石油污染土壤修复技术的进展

童 玲，陈伟胜，，郑西来，邓建绵

（1. 华北水利水电学院 环境与市政工程学院，河南 郑州 450011；2. 中国海洋大学 海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100）

专论与综述

石油污染土壤修复技术的进展

童 玲1，陈伟胜1，2，郑西来2，邓建绵1

（1. 华北水利水电学院 环境与市政工程学院，河南 郑州 450011；2. 中国海洋大学 海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100）

综述了石油污染土壤修复技术的发展现状及存在的瓶颈，分析了石油污染对油-水-土界面性质、土-水关系和土壤渗透性等水理性质的影响。对石油污染土壤再利用于工程建设进行了探讨，并总结了石油污染土壤主要的力学性质变化，为石油污染土壤修复技术的工程实践和机理研究提供参考。

石油污染；土壤；修复；再利用；水理特性；力学性质

石油是广泛应用的能源和化工原材料。土壤受到石油污染后，部分土著生物能主动降解部分石油烃，进行土壤自我修复。但由于有机质和碳含量大量增加，N和P严重缺乏及土壤pH的改变，使得土著生物的生长遭到破坏，通常表现为寸草不生，严重破坏了局部的生态环境［1］。同时，迁移性强的石油烃如苯、甲苯、二甲苯和乙基苯等会随土壤水分迁移，穿过土壤包气带到达地下含水层而污染地下水，再随地下水的开采利用危害人类健康。还有一些难降解石油烃如萘、蒽等多环芳烃可长期蓄积在土壤中，通过食物链对人类产生长远危害。因此，石油对土壤的污染存在环境复杂、范围广、治理难、周期长、危害大的特点。

本文综述了石油污染土壤修复技术的发展现状，指出了修复技术应用的瓶颈，分析了石油污染对油-水-土界面性质、土-水关系和土壤渗透性的影响，对石油污染土壤再利用于工程建设进行了探讨，并讨论了石油污染土壤主要的力学性质变化，为因地制宜地修复和重新开发利用石油污染场地提供一些有益的建议。

1 石油污染土壤修复技术的发展和瓶颈分析

1.1 修复技术的发展

石油污染土壤是一种典型的有机污染土。按污染物处理形态与场址关系划分，可分为原位修复、现场修复与异位修复。常见的原位修复技术有土壤气相抽提（SVE）、生物通风（BV）、原位化学氧化、双向抽提等。原位修复技术一般要配合钻井抽吸。SVE主要针对不饱和区的高挥发性污染物，如石油产品中的轻质烃、汽油等，而对于挥发性较差的柴油、燃料油和煤油等的去除率不高，更适合采用BV。对于较难去除的组分，则需要采用外加氧化剂来提高去除率。双向抽提可对饱和及不饱和区污染的地下水、石油产品自由相和气相同时进行处理，但抽提出来的气体和液体需要单独处理，耗费大量资金，也可与其他原位修复技术相结合来提高处理效率。常见现场修复技术如土地耕作，可在原地对石油污染土壤进行翻耕通风，并适当添加营养物质、矿物质以促进生物降解，在良好的条件下修复时间大约需要6个月到2年，操作费用相对较低，但占地面积较大，对初始有机物浓度高或有重金属污染的土壤不适用，且耕作通风后的尾气需要经过处理才能放空。常见异位修复技术如生物堆肥是将污染土壤挖掘后送到指定地点进行后续处理，几乎对污染区域所有石油组分的去除都有效，并可通过封闭的系统设计控制废气排放，但工程量较大，耗费大量资金。此外，将石油污染土壤与煤粉混合，加入适量分散剂和助燃剂成型，用作固体燃料也不失为一种经济有效的方法。

1.2 修复技术发展的瓶颈分析

石油污染土壤修复技术的选择和处理效果与石油污染物的组成与性质、石油污染物在土壤中的变迁和土壤环境等条件密切相关。近30年来，国外有关石油污染土壤生物修复技术的研究呈现持续升温的趋势，从实验室到实地的原位修复，从降解菌的分离到基因工程技术的应用，在规模上和理论上不断扩大和深入［2］。原位修复技术相对简单，成本较低，但存在环境影响大、耗时长、见效慢和易使污染物扩散等缺点。异位修复技术可通过强化降解条件来提高处理效率，但要额外运输污染土壤，占用一定的场地和安装通风设备均会增加处理成本［3］。残留油的种类和残留量很大程度上决定了石油污染土壤修复的技术难度、方法选择、资金投入和持续时间。

2 石油污染土壤的水理性质变化

土壤水理性质（含水性、渗透性、胀缩性和凝聚性等）与土壤中水的持留、生物生长、污染物迁移、水土流失、土壤岩漠化和生态环境等密切相关。正确了解和评价土壤的水理性质是防止产生不良环境和工程问题的关键，但目前的修复研究却很少与污染土壤的水理性质联系起来。

2.1 油-水-土界面性质

对土壤储油层的研究发现，油-水界面张力、油滴在水溶液中的接触角和土壤孔隙大小、含水性均影响储油层中石油的残留。Bear［4］研究发现，对于一定的含水介质和油品，石油残留量主要取决于毛细作用的大小。油-水界面张力低时产生的石油吸附持留量低［5-6］。当含水介质被石油污染后，油-水界面张力低于水-空气表面张力，也低于石油烃-水界面张力，其原因是由于石油中表面活性物质在油-水界面上的吸附积累所致［7-8］。Mercer等［9］研究表明，接触角是湿润相表面张力、非湿润相表面张力和湿润相-非湿润相界面张力的函数，通过测定接触角可以判断固体表面的湿润性，水湿润性表面的接触角小于70°，油湿润性表面的接触角大于120°。Anderson等［10］报道，天然含水介质（砾石、砂性土、黏性土）主要由铝硅酸盐矿物组成，颗粒表面带负电性，其表面具有明显的水湿润性。Quyum等［11］研究发现，石油污染可以改变土壤的湿润性质，即能使原来亲水性的土壤具有明显的疏水性，只有当土壤所含水分超过某一临界含水量时，这种土壤的疏水性才能再转变为亲水性。

2.2 土-水关系

Li等［12］研究发现，用化学毒理分析来确定生物修复的终点并不能评估修复后土壤对植物生长的支持能力或容量。石油污染土壤的土-水关系已经失衡，生物修复仅能部分去除石油污染物，残余石油烃则导致土壤对水的吸收力低。土-水关系不仅是评价土壤石油污染程度的重要指标，也是评价植物生长与生物修复的重要因素。Lehman等［13］研究了微生物对土壤结构、可湿性、油-水界面张力等性质的影响，发现10 年内土著生物不会影响土壤可湿性和油-水界面张力；但超过10年，微生物活动产生的表面活性物质可能改变土壤的水理性质。因此，向石油污染土壤中添加乳化剂、生物表面活性剂、蛭石、亲脂性肥料等，可明显促进石油烃的降解，使污染土壤的土-水关系得到改善。

2.3 渗透性

石油污染引起的土壤渗透性变化不仅影响水和气体的运移速率，而且影响污染物的传质和扩散，对生物降解效率有决定性作用［14］。M clachlan等［15］调查滨海沙滩石油污染时发现，石油污染后砂土的渗透性明显降低，变化的大小取决于砂土含油量、石油的风化状态及石油和砂土的混合程度。进一步的研究发现，渗透系数与砂土颗粒大小成正比，与砂土含油量成反比，认为石油污染后土壤的孔隙度减小是造成渗透性变化的主要原因［16］。不同污染程度的柴油、原油污染砂土和壤土的渗透性研究发现，原油引起的土壤渗透系数降低程度比柴油显著，这是由于原油的黏滞系数明显高于柴油的黏滞系数。柴油污染土壤的渗透系数在同一数量级内变化；而原油质量分数大于2%时，砂土的渗透系数降低一个数量级；原油质量分数为8%时，壤土的渗透系数降低两个数量级［17］。电学特性测定结果显示，柴油污染前后土壤的电介质常数很小但变化显著，这一结果为应用地下探测雷达或其他高频电磁传感器探测土壤污染物提供了基础数据［18-19］。

3 石油污染土壤再利用问题探讨

3.1 石油污染土壤再利用的必要性

1991年的海湾战争导致了目前世界历史上最大规模的原油泄漏。科威特油井、石油储罐和设施的爆炸造成大面积的土壤被石油污染，表层土壤石油污染面积接近19.05 Mm2，科威特周边区域存在69个油湖，石油污染土壤约9.13 Mm3，历经20多年仍无法完全回收、清除和修复［20］。这样巨大面积的石油污染土壤对环境既有长期的影响也有短期的影响［21］。最紧急的情况是受污染地区的的重建，这种石油污染土壤的工程特性与洁净土壤是有差别的，所以必须研究石油污染土壤的工程特性。

除了清除或修复石油污染土壤以外，对环境影响最小的方法是将其合理的用于建设，即这些土壤可以经过合理内衬和隔离处理后进行再利用（如用于路堤建设），以减小污染物的迁移和对环境的影响。石油污染土壤再利用于道路和停车场建设或作为回填土有很多经济和环境优势，可减少工程材料造价。如果这些污染土壤不能再利用，它们需要被隔离或处理以达到环境安全，这项花费将是昂贵的。然而，这种石油污染土壤不同于常规土壤，需要对其强度、压缩性和承载能力进行测定［22］，以避免其用于建设后带来不良后果。另外，工程的类型和位置也需要慎重考虑。

3.2 石油污染土壤的力学性质变化

研究者认为石油污染土壤可用作工程如道路建设中的稳定性材料。对海湾战争溢油污染土壤进行的大量实验证明，石油污染会导致土壤的强度和渗透性减弱、压缩性增强［23-24］；原油污染后砂土的地基承载力也显著降低［25-26］。燃料油也会导致土壤液限增加，最大干密度下降，团聚力和内摩擦角减小，自由压缩强度降低［27］。缩性指数的变化源于多孔介质流体的黏度变化［28］。汽油饱和的松散石英砂和密实石英砂的摩擦角均显著降低，体积应变均显著上升。通过有限元分析法发现，石油污染引起地基沉降量增加［29］。含油废水亦有望用于道路建设，用它代替自来水导致级配良好的砂土液限和最优含水率略微下降，最大干密度略微上升，但用于高塑性黏土却引起最优含水率和最大干密度均略微上升，摩擦角增大［30］。而温度也会影响石油污染砂土的力学性质，当温度高于室温时，胀缩性和渗透性随温度升高而增加，但压缩至最大干密度后，剪切强度系数对温度变化不敏感［22］。有学者还研究了各种混合添加剂如石灰、粉尘、水泥等作为稳定剂用于石油污染土壤再利用的辅助作用，发现它们均能提高石油污染土壤的工程稳定性，减少油的渗出，石油污染土壤中虽然含有As，Ba，Cd，Cr，Pb，但都没有超过美国环境保护署制定的标准［27，31-32］。这些研究为石油污染土壤的有效处置和建设应用奠定了基础。

4 结语

目前，我国经济发展较快，石油资源开采消耗加快，对土壤的污染也日益加剧。加快石油污染土壤的修复以尽快恢复土壤的使用功能成为关注的焦点。在石油污染土壤修复过程中须关注影响物质传递和生物生长的水理性质，以便在实际应用中能快速修复污染场地。在处置大规模石油污染土壤或大量含油废水时，将其用于工程（如道路、建筑等）材料具有广阔的应用前景。但有关石油污染土壤力学性质的研究仍处于起步阶段，石油污染土壤作为二次污染源在环境中的迁移释放也应给予足够重视和妥善处理。

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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，湖北省襄阳市人，博士，讲师，主要从事土壤污染控制与修复技术研究。电话15093179909，电邮 tclgirl@126.com。

国家自然科学基金资助项目（40872150）；华北水利水电学院高层次人才科研启动项目（200906）。

（编辑 祖国红）