石油污染盐渍土的修复技术与二灰固化土的压缩性能

2022-01-13柴寿喜江建贵

天津城建大学学报 2021年6期

李瑶，柴寿喜，江建贵

（天津城建大学地质与测绘学院，天津300384）

石油在开采、运输过程中容易发生泄漏等问题而造成大面积的石油污染.据统计，全世界每年约有800多万吨石油经跑冒滴漏等途径进入环境，我国每年约有60万t石油进入环境，造成土壤污染[1].滨海地区存在土壤盐渍化问题，具有盐胀性、溶陷性和腐蚀性，石油泄漏形成石油污染盐渍土.仅大港油田每年产生含油质土约1.5万t[2].因此，对石油污染盐渍土的修复迫在眉睫.

天然降解石油，耗时很长，对于大面积的石油污染土，可以通过嗜油菌把部分石油“吃掉”，而对于石油污染盐渍土还需要利用嗜盐菌来降低含盐量，从而减轻盐分对农业和工程上的影响.

考虑到技术的复杂性和经济性，对于小面积且可用于工程的石油污染土，需要进行固化改性处理.选择石灰、粉煤灰为固化材料，可提高盐渍土的力学性能，并使石油不扩散到空气和水中，固化石油污染盐渍土可用来填筑路堤.

1 石油污染盐渍土的生物修复

1.1 嗜油菌修复石油污染土

石油本身具有高毒性、脂溶性、难降解、易生物富集放大等特点.石油污染不仅不利于工程建设，还会对土壤生物产生毒害，甚至通过食物链影响人类的健康，对于石油污染土的修复是十分必要且刻不容缓的.现今生物修复技术具有处理条件温和、无二次污染等优点[3].嗜油菌修复石油污染土是自然界对石油污染的自净功能的生态效应，对土壤和地下水环境保护具有一定的实际意义.

依据嗜油菌降解石油后不能形成二次污染的要求，可将嗜油菌按降解产物划分，可分为好氧菌、厌氧菌和兼性厌氧菌三种类型.好氧菌将碳水化合物分解为H2O和CO2[4]，厌氧菌和兼性厌氧菌可以把石油降解为CH4这种简单碳氢化合物的成分[5].

现今，可用来降解石油的好氧菌主要有微球菌、假单胞菌等；而厌氧菌或兼性厌氧菌主要有芽胞杆菌、棒杆菌、分枝杆菌、节杆菌、梭菌、甲烷杆菌、拟杆菌、热厌氧菌等[6]，其中研究最多的是假单胞菌.王珍珍从黄浦江岸边油污湿地中筛选得到了假单胞杆菌，经实验室培养一周内的降油率分别为33.05%、15.21%[7].王斌在沿海滩涂提取了假单胞菌（适宜生长的NaCl浓度为0～30 g/L），其原始降油率最高为19.0%，随着葡萄糖含量提高，降油率升高，添加4 g/L葡萄糖时达最高79.9%[8].对于大面积闲置地区的石油污染土还可利用植物联合嗜油菌降解的方式.在植物强化作用下，嗜油菌对石油的去除作用明显增强.这类植物主要有芦苇、柽柳、沙枣、玉米、黑麦草、苜蓿、水稻、向日葵、大豆、藨草、三棱草、茈菰等[7、9-13].

李春荣以玉米、向日葵、苜蓿、大豆为修复植物进行的修复试验表明：150 d的降油率分别为42.5%、46.4%、44.7%和40.6%；500 d降油率分别为95.5%、96.1%、92.4%和87.6%，植物单独修复石油污染土效果明显[13].

王珍珍通过60 d的室外模拟实验表明，在藨草、芦苇、三棱草、茈菰与嗜油菌共同作用下，60 d内降油率分别达到72.62%、68.45%、75.81%和73.08%[7].李春荣将芽孢杆菌、假单孢菌、节杆菌和微杆菌组成的混合菌与苜蓿、大豆联合起来进行修复，150 d石油烃降解达到63.5%和51.7%，较相应植物修复分别提高27.3%和42.1%；500 d降解率分别达到98.8%和92.7%[13].植物联合嗜油菌的修复效果显著.

1.2 嗜盐菌修复盐渍土

嗜盐菌的数量大、种类多、极易存活的特点为其在工程上的应用提供了高效种质资源，具有较大的开发潜力.目前，对于嗜盐菌的划分现今比较认可且应用较多的是Kushner的划分方案.Kushner依据嗜盐菌生长所需的氯化钠浓度的不同，将其划分为非嗜盐菌、轻度嗜盐菌、中度嗜盐菌、边缘极端嗜盐菌和极端嗜盐菌.

嗜盐菌在高盐环境中通过“吸钾排钠”和调渗机理，吸收环境中的Cl-，来维持自身高渗透压而存活，并达到降解高盐有机废水的作用[14].一般的嗜盐菌适宜生存在含Cl-环境中，对氯盐有更好的降解效果[14-16].基于嗜盐菌的这种嗜盐机理，可以利用其进行盐渍土的生物修复.

通常，用来修复盐渍土的嗜盐菌主要是中度嗜盐菌和极端嗜盐菌.中度嗜盐菌最适盐浓度为0.5～2.5 mol/L，极端嗜盐菌最适盐浓度为2.5～5.2 mol/L[17]，只要盐浓度在0.5～5.2 mol/L范围内，均可以利用嗜盐菌达到降解盐分的效果.

对于特大面积且并不急于使用的石油污染盐渍土场地，可以利用上述嗜油菌和嗜盐菌并辅助植物进行修复.对适宜工程建设的小范围石油污染盐渍土，考虑到生物修复的技术难度及经济性，工程上大多使用石灰和粉煤灰进行固化密封，用于填筑路堤，使石油不再进入周围的土壤、空气和水中.

2 粉煤灰和石灰固化石油污染盐渍土

2.1 制样材料

综合考虑石油进入土壤后对土体性质产生的影响及盐渍土自身的特殊性质，可优选粉煤灰和石灰作为污染土的固化材料；并充分利用粉煤灰、石灰的物理化学特性，增强对石油的吸附稳定性与土体强度，最大限度地减小石油污染物对土环境的影响.

粉煤灰取自天津杨柳青电厂，粉煤灰主要化学成分是SiO2和Al2O3，其结构呈蜂窝状.据马凤华和李文龙的实验以及课题组设置的实验掺量[18-19]，将粉煤灰掺量设为12%、18%、20%、25%.石灰取自天津蓟州区，主要化学成分为CaO，根据Rahman和童玲的实验结果，以及课题组的实验掺量[20-21]，将石灰掺量设为8%、10%、12%、15%.石油取自大港油田，密度为0.858 g/cm3，根据张宝库和课题组的实验掺量[22-23]，确定土样含油率为0、4%、8%、12%.滨海盐渍土取自大港油田，为粉质黏土，含盐量为2.64%，液限为31.6%，塑限为18.5%，塑性指数为13.1，最大干密度为1.87 g·cm-3，最优含水率为14.4%.

2.2 土的压缩性能

土在外荷载作用下，土中的水和空气逐渐被排出，土颗粒之间相互挤压，土体压缩变形.石油进入到土体内部，堵塞水和空气的进入和排出通道，从而对土的力学性质产生影响.因此，用石油污染盐渍土填筑路堤，对其压缩性质进行研究是十分必要的.

（1）二灰固化机制.粉煤灰能与油脂类物质通过分子间引力和化学链发生强结合，故吸附能力极强；且粉煤灰的吸附作用具有不可逆性，被吸附物质不易受外界环境变化影响而重新被释放到环境中，具有较好的油吸附稳定性，通常被用于含油污水的处理.粉煤灰是一种活性材料，其表面的硅醇基及硅醚基有较强吸附的偶极矩，同时具有火山灰效应，常用于固化土添加剂.粉煤灰与氯盐渍土充分拌和后，盐渍土中的氯离子有助于激发粉煤灰的活化速度，增强固化效果；且粉煤灰与土体中水分相互作用下，生成大量难溶的硅酸盐胶体，附着于土体颗粒表面，增强了土体的结构强度.

石灰是常用的无机固化材料，价格低廉、易于获取，在盐渍土地区广泛运用，它的固化机理主要是依靠CaO与空气中的H2O及CO2发生的一系列物理化学反应，产生的难溶性物质有效增强了土体结构的整体性，从而提高固化土的强度和稳定性.再者，石灰固化土具有较高的抗压缩性能及抗压、抗剪强度.同时石灰提供OH-用以破坏粉煤灰中的化学键，生成更多的难溶性物质，分散在土中，使得土受力更加均匀，土的强度进一步提高.

（2）固化土的压缩模量随二灰掺量的变化.根据固化石油污染盐渍土压缩试验结果，土的压缩模量变化如图1所示.

图1 污染土样压缩模量随含油率的变化曲线

图1显示，污染土的压缩模量随含油率的增加而减小.这说明随含油率的增加，土的性质变差，压缩量增加，承载力减小.这是因为石油本身是液态有机物，具有黏滞性、斥水性和润滑作用.因此，利用石油污染土进行工程建设，应对污染土进行固化处理，以满足路堤填筑的强度需求.

不同二灰掺量下含油率与土的压缩模量关系曲线如图2所示.

图2 不同二灰掺量土的压缩模量随含油率的变化曲线

从图2可以看出，固化土压缩模量随含油率的增加先增大后减小，以含油率4%为界限值.当含油率超过4%时其值逐渐减小，压缩模量值越小，土的压缩性越高，土的力学性质越差.如图2所示，18%粉煤灰和10%石灰的固化土样，含油率从0增加到4%，土样的压缩模量从5.9 MPa增加到了12 MPa，增幅103.4%.这是由于少量的石油仅填充于土的孔隙中，此时石油的颗粒润滑作用较小，而二灰胶结作用增加了土颗粒间的黏结力，土的结构性增强，压缩模量增加.

当土的含油率继续增加，过多的石油将造成土的孔隙完全被石油充满，甚至开始出现溢油现象，此时石油的润滑作用较强，土颗粒间的相对滑动变得更加容易，土的结构变得越来越松散，塑性越来越强，土颗粒间的黏结力越来越小，土的压缩性增加.