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        地下水石油污染修復技術(shù)述評

        2015-04-05 01:36:50侯軍趙云峰稅碧垣宮敬
        關(guān)鍵詞:原位含水層有機

        侯軍,趙云峰,稅碧垣,宮敬

        地下水石油污染修復技術(shù)述評

        侯軍1,趙云峰2,稅碧垣2,宮敬1

        1.中國石油大學(北京)(北京102249)
        2.中國石油管道科技研究中心(河北廊坊065000)

        地下水污染問題是亟待解決的問題,其中地下水石油污染已經(jīng)成為問題的焦點。石油一旦進入地下水就會對生態(tài)環(huán)境及人類健康帶來嚴重威脅,因而此類場地的治理及修復必須得到重視??紤]到國內(nèi)對于地下水石油污染場地修復技術(shù)的應用還不是很普遍、對修復技術(shù)的掌握還不是很熟練,通過對國內(nèi)外文獻的調(diào)研,整合了國內(nèi)外各種地下水石油污染修復技術(shù),分析匯總了各種修復技術(shù)的特點、適用范圍及評價參數(shù),對我國地下水石油污染修復提出了建議。

        地下水;石油污染;修復技術(shù)

        地下水污染的形式多種多樣,包括事故溢流、儲罐及管道的滲漏、工業(yè)及生活污水的排放、污染性廢物處置場的滲漏等。據(jù)統(tǒng)計硝酸鹽和石油是地下水的主要污染物質(zhì)。近些年來,地下水石油污染呈愈演愈烈之勢,尤其值得關(guān)注。

        據(jù)統(tǒng)計,我國有400多個油氣田,其工作區(qū)面積大約有2×105km2,其中約24%土地的含油量可能超標[1]。此外,由儲油裝置及輸油管道泄漏造成的地下水污染也越來越嚴重。在北京市曾開展的一次檢查中發(fā)現(xiàn),1 000多個加油站中,50%以上發(fā)生腐蝕滲漏,造成地下水石油污染。石油管道泄漏事故時有發(fā)生,包括2009年的中國石油長慶油田采油廠輸油管線原油泄漏、2010年中國石化膠州九龍段管道破裂、2011年延長石油集團定遠至靖邊管線打孔盜油等,泄漏油品對土壤或地下水造成了不同程度的污染[2]>。

        20世紀70年代以來,歐美國家加快了地下水污染修復步伐,在污染修復上取得了很大的進展,地下水污染修復技術(shù)不斷成熟。我國1981年開始關(guān)注地下水資源問題,并于2011年通過了《全國地下水污染防治規(guī)劃(2011年~2020年)》,開始了地下水污染的治理工作。

        1 地下水石油污染修復技術(shù)簡介

        目前國內(nèi)外地下水污染修復技術(shù)主要有污染源控制技術(shù)、水動力控制技術(shù)、異位修復技術(shù)、原位修復技術(shù)以及自然修復技術(shù)等。

        1.1污染源控制技術(shù)

        污染源控制技術(shù)是將已經(jīng)受石油污染的地下水分離開來,以最大限度地減少其對附近潔凈地下水的污染的一種技術(shù)。主要分為被動收集技術(shù)和屏蔽技術(shù)。

        1)被動收集技術(shù)是將溢油收集起來或收集起來加以處理的一種技術(shù)[3]。該技術(shù)的實施所需的工程量大,對受污染土壤及地下水的處理成本較高,對于污染物延伸到地表深處或污染發(fā)生在溝道難以施工的區(qū)域(建筑下部等)或擁擠地區(qū)時,該方法難以實施。該技術(shù)通常能有效處理輕質(zhì)污染物(如油類等),適用于對含水層較淺、土壤不均一性較大、滲透性較差、飽和含水層厚度小且容易到達污染場地的修復。

        2)屏蔽技術(shù)是通過在地下建立各種物理屏障,將受污染水體封閉起來[3]。用來防止污染物在地下水中擴散的物理屏障包括泥墻、帷帳式灌漿、打板樁等[4]。屏蔽技術(shù)能將石油污染物控制在一定的區(qū)域內(nèi),避免其對敏感區(qū)域的污染,但實施的工程量大,成本高。一般情況下,該技術(shù)是在地下水污染治理的初期,用于臨時控制地下水域污染擴散,而只有在處理小范圍的劇毒、難降解污染物時,才會考慮采用永久性的屏蔽方式[3]。

        1.2水動力控制技術(shù)

        水動力控制技術(shù)是在受污染地下水的上下游設(shè)置井群系統(tǒng),通過抽水和注水相結(jié)合的方式,改變地下水的水力梯度,使污染物僅存在于井群系統(tǒng)內(nèi)部,阻止污染物擴散。水動力控制技術(shù)包括上游分水嶺技術(shù)和下游分水嶺技術(shù)[4]。

        水動力控制修復地下水石油污染具有設(shè)備簡單,運行成本較低,在污染初期能有效控制污染物擴散等優(yōu)點[5]。但其使用受到當?shù)厮牡刭|(zhì)條件的限制。該技術(shù)是一種臨時性的控制技術(shù),主要用于在治理初期防止污染物的擴散蔓延,適合于對輕質(zhì)非水相液體進行處理[3]。

        1.3異位修復技術(shù)

        異位修復技術(shù)也叫抽出處理技術(shù),是根據(jù)地下水石油污染場地的范圍設(shè)置抽、注井,通過水泵將受石油污染的地下水從井中抽出,送往凈化系統(tǒng)處理,處理后的水供給用戶或回注至含水層,如圖1所示[6-7]。

        抽出處理技術(shù)適用范圍廣,在地下水污染處理的早期見效快,周期短,效率高,無2次污染,是處理污染范圍大、污染暈埋藏深的污染場地的主要方法。但這一技術(shù)只適合于短期應急控制,這是因為:①泵抽方法難以清除因毛細張力而滯留的非水相液體;②成本高,對修復區(qū)干擾大;③對于開放的污染源,在停止抽水時,污染物濃度的拖尾和反彈現(xiàn)象嚴重;④系統(tǒng)需要定期的維護與監(jiān)測[6]。

        輕質(zhì)非水相液體回收技術(shù)是抽出處理技術(shù)的一種。輕質(zhì)非水相液體回收即抽取地下水,使地下水環(huán)境形成地下水位降落漏斗,輕質(zhì)非水相液體(LNAPL)向漏斗中心匯集,然后利用泵直接抽取LNAPL。抽取出來的地下水經(jīng)凈化處理合格后回注至含水層或使用,抽取出的LNAPL則經(jīng)過脫水等簡單處理后回收。處理流程如圖2所示[8]。

        該技術(shù)操作簡單,能在井中實現(xiàn)對油品和水的分離,降低采出水中乳化油的含量,整個操作過程全部自動化,提高回收率,適用于較低潛水位、石油污染嚴重的地下水處理。其局限性在于:成本高,系統(tǒng)的啟動和調(diào)整需要專業(yè)人員,對場地的要求高,大量水需要處理和排放,且在運行過程中易產(chǎn)生乳化作用[8]。

        1.4原位修復技術(shù)

        原位修復技術(shù)是在原位對受污染的地下水進行修復的技術(shù),其主要優(yōu)勢是修復徹底、時間相對較短、處理污染物種類多,成本比較低。原位修復技術(shù)主要包括原位曝氣修復技術(shù)、原位強化微生物修復技術(shù)、原位化學氧化技術(shù)、有機粘土法、可滲透反應墻、電化學動力修復技術(shù)以及地下水循環(huán)井技術(shù)等。

        1)原位曝氣技術(shù)(AS)是在含水層中以一定的壓力注入一定體積的氣體(通常為空氣),通過吹脫、揮發(fā)、溶解、吸附、解吸和生物降解等作用去除飽水帶和地下水中的有機污染物。

        原位曝氣技術(shù)的主要優(yōu)勢有:①設(shè)備易于安裝,操作成本低;②對修復場地的破壞較小;③修復效率高,時間短;④處理工藝簡單。其缺陷在于:①若操作條件控制不當,可能導致污染物遷移;②當含水層介質(zhì)滲透性較小,或具有低滲透透鏡體,或不飽和區(qū)厚度過小時,修復效果較差。該技術(shù)適用于去除所有揮發(fā)性有機物及可好氧生物降解的污染物。在處理均質(zhì)、滲透性好的污染含水層具有很好的效果[8-10]。

        2)原位強化微生物修復技術(shù)是通過往地下水中注入氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)以加強微生物降解作用的一種技術(shù)。該技術(shù)具有操作簡單、經(jīng)濟、效率高、很少造成2次污染等優(yōu)點。其局限性在于降解作用并非對所有石油烴有毒組分有效,環(huán)境條件不易控制;對于地下污染場地修復不均勻,速率較慢。該技術(shù)主要應用于石油污染程度較輕以及污染物不易轉(zhuǎn)移的污染場地修復中,能處理揮發(fā)性及半揮發(fā)性有機污染物,可與其他修復技術(shù)聯(lián)合使用,處理復合污染[8]。

        3)可滲透反應墻(PRB)技術(shù)是將可滲透反應墻安裝在地下含水層中,垂直于地下水流方向,當?shù)叵滤髟谧陨硭μ荻茸饔孟峦ㄟ^PRB時,污染物會在反應墻中被降解、吸附、沉淀消除毒害,從而達到地下水環(huán)境修復的目的[5,11]。

        與其他原位修復技術(shù)相比,PRB技術(shù)的優(yōu)勢有:①工程設(shè)施較簡單;②能長期有效運行,能處理多數(shù)污染物;③成本低。其局限性在于:①容易發(fā)生堵塞,需及時清理,定期更換;②需控制pH值;③更換修復方案較為麻煩;④更換可能會造成2次污染。PRB技術(shù)適用于對石油中揮發(fā)性及半揮發(fā)性有機污染物的處理[9]。

        4)原位化學氧化(ISCO)是一種往污染場地加入強氧化劑與地下水、沉積物和土壤中的有機污染物發(fā)生化學反應,從而使污染物得以降解或轉(zhuǎn)化為無毒或毒性較小物質(zhì)的修復技術(shù)[12]。

        原位化學氧化修復技術(shù)具有不必開挖土地、不破壞地上結(jié)構(gòu)、周期短、見效快、成本低和處理效果好的優(yōu)點。但氧化劑的使用可能會給土壤及地下水環(huán)境帶來2次污染[9]。該技術(shù)能有效去除氯化溶劑、苯系物等揮發(fā)性有機物,能高效處理含非飽和碳鍵的化合物。

        5)有機粘土修復技術(shù)即在現(xiàn)場向污染區(qū)域的蓄水層中注入季銨鹽陽離子表面活性劑,使土壤和含水層物質(zhì)中含有的粘土形成有機粘土礦物,利用有機粘土礦物的吸附作用來截住和固定疏水性有機污染物,防止污染物在地下水中進一步擴散。該方法可配合生物降解等手段,增加疏水性有機物的溶解及生物可利用性,永久地消除地下水污染[13]。

        盡管有機粘土對疏水性有機污染物的吸附穩(wěn)定性及其影響因素有待進一步研究,但該技術(shù)開發(fā)利用價值很大,治理成本低,在一般性環(huán)保技術(shù)不能解決的非點源區(qū)域性污染方面能發(fā)揮獨特的作用。該技術(shù)可用于處理地下水中的疏水性有機污染物,適用于治理初期污染物的固定,對存在有機粘土的污染場地尤為有效[5,14]。

        6)原位電化學動力修復技術(shù)的實施是將電極插入污染區(qū)域,施加直流電壓從而在污染區(qū)域形成電場梯度,使土壤孔隙水中的溢油在直流電場產(chǎn)生的電滲析的作用下沿電力場方向定向移動,遷移至設(shè)定的處理區(qū)集中處理[15]。

        原位電化學動力修復的優(yōu)勢有:①后期處理方便、2次污染少,對環(huán)境擾動小;②投資比較少,快速有效;③安裝操作簡便;④不受當?shù)厮臈l件限制。其局限性在于:①不適于含水率過低(低于10%)的土壤;②存在電流降低的極化現(xiàn)象[16]。電化學動力修復技術(shù)適用于小范圍處理吸附性較強的有機污染物,對多相不均勻介質(zhì)和粒徑不同的污染土壤的處理也很有效,不僅適合飽和土壤水層,還適合含氣層土壤的處理,不受深度限制。

        7)原位井中氣提技術(shù)的工作原理如圖3所示。通過曝氣,使氣水混合物從內(nèi)井不斷上升至井口,隨后水在外井自由回落,水穿過外井上部穿孔花管反滲回含水層,氣體則經(jīng)氣水分離器后排出。在曝氣過程中,地下水中的揮發(fā)和半揮發(fā)性有機物會不斷由水相揮發(fā)進入氣相,由空氣攜帶至地面進行處理;同時空氣中的會不斷溶解進入水相,強化循環(huán)井周圍污染物的降解作用[17-18]。系統(tǒng)運行穩(wěn)定后,地下水在循環(huán)井的周圍形成一個三維橢圓形流場,從而使污染物在水力沖刷和濃度梯度作用下不斷由介質(zhì)孔隙往水相中轉(zhuǎn)移,最終通過循環(huán)井去除[19]。

        原位井中氣提修復技術(shù)具有以下幾個優(yōu)點:①循環(huán)井結(jié)構(gòu)簡單,便于操作維修;②對場地環(huán)境擾動小;③無需將地下水抽至地表,成本大幅降低;④可用于處理低滲透性含水層[20]。該技術(shù)適用于處理石油中揮發(fā)性和可降解性較強的污染物,適合于水力傳導系數(shù)及孔隙度較大的地下水污染場地的修復。

        1.5自然衰減修復技術(shù)

        自然衰減(NA)是指進入到地下環(huán)境中污染物通過吸附、彌散、揮發(fā)和生物降解等作用,能夠有效降低污染物的濃度,防止污染范圍進一步擴大,并在較長一段時間后能使地下水得到凈化[21]。

        監(jiān)控自然衰減(MNA)是基于自然衰減發(fā)展而來的,修復過程完全依賴于環(huán)境作用,只是利用相應的監(jiān)控技術(shù)全程關(guān)注自然修復過程[21]。

        自然衰減修復技術(shù)具有能將污染物最終轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)、無2次污染、對生態(tài)環(huán)境的干擾較小、工程設(shè)施簡單、修復成本低等優(yōu)點。其缺陷在于:①處理效率低、周期長、可能無法控制污染暈的進一步擴大;②需要收集數(shù)據(jù),模擬、評估降解速率及途徑;③降解的中間產(chǎn)物可能更不穩(wěn)定、更毒;④在污染物濃度降至一定水平之前場地可能不能使用[8-9]。通常MNA技術(shù)適合處理污染程度低的場地,包括受石油污染嚴重場地的外圍,或污染源很小的區(qū)域[9]。

        2 修復技術(shù)的聯(lián)合應用

        2.1土壤-地下水聯(lián)合修復技術(shù)

        在地下水石油污染修復過程中,單純修復受污染地下水會使得污染物由于受到毛細張力作用而滯留于土壤中,而土壤中的石油污染物經(jīng)雨水等的淋濾作用后會再次污染地下水[9]。因此,有必要對石油污染場區(qū)的地下水和土壤進行同步修復,最大限度地降低污染的可能性。

        2.1.1 土壤氣相抽提-原位曝氣聯(lián)合修復

        在聯(lián)合應用時,利用氣泵將空氣由垂直或水平井注入到地下水位以下,使土壤孔隙和地下水中的污染物揮發(fā)進空氣中。同時,在浮力作用下含污染物的懸浮羽狀體不斷上升,到達地下水位以上區(qū)域,再通過土壤氣相抽提對其進行處理[9]。

        土壤氣相抽提與原位曝氣技術(shù)聯(lián)合使用(SVEAS技術(shù))適用于揮發(fā)和半揮發(fā)石油污染物對粒徑較均勻且滲透率適中土壤及地下水污染的處理[9]。

        2.1.2 生物通風-原位曝氣聯(lián)合修復

        生物通風與原位曝氣聯(lián)合修復(BV-AS技術(shù))是通過往含水層注入空氣來加強生物好氧降解,同時在空氣作用下將污染物由地下水傳送到滲流區(qū),在滲流區(qū)利用BV技術(shù)對污染物進行處理[9]。

        BV-AS技術(shù)比SVE-AS技術(shù)處理對象范圍廣,且能降低尾氣處理成本,適于對土壤中揮發(fā)性、半揮發(fā)性和不揮發(fā)性可降解有機污染物進行處理。但該技術(shù)不能對低滲透率、高含水率、高黏度的土壤實施有效修復[9]。

        2.1.3 雙相抽提

        雙相抽提(DPE)指的是通過同時抽出土壤中的氣相污染物及地下水中的污染物,并分別對污染物進行處理,從而達到對污染場地進行修復的一種修復技術(shù)[9]。DPE系統(tǒng)可分為單泵系統(tǒng)和雙泵系統(tǒng),適合對揮發(fā)性有機污染物及燃料的處理,在非均質(zhì)粘土及細砂環(huán)境下比SVE更高效[8]。

        1)單泵系統(tǒng)相當于SVE與地下水修復技術(shù)的結(jié)合,通過真空設(shè)備提供抽提動力。單泵DPE系統(tǒng)工藝流程如圖4所示[22]。

        單泵DPE系統(tǒng)的優(yōu)點有:①無需井下泵;②對場地擾動小;③處理時間較短(最優(yōu)條件下半年至2年);④地下水的抽提率顯著提高;⑤可在建筑物底下進行,還可用于無法挖掘的區(qū)域;⑥采用借助氣體的提除,減少地下水處理費用。其缺點在于:①抽出氣體的處理及油水分離處理費用較高;②要求專業(yè)設(shè)備及高端控制技術(shù);③運行時要求繁雜的監(jiān)測及控制。單泵DPE技術(shù)常用于處理由石油泄漏造成的自由移動性LNAPL污染的地下水層,適宜對地下水水位波動不大、含有小到中等顆粒土壤的低滲透率場地進行修復[9]。

        2)雙泵系統(tǒng)是通過水泵和真空設(shè)備將液相和氣相污染物抽提至液相處理系統(tǒng)和氣相處理系統(tǒng)進行處理。雙泵DPE系統(tǒng)的工藝流程如圖5所示[22]。

        雙泵DPE技術(shù)具有如下優(yōu)勢:①擁有成熟的設(shè)備;②適合的土壤滲透性范圍較寬。其缺陷性在于設(shè)備費用高,不適合低滲透性土壤,要求有足夠的地表信息[9]。雙泵DPE技術(shù)能對各種石化污染場地進行修復,很適合對存在非水相液態(tài)的污染場地進行修復,受地下水位波動影響小,對中、高滲透率的土壤修復效率較高[22]。

        2.2表面活性劑增效修復技術(shù)

        表面活性劑增效修復技術(shù)(SEAR技術(shù))的具體實施過程是將表面活性溶劑注入到地下水污染區(qū)域,與污染物發(fā)生反應,使吸附或殘留于多孔介質(zhì)中的污染物進入水相,并通過抽提井抽出,在地表經(jīng)處理合格后回注至含水層[23]。

        SEAR技術(shù)在促進污染物抽提速率的同時還能提高污染物的生物可利用性,能有效避免拖尾和回彈現(xiàn)象,但該技術(shù)成本高、可能會對環(huán)境產(chǎn)生2次污染[24]。表面活性劑增效修復技術(shù)適用于污染范圍大、污染暈埋藏深的污染場地的短期應急控制,對輕質(zhì)非水相液體去除效果明顯[24]。

        3 地下水石油污染修復技術(shù)對比

        地下水石油污染修復技術(shù)很多,但針對某一特定情況的修復技術(shù)則只有幾種甚至一種。表1為常用技術(shù)適用范圍及評價參數(shù)。在方案的選擇過程中,項目實施方首先需要綜合考慮含水層深度、介質(zhì)類型、污染范圍、污染程度,以初步確定需要采用的修復技術(shù),隨后,對選出技術(shù)的成熟性、治理成本、修復效率等信息進行對比分析,以選擇合理的修復技術(shù)。

        從表1可以看出,屏蔽、抽出-處理、雙相抽提單泵系統(tǒng)及雙相抽提雙泵系統(tǒng)等技術(shù)的成本最高,但這些技術(shù)的處理效率高,能快速控制污染物的擴散、降低污染物的濃度,尤其是抽出處理技術(shù)在地下水石油污染修復中應用最為廣泛;土壤氣相抽提-原位曝氣及生物通風-原位曝氣技術(shù)的成本較高,這些技術(shù)能實現(xiàn)對較小范圍污染場地的地下水和土壤的聯(lián)合修復,但目前為止還應用較小或僅限于示范應用。原位曝氣、可滲透反應墻、原位化學氧化、有機粘土、電化學動力、表面活性劑增效修復等修復技術(shù)成本較低,其中原位曝氣、可滲透反應墻及原位化學氧化技術(shù)已在地下水石油污染治理中得到廣泛應用,有機粘土法及表面活性劑增效修復技術(shù)目前還處于示范應用階段,但其應用前景廣泛。

        在我國,地下水石油污染治理仍處于起步階段。因此,對于抽出-處理、原位曝氣、強化微生物修復、可滲透反應墻、監(jiān)測自然衰減等已證實好用的技術(shù),我國應加強其現(xiàn)場應用,在應用中不斷改進、完善;對于水動力控制、土壤氣相抽提-原位曝氣、雙相抽提單泵系統(tǒng)、雙相抽提雙泵系統(tǒng)這些應用較少的技術(shù),我國需謹慎應用,待確定好用后加以推廣;對于有機粘土、電化學動力、地下水循環(huán)井、生物通風-原位曝氣、表面活性劑增效修復這些處于示范應用的修復技術(shù),我國需實行小范圍試點應用,待確定技術(shù)可靠性后考慮其應用規(guī)模。

        4 結(jié)束語

        地下水石油污染修復技術(shù)對于保護生態(tài)環(huán)境及人類健康意義重大,但修復技術(shù)的開發(fā)及應用仍困難重重,需要科技工作者們積極克服。地下水石油污染修復技術(shù)的發(fā)展需要從以下方面下功夫:①對于許多在國外已經(jīng)成熟的、好用的技術(shù),應當充分借鑒,加以消化、吸收,使它為我所用;②對于已證實好用的技術(shù)應加強其現(xiàn)場應用推廣力度;③對于高效的新技術(shù)要加大其示范性研究;④實行產(chǎn)學研結(jié)合,加大新技術(shù)開發(fā)力度;⑤在修復技術(shù)的應用實踐中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題,完善已有技術(shù);⑥注重技術(shù)的聯(lián)合使用,積極探索技術(shù)之間的協(xié)同作用。

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        Groundwater pollution is a serious problem,and the pollution of oil to groundwater has become a focus of groundwater pollution.Once oil enters the groundwater,it would bring a serious threat to ecological environment and human health,and therefore the treatment and restoration of such pollution sites must be paid attention.The application of the restoration technologies for oil pollution sites to groundwater at home is not wide,and the domestic technical personnel have not expertly mastered these techniques.For these reasons,the restoration technologies for oil pollution sites to groundwater are reviewed by the research of domestic and foreign literatures,and the characteristics,applicable scope and evaluation parameters of the technologies are analyzed.Finally some suggestions are proposed for the treatment and restoration of oil pollution to groundwater in our country.

        groundwater;oil pollution;restoration technology

        立崗

        2014-12-24

        中國石油天然氣股份有限公司科學研究與技術(shù)開發(fā)項目—管道安全與環(huán)保技術(shù)研究項目“輸油管道泄漏水污染應急處置技術(shù)集成研究”(編號:2014B-3415-0505)

        侯軍(1990-),男,主要從事輸油管道泄漏水污染防控研究。

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