油田区土壤石油污染特性及理化性质关系

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　第60卷　第3期　　2009年3月　　化　工　学　报　　　　CIESC　Journal　　　　　Vol.60　No.3

　　March　2009

研究论文

油田区土壤石油污染特性及理化性质关系

贾建丽1,刘　莹1,李广贺2,张　旭2

1(中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京100083;2清华大学环境科学与工程系,北京100084)

摘要:基于不同区域环境下油田区石油污染土壤的调查取样,对土壤的石油污染特性及其与理化性质的关系进行探讨,为油田区污染土壤生物修复提供非生物学依据。结果表明,油田区土壤受到了不同程度的石油污染,含油率最高达23%,超过环境背景值的500～1000倍。土壤石油组分中烷烃、芳烃等轻质组分占总量的50%以上,可为生物修复或与其他修复措施的联合开展提供可靠的物质基础。土壤含油率与含水率存在制约关系,当含油率超过8%时,土壤含水率普遍低于5%。石油污染土壤有机质含量与含油率呈正相关关系,当土壤含油率超过7%时,土壤有机质含量普遍高于10%。调查油田区的土壤质地以粉壤土和砂土为主,占油田土样总数的65%,可为生物修复提供较好的土壤条件。

关键词:石油污染土壤;污染特性;油田区;理化性质中图分类号:X53　　　　　　文献标识码:A

文章编号:0438-1157(2009)03-0726-07

Contaminationcharacteristicsanditsrelationshipwith

physicochemicalpropertiesofoilpollutedsoilsinoilfieldsofChina

JIAJianli,LIUYing,LIGuanghe,ZHANGXu

1

1

2

2

1(SchoolofChemical&EnvironmentalEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),2

Beijing100083,China;DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Abstract:ThecontaminationcharacteristicsofoilpollutedsoilswereanalyzedbyinvestigatingandsamplingindifferentoilfieldsofChina,anditsrelationshipwiththephysicochemicalpropertieswasinvestigatedindetailinthisresearch.OilcontentsandcomponentanalysisindicatedthatthesoilsinoilfieldsofChinawerepollutedbypetroleumuniversally,withthehighestoilcontentreaching23%,whichwas500—1000timesasmuchasthebackgroundvalueofoilinunpollutedsamples.Thelightcomponents,includingalkanesandaromaticcompoundsaccountedformorethan50%ofthetotalhydrocarbon,andwerereadilydegradedbybacteriaandimprovedthedegradingmicrobeactivitiesthantheheavyoilcomponents.Thewatercontentsofsoilsinoilfieldsdecreasedtobelow5%mostlywhenoilcontentswerehigherthan8%,whichindicatedthatthewatercontentswererestrictedbycrudeoilincontaminatedsoilsindifferentoilfields.Theorganicmattercontentsofsoilswereinpositivecorrelationwithoilcontents,thereforetheorganicmattercontentsincreasedtoabove10%whenoilcontentswerehigherthan7%.Themajorsoiltextureoftheinvestigatedoilfieldswasfinedorasandsandyclay(65%ofthetotalsoilsamples),whichcouldprovidesuitablesoilconditionforthebioremediationofoilcontaminatedsoilsinoilfieldsofChina.

Keywords:oilpollutedsoils;contaminationcharacteristics;oilfields;physicochemicalproperties

　　2008-10-28收到初稿,2008-11-25收到修改稿。

联系人及第一作者:贾建丽(1977—),女,博士,讲师。基金项目:中国水利水电科学研究院开放研究基金项目;国家自然科学基金项目(40672162)。

　　Receiveddate:2008-10-28.

Correspondingauthor:Dr.JIAJianli.E-mail:jiajianli77@

126.com

Foundationitem:supportedbytheOpenResearchFundPro-gramofChinaInstituteofWaterResources&HydropowerandthealNaturalFoundationof).

　第3期　　贾建丽等:油田区土壤石油污染特性及理化性质关系

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引　言

我国大部分油田区和石油化工区土壤均受到了石油及其炼化、裂解产物的污染,经长期风化与淋滤成为地下水和地表水体的长期污染源[1-3]。研究表明,土壤理化特性包括含油量、组分与性质、土壤结构、水分含量、盐度、温度、酸碱度、氧含量、营养水平等因子变化与分布所构成的非生物学特性,是制约石油生物降解速率和石油污染土壤生物修复效应的关键因子。而非生物与生物因子之间所具有的内在作用关系构成了石油污染土壤微生态环境的重要内涵。但是目前的研究多关注生物修复效率、机制和修复过程中的微生物种群等特性,对特定区域环境下土壤受到石油污染后土壤特性的改变则缺乏系统分析和研究,然而区域油田区石油污染土壤非生物学特性影响微生物修复技术的选择与修复效应的准确定位,对其进行深入探讨可为我国量大面广的油田区石油污染土壤的治理与功能恢复提供充足的基础数据和背景资料,对污染土壤的修复起到重要的指导作用。

本研究基于不同气候、地理等区域环境下6大油田区的调查与取样,对其土壤的石油污染特性和其他理化性质调查和分析,量化非生物学因子水平,揭示石油污染特性和非生物因子之间的关系,为污染土壤微生物学特性制约因子的评价提供依据。

[9-13]

[4-8]

与油田区基本地理与区域概况如表1所示。各油田原油则分别取自油田输油泵站,以取样瓶取回后密封保存待分析。1.2　试验方法

1.2.1　油田区土壤含油率测定　本研究基于传统索氏抽提法,结合超声波萃取,以超声波加索氏抽提法对土壤含油率进行测定:称取5g左右混匀土样,加入适量无水硫酸镁,脱水;将混合物放入250ml锥形瓶中,加入100ml三氯甲烷(分析纯),超声振荡30min;振荡后混合体系经中速滤纸转移至索氏抽提器,再加入适量新鲜氯仿,75℃水浴抽提,至抽提筒中氯仿无色为止;将滤纸取出,将抽提筒中的氯仿倒入抽提瓶,70～75℃水浴加热回收氯仿,将残留液挥尽氯仿,称重。土壤含油率按下式计算

含油率=

m×100%m2

式中　土壤含油率以干土为基准进行计算,%;m1为石油质量,g;m2为干土质量,g。

1.2.2　石油烃组分构成分析　鉴于石油组分的复杂性,利用柱色谱对各油田的原油组分进行分析,并以柱色谱方法烃的组分构成。

[1]

测定各油田污染土壤中提取石油

1.2.3　油田区土壤其他理化性质测定　利用“Micro-Plus型马尔文仪”(测量范围0.05～500μm)对油田区土壤的粒径和比表面积进行测定。由各样品不同粒径的颗粒组成查得对应的土壤质地[14]。其他土壤的理化性质参照土壤农业化学分析相关方法进行,其中pH值测定采用电位法,可溶盐含量测定采用质量法,速效氮(EN)、速效磷(EP)含量采用MgO-代氏合金蒸馏法和NaHCO3浸提-钼锑抗比色法,土壤有机质含量测定采用高温外热重铬酸钾氧化法,土壤含水率测定采用烘干法[1,14]。

1　材料与方法

1.1　试验材料

供试土壤取自中国内陆东北(大庆油田,DQ)、西北(长庆油田,CQ;玉门油田,YM)、华北(华北油田,HB)、华南(江汉油田,JH)和华东(胜利油田,SL)等具有不同地理、气候等区域环境的6个油田10～25cm土壤,土壤样品

表1　油田区地理概况与基本信息

Table1　Basicpropertiesofsamplingsitesandoilfields

OilfieldCQDQHBJHSLYM

SampleCQ1—CQ5DQ1—DQ10HB1—HB6JH1—JH6SL1—SL11YM1—YM10

Physiognomyandmeteorologiccharacter

basin,loesslandform,continentalmonsoonclimate,averagetemperature7—10℃

lowplain,continentalmonsoonclimateoftemperatezone,annualaveragetemperature6.2℃

plain,semi-humidcontinentalmonsoonclimateofwarmtemperatezone,annualaveragetemperature12.1℃lowplain,sub-tropicalclimatedominatedbymoistmonsoonwinds,annualaveragetemperature16.1℃lowplain,semi-humidcontinentalmonsoonclimateofwarmtemperatezone,annualaveragetemperature12.5℃gobiwasteland,droughtcontinentalmonsoonclimateoftemperatezone,annualaveragetemperature6.9℃

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化　工　学　报　　第60卷　

2　结果与讨论

2.1　油田区土壤石油污染特性2.1.1　油田区原油特性　原油特性和组成决定了各油田区石油污染物的生物可利用性,并对石油污染土壤生物修复效率和周期有着重要的影响,是评价石油生物修复效应的重要依据。

原油柱色谱分析的各组分比例受石油性质、成熟度及后期变化影响显著,同时也决定了石油的物理性质。统计中国6大油田不同采油区的石油成分的相对含量,结果如表2所示。

图1　不同油田区土壤含油率

表2　各油田原油组分含量Table2　Componentsofcrudeoilin

differentoilfields

OilfieldCQDQHBJHSLYM

Alkane/%—57.1—77.353.19—65.32

62.2385.5564.91—70.31

Aromatic

hydrocarbon/%

—15.4—24.8

—17.468.0014.87—14.94

14.985.31Colloid

/%—

Bitumen/%2.087.2—21.220.10—29.26

5.321.1415.69—22.45

Fig.1　Oilcontentsofcontaminatedsoils

超过环境背景值的500～1000倍。SL油田土壤含

油率在6个油田中是最高的,而CQ和DQ油田土壤含油率则相对较低。同时,油田区土壤含油率随时间和空间分布呈现出一定的规律性。主要体现在石油烃含量在土壤剖面垂向递减分布和距中心污染源的向外递减辐射趋势[1]。各油田土壤中较高的含油率对于生物修复造成一定难度。

2.1.3　油田区土壤石油烃组分构成　以柱色谱方法对不同油田土壤中提取的石油组分含量进行测定,取各油田平均值作图,结果如图2所示。

由表2可知,在不同油田原油组成中,SL和DQ油田原油总烃(烷烃加芳烃)含量最高,达90%以上,胶质和沥青含量不足10%。其他油田原油总烃含量稍低,但也高于70%～80%。表明调查油田区的原油组分以烷烃和芳烃等易生物利用的烃类物质为主。

2.1.2　油田区土壤含油率　不同油田区石油污染土壤含油率的分析结果见表3。图1表示各油田区土样的含油率分析结果。

表3　各油田区土壤含油率与背景值比较Table3　Backgroundandmeasuredvalueof

oilindifferentoilfieldsoils

OilfieldCQDQHBJHSLYM

Backgroundvalue/%

0.00520.0048—0.012—0.0150.0024—0.0035

—

Measuredvalue/%

0.04—0.40.05—6.80.5—11.55.0—17.00.2—23.00.02—10.0

图2　各油田土壤石油烃组分含量Fig.2　Componentsofoilconsistedinsoils

由图2可见,总体上,油田区污染土壤的石油组分以烷烃、芳烃等轻质组分为主,占石油总量的

50%以上,其中以烷烃为主。各油田石油组分含量有一定的差别,DQ油田土壤中的烷烃百分含量高于50%,胶质和沥青等非烃类物质的百分含量则较低,仅为17%～31%。YM油田样品胶质和沥青等非烃类物质的百分含量则较高,达28.5%～40%,重质油含量较高。

将油田区土壤中石油各组分含量与相应油田原、、胶质　　Note:Oilbackgroundvalueofsoilswasmonitoredby

EnvironmentalMonitoringofPetroChinaCompany.

由图1和表3可知,调查油田区土壤受到了不

。23%,

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较,结果如图3所示(以DQ油田和YM油田为例)。

此,利用油田区污染土壤含油率和含水率监测结果,分析含油率和含水率之间的关系,如图4所示。

图4　石油污染土壤含油率与含水率关系Fig.4　Relationshipbetweenwaterandoilcontents

incontaminatedsoils

由图4可知,当含油率超过8%时,土壤含水率一般不超过5%;土壤含油率低于8%时,含水

率则随油田区气候条件、土质等因素的变化而具有差异性。石油的强疏水性导致高含油率土壤的疏水性,使土壤储水能力下降,含水率降低。2.2.2　油田区土壤含油率与有机质含量关系　土壤有机质是土壤中各种含碳有机化合物的总称[15],

图3　油田区土壤石油烃和原油组分比较Fig.3　Comparisonofoilcomponentsincrude

oilandresidualoilinsoils

是污染土壤生物修复的基础,其含量和组成对生物修复的可行性和修复效率均起着决定性作用。由于油田区土壤石油污染的普遍性,致使其有机质组成与未受污染的土壤相比具有一定特殊性,因此对油田区土壤的有机质含量进行测定,进一步分析其与土壤含油率的关系,对于评估油田区石油污染土壤的生物可利用性和生物修复开展的可行性有重要的意义。油田区石油污染土壤含油率与有机质含量关系如图5所示。

由图3可见,与相应油田原油各组分相比,土壤中烷烃和芳烃相对含量降低,其中烷烃降低最多,达10%～20%,胶质和沥青含量增加。分析原因在于石油在土壤的残留过程中,由于长期的淋滤、挥发、生物降解等物化和生物作用,造成低分子的烷烃和芳烃类物质或挥发,或经雨水冲刷流失,或下渗进入地下水含水层,同时具有生物利用性的石油组分被微生物降解。残存在表层土壤中的石油组分,大多为不易挥发和水溶性较差的大分子烷烃和芳烃,以及难降解的胶质及沥青,造成胶质和沥青相对含量增加。2.2　土壤石油污染特性与理化性质关系

2.2.1　油田区土壤含油率与含水率关系　石油污染土壤含油率和含水率之间由于石油残留饱和度的影响,存在此消彼长、相互制约的变化过程。当土壤孔隙中石油占主导,即其饱和度较大时,土壤孔隙中水分含量较低,反之亦然。污染土壤孔隙中石

图5　污染土壤含油率与有机质含量关系Fig.5　Relationshipbetweenorganicmatterand

oilcontentsinpollutedsoils

由图5可知,石油污染土壤有机质含量与含油,

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