石油类污染物迁移特征模拟与修复治理技术

1.4.1　油污迁移实验模拟研究现状

在石油开采过程中，试油、洗井，油井大修、堵水、松泵、下泵等井下作业和油气集输，均有原油散落于地面，含油污水外排更是直接将石油类污染物排入环境中。石油污染物不仅残留在包气带，而且还会向地下迁移、转化，有可能造成地下水含水层污染，从而对人类健康和环境质量产生威胁。

在油田环境建设过程中，已有一些学者对石油类污染物污染水体方面进行了研究，但在石油类污染物对土壤环境污染方面的研究却不够深入［58－60］。早在20世纪60年代国外已着手研究土壤污染问题［61－66］。近年来，国内开始重视污染物在土壤中的迁移问题，对土壤中石油污染物迁移转化问题有了一定的认识［67－69］，在定性分析和实验分析的基础上得出了某些可供参考的结论，但在定量分析方面的研究成果并不多。目前我国农业部门一般从农作物生长角度出发，研究污染物在表土层（地表以下20～30cm的耕作层）中的迁移，而地下水工作者，对污染物从地表向下迁移的研究相对深入些［70］，然而这些研究都是研究无机污染较多，研究有机污染较少。目前对土壤中有机污染物迁移转化规律的研究中，农药类的有机污染研究相对比较深入［71－73］，而对石油类的污染研究相对较少。在对地下水污染系统模拟实验研究中，有人对土壤层进行了分单元研究：表土层通常采用盆栽的方法，而对犁底层和包气带土层通常采用土柱实验的方法进行实验模拟。由于分段实验方法所得结果存在较大偏差，后来采用了土柱整体模拟实验方法，其结果更接近实际情况［74］。赵东风等［68］针对新疆地区焉耆盆地的轻质油和凝析油原油为主要实验样品，做了土壤中原油迁移特征的室内土柱淋渗模拟实验，但其实验方法比较简单，未对土壤物性、微生物条件及污染物特征等影响实验结果的各种因素进行综合考察，而只考察了原油渗透过程的定量特征，没有进行深入的定性测试。中原油田、江汉油田也做过这方面的实验研究，主要采用田间实验和室内的土柱淋滤两种方法相结合，且一般以原油或含油污水为污染源，以土壤的原状土作为研究对象，虽然理论上应该能够比较真实地反映石油类污染物在地下的迁移情况，但实际上在实验过程中土壤样品易产生裂缝，影响污染物迁移过程的正常进行，而且这种实验方法难以做对比实验，实验所需的空间和设备要求也比较高。王洪涛等［75］在对宋芳屯油田开发建设中石油污染物在土壤中的迁移研究中，室内模拟研究主要采用的是土柱模拟实验来获得所需的部分研究参数。石油污染物在土壤中的迁移和转化会受到很多因素影响，如：土壤本身的成分、理化性质及形成环境等，还有污染物本身的成分及性质的影响［76，77］。麦碧娴等［78］对珠江水域及河口沉积物中PAHs的迁移进行考察和研究，探讨了PAHs等有机污染物的迁移分布规律；郭清海、王焰新、郭华明等从理论分析的角度研究了地下水系统中胶体的形成机理及其对污染物迁移的影响［79］。许士奋等［44］对长江、辽河沉积物中的多环芳烃类污染物进行研究表明，含水层中矿物颗粒的化学组成及其表面电荷分布的不均匀性对胶体的迁移及聚沉规律有着重要影响，未来对胶体性质的研究有必要侧重于这一方面的分析。J.N.Ryan，J.F.Mc Carthy，J.Buffle等国外研究人员也针对有机污染物迁移过程中与土壤及沉积物胶体之间的相互作用进行了研究［80－84］。邢晋武［85］研究了石油类污染物在充填状灰岩裂隙中的迁移规律，刘贯群等［86］对临淄地区地下水中酚、氰化物研究指出，包气带的黏土或亚黏土层对酚、氰化物有较强的吸附和阻隔作用，延缓了对地下水的污染，但由于吸附的酚、氰化物除部分氧化、挥发和微生物降解外，仍保留在包气带中，经降水等淋滤解吸仍会进入地下水中，因此包气带污染土层又成为地下水的潜在污染源。尹喜霖等［87］的野外调查证实，岩土对有机污染物有一定的吸附和过滤作用，酚在包气带中的含量与岩性密切相关，其在亚黏土中的含量远高于中细砂；阎先良［88］、祝万鹏［89，90］等利用模拟实验考察了有机污染物与土壤介质之间的吸附特征，表明不同介质对酚、氰化物的吸附量也不同，亚黏土比中砂吸附量大，亚砂土对苯酚的吸附性能较差，反映了有机污染物的吸附特征；研究结果认为，地层岩性越细，吸附酚、氰化物的量就越大，净化能力也越强，因此包气带中的酚将不断随降水或污水下移进入地下而污染地下水。

室内模拟实验应能尽量反映石油在地下土壤中的真实迁移过程和特征。根据实验研究的目的与当地环境因素来确定主要污染源和主要影响因素来进行模拟。总之，目前国内外对石油类污染物在土壤中的迁移特征和转化规律的室内模拟实验研究在方法与技术上还不够成熟，有待于开展深入细致的研究工作。(www.xing528.com)

1.4.2　油污迁移数值模拟研究现状

现今国外很重视对有机污染物在土壤中迁移转化的研究，把它作为研究地下水污染问题的突破口。20世纪80年代，美国、英国等西方发达国家，在研究非饱和带水分运动的基础上，通过实验模拟与数值模拟相结合的方法，开始研究污染物在非饱和带土壤中的迁移规律［91－93］。通过室内及野外土柱试验，确定了非饱和带垂向一维弥散系数和衰减系数；此后，随着研究工作的深入，逐步开始研究在土壤中的迁移转化规律，研究有机黏土对水中苯系物、酚类等有机污染物的吸附，考虑土壤液相和固相浓度的分配系数，并借助于Henry和Langmuir的等温吸附模式来表示液相和固相浓度吸附和解吸的关系，进而研究非平衡吸附和解吸问题［94－96］。J.B.Bruce和S.Shaobai等人研究了非离子表面活性剂在土壤颗粒物上的吸附特征，发现其吸附等温线近似于Freundlich方程［97，98］：Cs＝KCnw，式中，Cs为有机物在土壤颗粒物中的浓度，Cw为有机物在水溶液中的浓度，K，n为常数。J.J.Pignatello和J.E.Bauer等研究了有机污染物与土壤之间存在的可逆吸附，指出它们之间的吸附作用和解吸作用是处于不断进行着的动平衡过程中，并受多种因素的影响［99－106］；而T.Larsen，J.F.Mecarthy和U.Mingelgrin等学者则重点研究了扩散、吸附和渗透在有机污染物向地下迁移、转化过程中所起的重要作用［107－111］，并考虑了水、污染物及土壤之间相互作用关系；在土壤介质结构方面，由均质土壤研究到分层土壤，Nunzio Romano［112］进行了分层土壤中不饱和流体流动的一维数值分析和研究。在数学模型求解方面也在不断发展，由非饱和带的简单解析解发展到复杂因素的数值解，求解的初始条件和边界条件也在不断改进［113－120］，使之更加接近于污染物迁移的实际情况。但由于国外油田地下土层和岩石性质大部分较稳定，因此一些学者考察有机污染物迁移的影响因素较少，而由此建立的迁移模型不完全适合我国油田的实际情况［121］。

我国对污染物在土壤中迁移、转化的研究已开始重视起来，并借鉴国外有关法规和成果，制定了具有中国特色的环境影响评价原则、方法与相关研究技术［122］。一般在进行土壤环境影响预测时，由于土壤环境条件变化复杂，参数难以确定，因此人们采用的主要是土壤环境容量方法，为污染区域实行总量控制提供定量数据。清华大学、北京师范大学、河海大学、中国科学院等高校和科研单位对有机污染物向地下迁移转化及地下水污染防治等问题进行了研究，并已取得了一些有价值的研究成果［123－130］。目前，我国已有研究者做过有关石油类有机污染物在土壤中淋溶、降解等方面的实验，对土壤中有机污染物的浓度分布进行了初步的探讨［131－135］，根据实验结果对土壤石油组分迁移、渗透和转化特征做过实验研究［68］；有研究认为石油污染物的浓度与深度间的关系可以用负指数方程来表征，其可能影响的最大深度受区域环境条件与石油特性制约；还有学者研究设计了在裂缝中两相流动的数字化模型，对于正态的缝隙分布，通过假设固有的毛细管空间占有准则，可以得到少量流动的简单近似。戴树桂［136］及周岩梅［137］还研究有机污染物与土壤及沉积物颗粒的吸附作用过程和迁移规律；齐永强和王红旗［138，139］还从微生物学角度对土壤石油污染的影响和作用进行了探讨。一些学者分别建立了有机污染物在土壤和地下水中迁移的数学模型［140－147］。其中王洪涛等［142－144］比较系统地分析了石油污染物在土壤中的迁移特征，并对这一过程进行了数值模拟研究，建立了评价石油污染物对地下水污染的模型和方法；而陈家军、王红旗等［145，146］则针对大庆油田环境中石油类污染物对地下水的影响进行了分析，并在探讨大庆龙南油田石油污染来源及污染途径基础上，建立了石油污染物在环境中的迁移、转化的数学模型。虽然以上学者建立的某些数学模型还不够完善，没有全面考虑有机污染物迁移过程中存在的自净能力和复杂的地下流体之间相互作用的运动过程，但却不失为研究有机污染物迁移规律的一种方法，同时为更深入地研究和模拟这一过程奠定了基础。