水體中浮油污染物去除方法研究進展

李珮瑜，方英杰，高益康，劉月津，陳戰(zhàn)利

(南昌大學 建筑工程學院，江西 南昌 330031)

1 水體浮油污染物存在現(xiàn)狀及危害

隨著世界工業(yè)化的不斷發(fā)展，多個領域的生產(chǎn)都產(chǎn)生大量的含油廢水。據(jù)統(tǒng)計，我國每年僅油田廢水的排放量就超過5000萬t[1，2],中東和歐盟國家每年僅石油加工廢水的排放量就達到20億t[3]。含油廢水污染成分復雜多樣，由于處理技術的限制，含油廢水進入環(huán)境，污染水體、土壤，其中的有害物質(zhì)最終進入生物和人體，造成危害。近幾十年來石油資源的需求日益劇增，大量的石油在開采、運輸及使用過程中，也增加了石油泄漏事故發(fā)生的風險。根據(jù)相關調(diào)查研究顯示，世界海洋環(huán)境中的污染至少有 35% 以上來源于船舶，而其中最為主要的就是油污[4]。除此之外，湖泊等水體表面油污所造成的環(huán)境污染問題,對土壤、水域、空氣和人類構成了嚴重危害[5]。

石油污染主要源于鉆井平臺發(fā)生事故、船舶碰撞、煉油廠的工業(yè)廢水[6,7]。 2010年墨西哥灣一座海上鉆井平臺發(fā)生爆炸，導致至少490萬桶原油泄漏，造成至少9.3億美元的損失，這也是美國歷史上在海上發(fā)生的最大一起石油泄漏事故。而我國在2010年大連新港一條輸油管道的爆炸導致了原油的泄漏，事后海面上出現(xiàn)的大量浮油，對環(huán)境、經(jīng)濟造成了眾多不利影響。湖水、池塘等表面由于水面油膜的存在,空氣中下沉的塵埃、落葉及其它細小垃圾進入水面時首先接觸油膜,在其浮力作用下因無法下沉而聚集形成污聚物[8]，水面油膜隔絕大氣與水體，造成水體缺氧，油膜附著在魚鰓上影響其生長甚至導致魚類的死亡，嚴重影響著水體的生態(tài)環(huán)境。因此，對水體、海面油污處理方法的研究與應用具有重要意義。

2 水體浮油污染物去除方法

現(xiàn)有的水體浮油污染物去除技術包括圍油欄法、撇油器法、吸附法及燃燒法、化學試劑法、生物技術法等。

2.1 圍欄法

圍欄法通常用圍欄將浮油攔截圍住，可以迅速控制污染物，從而進行后續(xù)的處理，其最大的優(yōu)勢在于簡單快捷，便于操作。圍欄的形式多種多樣，常見的圍欄形式可分為固體浮子式和充氣式，根據(jù)圍油欄的適用類型，又可分為外海圍油欄、河流圍油欄、港口圍油欄這3種。從三者的質(zhì)量來看，外海圍油欄質(zhì)量最重，所以多用于風浪較大的環(huán)境中，而河流圍油欄的質(zhì)量最輕，港口圍油欄介于二者之間。圍油欄早在20世紀60、70年代就已得到了很大的關注，有關此類的研究也很多，張勤等[9]對圍油欄的研究現(xiàn)狀進行了總結，認為現(xiàn)有的圍油欄研究主要集中在數(shù)值分析、結構優(yōu)化及功能分類上。以數(shù)值分析為例，隨著計算機技術的發(fā)展，相比于傳統(tǒng)的實驗方式，通過軟件去模擬波浪、風等環(huán)境因素對結構的影響得到了越來越多的使用。劉少柱[10]等對一種小型的溢油圍控裝置進行模擬和分析，結果表明改變該裝置中水面與閘口間的距離和溢油量能夠?qū)r油效果有較大的影響。張博[11]模擬了在風、波浪及水流的不同作用下，溢油密度及圍油欄的不同結構對圍油欄截油效果的影響。研究結果表明根據(jù)海況的不同，不同的圍油欄形狀對攔油效果的影響很大，且形狀尺寸的增加也會在受力上產(chǎn)生較大影響。楊浩天[12]等模擬了在波流作用下圍油欄前油層的演化過程，旨在研究其滯油性能。該研究的結果表明水流波浪作用會導致其滯油性能的下降，而對其裙擺處作前傾處理可以有效地減小這種影響。

由于圍油欄構造簡單、操作方便的特點，尤其是在緊急情況下具有方便快捷的效率，圍油欄在油污處理上的應用也越來越廣泛，同時目前的相關研究也在對圍油欄結構進行不斷的優(yōu)化，使其攔截效率能夠得到進一步提升。

2.2 撇油器法

撇油器的優(yōu)點在于能夠較為快速地處理水面浮油，但是也存在清理不干凈的問題，往往還需要再次進行處理。在實際環(huán)境下，撇油器的效率并不理想，回收速率與實驗條件下相比往往相差會過大，相關的研究也在解決這一類的問題。近年來，新型的撇油器設備層出不窮，經(jīng)濟合理、簡單適用的撇油器設備受到了廣泛關注。張銀東[13]等對現(xiàn)有的堰式撇油器原理進行了分析并提出了改進，通過理論分析和仿真計算發(fā)現(xiàn)，對薄壁堰進行改進，采用曲線型實用堰回收堰的能夠提升其回收速度。董元平[14]等設計了一款新型的斜板撇油器，從計算結果來看，該裝置達到了節(jié)約成本的目的，而且為斜板撇油器的尺寸設計給出了理論計算的參考。王恒[15]等考慮到大型收油設備無法進入小河道等區(qū)域的問題，研發(fā)了一款小河道撇油沉降收油設備。從實際的應用效果來看，該裝置在1 h內(nèi)可收集油污2萬m3，具有不錯的收集效率，無論在經(jīng)濟角度或是社會角度都值得推廣。

2.3 吸附法及燃燒法

吸附法是指通過親油材料對水面上的浮油進行吸收，選取物理吸附法對水中油污進行治理,不僅不會產(chǎn)生二次污染,而且回收后還可以將油污進行二次利用,最為經(jīng)濟、有效[16]。吸附法一般用來處理工業(yè)廢水。常見的吸附性材料是吸油氈，目前市場上使用的吸油氈多為熔噴法生產(chǎn)的聚丙烯纖維毯，由吸油氈制作的圍油索在以往多次水體重大溢油事故中發(fā)揮了巨大作用。近年來，吸油材料趨向多樣化：北京化工大學林世航[17]對多級孔聚苯乙烯泡沫材料的制備與應用進行研究、孫蘭[18]等對吸油氈、無紡布、海綿、麻袋、活性炭等5種常見吸油材料在不同溫度條件下，油的質(zhì)量濃度約為140 mg/L的各石油類污染物的吸附效果進行比較探究。結果表明：各常見吸油材料都能達到瞬時吸附石油類污染物的效果；污水溫度對各種吸油材料的吸附效果有較大的影響，溫度、石油污染物種類的不同影響效果不同。吸附法處理油污染安全無污染，適用于處理突發(fā)油類泄漏事件，其成本高、回收率低等問題有待進一步的研究改善。

燃燒法，顧名思義，即以燃燒的形式對油進行快速處理。燃燒法清除處理的關鍵是要使得油污能被點燃直至最后完全燃燒[18]。這種方法對于水體薄油膜的處理效果有很大的局限性。劉陽娜[18]等提出了基于海水和專門化學藥品的自持型水基燃燒法清除新技術，通過實驗表明自持型水基燃燒法即使是對厚度小于2 mm的石油污染層也可高效清除。燃燒法雖然簡單有效，但是會對環(huán)境造成危害，同時也造成了資源浪費。

2.4 化學試劑法

化學試劑作為一種石油污染治理的化學方式，其主要原理是通過對水面油污添加化學試劑，在發(fā)生化學作用后沉降，再令其慢慢分解。這樣的做法一般在油膜大約0.05 cm時使用，有些試劑也會造成二次污染，局限性較大[7,19,20]。常見的用來處理海上溢油的化學試劑有消油劑和凝油劑。

消油劑是一種表面活性劑、活劑和少量助劑的混合物，其發(fā)展歷經(jīng)三代，距今也只有50多年的歷史。從第一代的毒性很大的陰離子活性劑，到第二代的酯型表面活性劑，再到目前毒性最小的第三代濃縮型試劑[21]，消油劑在科學家的努力下，毒性大大減小，消油效率也大大提升。當然，消油劑并沒有使油真正地消失，它只是將海上的這些浮油分散成無數(shù)的微小油粒，使其擴散在海水中，參與進自然界的循環(huán)而得到凈化。而這樣的處理效果使其弊端顯而易見，它并不能真正地消滅油污，并且消油劑自身哪怕毒性很低了，也會對生態(tài)環(huán)境造成二次污染，因為它會進入食物鏈，通過富集作用累積毒素，對動植物造成消極影響。

凝油劑能夠迅速地膠凝海上溢油而使之形成固態(tài)或半固態(tài)塊狀, 漂浮于水面,阻止油污擴散,易于回收利用,很少造成二次污染,在我國仍屬于一項新技術。在海面浮油上施放凝油劑，使其與油污發(fā)生化學反應，有時在風浪的攪拌下，能使兩者更加充分地反應，凝結成粘稠物或果凍狀物，再用拖油網(wǎng)進行回收。我國已經(jīng)將溢油凝油劑的研究列入國家級研究項目, 眾多學者專家對此進行了深入的研究與開發(fā)：比如有大連理工大學李忠義[22]研制的氨基酸型凝油劑、復旦大學姚重華[23]研制的山梨糖醇型凝油劑, 青島海洋大學陳國華等[24]研究并合成了聚乙烯醇型、大豆蛋白及淀粉系列凝油劑等等。

2.5 生物技術法

海洋生物修復技術一般利用特殊的微生物或動植物，通過對環(huán)境污染物進行吸收、轉(zhuǎn)化、清除或降解，使當中的有害污染物能夠得以降解并去除，從而對環(huán)境起到凈化與恢復的作用。生物修復技術作為一種新型的環(huán)保技術，雖然起步比較晚，卻在近年來發(fā)展迅速，在世界各地已經(jīng)得到了大量的認可與應用。其特點是對環(huán)境的影響較小，但從實驗室轉(zhuǎn)化為大規(guī)模使用需要較長時間。

石油化合物中的烷烴、芳香烴等有機物都能被某種細菌或真菌降解，其中細菌是重要分解菌，只是不同的物質(zhì)結構，其降解途徑會有所差異[25,26]，如假單胞菌屬(Pseudomonas)、桿菌屬(Flavobacterium)、棒桿菌屬(Corynebacterium)、弧菌屬(Vibro)、無色標菌屬(Achromobacter)、微球菌屬(Micrococcus)、放線菌屬(Actinomyces)等均有降解石油的能力[27]。此外,霉菌、酵母菌等真核微生物也是石油降解的主要類群。劉秋[25]等對微生物的降解機理進行了分析，該研究還認為溫度、營養(yǎng)物質(zhì)及氧氣等因素都會對微生物的降解產(chǎn)生重要影響。而植物與動物修復在石油污染中的運用更傾向于石油污染土壤。已有的研究顯示[25,28,29]：在植物中，像空心蓮子草、蘆葦?shù)纫活惖木S管植物適用于處理水體中的油污染；在動物中，像河蚌、牡蠣等一類的底棲軟體動物對污染水體同樣具有較好的凈水效果，但是主要適用于處理有機碎屑、無機顆粒物等。

3 展望

現(xiàn)有的除油方法很多，目前來說大多數(shù)除油手段還是以物理式的除油方法為主(即圍油欄、撇油器等)，對環(huán)境會造成不利影響的燃燒法與化學法除在緊急情況下，一般都不會使用。近年來，隨著生物技術的興起，生物除油技術的研究與應用越來越多，其作為一種新型的環(huán)保除油技術，具有非常廣闊的應用前景和經(jīng)濟效益，但是如何提高效率并形成一個成熟有效的技術體系將會是未來技術領域上的研究重點。