隴東地區(qū)油田退役井場(chǎng)土壤修復(fù)措施及其修復(fù)效果研究*

厲斌 劉小江 王鵬波 潘峰

(蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院 蘭州 730000)

0 引言

石油作為國(guó)家能源的重要保障，工業(yè)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力，被稱為“工業(yè)的血液”。隨著我國(guó)工業(yè)發(fā)展，機(jī)動(dòng)車保有量飛速增長(zhǎng)，石油需求量不斷增加，開采面積日益增大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年全世界約800萬(wàn)t(我國(guó)約60萬(wàn)t)原油進(jìn)入環(huán)境，污染周邊土壤、地下水、地表水?！度珖?guó)土壤污染狀況調(diào)查公告》顯示，我國(guó)13個(gè)采油區(qū)，土壤超標(biāo)率為23.6%，以石油烴和多環(huán)芳烴為主要污染物。我國(guó)油田開發(fā)過(guò)程中造成的土壤污染問(wèn)題已不容忽視[1-2]。

原油開采過(guò)程中產(chǎn)生的采油廢水、原油等進(jìn)入周邊土壤，井場(chǎng)土壤受到石油類污染物污染。石油類污染物進(jìn)入土壤后，可破壞土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤鹽堿化、板結(jié)化，降低土壤的生產(chǎn)力；石油類作為有機(jī)碳會(huì)使得土壤中元素比例失調(diào)，微生物大量繁殖導(dǎo)致土壤營(yíng)養(yǎng)降低；土壤中石油類污染物濃度較高時(shí)會(huì)阻礙植物根系的呼吸作用，土壤中的石油進(jìn)入植物體內(nèi)會(huì)破壞植體，導(dǎo)致植物死亡。

目前石油污染土壤修復(fù)技術(shù)有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)三大類。物理修復(fù)主要包括土壤氣相抽提、熱脫附法、焚燒法、客土法等，化學(xué)修復(fù)包括溶液淋洗萃取法、氧化法等，生物修復(fù)是通過(guò)植物、微生物等生物的生長(zhǎng)代謝過(guò)程對(duì)有機(jī)污染物進(jìn)行降解，主要包括土壤耕作法、生物通風(fēng)法、植物修復(fù)法等方法[3-7]。

目前隴東地區(qū)對(duì)于井場(chǎng)油泥采取的處置方式主要為生物處置，利用不同種類微生物把石油中的碳?xì)浠衔镒鳛槠涮荚春湍茉捶纸?、消耗，降解成二氧化碳和水或轉(zhuǎn)化成為無(wú)害物質(zhì)，靠微生物的吸附作用去除污泥中重金屬離子。

由于隴東地區(qū)油田開發(fā)分散，井場(chǎng)數(shù)量多，地處山區(qū)交通不便，采用現(xiàn)有物理、化學(xué)方法修復(fù)井場(chǎng)土壤成本過(guò)高，操作難度大，綜合考慮各方面因素，適宜采用操作簡(jiǎn)單、對(duì)周圍環(huán)境影響小的修復(fù)方式進(jìn)行退役井場(chǎng)土壤修復(fù)。

1 探究過(guò)程

1.1 研究對(duì)象

隴東地區(qū)某油田區(qū)塊于20世紀(jì)90年代末開始陸續(xù)開發(fā)建設(shè)，該區(qū)塊于2010年被劃分為飲用水水源保護(hù)區(qū)，少數(shù)井場(chǎng)由于生產(chǎn)能力低下于2006年通過(guò)封堵油層和井口對(duì)采油井進(jìn)行了封停，保護(hù)區(qū)剩余井場(chǎng)于2017年陸續(xù)進(jìn)行永久性封井，退出水源保護(hù)區(qū)。2017年退役井場(chǎng)采取的封井措施為全井段打水泥封堵，封井后對(duì)場(chǎng)地內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)施、管線等進(jìn)行拆除，拆除后平整場(chǎng)地，進(jìn)行井場(chǎng)內(nèi)石油類污染土壤的修復(fù)。本次研究選取水源保護(hù)區(qū)內(nèi)退役井場(chǎng)作為研究對(duì)象。

1.2 井場(chǎng)分類

采油井為在油田開發(fā)過(guò)程中直接用于地下石油開采的井，本次研究對(duì)象采油井的工作方式均為有桿泵機(jī)械采油，由深井泵通過(guò)抽吸作用將原油送到地面。在生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)量降低的情況下會(huì)采取補(bǔ)孔、壓裂、酸化等修井措施進(jìn)行增產(chǎn)。采油井在生產(chǎn)或洗、修井過(guò)程中采油廢水、原油等污染物可能進(jìn)入周邊環(huán)境，造成井口附近土壤污染。

研究對(duì)象中共有植物修復(fù)、翻耕、自然恢復(fù)三類井場(chǎng)。

(1)植物修復(fù)。植物修復(fù)是利用天然植物的物理、化學(xué)、生物性質(zhì)來(lái)移除、降解、富集、固定土壤中的污染物，具有成本低廉、實(shí)施簡(jiǎn)單、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)[8]。大部分退出井場(chǎng)設(shè)備拆除、落地油清理、場(chǎng)地覆土平整后，不擾動(dòng)場(chǎng)地內(nèi)表層土壤的情況下直接打孔種植能夠促進(jìn)石油類污染物降解松樹、苜蓿。LIU W X等[9]的研究結(jié)果表明，苜?？稍黾油寥乐械漠愷B(yǎng)細(xì)菌的數(shù)量，從而提高土壤中石油類污染物的降解速率，起到修復(fù)有機(jī)污染土壤的作用。

(2)農(nóng)作物翻耕。部分井場(chǎng)在進(jìn)行了設(shè)備拆除和場(chǎng)地平整后，由附近居民占用，作為耕地進(jìn)行農(nóng)作物耕種，耕種農(nóng)作物為玉米。

(3)自然恢復(fù)。部分井場(chǎng)在退出水源保護(hù)區(qū)后，僅進(jìn)行了生產(chǎn)設(shè)備拆除和場(chǎng)地平整，未對(duì)場(chǎng)地采取其他土壤修復(fù)措施。

1.3 數(shù)據(jù)選取

由于研究對(duì)象均位于飲用水源二級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)，土壤中的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)執(zhí)行《土壤環(huán)境質(zhì)量—建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 36600—2018)中一類用地的篩選值(826 mg/kg)和管制值(5 000 mg/kg)(下稱“篩選值”和“管制值”)。

根據(jù)井場(chǎng)內(nèi)土壤污染范圍的調(diào)查監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)井場(chǎng)主要污染集中在井口附近，其余區(qū)域基本無(wú)石油類污染。井口處土壤的45項(xiàng)揮發(fā)性有機(jī)物及半揮發(fā)性有機(jī)物監(jiān)測(cè)值均滿足《土壤環(huán)境質(zhì)量—建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 36600—2018)中一類用地篩選值，僅有石油烴超標(biāo)。因此本次研究選取10口采油井井口土壤石油烴監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

(1)植物修復(fù)。5口油井井場(chǎng)為植物修復(fù)井場(chǎng)，編號(hào)為A1～A5，均于2017年10月封場(chǎng)恢復(fù)，除設(shè)備拆除場(chǎng)地覆土平整外未對(duì)下層土壤進(jìn)行擾動(dòng)，原井場(chǎng)表層土位于覆土層下，本次監(jiān)測(cè)過(guò)程中剝離表層20 cm覆土，取20 cm以下的土壤作為原井口表層土壤，對(duì)表層土壤、50～60 cm和90～100 cm土壤進(jìn)行取樣監(jiān)測(cè)。

(2)翻耕。3口油井井場(chǎng)退役后由當(dāng)?shù)鼐用穹?，編?hào)為B1，B2，其中B1井場(chǎng)于2017年4月封場(chǎng)恢復(fù)，B2井場(chǎng)于2006年封場(chǎng)恢復(fù)。對(duì)表層土壤、50～60 cm和90～100 cm土壤進(jìn)行取樣監(jiān)測(cè)。

(3)自然恢復(fù)。2口油井井場(chǎng)為自然恢復(fù)，編號(hào)為C1～C3，其中C1于2017年3月封場(chǎng)恢復(fù)，C2，C3于2006年封場(chǎng)恢復(fù)。剝離表層20 cm覆土，取20 cm以下的土壤作為原井口表層土壤，對(duì)表層土壤、50～60 cm和90～100 cm土壤進(jìn)行取樣監(jiān)測(cè)。

2 探究結(jié)果

2.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

(1)植物修復(fù)。植物修復(fù)的5口采油井井口石油烴監(jiān)測(cè)值見表1。

表1 A1～A5井口土壤石油烴監(jiān)測(cè)值

續(xù)表1

(2)翻耕。井場(chǎng)恢復(fù)后翻耕的3口采油井井口石油烴監(jiān)測(cè)值見表2。

表2 B1～B3井口土壤石油烴監(jiān)測(cè)值

(3)自然恢復(fù)。自然恢復(fù)的2口采油井井口石油烴監(jiān)測(cè)值見表3。

表3 C1，C2井口土壤石油烴監(jiān)測(cè)值

2.2 各類井場(chǎng)恢復(fù)效果分析

2.2.1 植物修復(fù)

由表1的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)：A1～A5井口表層土壤石油烴濃度全部大于《土壤環(huán)境質(zhì)量—建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 36600—2018)中一類用地篩選值小于管制值，最大值為3 562 mg/kg，篩選值占標(biāo)率431.23%；50～60 cm、90～100 cm土壤石油烴濃度均小于篩選值?？梢钥闯?，雖然種植苜蓿、松樹可以增加土壤中的異養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量以提高石油類污染物的降解速率，但由于井口處土壤常年受石油類污染物污染，土壤板結(jié)，孔隙度小，且井場(chǎng)恢復(fù)時(shí)進(jìn)行了場(chǎng)地的壓實(shí)平整，土壤中氧氣含量低，加之微生物在進(jìn)行石油類污染物降解的同時(shí)消耗氧氣，產(chǎn)生二氧化碳，二氧化碳濃度增高抑制微生物降解，導(dǎo)致土壤內(nèi)石油類降解速率較低[10-13]，進(jìn)而導(dǎo)致植物修復(fù)井場(chǎng)內(nèi)土壤的修復(fù)效果不顯著。

石油烴類污染物在土壤表層濃度較高，濃度隨土壤深度增加迅速減小，到90～100 cm處石油烴含量很低。呈現(xiàn)出此種分布特征的主要原因是石油類污染物向下層土壤擴(kuò)散主要受大氣降水對(duì)其的淋濾作用影響，土壤受石油類污染物污染后，土壤吸附其中黏性物質(zhì)，導(dǎo)致其孔隙度降低，不利于污染物向下擴(kuò)散，致使污染物大量滯留在表層土壤[14-15]。

本次研究使用A1～A5井場(chǎng)井口處土壤石油烴濃度平均值代表采油井未進(jìn)行封場(chǎng)恢復(fù)前生產(chǎn)過(guò)程中的井口土壤石油烴濃度現(xiàn)狀值，原因如下：

(1)研究對(duì)象中采用植物修復(fù)的5口采油井井場(chǎng)均于2017年下半年封場(chǎng)恢復(fù)，經(jīng)過(guò)設(shè)備拆除和場(chǎng)地覆土平整后，在場(chǎng)地內(nèi)打孔種植松樹，表層播撒苜蓿草籽，表層覆土下的原井場(chǎng)土壤未經(jīng)過(guò)擾動(dòng)，可大致代表原井場(chǎng)土壤狀況。

(2)受石油類污染物污染的土壤中含有具有石油烴降解能力的微生物，由土壤內(nèi)的土著菌種自然降解土壤石油類含量的半衰期為833 d，而植物修復(fù)的井場(chǎng)恢復(fù)效果并不明顯，種植的植物未有效提高石油類污染物的降解速率。土壤監(jiān)測(cè)時(shí)間為2018年5月，與封場(chǎng)恢復(fù)時(shí)間間隔較短，石油類污染物濃度減小有限。

(3)加之本次研究對(duì)象井場(chǎng)清潔生產(chǎn)管理水平相當(dāng)，井場(chǎng)歷史生產(chǎn)狀況基本一致，使用A1～A5井場(chǎng)井口處土壤石油烴濃度平均值代表本次研究中各采油井未進(jìn)行封場(chǎng)恢復(fù)前的井口土壤石油烴濃度生產(chǎn)現(xiàn)狀值。表層為2 631.2 mg/kg，50～60 cm為103.98 mg/kg，90～100 cm為2.34 mg/kg。

2.2.2 翻耕

由表2的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出：3處翻耕井場(chǎng)井口處土壤石油烴濃度均小于篩選值，最大值出現(xiàn)在B2表層，為185 mg/kg，篩選值占標(biāo)率為22.40%。

石油烴濃度依然呈現(xiàn)出表層較高，下層較低的分布特征。但與B2相比，B1井場(chǎng)50～60 cm處石油烴濃度相對(duì)表層下降幅度更大，由于B1井場(chǎng)用于耕種時(shí)間較短，僅進(jìn)行了一季農(nóng)作物種植，表層土壤與深層土壤交換較少，石油烴濃度上高下低的分布特征保持得更為明顯。而B2井場(chǎng)于2006年封場(chǎng)，作為農(nóng)田種植作物已有十余年時(shí)間，在多次翻耕后，表層土壤與下層土壤交換相對(duì)充分，且翻耕后土壤孔隙增大，表層石油類污染物更易通過(guò)雨水淋濾作用向深層遷移，導(dǎo)致B2井場(chǎng)井口50～60 cm土壤石油烴濃度相對(duì)較高。

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翻耕可以有效解決石油類污染土壤的板結(jié)問(wèn)題，將受石油類污染物影響出現(xiàn)板結(jié)的表層土壤破碎，提高土壤孔隙度，增加土壤中的氧氣含量，提高土壤中微生物的代謝強(qiáng)度。同時(shí)種植農(nóng)作物根部和其周圍的微生物相互作用，植物根部創(chuàng)造富含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的多元有機(jī)環(huán)境，利于根際微生物群落的新陳代謝，在根際微生物的新陳代謝下，石油類污染物被微生物降解為植物生長(zhǎng)所需碳源，在降低石油類污染物對(duì)作物的毒性的同時(shí)促進(jìn)植物的生長(zhǎng)[16]。

除增加微生物數(shù)量，提高微生物代謝強(qiáng)度，加快土壤中石油類污染物的降解速率外，翻耕可以使土壤內(nèi)的石油類污染物與空氣接觸，自然揮發(fā)部分揮發(fā)性強(qiáng)的污染物。在揮發(fā)和微生物降解的共同作用下，有效降低受污染土壤中的石油類污染物濃度，起到土壤修復(fù)的效果。

2.2.3 自然恢復(fù)

由表3的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出：C1井場(chǎng)井口表層土壤石油烴含量大于篩選值，為1 397 mg/kg，篩選值占標(biāo)率為163.13%；50～60 cm土壤石油烴含量也達(dá)到了832 mg/kg，篩選值占標(biāo)率為100.73%。90～100 cm土壤石油烴含量很小，為2.8 mg/kg，篩選值占標(biāo)率0.34%。

C1井場(chǎng)設(shè)備拆除、場(chǎng)地覆土平整后未采取其他恢復(fù)措施，且封場(chǎng)恢復(fù)時(shí)間短，石油類污染物自然降解率低，導(dǎo)致井口處土壤石油烴濃度較高；雖然50～60 cm處土壤石油烴濃度隨相比表層較低，濃度分布仍呈現(xiàn)表層高、深層低的特征，但超過(guò)生產(chǎn)現(xiàn)狀值7倍。

石油類污染物在未受污染土壤中更易向深層中遷移，C1井場(chǎng)生產(chǎn)時(shí)間短，在封場(chǎng)前已停產(chǎn)較長(zhǎng)時(shí)間，土壤污染程度相對(duì)其他井場(chǎng)低，污染物下滲條件較為良好，停產(chǎn)后直至封場(chǎng)，表層土壤石油類污染物長(zhǎng)期受雨水淋濾下滲，導(dǎo)致50～60 cm土壤石油烴濃度相對(duì)其他井場(chǎng)同層位土壤更大。

自然恢復(fù)情況下，雖然恢復(fù)周期長(zhǎng)，但土壤中的石油類污染物也會(huì)在植物和土著菌種的持續(xù)降解下，濃度降低至較低水平。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)采油井井口處土壤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，石油類污染物進(jìn)入土壤后，表層土壤板結(jié)，石油類污染物大量滯留在土壤表層，難以向深層土壤遷移，石油烴含量隨深度的增加迅速下降，到90～100 cm處土壤石油烴含量很低。

(2)本文選取的植物修復(fù)井場(chǎng)均為2017年封場(chǎng)恢復(fù)，無(wú)不同年限間的監(jiān)測(cè)值對(duì)比，植被恢復(fù)井場(chǎng)恢復(fù)效果并不明顯。C2，C3井場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明石油類污染物在經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間的自然降解揮發(fā)后，污染物濃度可以降低至可接受水平。與翻耕相比，自然恢復(fù)周期較長(zhǎng)，表層石油類污染物長(zhǎng)期受雨水淋濾，可能導(dǎo)致深層土壤石油烴濃度較高。

(3)與本文研究對(duì)象中的植物修復(fù)和自然恢復(fù)對(duì)比，翻耕有效地解決了石油類污染物導(dǎo)致土壤板結(jié)的問(wèn)題，翻耕過(guò)程中石油類污染物與空氣接觸，自然恢復(fù)部分石油類污染物，同時(shí)增加土壤中的含氧量，配合農(nóng)作物種植，可有效提高土壤中微生物數(shù)量，促進(jìn)土壤微生物的代謝作用，有效提高石油類污染物的降解速率。

(4)由于本文研究對(duì)象井場(chǎng)均位于我國(guó)隴東地區(qū)，低滲透油田數(shù)量多，開發(fā)井場(chǎng)零星散布于山區(qū)，交通不便，現(xiàn)有的物理、化學(xué)方法修復(fù)成本高，難度大，且退役井場(chǎng)恢復(fù)為林地較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)被開發(fā)使用。結(jié)合油田開發(fā)實(shí)際情況，翻耕施加氮肥后，種植能促進(jìn)石油類污染物分解的松樹、苜蓿等植物這一恢復(fù)措施，具有技術(shù)成本低、對(duì)環(huán)境影響小、可有效清除石油類污染物和改善土壤生態(tài)環(huán)境等優(yōu)勢(shì)，適宜作為我國(guó)隴東地區(qū)油田退役井場(chǎng)土壤恢復(fù)措施使用。