石油石化污染场地生物修复技术工程应用案例分析*

谭文捷

(中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院,北京 102206)

0 前言

石油是世界上最普遍的土壤污染物之一,其总成分的98%为碳氢化合物。石油成分的变化取决于油源储层中硫、氮、氧和金属化合物等物质的不同组合[1]。在原油开采、运输及再加工过程中存在较大的环境污染风险,全球每年原油泄漏量在20×104～200×104t[2]。石化企业数量多、布局散且多依山傍水,区域地貌地质复杂多样,有机污染复合多源[3]。石油石化场地涉及的特征污染物包括石油烃(TPH)、苯系物(BTEX)、多环芳烃(PAHs)、甲基叔丁基醚(MTBE)、氯代烃等非水相液体污染物(NAPL)、重金属以及其复合污染物等[4]。这些污染物通过氧气胁迫和直接毒性作用等对数量巨大的动、植物和微生物的生存,构成了极大威胁[5]。

通常用于石油石化污染场地修复的技术主要有热脱附、化学氧化、土壤洗脱等,但存在能耗高、投入化学品多、修复成本高、二次污染等不同问题[6]。而生物修复是一种很有前景的对不同环境介质中有毒化学物质进行转化或降解的技术,能够直接消除污染物。在土壤和地下水修复技术中,生物修复技术占比24%[7]。根据《美国和环境修复产业报告:修复与产业服务》显示(图1),生物修复技术占比19.3%,其中监控的自然衰减占比7.6%,原位生物修复占比7.6%,异位生物修复占比4.1%。生物法修复石油石化污染场地的优势在于其修复效率较高、修复成本较低、修复过程无二次污染,环境安全[8],符合绿色可持续理念。

图1 美国土壤修复技术占比

生物修复技术尽管具有良好的发展前景,也符合绿色可持续修复技术和新时代“双碳”战略,但对于污染场地修复技术来说,最重要的是落地应用、服务于修复实践。生物修复技术在国内外工程应用比例仍低于热修复、化学修复等技术,存在一些不足和弊端,面临一些挑战[9]。因此,本文从公开的媒体网络资料收集了1984年以来的石油石化生物修复技术工程项目案例92个(国内16个,国外54个,未知区域22个),并从区域分布、修复技术类型所占比例及修复成本和周期、石油石化各场地类型所占比例及其修复、成本、各特征污染物所占比例及其修复效果、成本等各个角度展开分析,以期为石油石化污染场地生物修复技术解决方案的优化和推广提供技术参考,助力国家“净土”行动和土壤修复行业发展。

1 生物修复工程案例区域分布

将92个生物修复技术工程应用案例按所在区域进行分析,结果如图2所示。美国土壤修复技术应用研究较早,法规较为齐全,在超级基金法案等管理机制的推动作用下,生物修复技术应用工程案例数量(36个)领先于世界各国,占全部案例的39.1%。2005年以来,中国的污染场地修复技术研发及产业市场迅速崛起,陆续出台了一系列法律法规、标准导则等管理及技术支持文件,推动了土壤修复行业的快速发展,生物修复技术应用工程案例数量(16个)仅次于美国,占全部案例的17.4%。加拿大以7个项目位居第三,占比7.6%,德国和墨西哥案例数量相同,均为3例,分别占比3.3%。阿根廷、比利时、澳大利亚、英国、科威特和新西兰均仅有1例,分别占比1%。

图2 生物修复技术工程应用案例所在区域分布

2 修复技术类型及修复成本、修复工期

2.1 修复技术类型所占比例

污染场地生物修复技术类型多样,包括生物通风、植物修复、微生物修复等。原位、异位生物修复技术在应用案例中所占比例如图3所示。不难看出,相较于异位生物修复,原位生物修复在实际应用中更为广泛。这与图1的结果具有一致趋势:广义原位生物修复技术应用(监控自然衰减7.6%+狭义原位生物修复7.6%)占比15.2%,异位生物修复技术仅占比4.1%,仅为原位生物修复技术应用比例的近1/4。

图3 原位生物修复与异位生物修复的工程应用案例数量

2.2 各生物修复技术的修复成本

不同修复技术的修复成本有较大差别,且修复成本是影响其推广应用的直接因素。生物通风技术是最常用的原位生物修复技术,而生物堆技术是最常见的异位生物修复技术。基于案例信息及《污染场地修复技术目录》(第一批)[10],对生物通风及生物堆技术的修复成本(根据现行美元汇率进行换算,1美元=7.099 9人民币)进行了总结(图4),生物通风技术可低至92元/m3,最高为192元/m3;而生物堆技术的修复成本在922～1 822元/m3,修复成本更高。生物通风技术不仅成本较低,而且对环境的影响较少,因此工程应用比例较高。

图4 典型原位(生物通风)与异位(生物堆)生物修复技术的修复成本对比

2.3 各生物修复技术的修复周期

依据《污染场地修复技术目录》(第一批)[10],对不同生物修复技术的修复周期进行总结分析(图5)。可以看出,生物修复技术的修复周期普遍较长,过程较慢。其中,生物堆技术的修复周期最短,在1～5个月之间,但其修复成本较高(图4);生物通风技术的修复周期稍长,在6～18个月之间,但其修复成本较低;植物修复技术用时最长,达36～96个月,但是其修复成本较低,还可实现绿化,利于碳中和。李爽,等[11]的研究结果基本同于这一趋势规律。因此,生物修复技术的选择,除了考虑修复效果之外,还要根据各个场地的特点,考虑修复成本和修复周期。

图5 生物堆、生物通风、植物修复技术的修复周期对比

3 各场地类型所占比例及修复成本

92个生物修复工程案例涉及石油泄漏工业场地、油田污染场地、军事基地污染场地、农田污染场地等类型,各类型场地所占比例及其修复成本如图6所示。可见,石油泄漏工业场地数量最多,且修复成本最高。

图6 生物修复技术工程场地类型占比及修复成本

从生物修复场地类型上看,石油泄漏工业场地的修复项目占据主流,共计41个,占比44.6%;农田污染场地生物修复项目10个,占比10.9%;军事基地生物修复项目9个,占比9.8%;油田污染场地生物修复项目8个,占比8.7%。从生物修复成本上来看,石油泄漏工业场地修复成本为1 747.2元/m3,排名第一;农田场地、军事基地、油田污染场地的修复成本分别为51,45和45元/m3。

4 各特征污染物所占比例及修复效果、修复成本

不同类型的污染场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复效果和修复成本也不同。

4.1 各特征污染物在工程案例中所占比例

92个生物修复工程案例中的各类特征污染物所占比例如图7所示。可知,含有石油烃的污染场地占比最高(61.2%);其次是含有氯乙烯和重金属的污染地块,分别占比10.6%和8.2%;再次为多环芳烃,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块占总地块数量的14.1%。2014年《全国土壤污染状况调查公报》[12]调查了13个采油区的494个土壤点位,超标点位数占23.6%,其中石油烃、多环芳烃为主要污染物。同时,根据CHEN M,等人[13]的研究结论,生物修复中的主要污染物为原油(38%)、重金属(21%)和有机废物(21%)等。

图7 污染场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复效果

不同的特征污染物在生物修复工程应用案例中的最大去除效率如图8所示。可以看出,生物修复技术对于去除土壤中的石油烃、苯系物以及含氯乙烯的效果较好,最大去除效率接近100%;对氯化物、多环芳烃、重金属的最大去除效率在88%～96%之间,修复效果相对略低。根据荣秋雨,等[13]的研究结果,生物修复对于多环芳烃的降解有待进一步强化研究。

图8 石油石化污染场地中不同特征污染物的修复效果

4.3 各特征污染物的生物修复成本

根据现有案例的修复效果资料,对杂酚油、石油烃、苯胺等污染物进行修复成本分析(根据现行美元汇率、英镑汇率进行换算;1美元=7.099 9人民币元,1英镑=8.824 2人民币元),结果如图9所示。可见,杂酚油的修复成本高达7 907.16元/m3,是石油烃修复成本的5倍,是苯胺修复成本的近22倍。石油烃作为最常见的石油污染场地特征污染物,去除成本处于中间水平。

图9 石油石化污染场地生物修复中不同特征污染物的修复成本

5 结论

基于公开资源获取的92个生物修复技术工程应用项目,分析了生物修复工程的区域分布、修复技术类型所占比例及成本周期、石油石化各场地类型所占比例及修复成本、各特征污染物所占比例及修复效果成本,结果表明:

a) 从生物修复技术工程应用案例数量来说,美国第一,中国第二,其次是加拿大、德国、墨西哥等国家,这可能与国家的经济、科技等综合国力相关。

b) 鉴于生物通风技术的修复成本相对较低,原位生物修复技术的实际工程应用比生物堆等异位生物修复技术更为广泛。

c) 生物通风等原位生物修复技术的修复周期明显高于生物堆等异位生物修复技术,但是远低于植物修复技术。

d) 在生物修复工程应用案例的数量和修复成本从高到低排序均为:石油泄漏工业场地、农田污染场地、军事基地污染场地和油田污染场地。

e) 生物修复污染场地的特征污染物包括石油烃、含氯乙烯、重金属、多环芳烃等;从修复成本来说,杂酚油最高,是石油烃修复成本的5倍,是苯胺修复成本的近22倍。

生物修复技术符合绿色可持续修复的方向,有利于国家“双碳”战略的实施,在石油石化污染场地应用具有良好的前景。对修复周期要求短的场地,可以选择生物堆等异位生物修复技术。对于污染场地中的杂酚油、高环多环芳烃、氯代烃、重质油等难生物降解的成分,可以考虑与其它修复技术(如热修复技术)耦合,充分发挥各类技术的优势,实现石油石化污染场地的高效、低成本、低碳低能修复。