加，最大干密度下降，團聚力和內(nèi)摩擦角減小，自由壓縮強度降低［27］?？s性指數(shù)的變化源于多孔介質(zhì)流體的黏度變化［28］。汽油飽和的松散石英砂和密實石英砂的摩擦角均顯著降低，體積應(yīng)變均顯著上升。通過有限元分析法發(fā)現(xiàn)，石油污染引起地基沉降量增加［29］。含油廢水亦有望用于道路建設(shè)，用它代替自來水導(dǎo)致級配良好的砂土液限和最優(yōu)含水率略微下降，最大干密度略微上升，但用于高塑性黏土卻引起最優(yōu)含水率和最大干密度均略微上升，摩擦角增大［30］。而溫度也會影響石油污染砂土的力學性質(zhì)，當溫度高于室溫時，脹縮性和滲透性隨溫度升高而增加，但壓縮至最大干密度后，剪切強度系數(shù)對溫度變化不敏感［22］。有學者還研究了各種混合添加劑如石灰、粉塵、水泥等作為穩(wěn)定劑用于石油污染土壤再利用的輔助作用，發(fā)現(xiàn)它們均能提高石油污染土壤的工程穩(wěn)定性，減少油的滲出，石油污染土壤中雖然含有As，Ba，Cd，Cr，Pb，但都沒有超過美國環(huán)境保護署制定的標準［27，31-32］。這些研究為石油污染土壤的有效處置和建設(shè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

目前，我國經(jīng)濟發(fā)展較快，石油資源開采消耗加快，對土壤的污染也日益加劇。加快石油污染土壤的修復(fù)以盡快恢復(fù)土壤的使用功能成為關(guān)注的焦點。在石油污染土壤修復(fù)過程中須關(guān)注影響物質(zhì)傳遞和生物生長的水理性質(zhì)，以便在實際應(yīng)用中能快速修復(fù)污染場地。在處置大規(guī)模石油污染土壤或大量含油廢水時，將其用于工程（如道路、建筑等）材料具有廣闊的應(yīng)用前景。但有關(guān)石油污染土壤力學性質(zhì)的研究仍處于起步階段，石油污染土壤作為二次污染源在環(huán)境中的遷移釋放也應(yīng)給予足夠重視和妥善處理。

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Progresses in Remediation of Oil Contam inated Soil

Tong Ling1，Chen Weisheng1，2， Zheng Xilai2，Deng Jianmian1

（1. Institute of Environmental and Municipal Engineering，North China University of Water Conservancy and Electric Power，Zhengzhou Henan 450011，China；2. Key Laboratory of Ocean Environment and Ecology under M inistry of Education，Ocean University of China，Qingdao Shandong 266100，China）

The development status and bottle-neck problems of oil contam inated soil remediation are reviewed；The effects of petroleum contam ination on the hydraulic properties of soil are analyzed，such as the oil-water-soil interfacial properties，soil-water relationship and soil permeability；Furthermore，the reuse of oil contaminated soil in construction projects is discussed and the changes of mechanical properties of the oil contam inated soil are summarized with the aim of provide reference for future researches on practical engineering and remediation mechanisms of oil contaminated soil.

petroleum contam ination；soil；remediation；reuse；hydraulic property；mechanical property

X53

A

1006-1878（2012）04 - 0311 - 05

2012 - 02 - 15；

2010 - 03 - 16。

童玲（1979—），女，湖北省襄陽市人，博士，講師，主要從事土壤污染控制與修復(fù)技術(shù)研究。電話15093179909，電郵 tclgirl@126.com。

國家自然科學基金資助項目（40872150）；華北水利水電學院高層次人才科研啟動項目（200906）。

（編輯 祖國紅）