石油石化污染場地生物修復技術工程應用案例分析*

譚文捷

(中國石油化工股份有限公司石油勘探開發研究院,北京 102206)

0 前言

石油是世界上最普遍的土壤污染物之一,其總成分的98%為碳氫化合物。石油成分的變化取決于油源儲層中硫、氮、氧和金屬化合物等物質的不同組合[1]。在原油開采、運輸及再加工過程中存在較大的環境污染風險,全球每年原油泄漏量在20×104～200×104t[2]。石化企業數量多、布局散且多依山傍水,區域地貌地質復雜多樣,有機污染復合多源[3]。石油石化場地涉及的特征污染物包括石油烴(TPH)、苯系物(BTEX)、多環芳烴(PAHs)、甲基叔丁基醚(MTBE)、氯代烴等非水相液體污染物(NAPL)、重金屬以及其復合污染物等[4]。這些污染物通過氧氣脅迫和直接毒性作用等對數量巨大的動、植物和微生物的生存,構成了極大威脅[5]。

通常用于石油石化污染場地修復的技術主要有熱脫附、化學氧化、土壤洗脫等,但存在能耗高、投入化學品多、修復成本高、二次污染等不同問題[6]。而生物修復是一種很有前景的對不同環境介質中有毒化學物質進行轉化或降解的技術,能夠直接消除污染物。在土壤和地下水修復技術中,生物修復技術占比24%[7]。根據《美國和環境修復產業報告:修復與產業服務》顯示(圖1),生物修復技術占比19.3%,其中監控的自然衰減占比7.6%,原位生物修復占比7.6%,異位生物修復占比4.1%。生物法修復石油石化污染場地的優勢在于其修復效率較高、修復成本較低、修復過程無二次污染,環境安全[8],符合綠色可持續理念。

圖1 美國土壤修復技術占比

生物修復技術盡管具有良好的發展前景,也符合綠色可持續修復技術和新時代“雙碳”戰略,但對于污染場地修復技術來說,最重要的是落地應用、服務于修復實踐。生物修復技術在國內外工程應用比例仍低于熱修復、化學修復等技術,存在一些不足和弊端,面臨一些挑戰[9]。因此,本文從公開的媒體網絡資料收集了1984年以來的石油石化生物修復技術工程項目案例92個(國內16個,國外54個,未知區域22個),并從區域分布、修復技術類型所占比例及修復成本和周期、石油石化各場地類型所占比例及其修復、成本、各特征污染物所占比例及其修復效果、成本等各個角度展開分析,以期為石油石化污染場地生物修復技術解決方案的優化和推廣提供技術參考,助力國家“凈土”行動和土壤修復行業發展。

1 生物修復工程案例區域分布

將92個生物修復技術工程應用案例按所在區域進行分析,結果如圖2所示。美國土壤修復技術應用研究較早,法規較為齊全,在超級基金法案等管理機制的推動作用下,生物修復技術應用工程案例數量(36個)領先于世界各國,占全部案例的39.1%。2005年以來,中國的污染場地修復技術研發及產業市場迅速崛起,陸續出臺了一系列法律法規、標準導則等管理及技術支持文件,推動了土壤修復行業的快速發展,生物修復技術應用工程案例數量(16個)僅次于美國,占全部案例的17.4%。加拿大以7個項目位居第三,占比7.6%,德國和墨西哥案例數量相同,均為3例,分別占比3.3%。阿根廷、比利時、澳大利亞、英國、科威特和新西蘭均僅有1例,分別占比1%。

圖2 生物修復技術工程應用案例所在區域分布

2 修復技術類型及修復成本、修復工期

2.1 修復技術類型所占比例

污染場地生物修復技術類型多樣,包括生物通風、植物修復、微生物修復等。原位、異位生物修復技術在應用案例中所占比例如圖3所示。不難看出,相較于異位生物修復,原位生物修復在實際應用中更為廣泛。這與圖1的結果具有一致趨勢:廣義原位生物修復技術應用(監控自然衰減7.6%+狹義原位生物修復7.6%)占比15.2%,異位生物修復技術僅占比4.1%,僅為原位生物修復技術應用比例的近1/4。

圖3 原位生物修復與異位生物修復的工程應用案例數量

2.2 各生物修復技術的修復成本

不同修復技術的修復成本有較大差別,且修復成本是影響其推廣應用的直接因素。生物通風技術是最常用的原位生物修復技術,而生物堆技術是最常見的異位生物修復技術?；诎咐畔⒓啊段廴緢龅匦迯图夹g目錄》(第一批)[10],對生物通風及生物堆技術的修復成本(根據現行美元匯率進行換算,1美元=7.099 9人民幣)進行了總結(圖4),生物通風技術可低至92元/m3,最高為192元/m3;而生物堆技術的修復成本在922～1 822元/m3,修復成本更高。生物通風技術不僅成本較低,而且對環境的影響較少,因此工程應用比例較高。

圖4 典型原位(生物通風)與異位(生物堆)生物修復技術的修復成本對比

2.3 各生物修復技術的修復周期

依據《污染場地修復技術目錄》(第一批)[10],對不同生物修復技術的修復周期進行總結分析(圖5)?？梢钥闯?生物修復技術的修復周期普遍較長,過程較慢。其中,生物堆技術的修復周期最短,在1～5個月之間,但其修復成本較高(圖4);生物通風技術的修復周期稍長,在6～18個月之間,但其修復成本較低;植物修復技術用時最長,達36～96個月,但是其修復成本較低,還可實現綠化,利于碳中和。李爽,等[11]的研究結果基本同于這一趨勢規律。因此,生物修復技術的選擇,除了考慮修復效果之外,還要根據各個場地的特點,考慮修復成本和修復周期。

圖5 生物堆、生物通風、植物修復技術的修復周期對比

3 各場地類型所占比例及修復成本

92個生物修復工程案例涉及石油泄漏工業場地、油田污染場地、軍事基地污染場地、農田污染場地等類型,各類型場地所占比例及其修復成本如圖6所示?？梢?石油泄漏工業場地數量最多,且修復成本最高。

圖6 生物修復技術工程場地類型占比及修復成本

從生物修復場地類型上看,石油泄漏工業場地的修復項目占據主流,共計41個,占比44.6%;農田污染場地生物修復項目10個,占比10.9%;軍事基地生物修復項目9個,占比9.8%;油田污染場地生物修復項目8個,占比8.7%。從生物修復成本上來看,石油泄漏工業場地修復成本為1 747.2元/m3,排名第一;農田場地、軍事基地、油田污染場地的修復成本分別為51,45和45元/m3。

4 各特征污染物所占比例及修復效果、修復成本

不同類型的污染場地具有不同的特征污染物及其分配比例。不同特征污染物的修復效果和修復成本也不同。

4.1 各特征污染物在工程案例中所占比例

92個生物修復工程案例中的各類特征污染物所占比例如圖7所示?？芍?含有石油烴的污染場地占比最高(61.2%);其次是含有氯乙烯和重金屬的污染地塊,分別占比10.6%和8.2%;再次為多環芳烴,占比5.9%。此外,含有氯化物、苯胺、VOCs等其他特征污染物的污染地塊占總地塊數量的14.1%。2014年《全國土壤污染狀況調查公報》[12]調查了13個采油區的494個土壤點位,超標點位數占23.6%,其中石油烴、多環芳烴為主要污染物。同時,根據CHEN M,等人[13]的研究結論,生物修復中的主要污染物為原油(38%)、重金屬(21%)和有機廢物(21%)等。

圖7 污染場地中不同特征污染物所占比例

4.2 各特征污染物的生物修復效果

不同的特征污染物在生物修復工程應用案例中的最大去除效率如圖8所示?？梢钥闯?生物修復技術對于去除土壤中的石油烴、苯系物以及含氯乙烯的效果較好,最大去除效率接近100%;對氯化物、多環芳烴、重金屬的最大去除效率在88%～96%之間,修復效果相對略低。根據榮秋雨,等[13]的研究結果,生物修復對于多環芳烴的降解有待進一步強化研究。

圖8 石油石化污染場地中不同特征污染物的修復效果

4.3 各特征污染物的生物修復成本

根據現有案例的修復效果資料,對雜酚油、石油烴、苯胺等污染物進行修復成本分析(根據現行美元匯率、英鎊匯率進行換算;1美元=7.099 9人民幣元,1英鎊=8.824 2人民幣元),結果如圖9所示?？梢?雜酚油的修復成本高達7 907.16元/m3,是石油烴修復成本的5倍,是苯胺修復成本的近22倍。石油烴作為最常見的石油污染場地特征污染物,去除成本處于中間水平。

圖9 石油石化污染場地生物修復中不同特征污染物的修復成本

5 結論

基于公開資源獲取的92個生物修復技術工程應用項目,分析了生物修復工程的區域分布、修復技術類型所占比例及成本周期、石油石化各場地類型所占比例及修復成本、各特征污染物所占比例及修復效果成本,結果表明:

a) 從生物修復技術工程應用案例數量來說,美國第一,中國第二,其次是加拿大、德國、墨西哥等國家,這可能與國家的經濟、科技等綜合國力相關。

b) 鑒于生物通風技術的修復成本相對較低,原位生物修復技術的實際工程應用比生物堆等異位生物修復技術更為廣泛。

c) 生物通風等原位生物修復技術的修復周期明顯高于生物堆等異位生物修復技術,但是遠低于植物修復技術。

d) 在生物修復工程應用案例的數量和修復成本從高到低排序均為:石油泄漏工業場地、農田污染場地、軍事基地污染場地和油田污染場地。

e) 生物修復污染場地的特征污染物包括石油烴、含氯乙烯、重金屬、多環芳烴等;從修復成本來說,雜酚油最高,是石油烴修復成本的5倍,是苯胺修復成本的近22倍。

生物修復技術符合綠色可持續修復的方向,有利于國家“雙碳”戰略的實施,在石油石化污染場地應用具有良好的前景。對修復周期要求短的場地,可以選擇生物堆等異位生物修復技術。對于污染場地中的雜酚油、高環多環芳烴、氯代烴、重質油等難生物降解的成分,可以考慮與其它修復技術(如熱修復技術)耦合,充分發揮各類技術的優勢,實現石油石化污染場地的高效、低成本、低碳低能修復。