譚文捷

(中國(guó)石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)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?xì)浠衔?。石油成分的變化取決于油源儲(chǔ)層中硫、氮、氧和金屬化合物等物質(zhì)的不同組合[1]。在原油開采、運(yùn)輸及再加工過(guò)程中存在較大的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn),全球每年原油泄漏量在20×104～200×104t[2]。石化企業(yè)數(shù)量多、布局散且多依山傍水,區(qū)域地貌地質(zhì)復(fù)雜多樣,有機(jī)污染復(fù)合多源[3]。石油石化場(chǎng)地涉及的特征污染物包括石油烴(TPH)、苯系物(BTEX)、多環(huán)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(fù)合污染物等[4]。這些污染物通過(guò)氧氣脅迫和直接毒性作用等對(duì)數(shù)量巨大的動(dòng)、植物和微生物的生存,構(gòu)成了極大威脅[5]。

通常用于石油石化污染場(chǎng)地修復(fù)的技術(shù)主要有熱脫附、化學(xué)氧化、土壤洗脫等,但存在能耗高、投入化學(xué)品多、修復(fù)成本高、二次污染等不同問(wèn)題[6]。而生物修復(fù)是一種很有前景的對(duì)不同環(huán)境介質(zhì)中有毒化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)化或降解的技術(shù),能夠直接消除污染物。在土壤和地下水修復(fù)技術(shù)中,生物修復(fù)技術(shù)占比24%[7]。根據(jù)《美國(guó)和環(huán)境修復(fù)產(chǎn)業(yè)報(bào)告:修復(fù)與產(chǎn)業(yè)服務(wù)》顯示(圖1),生物修復(fù)技術(shù)占比19.3%,其中監(jiān)控的自然衰減占比7.6%,原位生物修復(fù)占比7.6%,異位生物修復(fù)占比4.1%。生物法修復(fù)石油石化污染場(chǎng)地的優(yōu)勢(shì)在于其修復(fù)效率較高、修復(fù)成本較低、修復(fù)過(guò)程無(wú)二次污染,環(huán)境安全[8],符合綠色可持續(xù)理念。

圖1 美國(guó)土壤修復(fù)技術(shù)占比

生物修復(fù)技術(shù)盡管具有良好的發(fā)展前景,也符合綠色可持續(xù)修復(fù)技術(shù)和新時(shí)代“雙碳”戰(zhàn)略,但對(duì)于污染場(chǎng)地修復(fù)技術(shù)來(lái)說(shuō),最重要的是落地應(yīng)用、服務(wù)于修復(fù)實(shí)踐。生物修復(fù)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外工程應(yīng)用比例仍低于熱修復(fù)、化學(xué)修復(fù)等技術(shù),存在一些不足和弊端,面臨一些挑戰(zhàn)[9]。因此,本文從公開的媒體網(wǎng)絡(luò)資料收集了1984年以來(lái)的石油石化生物修復(fù)技術(shù)工程項(xiàng)目案例92個(gè)(國(guó)內(nèi)16個(gè),國(guó)外54個(gè),未知區(qū)域22個(gè)),并從區(qū)域分布、修復(fù)技術(shù)類型所占比例及修復(fù)成本和周期、石油石化各場(chǎng)地類型所占比例及其修復(fù)、成本、各特征污染物所占比例及其修復(fù)效果、成本等各個(gè)角度展開分析,以期為石油石化污染場(chǎng)地生物修復(fù)技術(shù)解決方案的優(yōu)化和推廣提供技術(shù)參考,助力國(guó)家“凈土”行動(dòng)和土壤修復(fù)行業(yè)發(fā)展。

1 生物修復(fù)工程案例區(qū)域分布

將92個(gè)生物修復(fù)技術(shù)工程應(yīng)用案例按所在區(qū)域進(jìn)行分析,結(jié)果如圖2所示。美國(guó)土壤修復(fù)技術(shù)應(yīng)用研究較早,法規(guī)較為齊全,在超級(jí)基金法案等管理機(jī)制的推動(dòng)作用下,生物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用工程案例數(shù)量(36個(gè))領(lǐng)先于世界各國(guó),占全部案例的39.1%。2005年以來(lái),中國(guó)的污染場(chǎng)地修復(fù)技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)迅速崛起,陸續(xù)出臺(tái)了一系列法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)則等管理及技術(shù)支持文件,推動(dòng)了土壤修復(fù)行業(yè)的快速發(fā)展,生物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用工程案例數(shù)量(16個(gè))僅次于美國(guó),占全部案例的17.4%。加拿大以7個(gè)項(xiàng)目位居第三,占比7.6%,德國(guó)和墨西哥案例數(shù)量相同,均為3例,分別占比3.3%。阿根廷、比利時(shí)、澳大利亞、英國(guó)、科威特和新西蘭均僅有1例,分別占比1%。

圖2 生物修復(fù)技術(shù)工程應(yīng)用案例所在區(qū)域分布

2 修復(fù)技術(shù)類型及修復(fù)成本、修復(fù)工期

2.1 修復(fù)技術(shù)類型所占比例

污染場(chǎng)地生物修復(fù)技術(shù)類型多樣,包括生物通風(fēng)、植物修復(fù)、微生物修復(fù)等。原位、異位生物修復(fù)技術(shù)在應(yīng)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(fù),原位生物修復(fù)在實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。這與圖1的結(jié)果具有一致趨勢(shì):廣義原位生物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用(監(jiān)控自然衰減7.6%+狹義原位生物修復(fù)7.6%)占比15.2%,異位生物修復(fù)技術(shù)僅占比4.1%,僅為原位生物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用比例的近1/4。

圖3 原位生物修復(fù)與異位生物修復(fù)的工程應(yīng)用案例數(shù)量

2.2 各生物修復(fù)技術(shù)的修復(fù)成本

不同修復(fù)技術(shù)的修復(fù)成本有較大差別,且修復(fù)成本是影響其推廣應(yīng)用的直接因素。生物通風(fēng)技術(shù)是最常用的原位生物修復(fù)技術(shù),而生物堆技術(shù)是最常見(jiàn)的異位生物修復(fù)技術(shù)?；诎咐畔⒓啊段廴緢?chǎng)地修復(fù)技術(shù)目錄》(第一批)[10],對(duì)生物通風(fēng)及生物堆技術(shù)的修復(fù)成本(根據(jù)現(xiàn)行美元匯率進(jìn)行換算,1美元=7.099 9人民幣)進(jìn)行了總結(jié)(圖4),生物通風(fēng)技術(shù)可低至92元/m3,最高為192元/m3;而生物堆技術(shù)的修復(fù)成本在922～1 822元/m3,修復(fù)成本更高。生物通風(fēng)技術(shù)不僅成本較低,而且對(duì)環(huán)境的影響較少,因此工程應(yīng)用比例較高。

圖4 典型原位(生物通風(fēng))與異位(生物堆)生物修復(fù)技術(shù)的修復(fù)成本對(duì)比

2.3 各生物修復(fù)技術(shù)的修復(fù)周期

依據(jù)《污染場(chǎng)地修復(fù)技術(shù)目錄》(第一批)[10],對(duì)不同生物修復(fù)技術(shù)的修復(fù)周期進(jìn)行總結(jié)分析(圖5)。可以看出,生物修復(fù)技術(shù)的修復(fù)周期普遍較長(zhǎng),過(guò)程較慢。其中,生物堆技術(shù)的修復(fù)周期最短,在1～5個(gè)月之間,但其修復(fù)成本較高(圖4);生物通風(fēng)技術(shù)的修復(fù)周期稍長(zhǎng),在6～18個(gè)月之間,但其修復(fù)成本較低;植物修復(fù)技術(shù)用時(shí)最長(zhǎng),達(dá)36～96個(gè)月,但是其修復(fù)成本較低,還可實(shí)現(xiàn)綠化,利于碳中和。李爽,等[11]的研究結(jié)果基本同于這一趨勢(shì)規(guī)律。因此,生物修復(fù)技術(shù)的選擇,除了考慮修復(fù)效果之外,還要根據(jù)各個(gè)場(chǎng)地的特點(diǎn),考慮修復(fù)成本和修復(fù)周期。

圖5 生物堆、生物通風(fēng)、植物修復(fù)技術(shù)的修復(fù)周期對(duì)比

3 各場(chǎng)地類型所占比例及修復(fù)成本

92個(gè)生物修復(fù)工程案例涉及石油泄漏工業(yè)場(chǎng)地、油田污染場(chǎng)地、軍事基地污染場(chǎng)地、農(nóng)田污染場(chǎng)地等類型,各類型場(chǎng)地所占比例及其修復(fù)成本如圖6所示?？梢?jiàn),石油泄漏工業(yè)場(chǎng)地?cái)?shù)量最多,且修復(fù)成本最高。

圖6 生物修復(fù)技術(shù)工程場(chǎng)地類型占比及修復(fù)成本

從生物修復(fù)場(chǎng)地類型上看,石油泄漏工業(yè)場(chǎng)地的修復(fù)項(xiàng)目占據(jù)主流,共計(jì)41個(gè),占比44.6%;農(nóng)田污染場(chǎng)地生物修復(fù)項(xiàng)目10個(gè),占比10.9%;軍事基地生物修復(fù)項(xiàng)目9個(gè),占比9.8%;油田污染場(chǎng)地生物修復(fù)項(xiàng)目8個(gè),占比8.7%。從生物修復(fù)成本上來(lái)看,石油泄漏工業(yè)場(chǎng)地修復(fù)成本為1 747.2元/m3,排名第一;農(nóng)田場(chǎng)地、軍事基地、油田污染場(chǎng)地的修復(fù)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(fù)效果、修復(fù)成本

不同類型的污染場(chǎng)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(fù)效果和修復(fù)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(gè)生物修復(fù)工程案例中的各類特征污染物所占比例如圖7所示。可知,含有石油烴的污染場(chǎng)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(huán)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(shù)量的14.1%。2014年《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》[12]調(diào)查了13個(gè)采油區(qū)的494個(gè)土壤點(diǎn)位,超標(biāo)點(diǎn)位數(shù)占23.6%,其中石油烴、多環(huán)芳烴為主要污染物。同時(shí),根據(jù)CHEN M,等人[13]的研究結(jié)論,生物修復(fù)中的主要污染物為原油(38%)、重金屬(21%)和有機(jī)廢物(21%)等。

圖7 污染場(chǎng)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(fù)效果

不同的特征污染物在生物修復(fù)工程應(yīng)用案例中的最大去除效率如圖8所示。可以看出,生物修復(fù)技術(shù)對(duì)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(duì)氯化物、多環(huán)芳烴、重金屬的最大去除效率在88%～96%之間,修復(fù)效果相對(duì)略低。根據(jù)榮秋雨,等[13]的研究結(jié)果,生物修復(fù)對(duì)于多環(huán)芳烴的降解有待進(jìn)一步強(qiáng)化研究。

圖8 石油石化污染場(chǎng)地中不同特征污染物的修復(fù)效果

4.3 各特征污染物的生物修復(fù)成本

根據(jù)現(xiàn)有案例的修復(fù)效果資料,對(duì)雜酚油、石油烴、苯胺等污染物進(jìn)行修復(fù)成本分析(根據(jù)現(xiàn)行美元匯率、英鎊匯率進(jìn)行換算;1美元=7.099 9人民幣元,1英鎊=8.824 2人民幣元),結(jié)果如圖9所示?？梢?jiàn),雜酚油的修復(fù)成本高達(dá)7 907.16元/m3,是石油烴修復(fù)成本的5倍,是苯胺修復(fù)成本的近22倍。石油烴作為最常見(jiàn)的石油污染場(chǎng)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(chǎng)地生物修復(fù)中不同特征污染物的修復(fù)成本

5 結(jié)論

基于公開資源獲取的92個(gè)生物修復(fù)技術(shù)工程應(yīng)用項(xiàng)目,分析了生物修復(fù)工程的區(qū)域分布、修復(fù)技術(shù)類型所占比例及成本周期、石油石化各場(chǎng)地類型所占比例及修復(fù)成本、各特征污染物所占比例及修復(fù)效果成本,結(jié)果表明:

a) 從生物修復(fù)技術(shù)工程應(yīng)用案例數(shù)量來(lái)說(shuō),美國(guó)第一,中國(guó)第二,其次是加拿大、德國(guó)、墨西哥等國(guó)家,這可能與國(guó)家的經(jīng)濟(jì)、科技等綜合國(guó)力相關(guān)。

b) 鑒于生物通風(fēng)技術(shù)的修復(fù)成本相對(duì)較低,原位生物修復(fù)技術(shù)的實(shí)際工程應(yīng)用比生物堆等異位生物修復(fù)技術(shù)更為廣泛。

c) 生物通風(fēng)等原位生物修復(fù)技術(shù)的修復(fù)周期明顯高于生物堆等異位生物修復(fù)技術(shù),但是遠(yuǎn)低于植物修復(fù)技術(shù)。

d) 在生物修復(fù)工程應(yīng)用案例的數(shù)量和修復(fù)成本從高到低排序均為:石油泄漏工業(yè)場(chǎng)地、農(nóng)田污染場(chǎng)地、軍事基地污染場(chǎng)地和油田污染場(chǎng)地。

e) 生物修復(fù)污染場(chǎng)地的特征污染物包括石油烴、含氯乙烯、重金屬、多環(huán)芳烴等;從修復(fù)成本來(lái)說(shuō),雜酚油最高,是石油烴修復(fù)成本的5倍,是苯胺修復(fù)成本的近22倍。

生物修復(fù)技術(shù)符合綠色可持續(xù)修復(fù)的方向,有利于國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略的實(shí)施,在石油石化污染場(chǎng)地應(yīng)用具有良好的前景。對(duì)修復(fù)周期要求短的場(chǎng)地,可以選擇生物堆等異位生物修復(fù)技術(shù)。對(duì)于污染場(chǎng)地中的雜酚油、高環(huán)多環(huán)芳烴、氯代烴、重質(zhì)油等難生物降解的成分,可以考慮與其它修復(fù)技術(shù)(如熱修復(fù)技術(shù))耦合,充分發(fā)揮各類技術(shù)的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)石油石化污染場(chǎng)地的高效、低成本、低碳低能修復(fù)。