海上石油泄漏事故危害及其应急处理.pdf

* 国家高技术研究发展计划 863 基金资助项目 2009AA063901 。 海上石油泄漏事故危害及其应急处理海上石油泄漏事故危害及其应急处理 * 申洪臣 1 王健行 2 成宇涛 2 魏源送 2 郑建伟 3 苏宇峰 3 高迎新 2 1. 中海石油 中国 有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057; 2. 中国科学院生态环境研究中心，北京100085; 3. 无锡艾科隆环境建设有限公司，江苏 无锡 214199 摘要 系统地综述了海上石油泄漏的来源、 危害、 应急处理措施以及海上和海岸线石油污染的处理技术。目前海上石 油泄漏处理技术仍以传统方法为主， 因此， 如何更加快速地制定和实施海上石油泄漏的应急处理对策， 以及开发海上 石油污染治理的新技术并进行推广应用， 将是今后工作的重点。 关键词 海上石油泄漏;来源;危害;应急处理;污染防治 RISK AND EMERGENCY TREATMENT OF MARINE OIL SPILLAN OVERVIEW Shen Hongchen1Wang Jianxing2Cheng Yutao2Wei Yuansong2Zheng Jianwei3Su Yufeng3Gao Yingxin2 1. Zhanjiang Branch of CNOOC Ltd． ，Zhanjiang 524057，China; 2. Research Center for Eco-environmental Sciences，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100085，China; 3. Wuxi Ecolom Environmental Construction Co． ，Ltd，Wuxi 214199，China AbstractThe sources，hazards，bail-out measures，and treatment technologies for marine and coastline polluted by marine oil spill are thoroughly reviewed． Currently，the traditional treatment technologies are mainly used for marine oil spill． Therefore， it will be the focus of making and implementing the emergency treatment measures more quickly，as well as developing and promoting application of new technologies for marine oil spill in the future． Keywordsmarine oil spill;sources;hazards;emergency treatment;pollution control 0引言 2010 年 4 月 20 日， 英国石油公司租赁的墨西哥 湾钻井平台“深水地平线” 爆炸、 沉没， 其海底油井从 4 月 24 日开始向外泄漏石油， 持续十几天， 每天有超 过 20 万加仑的原油泻入墨西哥湾， 并迅速向美国东 海岸扩散， 成为 1989 年埃克森瓦尔迪兹油轮泄漏事 件以来美国历史上最严重的原油泄漏事故之一。当 英国石油公司被墨西哥湾原油泄漏搞得焦头烂额的 时候， 我国辽宁省大连市大连湾于 2010 年 7 月 16 日 发生输油管道爆炸， 造成原油大量泄漏。上述海上石 油泄漏事故不仅造成了巨额的经济损失， 而且对海洋 环境与海洋生物造成了巨大危害。因此， 海上石油泄 漏事故及其应急处理日益得到公众的关注， 如何有效 应对海洋石油泄漏事故、 降低其对海洋环境与生物的 危害将是今后面临的一项艰巨挑战。 第二次世界大战后， 世界经济的快速增长导致能 源消耗的迅猛增加。因此， 世界各国为了应对大量增 长的石油需求， 积极进行石油勘探、 开采工作， 开采领 域逐步由陆地拓展到近海甚至深海。 欧盟、 美国分别占世界 GDP 总量的 27. 79 和 24. 80 ， 它们占据了世界 GDP 总量的一半还多 ［1］。 类似于这种 GDP 分布的不平衡现象， 世界原油储量 分布更加不均匀， 例如， 西欧和美国的原油储量占世 界原油总储量的 2. 31 ， 而仅占世界 GDP 4. 25 的 欧佩克组织原油储量却占世界的 70. 2 ［2］。2007 年， 全球石油贸易量为 19. 84 亿 t。由于海运费用低 廉， 并且一次可以运送大量石油， 目前全球消耗的石 油中 60 由油轮运输 ［3］。 在海上石油开采及运输过程中， 发生石油泄漏在 所难免。事故发生后， 不仅对石油开采运输方造成经 济损失， 还会破坏石油泄漏周边区域的生态环境， 有 时这种破坏是毁灭性的。因此， 本文通过系统综述海 上石油泄漏事故产生的原因、 危害、 应急处理及其污 011 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 染防治等方面， 以期为海上石油泄漏应急处理和污染 防治工作提供有益的借鉴。 1海上石油泄漏的来源及危害 1. 1海上石油泄漏的来源 石油泄漏入海主要有以下四种途径 1 油轮事 故。每年都会有各种油轮事故发生而引发海上石油 泄漏， 这些事故多为天气原因 如海上风暴 造成的 油轮船 身 断裂 及因 航 线 密 集 而 发 生 的 油 轮 碰 撞。 2002 年利比里亚油轮 Prestige 号在西班牙西北部海 域解体沉没， 造成至少 6. 3 万 t 重油泄漏 ［4］; 2 海上 钻井平台爆炸。2010 年 4 月发生于墨西哥湾的石油 泄漏事故正是海上钻井平台“深水地平线” 爆炸引 起， 导致至少 490 万桶原油泄漏 ［5］; 3 近海或海上输 油管泄漏。2010 年 7 月大连石油泄漏就是一起由石 油管道发生爆炸引起的严重原油泄漏事件， 导致约 6 万 t 原油泄漏， 污染海域约430 km2［6］; 4 人为故意漏 油。1991 年海湾战争期间， 伊拉克军队撤出科威特 前点燃科境内油井， 造成多达 100 万 t 原油泄漏， 污 染沙特阿拉伯西北部沿海500 km区域， 不过这是目前 为止仅有的大规模故意泄油事件。 1. 2海上石油泄漏的危害 1. 2. 1污染海水水质 海水受到泄漏的原油污染后， 原油中含有的烷 烃、 环烷烃、 芳香烃等有机物以及镍、 钒等无机物， 会 很快污染海水水质。同时， 原油的密度小于水， 且具 有很强的黏度， 泄漏的石油往往悬浮在海洋的表面。 它们阻止空气与海水的气体交换， 减少海水中的氧含 量， 并且原油中有机物的氧化分解又消耗大量的溶解 氧， 进一步减少海水中的氧浓度。由于海水具有波 浪、 潮汐、 洋流三种运动形式， 在海水运动过程中稀释 原油的同时， 也将污染物扩散到更远的地方。2010 年发生在美国墨西哥湾的原油泄漏事件， 其污染物被 传输到上百公里外的佛罗里达州、 密西西比州、 阿拉 巴马州以及路易斯安那州沿岸的地表水中， 造成地表 水中镍、 钒、 萘、 蒽等多种有害物质浓度远超过人体健 康基准值或文献报告的极限值 ［7］。 1. 2. 2危害海洋生态系统 1 浮游生物和鱼类。原油密度小于水， 黏度大， 往往悬浮在海洋表面， 阻止空气与海水的气体交换， 减少海水中的氧含量及阳光投射量， 这会显著降低浮 游生物的光合作用以及叶绿素 a 浓度。原油中含有 的烷烃、 环烷烃、 芳香烃等有机物以及镍、 钒等无机 物， 会很快污染海水水质， 杀死部分敏感浮游生物和 鱼类， 引起浮游生物群落结构改变 ［8］， 同时驱逐其他 鱼类游离原油泄漏区域， 造成区域内鱼类数量迅速减 少。若原油泄漏发生在鱼类产卵季节， 则对鱼卵产生 毁灭性的危害。John 研究发现， 石油中的多环芳烃 可诱导斑马鱼胚胎产生一系列身体缺陷， 如心脏功能 的遗传切除、 抑制肾及神经管结构发育等， 且毒性与 其浓度呈正比 ［9］。 2 沙滩物种。原油对沙滩物种的影响包括原油 对生物的直接影响以及工作人员清理沙滩上的原油 时给生物造成的伤害。Huz 等研究受原油污染的沙 滩发现， 包括多毛类、 昆虫类及两栖甲壳类在内的所 有物种丰富度显著减少， 有的物种减少量甚至达到了 66. 70 ［10］。 3 海鸟。鸟类的羽毛被原油覆盖后会丧失防水 和保温功能， 冷水浸透皮肤后， 鸟类会因体温过低而 死亡。当鸟类用嘴清理羽毛时， 一旦摄入原油中的有 毒物质， 会导致腹泻和脱水等中毒症状。另外海鸟处 于海洋生态系统食物链的最高级， 通过生物放大作 用， 原油中的物质会在鸟类体内积累、 浓缩， 对鸟类的 生存产生巨大威胁。通过检测受 Prestige 原油泄漏 事故影响的黄腿海鸥发现， 其肝病、 胆管和肾上皮组 织被损伤 ［11- 12］。另外， 石油还能引起鸟类在孵育期 发生畸变以及提高雌性鸟类的死亡率 ［13］。 1. 2. 3影响海滨旅游业 原油泄漏事件发生后， 海面、 沙滩上覆盖一层黑 乎乎的原油， 这些原油不仅影响大海带给人们的视觉 美感， 还因散发的刺激性味道影响人们的嗅觉， 导致 原油泄漏区域的游客数量减少， 影响当地旅游收入。 据统计， 与 2002 年相比，2003 年来加利西亚的旅游 人数减少了 8 ， 由此导致旅游收入减少 1. 33 亿欧 元 ［4］。而根据牛津大学经济学家和美国旅游协会公 布的一项研究表明， 由于墨西哥湾石油泄漏事件， 将 可能使墨西哥湾沿岸地区在未来 3 年面临将近 230 亿美元的旅游收入损失 ［14］。 2海上石油泄漏应急处理及其污染防治 2. 1海上石油泄漏的应急处理 2. 1. 1泄漏源的鉴别及控制 海上石油泄漏源的鉴别及控制在石油泄漏事故 的调查和处理中具有重要意义。确定泄漏源的重要 手段是溢油鉴别， 其依据主要为油指纹鉴别技术， 即 通过分析比较可疑泄漏源和泄漏石油的各类油指纹 111 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 信息， 来判定泄漏石油的来源和种类 ［15- 16］， 参考已有 的油指纹库可大大提高溢油鉴别速度。目前的油指 纹库也是主要依靠油品的气相色谱 /质谱方法建立， 但气相色谱 /质谱法的缺点是耗时较长， 因此如何更 加快速地确定泄漏源成为目前研究的重点， 可采取多 种检测方法联合、 逐级鉴别的方法， 例如可用荧光光 谱法或红外光谱法对泄漏源进行初步筛选， 再进行气 相色谱和气相色谱 /质谱分析， 可明显缩短鉴别时间。 2. 1. 2事故危害的模拟预测技术 泄漏石油在海洋中的动态行为主要包括漂移、 扩 散和风化三个方面。事故发生后， 应立即根据所能得 到的现场有关数据运行溢油模型来预测溢油可能的 漂移与扩散行为。溢油轨迹和归宿的数值模型最早 在 20 世纪 60 年代提出 ［17］， 之后并不断发展， 建立了 如 MIKE21 泄漏分析模型 ［18］、 OSRA 模型［19］、 基于风 化作用的 IKU 模型 ［20］和 OSIS 模型［21］等多种模型。 石油泄漏危害的预测技术不断向着系统化、 精确 化发展， Inan 等以二维石油扩散方程为基础， 建立了 地中海梅尔辛海岸线的二维溢油模型 ［17］; Azevedo 等 ［22］建立二维羽流模型对 Prestige 溢油事故具有很 好的数值拟合性。目前溢油模拟预测技术的发展主 要受基础数据等的限制， 预测区域覆盖面还很小， 开 发覆盖世界各国海区的溢油模拟决策模型是今后研 究工作的重要方向 ［23］。 2. 1. 3应急决策的制定 应急决策是在溢油扩散与漂移预测、 环境敏感区 敏感图、 石油泄漏事故的继续报告、 监视监测系统的 报告、 数据库资料等信息的基础上， 应急指挥人员应 对溢油事故做进一步评估， 并做出应急反应对策方 案。制定应急决策的目的之一就是减小石油泄漏对 海岸线的污染， 但是由于设备或期权的限制， 并不是 所有受到危害的海岸线都能得到保护和治理。决策 制定过程中遇到的问题是所做决策不可能满足所有 区域或标准的要求， 针对这一问题， Liu 等指出可以 借助评价模型及计算及系统来指导决策的制定 ［24］。 2. 2海面石油泄漏污染防治技术 海面石油污染的防治技术主要可分为物理法、 化 学法和生物法及其组合方法。 2. 2. 1物理法 物理法是回收和处理泄漏石油的简单有效的措 施， 技术比较成熟， 常用的几种方法如表 1 所示 ［25- 28］。 表 1海面石油污染处理常用物理方法列表 处理方法作用适用条件优点缺点 /解决方法 围油栏防止石油扩散、 缩小污染面积宽阔海面快速、 高效需和机械法配合使用， 必要时还需辅以化学方法 机械法主要利用各种形式撇油器回 收海面浮油 大面积海面浮油快速、 高效回收大 部分浮油 清除不彻底， 需作进一步除油处理 吸附法利用天然或人工合成材料进 行吸附和回收 浅海和海岸边等海况 相对较平静的场所 吸附原料易得， 价 格便宜 吸附量有限， 不适用于大规模海面溢油， 空隙率 较高的吸附材料会释放石油造成污染 物理处理方法不断向着轻便、 高效的方向发展， 例如 Broje ［29］等把撇油器的表面和刮油机表面设计 成一系列的刚好吻合的三角形结构， 使油回收效率提 高了 3 倍。Moura 等 ［30］以 CH 4为反应气体， 制成的 一种疏水性多孔材料， 对各种类型的油类均有很高的 吸附效果。 除表 1 常用方法外， 还有研究采用研究尝试采用 真空抽油机、 激光处理、 加入沉降材料进行沉淀等方 法等进行治理， 也因成本较高或不易操作没有被广泛 应用 ［26，31- 32］。 2. 2. 2化学法 化学法清除海面泄漏石油主要用于物理法处理 后， 或无法用物理法处理时。应用较多的化学处理方 法主要有化学试剂法和燃烧法两种。 1 化学试剂法。向泄漏石油的海面上喷洒化学 药剂， 可以使石油的分散状态发生改变而得以清除。 根据石油的分散状态不同， 分别可使用胶凝剂、 分散 剂或破乳剂等 ［26］。其主要组成与作用见表 2。 表 2不同化学试剂处理海面石油污染列表 药剂种类主要组成作用适用情况 参考 文献 胶凝剂聚合催化剂、 胶黏剂 使石油凝成固态 对原油、 重油等重质油 的回收 ［33］ 分散剂表 面 活 性 剂 溶剂 分散 石 油、 减 小 黏附 性， 加 强 微 生物的作用 油层较薄， 无法集中回 收， 离海岸较远地区， 不适用高黏度石油 ［34］ 破乳剂表面活性剂使油、 水分离海面石油发生“老化” 作用时 ［35］ 化学试剂处理法实质是转移污染物， 而且所使用 的化学药剂有可能造成新的污染， 有的化学药剂甚至 211 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 具有一定的毒性 ［36］， 因此应慎重使用。目前， 处理海 面石油的化学试剂正在向着无毒、 高效、 成本低廉、 可 生物降解的方向发展。 2 燃烧法。燃烧法应用于石油泄漏的原位处理 中， 一般需要耐火性的围油栏来防止石油的扩散 ［37］。 在 Exxon Valdez 的 石 油 泄 漏 事 故 中， 约 15 000 ～ 30 000加仑通过原位燃烧法被清除， 除油效率达到了 98 ［31，38］。燃烧法无需复杂装置， 处理费用低， 但是 对海洋生物及环境存在影响， 因此处理对象一般为大 规模的溢油或离海岸相当远的公海。值得注意的是， 除对生态环境有不良影响外， 燃烧处理还浪费能源。 2. 2. 3生物法 微生物能将石油烃类彻底降解而使之无毒无害， 因此海上石油泄漏的生物处理技术受到广泛关注 ［39］， 具体分为生物修复技术和生物强化技术两大类。 1 生物修复技术。在石油泄漏的生物处理中有两 个限制因素 一是石油的溶解性很差， 因此与微生物接 触的表面积较小; 二是缺乏 N、 P 及其他营养物质。生 物修复技术就是针对这两种限制因素而产生的。 针对上述第一种情况所采取的措施是加入分散 剂， 通过乳化增溶或增大烃基质与降解细胞的接触面 积， 从而提高石油烃生物的可利用性 ［40］。该方法主 要应用于海上块状漂浮的溢油处理。Saeki 等将生物 表面活性剂生产菌株 JE1058 的培养液制成分散粉 剂， 研究其对海洋石油泄漏的生物修复效果， 结果表 明， JE1058 制剂不仅大大促进油污的溶解， 并且促进 了海洋本土菌 ANS521 对油污的降解 ［41］。 Atlars 和 Bartha 在 1972 年首先提出了石油生物 处理过程中需要在油中加入 N、 P 营养物质， 以提高 烃类降解菌的降解速度， 目前研究中氮素营养多为尿 素及硝酸盐， 磷素营养多为十二烷基磷酸及磷酸盐， 营养物可多次投加。 2 生物强化技术。生物强化技术即在石油泄漏 污染场中接种高效污染物降解菌， 国外多采用驯化菌 种或人工菌种。这些菌种为混合菌， 经人工处理后， 具有很强的烃类降解能力。目前生物强化技术还处 于实验室研究阶段。由于受外界环境的影响， 引进菌 种处理效果并不稳定， 为此 Hosokawa 等提出了向污 染区域加入具有良好特性和降解石油能力的土著微 生物并进行本土生物强化的方法， 以便使这一问题得 到解决 ［42］。 2. 3海岸线石油污染防治 前文提到的机械法 ［43］、 吸附法、 生物修复也适用 于海岸线的石油污染治理， 此外， 还可根据其具体特 点采取人工撇取、 水洗、 喷洒消油剂或清洗剂等措施。 水洗用于岩石岸壁、 礁石等上面油污的清除。通 过运用加压的热水或冷水将油污冲洗掉， 常用的热水 温度为60 ℃ 。1983 年 11 月 FE0SO AMBASSDOR 号 油轮在青岛港触礁溢油事故中， 曾用水冲洗方法清除 礁石和岸壁上的油污， 取得了很好的效果 ［43］。水洗 具有冲洗干净的特点， 但是用热水冲洗会对海岸的动 植物造成危害， 损害脆弱的生态系统。另外， 水洗还 受到污染区通道、 水源及电源的限制。 消油剂可用于海岸岩石石油污染的处理， 将消油 剂直接喷洒在岩壁、 礁石及结构物表面的石油上， 让 消油剂与油接触一定时间， 再利用海水冲洗或借助潮 水自然刷掉油污， 也可以用消油剂人工刷洗岩壁或礁 石， 加快油的分散过程 ［43］。表面清洗剂是利用清洗 机制来去除沙滩、 岩石等固体表面的石油 ［44］。 3存在问题及展望 海上石油泄漏事故的不断发生， 使海洋和海岸线 石油污染成为困扰世界人民的环境问题之一， 尽管石 油污染处理的方法众多， 但目前仍以传统方法为主， 许多还只是处于试验阶段， 与大规模的应用仍有较大 差距。如何更加快速的制定和实施海上石油泄漏的 应急处理对策， 以及开发海上石油污染的新技术及其 推广应用， 仍将是今后工作的重点。 参考文献 ［1］政策倡议中心． http / /chinese． cpiasia． net/world_topic/world_ key_stats/GDP_ranking/4151. html ［OL］． 2010． ［2］中华人民共和国国土资源部．http / /www． mlr． gov． cn/xwdt/ jrxw /201002 /t20100224_137841. htm ［OL］． 2010． ［3］Burgherr P． In-depth analysis of accidental oil spills from tankers in the context of global spill trends from all sources［J］． Journal of Hazardous Materials，2007，140 1- 2 245- 256． ［4］Garza-Gil MD， Prada-BlancoA， Vazquez-RodriguezMX． Estimating the short-term economic damages from the Prestige oil spill intheGalicianfisheriesandtourism ［J］．Ecological Economics，2006，58 4 842- 849． ［5］胡弘斌． 墨 西 哥 湾 漏 油 已 达 490 万 桶［OL］． 2010- 08- 04 ［ 2010- 09- 19］． http / /intl． ce． cn /specials/zxgjzh/ 201008 /04 / t20100804_21688067. html． ［6］王佑． 大连新港漏油量或高于预 估 或 6 万 吨 原 油 流 入 海 洋 ［OL］． 2010- 06- 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