高含硫气井井喷事故污染土壤的植物修复研究——以重庆市开县-12·23-特大井喷事故为例.pdf

农业环境科学学报2 0 1 0 2 9 增刊 1 1 l 1 1 5 J o u r n a lo f A g r o E n v ir o n m e n tS cie n ce J L 口 同含硫气井井喷事故污染土壤的植物修复 研究 以重庆市开县 1 2 2 3 特大井喷事故为例 王 伟 王新文 吴王锁 兰州大学核科学与技术学院 兰州7 3 0 0 0 0 摘要 以重庆市开县 1 2 2 3 特大井喷事故为例 对高含硫气井井喷污染土壤展开修复研究 首先根据土壤污染程 度提出了植物提取修复方案 实施修复后再次测量污染物含量以验证修复方案的效果 结果表明 柳树 杂草等对受 污染土壤重金属z n cd 的修复效果很好 使其含量降低了近6 0 首次发现大黄对环境硫污染的修复效果很好 使硫 含量降低约7 7 利用植物提取可有效修复高含硫气井井喷污染 为类似事故造成的土壤环境污染的快速修复提供了 理论支持 关键词 高含硫气井 土壤环境 井喷事故 污染 植物修复 中图分类号 X 5 3 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 2 0 4 3 2 0 1 0 增刊一0 1 1 1 0 5 P h y t o r e m e d ia t io no ft h eS o ilE n v ir o n m e n tP o llu t e db yH ig h s u lp h u rG a s w e llsB lo w o u tA ccid e n t s 1 址et h e 1 2 2 3 S e r io u sB lo w o u tA ccid e n tK a ix ia n C h o n g q in g 幽蚰E x a m p le W A N GW e i W A N GX in w e n W UW a n g S U O S ch o o lo fN u cle a rS cie n cea n dT e ch n o lo g yL a n z h o uU n iv e r s it y L a n z h o u7 3 0 0 0 0 C h in a A b s t r a ct I nt h isp a p e r t h ew o r ld k n o w n 1 2 2 3 s e r io u s b lo w o u ta ccid e n tinK a ix ia nC o u n t y C h o n g q in gW a St a k e n 鹪粕 e x a m p le T h isw o r kW a ga t t e m p t e dt or e h a b ilit a t et h es o il e n v ir o n m e n tw h ichp o llu t e db yh is h s u lp h u r g a s w e lsb lo w o u ta c cid e n t s F ir s t ly p u tf o r w a r dt h ep la n te x t r a ct sp la na cco r d in gt ot h ed e g r e eo fs o ilp o llu t io n T h e n t h eco n t e n t so fp o llu t a n t s h a db e e nr e m e a s u r e dino r d e rt ov e r if yt h ee f f e ct so ft h a tr e h a b ilit a t io np r o g r a m A n dr e s u lt ss h o wt h a ts o m ep la n t se s p e cia lly w illo w sa n dw e e d sh a dr e h a b ilit a t e dt h ee n v ir o n m e n tv e r yw e ll t h e ym a d et h eco n t e n t so fC da n dZ nd e cr e a s e dn e a r ly6 0 I t h a df o u n dt h a tr h u b a r bco u ldr e p a irt h es u lf u rp o llu t io nq u it ew e lla n dt h eco n t e n to fs u f f u rh a dr e d u ce da b o u t7 7 S op h y t o r e m e d ia t io no ft h es o ile n v ir o n m e n tp o llu t io nco u ldb ee f f e ct iv e lya n dt h isp a p e rh a dp r o v id e dt h e o r ys ig n if ica n cef o rt h er e h a b ilit a t io na f t e ras im ila rin cid e n tint h ef u t u r e K e y w o r d s h is h s u lp h u rg a s w e lls s o il e n v ir o n m e n t b lo w o u ta ccid e n t s p h y t o r e m e d ia f io n 随着经济社会的快速发展 人类对化石能源高度 依赖 高含硫天然气的开采也进入了顶峰时期 世界 各国在含硫气井开采过程中井喷事故层出不穷 造成 大量人员伤亡 财产损失 对事故地区环境也造成了 收稿日期 2 0 0 9 0 7 2 4 基金项目 围家自然科学人才培养基金 J 0 6 3 0 9 6 2 2 0 0 7 年国家大学 生创新性实验计划 8 6 0 0 3 7 作者简介 王伟 1 9 8 7 一 男 重庆开县人 本科生 兰州大学 E m a il w a n g w e i0 6 I z u cn 通讯作者 吴王锁E m a il w u w s I z u e d u cn 不可估量的影响 1 2 2 0 0 3 年1 2 月2 3 日 重庆市开 县发生了世界气井井喷史上罕见的高含硫特大井喷 事故 高浓度H 2 S 的扩散导致了大量人员伤亡 研究 小组在2 0 0 6 年测量当地土壤环境的污染情况时发现 当地环境受到很严重的污染 针对污染情况和当地的 实际条件制定了植物修复计划 2 0 0 9 年5 月再度对 该地区土壤环境进行采样测量 旨在验证修复方案的 有效性 分析不同修复植物的修复效果 为今后类似 事故的快速修复提供参考与指导 1 1 2王伟等 高含硫气井井喷事故污染土壤的植物修复研究2 0 1 0 年3 月 l材料与方法 1 1 样品采集 事故地区属亚热带湿润季风气候区 地处3 10 2 5 N 1 0 8 0 1 0 E 年平均气温1 4 5 C 年均降水量约12 0 0 m m 海拔6 8 4 5 7 0 4 5m 土质类型以紫色土为主 修复前采样时间为2 0 0 6 年9 月初 在1 0 0 4 0 0m 范围内采集2 5 个点样 每个点样又按照梅花形布点 法设置若干个采样点 采样点数目据下式确定 n t 2 s 2 d 2 式中 n 为每个采样单元中所设最少采样点数目 t 为 置信因子 当置信水平为9 5 时 t 取值为1 9 6 s 为样本相对标准差 d 为允许偏差 若采样精度不低 于8 0 时 d 取值为O 2 为了验证修复方案的效果 于2 0 0 9 年5 月在当 地修复区 1 0 0 4 0 0m 范围内 按照同样的方式 四 分法保留lk g 采集土壤样品 每个样点在2h m 2 范 围内随机采集5 1 0 个土样 0 2 0C m 样品风于 后 去掉石块和动植物残体 研磨全土 过1 0 0 目筛 密封保存备用 1 2 样品处理与制备 按照参考文献 3 的方法处理样品以测定其中金 属元素和碳 硫元素含量 1 3 分析方法 样品中C u z n C d P b F e C r 的测定采用原子吸 收分光光度计法H J 用P e r k inE lm e rA A n a ly s t7 0 0 型 原子吸收分光光度计测量 样品中的碳 硫含量均由 中国科学院兰州分院用C S 一3 4 4 自动碳硫分析仪测 定 在分析测定中采用国家标准土壤样品 G S S 进行全过程的分析质量控制 经检验 所有测试数据 均达规范要求 精度可靠 数据的统计与分析采用 O r ig in 7 5 和S P S S 等软件 2 修复方案 2 1 修复准备 根据井喷事故区域的环境特征和当地的社会生 活水平情况 最终决定采用植物提取修复方式 即利 用植物从土壤中吸收金属污染物 并在植物地上部分 富集 对植物体收获后进行处理 从而降低土壤中重 金属的含量 J 修复前的准备工作主要分为场地准备 土壤准备 和基础设施准备 场地准备包括标记场地 表面结构 调整 消除障碍物 使其达到最佳状态 土壤准备既 包括物理改良 如翻作 建立一个排水控制系统 还包 括农事投入 如施用肥料等来改善植物生长 本次植 物修复系统中 还建设围栏以减轻生态学风险 经过 对当地环境周密的分析和充分的准备 该土壤系统符 合植物提取修复条件 2 2 修复方案 根据前人的经验 已有结论和污染的具体情况 选择适应当地环境而且生长迅速的几种植物进行研 究 分别是柳树 灯心草 野菊花 龙葵 车前草 向日 葵和在当地比较常见的一些杂草以及在研究过程中 发现对硫有较强吸收能力的大黄 试验修复时间为 2 0 0 7 年初 试验修复面积见表l 表1各修复植物的试验修复面积 T a b lelT h ea r e a so fd if f e r e n tp h y t o r e m e d ia t io nt e s t s 接着进行修复植物的栽培 确定场地内的种植密 度和栽培时期 为防止动物 细菌和病毒危害植物 还 采取一些专门的保护措施 施加一定量的农家肥 密 切关注植物的生长状况 以确定何时对其进行追肥 定期对其进行适当的修剪 还对一些因病害而死亡及 由于其他原因不能存活的植物幼苗进行移栽补苗 植物长成之后 对其进行的后续处理一定要防止出现 二次污染 2 3 修复管理 为确保场地安全 场地周围安装栅栏以防止动物 等进入破坏植物 存在因霜冻 风暴 干旱 洪水 动 物 病虫害和潜在毒性等而导致修复失败 对其进行 恢复以确保修复系统的最优性能 制定应急方案保 证修复系统的正常运行 3 修复效果验证 3 1 各种试验植物的修复效果 考虑自然修复能力 即未经任何人为干涉和处 理 考察通过当地环境自身的恢复而趋于环境背景值 的程度 比较表2 3 修复前和未修复的数据可以看 第2 9 卷增刊农业环境科学学报 1 1 3 出 当地环境对碳含量的自身修复最为明显 已经在 修复前的基础上增加了7 3 相当于年均2 4 5 的 增加速度趋于背景值 原因是经过这些年自身的恢 复 当地植被的覆盖率大幅上升 碳循环平衡逐步恢 复 所以碳含量也逐步增加 对z n C d C r 和硫元素 当地环境的自然修复速率大约为每年降低9 定义植物的修复效果为实际测量的修复水平 增 加或降低量 减去当地环境对该污染物的自然修复能 力 即修复后该污染元素在环境中浓度的净增加量或 净降低量 通过表2 3 比较修复前后的测量数据 可 以得出各种植物对不同元素的修复效果 柳树对z n 的修复效果最好 使其含量降低了 8 0 4 净降低5 7 2 年均净降低约2 9 说明柳 树是z n 的富集植物 其次对cd 的修复效果也很不 错 净降低了大约4 4 对碳硫的修复效果都为3 0 左右 而对C r 的修复效果不明显 灯心草的修复效果表明 对C d 元素的效果最好 净降低5 0 3 年均净降低2 4 3 未来4 年内有望 恢复正常水平 已经使碳含量恢复到背景值左右 对 C r 的修复效果不理想 仅为9 9 对z n 和硫元素的 修复效果在3 2 一3 6 范围内 种植野菊花将硫的含量净降低了3 9 2 年均净 降低1 9 效果比较好 对其他几种元素的修复效果 均低于2 6 但已将碳含量恢复到正常水平 龙葵对Z n 和C d 的修复效果最好 分别达到了 4 2 7 和4 8 9 年均净降低约2 1 而对C r 的修 复效果只有1 3 8 对碳 硫的恢复都很不错 分别使 其增加了3 7 和降低了3 4 6 分析种植车前草的修复情况 碳含量恢复到正常 水平 除了对C r 的修复效果仅为8 9 以外 对其他 几种元素皆在3 0 以上 年均净降低约1 7 种植 向日葵对金属cd 的修复效果最好 达到了4 8 4 年均净降低约2 3 3 对碳硫的修复效果均在3 5 左右 大黄是我们在井口附近找到的一种植物 当时 测量时就发现其根部土壤硫含量就保持在较低水平 而且在测量大黄体内的硫含量时发现增长了约 3 0 0 现在的结果也刚好证明了这一点 大黄使硫含 量净降低了5 7 6 年均降低约2 9 大约在两年内 就可以恢复到正常水平 但是大黄对z n cd cr 等的 修复效果不佳 仅在1 0 左右 从杂草的修复情况来看 对z n C d 和硫的修复效 果均超过5 2 特别是使Z n 含量净降低了5 8 8 年 均降低约3 0 对C r 修复效果也有2 1 7 远远高 于其他几种修复植物 因为杂草具有抗逆境能力强 生长迅速 繁殖能力强 在环境条件适宜情况下生物 量能够急剧提高等特点 虽然不利于人类对农作物的 生产 但是可以弥补现有植物修复的缺点和不足 是 较理想的土壤重金属污染植物修复资源 而且杂草修 复比其他植物修复的成本要低 因而今后应更加深 入研究杂草的修复特征 使其为环境污染的修复做出 贡献 表2 不同植物修复效果比较数据表 T a b le2T h ed a t ao fe f f e cta f t e rd if f e r e n tp h y t o r e m e d ia t io n 修复前 2 5 58 6 0 76 5 8 0 23 2 0 l5 0 4 1 1 4 3 71 1 3 6 1 7 0 11 6 31 5 5 01 2 1 一1 踺O 3 00 8 0 O 6 3 一1 2 0O 2 40 1 9 6 O 0 9 6 0 3 0 10 t 8 2 拶p 时 2 I 11 4 6 3 I5 叮 9 8 32 4 1 69 7 68 5 1 1 4 0 32 2 90 6 1 10 4 6 0 7 30 1 3I 6 51 一1 7 40 1 10 0 9 4 0 0 7 8 一o 1 2 10 0 2 0 戈 J 0 草 1 7 25 6 9 73 4 2 9 15 6 1 6 9 8 91 0 2 49 2 4 1 3 9 51 9 80 5 1 2 0 3 8 一O 6 9 0 1 41 5 91 4 5 一1 6 90 1 00 0 8 70 0 6 2 一O 0 9 8O 0 1 8 野菊花 1 5 31 4 4 54 0 3 8 16 2 3 l1 0 2 i8 9 57 1 8 1 1 3 62 0 30 8 9 2O 7 4 一1 1 1 20 1 31 5 81 4 2 1 7 60 1 4O 0 8 1O 0 7 6 0 1 1 40 0 1 7 龙葵 1 3 l9 9 7 632 0 6 一l4 4 37 6 3 5 9 6 88 6 4 1 3 4 7 2 5 6O 5 3 4 0 4 1 一O 6 70 1 21 6 91 5 5 一1 8 00 1 30 0 9 00 0 8 1 0 1 0 90 0 1 5 车前草 1 2 2 4 3 3 231 7 7 一l6 9 5 6 5 4 31 0 3 89 1 5 1 4 9 22 7 10 6 8 9 0 5 4 0 8 70 1 61 6 4l 4 9 一1 7 3O 1 l0 0 9 30 0 8 7 0 1 1 6O 0 1 2 匈日葵 1 1 3 3 2 4 641 2 5 一l 9 8 7 9 6 2 5 9 9 78 2 9 1 4 8 73 0 40 5 4 20 4 9 一O 6 1O 0 61 6 71 4 5 一1 8 6O 1 50 0 8 90 0 6 7 0 1 0 5O 0 1 9 杂草 加 l0 5 4 7 14 4 1 8 9 81 4 9 68 5 47 2 4 1 0 9 11 4 10 4 7 8 0 3 1 一O 6 00 1 41 7 4 1 6 1 一1 9 00 1 30 0 5 60 0 4 1 0 0 7 8 0 0 1 6 大黄 1 7 39 3 8 248 9 2 1 7 9 89 5 2 71 0 1 58 0 6 1 3 8 31 9 81 0 7 60 9 3 一1 3 70 1 7 21 6 1 1 8 4O 1 2O 0 4 50 0 3 4 0 0 8 6O 0 2 1 爿 修复 1 5 45 0 3 656 6 4 19 8 6l6 4 8 71 1 6 79 1 7 1 5 1 2 2 5 91 2 9 31 0 6 一1 5 30 1 91 3 9O 7 8 一1 3 5 0 1 60 1 5 80 0 8 3 一O 2 4 5 O 0 6 4 背景值8 3 4一一 6 9 1 一一O 0 7 3一一1 7 7 一一o 0 1 7 一 注 左栏括号中的数字为采样点的数目 背景值数据来源于参考文献 6 1 1 4王伟等 高含硫气井井喷事故污染土壤的植物修复研究2 0 1 0 年3 月 Z n8 0 45 7 25 6 13 2 94 6 32 3 16 5 94 2 75 8 43 5 34 3 22 0 1 8 2 0 5 8 83 2 8 9 62 3 1 C r3 2 01 3 22 8 79 9 03 7 71 8 93 2 61 3 82 7 78 93 0 61 1 84 0 52 1 72 9 31 0 51 8 7 C d6 0 54 4 06 6 95 0 34 2 42 5 86 5 54 8 95 5 53 8 96 5 04 8 4 6 9 1 5 2 53 0 51 4 01 6 5 C 1 0 6 2 3 3 7 9 8 5 2 5 0 9 7 6 2 4 1 一1 1 1 3 3 7 8 一1 0 5 4 3 1 9 一1 0 8 4 3 4 9 一1 1 7 3 4 3 8 一1 1 5 4 4 1 9 7 3 5 S5 2 03 2 65 5 63 6 25 8 63 9 25 4 03 4 65 2 5 3 3 15 4 5 3 5 2 7 1 4 5 2 07 7 0 5 7 61 9 3 注 对于碳元素 负号表示其含量处于增加的趋势 杂草主要是艾蒿 苦蒿 丝茅草 狗牙根 狗尾草 蒲公英等 针对不同的污染元素的修复进行分析 对z n 的修复情况 从表2 3 来看 柳树和杂草的 修复效果最好 分别使其净降低5 7 2 和5 8 8 年 均降低约3 0 按照此速度 约在4 年内当地环境中 的z n 便能恢复到背景值水平 龙葵 车前草和灯心草 的修复效果均在3 5 4 2 范围内 年均降低2 0 效果一般 而效果不太理想的修复植物是大黄 仅为 9 6 但是它却能够生长在高浓度Z n 的土壤中 说 明其对Z n 具有很强的忍耐力 种植杂草使C d 的含 量降低最多 达到5 2 5 按照趋势预计在3 年内便 可恢复至正常水平 其次是灯心草 净降低了5 0 3 大黄的修复效果最差 两年多仅使其降低1 4 其他 几种植物的修复效果皆在3 0 一5 0 范围内 对C r 的修复情况 各种植物的修复效果都在 1 0 2 0 之间 效果都不是很好 效果最好的是杂草 为2 1 7 各种植物对碳的修复效果都在3 0 4 0 已经使碳含量接近环境背景水平 柳树等植物对硫的修复效果都在3 2 4 0 范 围内 年均净降低1 8 效果不错 而杂草和大黄对 硫的净降低量都超过了5 0 大黄甚至达到了 5 7 6 年均修复效率为2 9 效果最为理想 修复后 硫含量的超标量仅为2 0 0 预计在未来两年内就可 以恢复到当地环境背景值 3 2 修复前后事故区域土壤重金属污染评价 污染物的评价标准选择重庆市土壤背景值 土壤 至少符合G B1 5 6 1 8 1 9 9 5 土壤环境质量标准中的二 级标准 Z n 为2 0 0m g k g C d 为0 3 0m g k g C r 为1 5 0m g k g 一 采用指数法来评价土壤环境质 量 r r 单因子污染指数为 i 暑等 L i一乙K 式中 c 为土壤中某元素i的实测值 m g k g 1 C 为土壤中某元素i的评价标准 m g k g 一 c埘为土壤 中某元素i的背景值 m g k g 1 事故区域z n C d 等含量均超过背景值 因此宜采 用多冈子综合评价方法来评价重金属污染状况7 根据目前评价土壤污染综合方法 选用内梅罗指数法 来计算土壤综合污染指数及评价污染程度 计算公式 为 P 乎 式中 P 为土壤综合污染指数 为土壤中各污染物 的指数平均值 m a x 为土壤中单项污染物的最大污 染指数 具体的分级标准为 P 1 未污染 1 P 2 轻污 染 2 P 3 中度污染 P 3 重度污染 计算并作出z n C d 和C r 的污染指数分布图如图 1 从单冈子污染指数来看 各样品Z n 的污染指数远 大于3 都属于重度污染 其中修复前污染指数为 4 9 5 未修复为3 7 9 种植杂草和柳树的修复区域相 对较低 仍有8 3 和9 1 修复前和未修复区域的cd 污染指数分别为6 5 和5 3 都属于重度污染 而经过 柳树 龙葵 车前草和向日葵的修复后 污染指数已经 降到2 到3 之间而变为中度污染 灯心草和杂草的修 复已经使其污染指数降到2 以下而变为轻污染 C r 的污染指数都低于l 属于未污染 从内梅罗综合污染指数 图1 中综合值 来看 当 地土壤均属重度污染 污染指数均大于3 其中修复 前污染指数为1 8 9 9 已经远超出重度污染限度3 未 修复区域样品污染指数为1 4 6 2 比修复前降低了 2 3 年均降低1 0 相当于当地环境的自然修复水 平 经过柳树和杂草修复后 污染指数已降到接近 3 分别为3 9 4 和3 4 4 比修复前降低了7 9 2 和 第2 9 卷增刊农业环境科学学报 1 1 5 F ig u r e1 T h ed is t r ib u t io no fp o llu t io nin d e xa f t e rt h ed if f e r e n tp h y t o r e m e d ia t io nin s o il 8 1 8 净降低约5 6 成效显著 预计未来两年内便长 只有杂草对各