水体中浮油污染物去除方法研究进展

李珮瑜，方英杰，高益康，刘月津，陈战利

(南昌大学 建筑工程学院，江西 南昌 330031)

1 水体浮油污染物存在现状及危害

随着世界工业化的不断发展，多个领域的生产都产生大量的含油废水。据统计，我国每年仅油田废水的排放量就超过5000万t[1，2],中东和欧盟国家每年仅石油加工废水的排放量就达到20亿t[3]。含油废水污染成分复杂多样，由于处理技术的限制，含油废水进入环境，污染水体、土壤，其中的有害物质最终进入生物和人体，造成危害。近几十年来石油资源的需求日益剧增，大量的石油在开采、运输及使用过程中，也增加了石油泄漏事故发生的风险。根据相关调查研究显示，世界海洋环境中的污染至少有 35% 以上来源于船舶，而其中最为主要的就是油污[4]。除此之外，湖泊等水体表面油污所造成的环境污染问题,对土壤、水域、空气和人类构成了严重危害[5]。

石油污染主要源于钻井平台发生事故、船舶碰撞、炼油厂的工业废水[6,7]。 2010年墨西哥湾一座海上钻井平台发生爆炸，导致至少490万桶原油泄漏，造成至少9.3亿美元的损失，这也是美国历史上在海上发生的最大一起石油泄漏事故。而我国在2010年大连新港一条输油管道的爆炸导致了原油的泄漏，事后海面上出现的大量浮油，对环境、经济造成了众多不利影响。湖水、池塘等表面由于水面油膜的存在,空气中下沉的尘埃、落叶及其它细小垃圾进入水面时首先接触油膜,在其浮力作用下因无法下沉而聚集形成污聚物[8]，水面油膜隔绝大气与水体，造成水体缺氧，油膜附着在鱼鳃上影响其生长甚至导致鱼类的死亡，严重影响着水体的生态环境。因此，对水体、海面油污处理方法的研究与应用具有重要意义。

2 水体浮油污染物去除方法

现有的水体浮油污染物去除技术包括围油栏法、撇油器法、吸附法及燃烧法、化学试剂法、生物技术法等。

2.1 围栏法

围栏法通常用围栏将浮油拦截围住，可以迅速控制污染物，从而进行后续的处理，其最大的优势在于简单快捷，便于操作。围栏的形式多种多样，常见的围栏形式可分为固体浮子式和充气式，根据围油栏的适用类型，又可分为外海围油栏、河流围油栏、港口围油栏这3种。从三者的质量来看，外海围油栏质量最重，所以多用于风浪较大的环境中，而河流围油栏的质量最轻，港口围油栏介于二者之间。围油栏早在20世纪60、70年代就已得到了很大的关注，有关此类的研究也很多，张勤等[9]对围油栏的研究现状进行了总结，认为现有的围油栏研究主要集中在数值分析、结构优化及功能分类上。以数值分析为例，随着计算机技术的发展，相比于传统的实验方式，通过软件去模拟波浪、风等环境因素对结构的影响得到了越来越多的使用。刘少柱[10]等对一种小型的溢油围控装置进行模拟和分析，结果表明改变该装置中水面与闸口间的距离和溢油量能够对拦油效果有较大的影响。张博[11]模拟了在风、波浪及水流的不同作用下，溢油密度及围油栏的不同结构对围油栏截油效果的影响。研究结果表明根据海况的不同，不同的围油栏形状对拦油效果的影响很大，且形状尺寸的增加也会在受力上产生较大影响。杨浩天[12]等模拟了在波流作用下围油栏前油层的演化过程，旨在研究其滞油性能。该研究的结果表明水流波浪作用会导致其滞油性能的下降，而对其裙摆处作前倾处理可以有效地减小这种影响。

由于围油栏构造简单、操作方便的特点，尤其是在紧急情况下具有方便快捷的效率，围油栏在油污处理上的应用也越来越广泛，同时目前的相关研究也在对围油栏结构进行不断的优化，使其拦截效率能够得到进一步提升。

2.2 撇油器法

撇油器的优点在于能够较为快速地处理水面浮油，但是也存在清理不干净的问题，往往还需要再次进行处理。在实际环境下，撇油器的效率并不理想，回收速率与实验条件下相比往往相差会过大，相关的研究也在解决这一类的问题。近年来，新型的撇油器设备层出不穷，经济合理、简单适用的撇油器设备受到了广泛关注。张银东[13]等对现有的堰式撇油器原理进行了分析并提出了改进，通过理论分析和仿真计算发现，对薄壁堰进行改进，采用曲线型实用堰回收堰的能够提升其回收速度。董元平[14]等设计了一款新型的斜板撇油器，从计算结果来看，该装置达到了节约成本的目的，而且为斜板撇油器的尺寸设计给出了理论计算的参考。王恒[15]等考虑到大型收油设备无法进入小河道等区域的问题，研发了一款小河道撇油沉降收油设备。从实际的应用效果来看，该装置在1 h内可收集油污2万m3，具有不错的收集效率，无论在经济角度或是社会角度都值得推广。

2.3 吸附法及燃烧法

吸附法是指通过亲油材料对水面上的浮油进行吸收，选取物理吸附法对水中油污进行治理,不仅不会产生二次污染,而且回收后还可以将油污进行二次利用,最为经济、有效[16]。吸附法一般用来处理工业废水。常见的吸附性材料是吸油毡，目前市场上使用的吸油毡多为熔喷法生产的聚丙烯纤维毯，由吸油毡制作的围油索在以往多次水体重大溢油事故中发挥了巨大作用。近年来，吸油材料趋向多样化：北京化工大学林世航[17]对多级孔聚苯乙烯泡沫材料的制备与应用进行研究、孙兰[18]等对吸油毡、无纺布、海绵、麻袋、活性炭等5种常见吸油材料在不同温度条件下，油的质量浓度约为140 mg/L的各石油类污染物的吸附效果进行比较探究。结果表明：各常见吸油材料都能达到瞬时吸附石油类污染物的效果；污水温度对各种吸油材料的吸附效果有较大的影响，温度、石油污染物种类的不同影响效果不同。吸附法处理油污染安全无污染，适用于处理突发油类泄漏事件，其成本高、回收率低等问题有待进一步的研究改善。

燃烧法，顾名思义，即以燃烧的形式对油进行快速处理。燃烧法清除处理的关键是要使得油污能被点燃直至最后完全燃烧[18]。这种方法对于水体薄油膜的处理效果有很大的局限性。刘阳娜[18]等提出了基于海水和专门化学药品的自持型水基燃烧法清除新技术，通过实验表明自持型水基燃烧法即使是对厚度小于2 mm的石油污染层也可高效清除。燃烧法虽然简单有效，但是会对环境造成危害，同时也造成了资源浪费。

2.4 化学试剂法

化学试剂作为一种石油污染治理的化学方式，其主要原理是通过对水面油污添加化学试剂，在发生化学作用后沉降，再令其慢慢分解。这样的做法一般在油膜大约0.05 cm时使用，有些试剂也会造成二次污染，局限性较大[7,19,20]。常见的用来处理海上溢油的化学试剂有消油剂和凝油剂。

消油剂是一种表面活性剂、活剂和少量助剂的混合物，其发展历经三代，距今也只有50多年的历史。从第一代的毒性很大的阴离子活性剂，到第二代的酯型表面活性剂，再到目前毒性最小的第三代浓缩型试剂[21]，消油剂在科学家的努力下，毒性大大减小，消油效率也大大提升。当然，消油剂并没有使油真正地消失，它只是将海上的这些浮油分散成无数的微小油粒，使其扩散在海水中，参与进自然界的循环而得到净化。而这样的处理效果使其弊端显而易见，它并不能真正地消灭油污，并且消油剂自身哪怕毒性很低了，也会对生态环境造成二次污染，因为它会进入食物链，通过富集作用累积毒素，对动植物造成消极影响。

凝油剂能够迅速地胶凝海上溢油而使之形成固态或半固态块状, 漂浮于水面,阻止油污扩散,易于回收利用,很少造成二次污染,在我国仍属于一项新技术。在海面浮油上施放凝油剂，使其与油污发生化学反应，有时在风浪的搅拌下，能使两者更加充分地反应，凝结成粘稠物或果冻状物，再用拖油网进行回收。我国已经将溢油凝油剂的研究列入国家级研究项目, 众多学者专家对此进行了深入的研究与开发：比如有大连理工大学李忠义[22]研制的氨基酸型凝油剂、复旦大学姚重华[23]研制的山梨糖醇型凝油剂, 青岛海洋大学陈国华等[24]研究并合成了聚乙烯醇型、大豆蛋白及淀粉系列凝油剂等等。

2.5 生物技术法

海洋生物修复技术一般利用特殊的微生物或动植物，通过对环境污染物进行吸收、转化、清除或降解，使当中的有害污染物能够得以降解并去除，从而对环境起到净化与恢复的作用。生物修复技术作为一种新型的环保技术，虽然起步比较晚，却在近年来发展迅速，在世界各地已经得到了大量的认可与应用。其特点是对环境的影响较小，但从实验室转化为大规模使用需要较长时间。

石油化合物中的烷烃、芳香烃等有机物都能被某种细菌或真菌降解，其中细菌是重要分解菌，只是不同的物质结构，其降解途径会有所差异[25,26]，如假单胞菌属(Pseudomonas)、杆菌属(Flavobacterium)、棒杆菌属(Corynebacterium)、弧菌属(Vibro)、无色标菌属(Achromobacter)、微球菌属(Micrococcus)、放线菌属(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类群。刘秋[25]等对微生物的降解机理进行了分析，该研究还认为温度、营养物质及氧气等因素都会对微生物的降解产生重要影响。而植物与动物修复在石油污染中的运用更倾向于石油污染土壤。已有的研究显示[25,28,29]：在植物中，像空心莲子草、芦苇等一类的维管植物适用于处理水体中的油污染；在动物中，像河蚌、牡蛎等一类的底栖软体动物对污染水体同样具有较好的净水效果，但是主要适用于处理有机碎屑、无机颗粒物等。

3 展望

现有的除油方法很多，目前来说大多数除油手段还是以物理式的除油方法为主(即围油栏、撇油器等)，对环境会造成不利影响的燃烧法与化学法除在紧急情况下，一般都不会使用。近年来，随着生物技术的兴起，生物除油技术的研究与应用越来越多，其作为一种新型的环保除油技术，具有非常广阔的应用前景和经济效益，但是如何提高效率并形成一个成熟有效的技术体系将会是未来技术领域上的研究重点。