一种石油烃污染土壤的环境影响评价方法

本发明涉及环境影响评估技术领域，尤其涉及一种石油烃污染土壤的环境影响评价方法。

背景技术：

随着原油的广泛开采和利用，意外和偶然的石油泄漏不可避免的进入陆地环境中。每年大约有1000～2500万加仑的石油产品从管道和固定设施中泄漏出来。原油泄漏会破坏土壤生态系统，并对地下水和大气产生重大影响。如果没有适当的反应，泄漏的原油很难降解，并可能在土壤中停留几十年。

虽然生物修复有助于清除陆地上的石油泄漏，但石油风化后普遍存在的、生物利用度较低的重烃很难被生物降解。热解技术作为一种有发展前景的成熟技术，因其在快速、方便地去除高毒性持久性有机化合物方面的优势而受到越来越多的关注。但值得注意的是，在经过处理的油污染土壤中，随着重烃热解转化为轻烃，可以产生石油衍生溶解有机物。水生生态系统尤其容易受到水体运输过程中溶解性有机物污染的影响。因此，土壤中溶解性有机物的浓度和特性是水体生态的重要水质参数。虽然大量的研究集中在油污染土壤的烃类在热解过程中的转化过程和处理后土壤的肥力方面，但对土壤渗滤液中溶解性有机物分子多样性的表征却很少。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种石油烃污染土壤的环境影响评价方法，可从不同角度评估不同热解温度下石油烃污染土壤的环境影响。

本发明提供了一种石油烃污染土壤的环境影响评价方法，包括以下步骤：

a)将石油烃污染土壤样品进行热解；

b)将所述热解后的土壤样品与去离子水混合，进行超声，振荡，离心，得到的上清液通过混合纤维素酯膜，冷藏，得到土壤渗滤液；

c)将所述土壤渗滤液分别进行紫外可见光光谱分析和三维荧光光谱分析，得到土壤渗滤液中溶解性有机物的类型；

d)将未发芽的植物种子在添加有所述土壤渗滤液的培养皿中培养，一段时间后，分析植物的根长和茎长；

e)通过皮尔逊积矩相关计算光谱指数和溶解性有机物的植物毒性之间的相关性。

优选的，所述石油烃污染土壤样品为原油污染的土壤；

所述石油烃污染土壤样品中，原油和土壤的质量比为8～10：1。

优选的，所述热解的温度为100～550℃，时间为3h；

所述热解在氮气的气氛下进行。

优选的，步骤b)中，所述石油烃污染土壤样品与去离子水的用量比为4.5～5.5g：45～55ml。

优选的，步骤b)中，所述超声的时间为30～35min。

优选的，步骤b)中，所述振荡在振荡筛中进行，所述振荡的温度为23～27℃，时间为24～26h；所述振荡的速率为165～175rpm；

所述离心的转速为5400～5600rpm，时间为6～7min。

优选的，步骤b)中，所述混合纤维素酯膜的孔径为0.45μm；

所述冷藏的温度为4℃。

优选的，步骤c)中，紫外可见光光谱分析的波长范围为200～800nm。

优选的，步骤c)中，三维荧光光谱分析的条件包括：

激发光源为功率为150w的氙弧灯，信噪比大于110，光电倍增管电压为700v；激发波长范围为200～400nm，激发波长间隔为5nm；发射波长范围为280～550nm，发射波长间隔为1nm；激发狭缝为5nm；发射狭缝为5nm；响应时间为0.5s；扫描速度为1200nm/min。

优选的，步骤d)中，植物种子为小麦种子；

所述培养中，发芽阶段在黑暗的环境中进行，生长阶段在光照条件下进行；

所述培养的温度为20～25℃，相对湿度为60％～70％，光照强度为800～1200lx，发芽时间为3～5d，光照生长时间为6～8d。

本发明提供了一种石油烃污染土壤的环境影响评价方法，包括以下步骤：a)将石油烃污染土壤样品进行热解；b)将所述热解后的土壤样品与去离子水混合，进行超声，振荡，离心，得到的上清液通过混合纤维素酯膜，冷藏，得到土壤渗滤液；c)将所述土壤渗滤液分别进行紫外可见光光谱分析和三维荧光光谱分析，得到土壤渗滤液中溶解性有机物的类型；d)将未发芽的植物种子在添加有所述土壤渗滤液的培养皿中培养，一段时间后，分析植物的根长和茎长；e)通过皮尔逊积矩相关计算光谱指数和溶解性有机物的植物毒性之间的相关性。本发明将石油烃污染的土壤在不同温度下热解，通过光谱技术分析石油烃污染土壤热解处理后渗滤液中溶解性有机物及其植物毒性，以此来评价石油烃污染土壤热解处理后的环境影响。本发明提供的热解后土壤的环境影响的评价方法简单、成本低、可操作性强；同时，本发明为石油烃污染土壤的热解温度的选择提供了新的见解，并且可预测不同温度处理后土壤的环境影响。

附图说明

图1为本发明实施例1土壤渗滤液中溶解性有机物的3个荧光组分含量随温度的变化图；

图2为本发明实施例1小麦的根长与茎长随热解温度变化的生长情况图；

图3是光谱指标与植物生长的pearson相关性图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种石油烃污染土壤的环境影响评价方法，包括以下步骤：

a)将石油烃污染土壤样品进行热解；

b)将所述热解后的土壤样品与去离子水混合，进行超声，振荡，离心，得到的上清液通过混合纤维素酯膜，冷藏，得到土壤渗滤液；

c)将所述土壤渗滤液分别进行紫外可见光光谱分析和三维荧光光谱分析，得到土壤渗滤液中溶解性有机物的类型；

d)将未发芽的植物种子在添加有所述土壤渗滤液的培养皿中培养，一段时间后，分析植物的根长和茎长；

e)通过皮尔逊积矩相关计算光谱指数和溶解性有机物的植物毒性之间的相关性。

在本发明的某些实施例中，所述石油烃污染土壤样品为原油污染的土壤。在本发明的某些实施例中，所述石油烃污染土壤样品中，原油和土壤的质量比为8～10：1。在某些实施例中，原油和土壤的质量比为9：1。

在本发明的某些实施例中，所述石油烃污染土壤样品按照以下方法制备得到：

将土壤与原油混合后，干燥，得到石油烃污染土壤样品。

在本发明的某些实施例中，将土壤与原油混合前还包括：将土壤进行干燥、均质和大颗粒筛分。本发明对所述干燥、均质和大颗粒筛分的步骤和参数并无特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的干燥、均质和大颗粒筛分的步骤和参数即可。

在本发明的某些实施例中，所述土壤为中国科学技术大学校园里的土壤。

在本发明的某些实施例中，所述原油为重质原油。在本发明的某些实施例中，所述原油来自于山东胜利油田。

在本发明的某些实施例中，将土壤与原油混合后，干燥的温度为105℃。

本发明先将石油烃污染土壤样品进行热解。

在本发明的某些实施例中，所述热解的温度为0～550℃，时间为3h。在某些实施例中，所述热解的温度为100～550℃。在本发明的某些实施例中，所述热解的温度为0℃、100℃、150℃、175℃、200℃、225℃、250℃、275℃、300℃、325℃、350℃、375℃、400℃、425℃、450℃、475℃、500℃、550℃。

在本发明的某些实施例中，所述热解在氮气的气氛下进行。在本发明的某些实施例中，所述热解在管式炉的石英舟上进行。

热解完成后，将所述热解后的土壤样品与去离子水混合，进行超声，振荡，离心，得到的上清液通过混合纤维素酯膜，冷藏，得到土壤渗滤液。

在本发明的某些实施例中，所述石油烃污染土壤样品与去离子水的用量比为4.5～5.5g：45～55ml。在某些实施例中，所述石油烃污染土壤样品与去离子水的用量比为5g：50ml。

所述超声可以使热解后的土壤样品在去离子水中分散更均匀。本发明对所述超声的功率并无特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的超声的功率即可。在本发明的某些实施例中，所述超声的时间为30～35min。

在本发明的某些实施例中，所述振荡的温度为23～27℃，时间为24～26h；所述振荡的速率为165～175rpm。在本发明的某些实施例中，所述振荡在振荡筛中进行。

在本发明的某些实施例中，所述离心的转速为5400～5600rpm，时间为6～7min。

在本发明的某些实施例中，所述混合纤维素酯膜的孔径为0.45μm。得到的上清液通过混合纤维素酯膜，可以去除非溶解性有机物。

在本发明的某些实施例中，所述冷藏的温度为4℃。得到的上清液通过混合纤维素酯膜后的溶液进行冷藏，可以防止溶解性有机物分解。

得到土壤渗滤液后，将所述土壤渗滤液分别进行紫外可见光光谱分析和三维荧光光谱分析，得到土壤渗滤液中溶解性有机物(dom)的类型与化学组成。

在本发明的某些实施例中，紫外可见光光谱分析的波长范围为200～800nm。在本发明的某些实施例中，紫外可见光光谱分析的波长间隔为1nm。

在本发明的某些实施例中，紫外可见光光谱分析的仪器为紫外-可见分光光度计，型号为shimadzuuv-2600。

通过紫外可见光光谱分析，记录样品的紫外-可见全波长扫描光谱。

在本发明的某些实施例中，三维荧光光谱分析的条件包括：

激发光源为功率为150w的氙弧灯，信噪比大于110，光电倍增管电压为700v；激发波长范围为200～400nm，激发波长间隔为5nm；发射波长范围为280～550nm，发射波长间隔为1nm；激发狭缝为5nm；发射狭缝为5nm；响应时间为0.5s；扫描速度为1200nm/min。

在本发明的某些实施例中，三维荧光光谱分析的仪器为荧光分光光度计，型号为日本日立公司生产的hitachif-7000fl。

通过三维荧光光谱分析，得到三维荧光光谱数据。

在本发明的某些实施例中，采用matlabr2009a软件对荧光数据进行处理。将拉曼散射和瑞利散射去除并归一化，采用平行因子模型parafac对数据进行处理。parafac模型使用2～7个组件计算，并将其装配到一个3d数据数组中。残余分析和二分分析用于确定正确的成分数量。

根据平行因子模型parafac可以得出渗滤液中溶解性有机物的荧光组分分布。在本发明的某些实施例中，根据平行因子模型parafac共识别出渗滤液中溶解性有机物有3个荧光组分，分别为成分一(330，380)、成分二(350，450)、成分三(250，290/375)。其中，成分一为类腐殖质类物质，成分二为紫外可见类腐殖质物质，成分三为类蛋白质类物质。同时，根据平行因子模型parafac可以得知，上述三个成分含量随温度的变化图。

在本发明的某些实施例中，成分一随着温度的升高先升高后降低，其中在350℃时含量最高。成分二先升高后降低，在325℃时含量最高。成分三在150℃和375℃有两个峰，其中375℃时含量最高。

对所述土壤渗滤液分析完成后，将未发芽的植物种子在添加有所述土壤渗滤液的培养皿中培养，一段时间后，分析植物的根长和茎长。

在本发明的某些实施例中，将未发芽的植物种子在添加有所述土壤渗滤液的培养皿中培养的同时，设置两组对照组，对照组1将未发芽的植物种子在添加有去离子水的培养皿中培养，对照组2将未发芽的植物种子在添加有未热解的石油烃污染土壤样品的土壤渗滤液的培养皿中培养。

在本发明的某些实施例中，所述植物种子为小麦种子。

在本发明的某些实施例中，所述培养中，发芽阶段在黑暗的环境中进行，生长阶段在光照条件下进行。

在本发明的某些实施例中，所述培养的温度为20～25℃，相对湿度为60％～70％。

在本发明的某些实施例中，发芽时间为3～5d。

在本发明的某些实施例中，光照强度为800～1200lx。

在本发明的某些实施例中，光照生长时间为6～8d。

在本发明的某些实施例中，将未发芽的植物种子在添加有所述土壤渗滤液的培养皿中培养具体包括：

将去离子水湿润的滤纸置于培养皿中，将未发芽的植物种子置于滤纸上，在培养皿中加入土壤渗滤液，并用铝箔包装培养皿使种子处于黑暗中，并将培养皿放在生长室，生长室的相对湿度为60％～70％，温度为20～25℃，800～1200lx，在黑暗中发芽3～5d后，再加入土壤渗滤液，去掉铝箔使发芽种子进行光照生长6～8d。

在本发明的某些实施例中，所述培养皿的直径为90mm。

在本发明的某些实施例中，选取的未发芽的植物种子为10粒。

在本发明的某些实施例中，在培养皿中加入土壤渗滤液的体积为10ml。

在本发明的某些实施例中，再加入土壤渗滤液的体积为15ml。

通过分析植物的根长和茎长，可以得出dom的变化对植物生长速率的影响。

然后，通过皮尔逊积矩相关计算光谱指数和溶解性有机物的植物毒性之间的相关性。

在本发明的某些实施例中，采用originpro2018c进行相关性显示，显著性水平设为p<0.05。

本发明对上文采用的原料的来源并无特殊的限制，可以为一般市售。

本研究对不同热解温度下的石油污染土壤中提取的有机物进行了定量研究。溶解性有机物与植物生长的浸出试验通过一系列的表征，得到了溶解性有机物对植物生长的影响的详细信息，阐明了热处理对溶解性有机物的光谱性质、分子特性和植物毒性的影响。本研究可为国内外石油污染土壤的热解修复提供参考。

本发明将石油烃污染的土壤在不同温度下热解，通过光谱技术分析石油烃污染土壤热解处理后渗滤液中溶解性有机物及其植物毒性，以此来评价石油烃污染土壤热解处理后的环境影响。本发明提供的热解后土壤的环境影响的评价方法简单、成本低、可操作性强；同时，本发明为石油烃污染土壤的热解温度的选择提供了新的见解，并且可预测不同温度处理后土壤的环境影响。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种石油烃污染土壤的环境影响评价方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

所述土壤为中国科学技术大学校园里的土壤；

所述原油来自于山东胜利油田。

实施例1

1、石油烃污染土壤样品的制备：

土壤经干燥、均质和大颗粒筛分后，与重质原油混合，原油和土壤的质量比为9：1，在105℃的烤箱中干燥。

2、将石油烃污染土壤样品进行热解：

在管式炉中，连续n2流(1l/min)下，在石英舟中进行热解。使用热电偶来记录温度，以确保反应器达到所需的热解温度。加热之前，采用连续n2流给管式炉通风10min，然后，将5g油烃污染土壤样品转移到管式炉中，分别在100℃、150℃、175℃、200℃、225℃、250℃、275℃、300℃、325℃、350℃、375℃、400℃、425℃、450℃、475℃、500℃、550℃热解3h，得到多组热解后的土壤样品。

3、溶解性有机物的提取：

将所述多组热解后的土壤样品分别与50ml去离子水在100ml玻璃锥形瓶中混合，超声30min，在振动筛中25℃下以170rpm振荡24h，以5500rpm离心7min，得到的上清液通过孔径为0.45μm的混合纤维素酯膜，4℃下冷藏，得到多组土壤渗滤液。

4、溶解性有机物的表征：

使用紫外-可见分光光度计(shimadzu,uv-2600)记录样品的紫外-可见全波长扫描光谱，波长范围：200～800nm，波长间隔：1nm，比色皿：10mm石英比色皿，空白样：去离子水样。

土壤渗滤液在波长为254nm处的吸光度(uv254)与土壤渗滤液中溶解有机碳(doc)的浓度比值为吸光率suva254，将土壤渗滤液在波长为275nm处的吸光度(uv275)减去波长为295nm处的吸光度(uv295)，得到的差值与土壤渗滤液中溶解有机碳(doc)的浓度的比值为斜率s275-295。用岛津公司的总有机碳分析仪测定doc含量。

采用日本日立公司生产的hitachif-7000fl型荧光光度计扫描土壤渗滤液的三维荧光光谱，用功率为150w的氙弧灯作为激发光源，信噪比大于110，光电倍增管电压为700v，其激发范围设置为200～400nm，间隔为5nm，发射范围设置为280～550nm，间隔为1nm。激发狭缝为5nm；发射狭缝为5nm；响应时间为0.5s；扫描速度为1200nm/min。

采用matlabr2009a软件对荧光数据进行处理。将拉曼散射和瑞利散射去除并归一化，采用平行因子模型parafac对数据进行处理。

腐殖化指数(hix)为当ex＝254nm时，em＝435～480nm范围内的积分面积与em＝300～345nm范围内的积分面积之比，总荧光强度(tot)为全光谱总荧光强度积分面积之和。

表1土壤渗滤液中溶解性有机物的基本理化特性

表1为土壤渗滤液中溶解性有机物的基本理化特性，suva254是dom芳香度的测量值，suva254值越大，芳香度越强。斜率s275-295可表征dom的相对平均分子量，值越大，表明平均分子量越小。腐殖化指数(hix)用于表征有机质的腐殖化程度。hix值越大，dom的腐殖化程度越高，dom在环境中存在的时间越长。总荧光强度(tot)为溶解性有机物的各区域积分之和，数值越大，表明所含物质浓度越高。

从表1可以看出，suva254总体上呈现先上升后下降的趋势。结果表明，石油烃污染土壤中dom的芳香度随温度的增加而逐渐增加。随着温度的升高，芳香烃的热解吸使dom中的芳香度增大。然后，随着温度的进一步升高，芳香烃分解，导致dom的芳香性降低。hix值的大趋势变化是随温度的升高而升高。此外，在450℃以上的温度下，土壤中小分子dom的增加更为明显，说明热解后土壤中大部分小分子dom被去除。这一现象还表明，在土壤解吸过程中，一些轻质碳氢化合物被分解，降低了土壤中烃类的含量。

从表1还可以看出，斜率s275-295呈现先增后减的趋势，表明随着温度的增加土壤中溶解性有机污染物质平均分子量先增后减，在275℃时，所含物质的平均分子量最大，对环境的影响可能最大。

从表1还可以看出，tot含量随着温度升高至375℃而升高，然后下降。这一现象表明，随着温度的升高，石油污染土壤中的有机物先缓慢溶解，然后逐渐分解。每个区域还显示一个初始的荧光强度增加的趋势，然后下降，特别是在地区iv和v。这个结果表明，可推断出的类蛋白质和类富里酸物质随着温度的增加从175℃到375℃，导致溶解性有机物质的种类和含量的增加。

5、平行因子分析(parafac)：

采用matlabr2009a软件对荧光数据进行处理。将拉曼散射和瑞利散射去除并归一化，采用parafac对数据进行处理。parafac模型使用2～7个组件计算，并将其装配到一个3d数据数组中。残余分析和二分分析用于确定正确的成分数量。

根据平行因子模型parafac共识别出土壤渗滤液中溶解性有机物有3个荧光组分，分别为成分一(330nm，380nm)、成分二(350nm，450nm)、成分三(250nm，290/375nm)。其中成分一为类腐殖质类物质，成分二为紫外可见类腐殖质物质，成分三为类蛋白质类物质。三个成分含量随温度的变化如图1所示。图1为本发明实施例1土壤渗滤液中溶解性有机物的3个荧光组分含量随温度的变化图。

从图1中可以看出，成分一随着温度的升高先升高后降低，其中在350℃时含量最高。成分二先升高后降低，在325℃时含量最高。成分三在150℃和375℃有两个峰，其中375℃时含量最高。

6、植物生长实验：

将去离子水湿润的滤纸置于一个培养皿(90mm直径)中，10粒小麦种子置于滤纸上，在培养皿中加入10ml土壤渗滤液。并用铝箔包装培养皿使种子处于黑暗中，并将培养皿放在生长室的相对湿度65％，日夜温度25/20℃，光照强度为1000lx，在黑暗中发芽4d后，再加入15ml土壤渗滤液去掉铝箔使发芽种子进行光照生长7d。步骤3中提及的多组土壤渗滤液均分别按照此方法操作。

水培7d后，测量小麦的根长与茎长，如图2所示。图2为本发明实施例1小麦的根长与茎长随热解温度变化的生长情况图，其中，blank组中的小麦生长水培溶液为去离子水，untreated组中的小麦生长水培溶液为未热解的石油烃污染土壤样品的土壤渗滤液。

从图2中可以看出，各组的幼苗茎的长度基本相同，说明dom对茎没有促进和抑制作用，因此，dom的变化对小麦幼苗茎的生长速率几乎没有影响。幼苗茎不能与污染物直接接触，因此具有较高的耐受性。而根系与污染物直接接触，导致根系受到更明显的损害。当温度低于300℃时，根系生长基本不受dom的影响。土壤以解吸为主，在低温下石油烃的组成没有发生变化。结合suva254，dom在热解吸阶段的芳香度大于热分解阶段的芳香度。与低分子量组分相比，高分子量组分溶解困难，毒性较低，因此，未进行热分解的油污染土壤释放的dom对植物生长的影响不大。在325℃和350℃时，与对照组(blank组)相比，根长分别减少了12cm和6cm，说明dom明显抑制了根系的生长，主要是因为在这个温度下，受石油污染的土壤开始分解，产生了一些小分子碳氢化合物。

7、pearson相关性分析：

实验得到的光谱指数与植物毒性之间的成对相关性可以通过皮尔逊积矩相关计算。用originpro2018c进行相关性显示，显著性水平设为p<0.05。

图3显示了由皮尔逊积矩相关确定的光谱指数和植物毒性之间的关系图。图3是光谱指标与植物生长的pearson相关性图。相关结果显示小麦根的生长与成分一、成分二以及s275-295负相关，表明小麦根的生长发育主要受到溶液中溶解性有机物质的成分类型及平均分子量的大小的影响，成分一、成分二含量越多，平均分子量越大，对小麦根的生长抑制作用越大，对环境的影响越大，因此可用来评估以及预测渗滤液中溶解性有机物的环境影响。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。