（油气储运工程专业论文）石油污染土壤的翻耕生物修复技术研究.pdf

s t u d y i n g o i lt h eb i o r e m e d i a t i o nt e c h n o l o g i e s o fp e t r o l e u mp o l l u t e ds o i l l a n df a r m i n g l i uy a n s h u a n g ( o i l & g a ss t o r a g e & t r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l ic h u a n x i a n a b s t r a c t o nr e a d i n gr e l e v a n tl i t e r a t u r e sa n d a n a l y z i n gt h em e t h o d s ，t h i sp a p e rf o c u s e so i lt h es o i l t y p ea n dt h ep h y s i c a l - c h e m i c a lf e a t u r e so ft h et r a n s p o r t i n go i lo nt h ew a yo ft h en o r t h e a s t p i p e l i n ea n dl a n c h e n g y u ( s h o nf o rl a n z h o u ，c h e n g d ua n dc h o n g q i n g ) p r o d u c tp i p e l i n e ，t o s t u d yt h ec r u d eo i lp o l l u t e dn o r t h e a s tc l a y e yl o a m ，g a s o l i n ea n dd i e s e lo i lp o l l u t e d l a n c h e n g y u o e s sa n dl a n c h e n g y uc l a y e yl o a m ，w h i l ec h o o s i n gt h ep r a c t i c a l l ys o i ll a n d f a r m i n gb i o r e m e d i a t i o nt e c h n o l o g y ，w h i c hs t a r t i n gw i t hs o i lh u m i d i t y ，l a y e rt h i c k n e s s ，f a r m i n g f r e q u e n c y ，( p o l l u t e ) o i lt y p e ，o i la n dg a sc o n s i s t e n c y ，n u t r i t i o nm a t c h i n ga n dc h e m i c a l c o n d i t i o n e r ，t ot a k eo r t h o g o n a ie x p e r i m e n to nt h eo p t i m i z a t i o nb i o r e m e d i a t i o na n df i n a l l y c o n f i r mt h eb i o r e m e d i a t i o nf a c t o r st o s p e c i f i co i lt y p e t h e nf o l l o w i n gt h eo n h o g o n a l e x p e r i m e n t a lp o i n t st ot e s tt h el o n gp e r i o dr u n n i n ge f f e c ta n db i o r e m e d i a t i o ns i m u l a t i o n e x p e r i m e n t ，r e v i e wt h em a i nf a c t o r so ns o i ll a n df a r m i n ga n dc o n f i r mt h em a i ne x p e r i m e n t i a l p a r a m e t e r s ，w i t ht h ea i mt oe c o n o m i c a la n dp r a c t i c a lb i o r e m e d i a t i o n t e c h n o l o g i e s o f p e t r o l e u mp o l l u t e ds o i l t h i ss t u d yh a sg a i n e dt h ef o l l o w i n ga c h i e v e m e n t s ： ( i ) h a sc o n f i r m e dt h eb e s ts o i ll a n df a r m i n gb i o r e m e d i a t i o nc o n d i t i o no fc r u d eo i l p o l l u t e dn o r t h e a s tc l a y e yl o a m ，g a s o l i n ea n dd i e s e lo i lp o l l u t e d l a n c h e n g y ul o e s sa n d l a n c h e n g y uc l a y e yl o a m ，t h i sc o n d i t i o nc a nb o t he n s u r et h er a t eo f t h ep o l l u t ew i p i n g - o f fa n d i m p r o v ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y ( 2 ) s y s t e m i c a l l yd i s c u s sa n ds t u d yt h eb i o r e m e d i a t i o nm e t h o do fp e t r o l e u mp o l l u t e d s o i lb o t ho nt h e o r ya n dp r a c t i c e ，w h i c hs e t t l et h eg r o u n d w o r kf o rt h ec o m i n gs t u d i e s ( 3 ) t h en a t u r a lc o n d i t i o n e ri nt h ee x p e r i m e n ti sv e r yc o m m o na n de c o n o m i c w h i c hi s p r o v e da st h eb e s tc h o i c e ，o nc o m p a r i n gw i t ht h ef o r m e ro x i d a n to rs u r f a c e a c t i v ea g e n t ，t h e d e g r a d a t i o ne f f e c ti sa l m o s tt h es a m e b u tt h ec o s th a sb e e nc u tal o t k e yw o r d s ：l a n df a r m i n g ，p e t r o l e u mp o l l u t e ds o i l ，b i o r e m e d i a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：童娅 日期：年月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电予版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名：一 日期： 日期： 年 年 月 月 口 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 土壤是人类赖以生存的自然资源，也是人类生态环境的重要组成部分。土壤是地球 表面的一个脆弱的圈层，在人类肆无忌惮的开发活动中承受着巨大的污染压力。土壤污 染不但使土壤生产能力下降，影响作物产量与品质，而且涉及大气和水环境质量，也会 通过土壤、植物、动物和人类之间的食物链，使某些有害污染物在农产品和人体中富集 起来，其浓度与土壤中污染物的原始浓度相比可以成千上万倍地增加，从而危害人类的 健康和生命。 石油的主要成分包括烷烃、烯烃、苯、甲苯、二甲苯等多种复杂芳香烃，这些物质 毒性大，很多种类具有致癌、致畸、致突变作用，因此被列为重要污染物。 在开采、运输、储藏、加工石油过程中，由于意外事故或管理不当，排放到土壤、 地下水、海洋，使环境遭受石油污染，直接危害人类生产与生活。随着工业的发展，对 石油的需求量人幅度增加，使得开采面积不断扩大，石油化工工业迅速发展，石油产品 广泛使用，世界范围内的土壤石油污染十分普遍而且非常严重。 1 1 土壤石油污染的种类和来源 土壤中的石油污染物主要包括原油和各类石油产品，如汽油、柴油、煤油、润滑油 及各种油的分解产物。土壤中石油污染的来源是多方面的，主要包括： 溢油和泄漏 在石油勘探与开采、储运、炼制、加工及其使用的过程中，由于操作不当或事故等 原因，常会有石油及石油制品的泄漏或溢出。例如，油田开发过程中的井喷事故；输油 管线和储油罐的泄漏事故；油槽车和油轮的泄漏事故；油井清蜡和油田地面设备检修； 炼油和石油化工生产装置检修掣引。 当这些现象发生在陆地时，大量的油类便直接进入土壤而造成土壤污染。 油页岩矿渣的堆放和施用 油页岩是石油工业的重要原料之一，其开采、冶炼时会产生大量的含油矿渣。这些 矿渣往往堆积在厂矿区周围。在堆放过程巾，经降水的冲刷、淋洗，便向周围土壤中浸 入相当数量的油，致使污染土壤中石油类含量比对照区高出数倍。油页岩矿渣经适当处 理后町作为有机肥和土壤结构改良剂施用，但若长期施用，也会导致土壤含油量增加。 污水灌溉 污水灌溉是农田土壤受到石油污染的主要原因之一。许多工业废水如石油开采、冶 第一章绪论 炼、加工和以石油为原料的化工部门排放的废水中含有大量的石油类污染物，长期使用 这类污水灌溉农田，必然导致土壤中含油量的增高。 大气污染 石油冶炼、石油化工厂的生产过程中，都有部分可挥发的石油成分进入大气，这些 成分可与大气中的颗粒物结合成降尘进入土壤。此外，各种使用汽油、柴油的车辆排出 的废气中也含有大量未燃烧的石油成分，这些成分也会以沉降物的形式进入土壤。因此， 公路两侧的土壤中往往含有较多的石油污染物。 药剂施用 油类经常作为各种杀虫剂、防腐剂和除草剂的溶剂或乳化剂，当使用这些农药时， 油也同时进入土壤，从而增加了土壤中的油类含量。 1 2 土壤石油污染现状及其危害 据统计，全世界每年约有8 0 万吨石油进入环境。2 0 0 1 年，美国存有的3 0 0 万个地下 储油罐中发生泄漏的约为5 0 万个【3 】：英国3 0 以上的加油站及几乎所有的化工厂、炼油 厂等均存在严重的油类污染；荷兰迄今为止记录的石油污染场地有十万处之多：我国有 面积达数十万公顷的石油开采区和化工区，含油废水任意排放及石油开发过程中的各种 事故也造成了严重的土壤石油污染。统计表明，平均作业一口井残留在地面的落地油约 l t 。目前，我国石油企业每年产生落地油约7 0 0 万吨，一般井场周围污染半径在1 0 0 0 一 2 0 0 0 m 之问，井口周围5 m 范围内为最严重污染区，地面呈黑色，经雨水冲刷污染范围还 会不断扩大。对我国北方油田土壤石油污染状况的调研表明f 4 1 ，大庆油田和华北油田采 油井周边土壤石油污染严重，含油量在4 8 1 0 4 m g k g 7 7 x 1 0 4 m g k g 之_ _ i h - 。大庆油田石 油开发区污染土壤面积超过7 5 ，农业开发区污染面积超过2 0 。 石油大量溢出，应当尽可能予以回收，但有的情况下回收很困难，即使尽力回收， 仍会残留一部分，对环境造成污染。石油进入土壤后，会破坏土壤结构，影响土壤的通 透性，降低土壤质量：油污粘着在植物根系上，形成一层粘膜，阻碍植物根系对养分和 水分的吸收，引起根系腐烂，影响农作物生长1 5 】；石油富含的反应基能与无机氮、磷结 合并限制硝化作用和脱磷酸作用，从而使土壤有效氮、磷的含量减少，影响作物的营养 吸收：石油中的多环芳烃具有致癌、致畸、致突变等作用，并能通过食物链在动植物体 内逐级富集，它在土壤中的累积更具危害性；石油烃中不易被土壤吸附的部分能渗入地 下污染地下水。目前，世界上约l 的地下水受到了石油污染。我国部分石油化工区， 土壤石油污染导致的地下水水质恶化问题突出，局部地区地下水中油含量高达2 0 - - 2 中国，r i 油大学( 华东) 硕士学位论文 3 0 m g l 一，苯含量高达2 0 5 0 m g l ，对当地工农业生产造成严重危害。这种人为造成 的石油污染，如不采用人为的办法柬治理，而仅靠自然界的力量来清除，其周期太长， 效率太低。石油污染土壤的修复技术是当前学术界研究的热点之一，寻求经济、有效、 安全、简便的方法来清除土壤石油污染是所有研究者的共同目标【6 1 。 1 3 土壤石油污染修复技术概述 随着土壤污染范围的扩大和程度的加深，其危害性逐渐被认识，近些年来，世界各 国开始重视污染土壤治理技术的研究，欧美诸国已投入大量财力、人力开展土壤污染的 修复。污染上壤的修复技术研究成为当前环境保护工程科学和技术研究的一个新热点。 1 9 9 5 年仅德国就投资6 0 多亿美元研究土壤修复；美国已投入1 0 0 多亿美元对一万多个政 府超级基金项目中的上千个开展土壤( 包括地下水) 修复技术研究的项目进行资助。 石油污染土壤的处理技术研究，按其性质可分为3 种：物理方法、化学方法和生物 方法，有些修复技术已经进入现场应用阶段并取得了较好的治理效果。2 0 世纪8 0 年代 以前的石油污染治理所使用的主要是前两种方法，前者通过焚烧等方法破坏大部分有机 污染物，但同时也破坏了土壤结构和上壤组分，且价格昂贵很难实施；后者采用化学浸 提。这些方法所需时间短、见效快，有一定的实效，但存在较明显的缺陷：治理不彻底、 费用昂贵或者所采用的化学试剂会引起二次污染。 生物修复技术主要指微生物处理技术，它利用污染土壤中的土著微生物或向污染土 壤中注入经驯化的高效微生物，提供该类微生物生长所需的养分和能量，通过其生命活 动造成石油烃物质断链、分解成为低分子量的无污染物。与以往的物理方法或化学方法 相比，微生物修复技术具有独特的优点：可以处理大面积污染土壤，处理费用低，仅 为焚烧法的1 2 1 3 ：处理效果好，经过生物治理，污染物残留量可以达剑很低的水平； 可以就地处理，避免了二次污染，节约了处理费用；能够保持或改善植物生长的土 壤结构；对环境的影响小，其最终产物为c 0 2 、水和脂肪酸等，对人类无害。 但是我国现阶段还相对缺乏有关的研究成果和工程实例，有必要在这方面进一步加 大研究的力度和经费投入，使土壤牛物治理技术更加完善、高效和成熟，加快我国的牛 态环境恢复与建设的步伐。环境污染的生物修复技术是我国今后治理环境污染必须发展 的生物技术，具有广阔的市场和发展前景。 1 3 1 物理方法 ( 1 ) 焚烧法 3 第一章绪论 只适于小面积被石油烃类严重污染土壤的治理，焚烧法要求温度在8 1 5 1 2 0 0 。c 之 间，而且对焚烧过程中可能产生的有毒物质要进行收集处理，进入焚烧炉的土壤颗粒直 径不得大于2 5 m m 。该方法不适用于大面积污染土壤，原因是处理成本过高( 7 1 。 ( 2 ) 隔离法 采用粘土或其它人工合成的惰性材料，把被石油烃类污染土壤和周围环境隔离开 来，这一方法没有破坏石油烃类，只是防止了污染物质向环境( 土壤、地下水) 的迁移。 由于石油烃类对隔离系统不会产生影响，所以这一方法适合于任何石油烃污染土壤的控 制。对于渗透性差的地带，尤其比较适用。此法与其它方法相比，运行费用较低，但对 于毒性期长的石油烃类，只是暂时地防止了石油烃类的迁移，不能作为永久的治理方法 【8 1 o ( 3 ) 换土法 换土法是用新鲜未受污染的土壤替换或部分替换原污染土壤，以稀释原污染物浓 度，增加土壤环境容量。换土法又可分为翻土、换土和客土3 种方法。翻土就是深翻土 壤，使聚集在表层的污染物分散到土壤深层，达到稀释和自处理的目的。换土就是把污 染土壤取走，换入新的干净土壤。该方法适用于小面积严重污染土壤的治理，但足对换 出的土壤需进行治理。在操作过程中，操作人员将接触到污染土壤，人工费用较高，故 一般仅适用于事故后的简单处理。客土法是向污染土壤内加入大量的干净土壤，盖在表 层或混匀，使污染物浓度降低或减少污染物与植物根系的接触。对于水稻等浅根作物和 移动性较差的污染物，采用覆盖法较好。新加入的土壤应尽量选择粘重或有机质含量高 的土壤，以增强土壤的自净能力【9 1 。 ( 4 ) 热熔法 将石油污染的土壤放入搅拌容器中，按一定比例加入8 0 左右的热水，按一定的搅 拌速率，搅拌反应一段时间后静置分离，对熔解在水中的原油进行网收。此方法适用于 土壤颗粒大于2 5 m m 的污染土壤。石油烃的去除率在5 0 左右。 ( 5 ) 物理吸附法 被油污染的土壤，上面覆盖废棉花，并撒上吸附剂，盖上帆布：最后将吸有油的棉 花收集起来，统一焚烧。目前国内已经有生产吸附材料的厂家，但主要针对的是少量的 工作操作溢油。如果用于大面积的i 1 i 漏油品处理，费用较高。 1 3 2 化学方法 ( 1 ) 萃取法 4 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 根据相似相溶原理，使用有机溶剂对石油污染土壤中的原油进行萃取，然后对有机 相进行分离，回收其中的原油，实现废物的资源化。此方法适于油污浓度较高的土壤。 处理后的石油污染土壤污染物含量可低于5 。 ( 2 ) 土壤洗涤法 将污染土壤破碎，混入足够的水和洗涤剂，得到土壤、水和洗涤剂相互作用的浆液。 静止、使污染物与洗涤剂一起上升，从水相巾将部分脱除污染物的土壤分离出来。重复 前述步骤使土壤与水混合，并加入微生物活性剂和h 2 0 2 ，使污染物降解。将土壤分离出 来，洗涤土壤后归入环境。过滤有污染物的水，将水排出，或将污染土壤放入容器内， 将表面活性剂与水混合制成洗涤水，表面活性剂为8 1 5 c 的直链醇与2 - 8 个环氧乙烷单 元的加成物。洗涤水加入到容器中，用洗涤水沈污染的土壤，并除去土中的油。为了防 止油和洗涤水形成乳化液，限制表面活性剂的量少t - o 5 ( 体积百分比) ，从容器中除去 油【10 1 。 ( 3 ) 化学氧化法 向被石油烃类污染的土壤中喷撒或注入化学氧化剂，使其与污染物质发生化学反应 来实现净化的目的，化学氧化剂有臭氧、过氧化氢、高锰酸钾、二氧化氯等。其中二氧 化氯对石油烃类有较高的清除效率，氧化反应可在瞬间进行，且二氧化氯的造价较低， 用起来比较经济。化学氧化法适合于土壤和地下水同时被石油烃类污染的治理，可配合 曝气装置，抽出的地下水经曝气塔后，大部分的挥发物质被消除，向从曝气塔流出的水 中注入氧化剂后，再回灌于土壤，使氧化剂充分和土壤、地下水接触。在治理过程中， 需预先确定地下水污染带的位置。再决定抽水井的位置和注水井的位置，抽水井应设立 在地下水污染带上，注水井则应布置在土壤污染较强的位置。化学氧化法不会对环境造 成二次污染，但操作比较复杂l 。 ( 4 ) 光催化法 在有o2 存在的条件下，太阳光就具有足够的能量使石油烃发生氧化分解。但这种 自然降解比较慢，如能加入正催化剂降解速率就能显著增加。目前研究所用的催化剂有： 氧化锌、氧化钨、硫化锌、二氧化钛等光催化剂。此法虽利用了太阳能，但历时较长， 石油烃的去除率不高，因此要大幅度地去除石油烃还需要进一步研究。 ( 5 ) c s p 法 c s p 法( c l e a ns o i lp r o c e s s ) ，即净化土壤工艺，它是目前很有前途的一种方法。由美 国电力研究所、1 ；t t f l 塔科研委员会及由政府和私营组织组成的联合体所赞助的研究项目 5 第一章绪论 “煤加工发展计划”中开发的c s p 工艺，在试验室和扩大试验的基础上己由阿伯塔埃德蒙 顿热电设计院设计建造了一个处理量为1 2 t h 的工业厂，其厂址位于阿伯塔e l k 处的一 个炼油厂，1 9 9 8 年处理石油污染土壤2 7 万m 3 。该工艺类似于土壤清洗工艺，不同的是 它采用煤吸附起到了更好的净化效果。该法用含碳的物料( 如煤和焦炭) 当作吸附物，在 9 0 c 和强烈搅拌下通过煤表面强力吸附烃基污染物，然后用重选或浮选法将干净的土壤 和吸附有烃基化合物的煤分开。此法可处理被原油、重油和来自煤里面的柏油以及其它 石化产品污染的土壤1 12 1 。 1 3 3 生物修复技术 生物修复是指利用生物的生命代谢活动减少土壤环境中有毒有害物质的浓度或使 其完全无害化，从而使被污染的土壤环境能够部分或完全地恢复到初始状态的过程f 3 】。 广义的生物修复包括植物修复、动物修复和微生物修复，狭义的生物修复是指微生物修 复。微生物法是利用微生物自我调控机制以及微生物对污染物的综合净化功能处理土壤 中的石油类污染物，使它们在微生物的新陈代谢过程中得到较为彻底的转化和降解，而 且最终产物是c 0 2 和水，不会产生二次污染，是应用前景最为乐观的土壤石油污染物处 理方法。 在国外，尤其是美国和欧洲，污染土壤的微生物修复技术已走出试验室，并在许多 受有毒、有害有机物污染的土壤修复计划中得到了应用。美国e p a 的s p i l lp r e v e n t i o n ， c o n t r o l ，a n dc o u n t e r m e a s u r e ( s p c c ) 和1 9 9 0 年的o i lp o l l u t i o na c t 及其2 0 0 2 年修正的最 终法案已将其作为原油污染土壤修复的首选措施。近年来，国内外在生物法修复石油污 染土壤方面开展了深入的研究1 4 - 1 8 ，并认为用微生物处理落地油和含油污泥污染土壤是 一种可行的方法。 1 3 3 1 生物修复的基本原理和特点 微生物具有氧化、还原、分离以及转移和变换元素周期表中大部分元素的能力。土 壤生物修复的基本原理是利用土壤中天然的微生物资源或人为投加的目的菌株，甚至用 构建的特异降解功能菌投加到污染土壤中，将滞留的污染物快速降解和转化成无害的物 质，使污染的土壤部分或完全恢复到原始状态、恢复其天然功能。由于自然的生物修复 过程一般较慢，难于实际应用，因而生物修复技术是在人为促进条件下的工程化生物修 复，利用微生物的降解作用，去除土壤巾石油烃类及各种有毒有害的有机污染物。降解 过程可以通过改变土壤理化条件( 温度、湿度、p h 值、通气及营养添加等) 来完成，也 6 中国钉油大学( 华东) 硕士学位论文 可接种经特殊驯化与构建的工程微生物提高降解速率【1 9 】。 按对氧气的需求情况来分，微生物主要以两种方式降解污染物，即好氧降解与厌氧 降解。按利用污染物的情况来分，微生物主要以两种方式进行代谢：以污染物作为唯一 的碳源和能源；污染物与其它有机质进行共降解。微生物通过不同方式最终将污染物转 化为稳定、无毒的终产物如水、二氧化碳、简单醇或酸及微生物自身的生物量。 ( 1 ) 好氧与厌氧降解 一般来说，石油污染土壤和地下水的生物修复都采h j 好氧方法，其原因是：好氧 系统对石油碳氢化合物降解的速率比缺氧系统快得多。缺氧系统需要隔绝空气，对于 土壤和地f 水环境，很难达到这一要求；而好氧系统无此特殊要求。好氧系统的最终 产物为c 0 2 、h 2 0 等，对人体无害：而缺氧系统产生的c l - h 、h 2 s 会对环境造成新的污 染。 好氧微生物降解一直是石油污染物的主要处理方式，对其已有较深的研究。在好氧 微生物细胞内，稠环芳香烃的第一步往往是由加氧酶启动的，例如单氧酶和双氧酶。单 氧酶将一个氧原子引入p a h s ( 多环芳烃) ，产生环氧化合物中间体，然后通过水分子的加 成形成反式一二醇和酚类：双氧酶将氧分子引入p a h s ，产生二氧化合物中间体，继而 氧化为顺式一二醇，而后转化为二羟基化合物，接着苯环断开生成羧酸。降解中的产物 被微生物用来合成自身的生物量，同时产生水和c 0 2 【2 0 1 。 近年来，对石油污染的厌氧处理开始引起国内外研究者的关注。与好氧处理相比， 厌氧处理有优点也有缺点。在好氧条件下，低环芳烃会被好氧微生物降解，但四环以上 的多环芳烃却无明显降解效果。厌氧微生物在n 0 3 、s 0 2 厶、f e 3 + 等作为电子受体的条件 下，能降解部分好氧处理不能降解的物质。但厌氧菌的培养速度和对污染物的降解速度 却比好氧处理慢得多( 2 。 研究表明，石油污染物在自然条件下的厌氧处理能否进行的关键在于厌氧微生物所 处环境受石油污染的时间长短，这是由于土壤微生物需要对环境有一个适应的过程，污 染时间越长，土壤微生物就越能适应，从而能产生出相应的降解酶。另外，电予受体对 厌氧降解的影响也很大。在有混合电子受体的条件下，更有利于石油烃的降解，故可通 过加混合电子受体的方式加强修复。但必须注意电子受体的添加量，当硝酸盐过多未被 微生物利用完全时，就可能会产生次生污染；硫酸盐还原后还会产生h 2 s ，产生恶臭和 毒害f 2 2 - 2 3 1 。 ( 2 ) 共代谢 7 第一章绪论 在降解有机污染物工程中，微生物菌群之间存在着多种关系。其中，共代谢是目前 研究的热点，它对去除四环以上多环芳烃有较好的效果。共代谢作用是指微生物在生长 基存在的情况下对非生长基的降解，降解的巾问产物又会被另外一种微生物所代谢，最 后污染物完全矿化( 2 4 】。 在微生物共代谢反应中产生的既能代谢转化生长基质又能代谢转化目标污染物的 非专一性的酶，是微生物共代谢反应发生的关键，囚此这种酶也被称为关键酶。真菌分 泌的单氧酶和细菌分泌的双氧酶是目前好氧共降解中主要的关键酶。关键酶通常处在反 应的前端或末端，它的数量和活性是决定整个反应进行速度和程度的关键。研究表明【2 5 1 ， 在没有生长基的条件下，关键酶消失的速度比微生物细胞数量减少的速度要快的多，可 影响整个降解速率。 关键酶的一个重要特点是具有可诱导性，即微生物以一定浓度的目标污染物的类似 物作为生长基质时，能合成并释放关键酶。同时，在选择诱导物的时候，要考虑其成本、 毒性、与非生k 基对关键酶的竞争等方面的因素。虽然高浓度的生k 基能够增加微生物 的数量和提高关键酶的浓度，但同时也会与目标污染物在共代谢的过程中竞争关键酶上 有限的活性位置，反而限制了目标污染物的降解。但在没有诱导物存在的情况下，条件 很难控制，关键酶减少的速度相当快【2 6 l 。 油污土壤中含有多种多环芳烃，如果能在试验室中模拟具体污染区中的各种多环芳 烃的比例，选择并培养驯化相应的微生物对污染物进行共代谢，就能避免投加诱导物， 避免夕l - 力n 的其它污染。 1 3 3 2 生物修复技术的种类 土壤污染的生物修复方法按照是否移动受污染的土壤分为原位生物修复和异位生 物修复。 原位生物修复是污染土壤不经搅动，不破坏土壤的基本结构，在原位和易残留部位 进行处理，向污染区投放n 、p 营养物质或供氧，促进土壤中依靠有机物作为碳源的微生 物生长繁殖，或接种经驯化培养的高效微生物等，使土壤与降解菌充分接触，利用其代 谢作片j 达到消耗石油烃的目的。该法适合遭受大面积污染、渗透性好的不饱和土壤的治 理，成本较低，效果较好。 原位生物修复操作简单，通常允许污染区的商业运转照常进行。但所需时间较长， 需6 个月至数年不等，而且较难严格控制，受土壤的渗透性、烃污染物的种类及浓度、 土壤温度、土壤营养水平、接种的微生物种群和清除所需要达到的标准等的影响。 8 中围石油大学( 华东) 硕士学位论文 异位生物修复是指将污染土壤挖掘出，将其运送至异地的专门场地集中起来进行生 物降解处理的方法，最后将处理后的土壤放回原处或置于其它场地。异位生物处理可以 通过设计和安装各种过程控制器或生物反应器，来产生有利于生物降解的条件。 异位生物处理与原位生物处理相比费用高、但治理过程可控性强，处理时间短、治 理较彻底，一般用于以下几种情况：污染急于治理；污染面积不大，污染物浓度很高； 环境条件复杂，现场治理较难等。 ( 1 ) 原位生物修复 原位生物修复包括投菌法、生物培养法、生物通气法、翻耕法等。 投菌法 直接向遭受污染的土壤接入外源的污染降解菌，同时提供这些微生物生长所需要的 营养，包括常量的营养元素和微量的营养元素。常量营养元素包括氮、磷、硫、钾、钙、 镁、铁、锰等，其中氮和磷是土壤微生物治理系统中最主要的营养元素。微生物生长所 需的碳、氮、磷质量比大约为1 2 0 ：1 0 ：l 眇2 引。 据2 0 0 1 年6 f 1 6 i q 中国石化报第0 0 4 版的相关报道，印度石油公司花6 万欧元购得的 由塔塔能源研究所生产的“石油杀手”，经过6 年的试验，已清除t 8 0 0 0 多吨石油垃圾。“石 油杀手”是一种用于清除石油炼油垃圾的1 0 0 的天然产品，由靠吃碳氢化合物的各种成 分为生的5 种细菌组成，1 0 k g 一包的石油杀手可处理i t 垃圾，经清除后最终只留下了土壤 和肥料。 生物培养法 采用土著微生物对之富集培养后处理含油土壤，定期向土壤中投 j i h 2 0 2 和营养物， h 2 0 2 则在代谢过程中作为电子受体，以满足土壤微生物代谢，将污染物彻底矿物化为c o 和h 2 0 。 研究认为，通过提高受污染土壤中土著微生物的活力比采用外源微生物的方法更可 取，因为土著微生物已经适应了污染物的存在，外源微生物不能有效地与土著微生物竞 争，只有在现存微生物不能降解污染物时，才考虑引入外源微生物1 2 9 j 。 孟庆云等从华北油田石油污染土壤巾分离出m c 1 0 9 菌株，g y o r g yb a r a b a s 等从科 威特巴尔干油田分离出链霉素，丁克强等用土著真菌进行治理。其中效果最显著的是工 洪君等从冀东油田含油土壤中富集培养微生物，采用加水、增加土壤孔隙度等方法，l8 3 天后土壤的原油浓度从8 5 9 k g 下降到1 6 9 k g ，降解率为8 1 6 3 0 3 1 】。 生物通气法 9 第一章绪论 这是种强迫氧化的生物降解方法，在污染的土壤上至少打两口井，安装鼓风机和 抽真空机，将空气强排入土壤中，然后抽出，土壤中挥发性的有毒有机物也随之去除。 在通入空气时，可以加入一定量的氧气和营养液州、p 等) ，可以为土壤中降解菌提供营 养，促进其降解活性提高。其除了具有生物修复的特点外，还有如下优点：治理装置安 装方便，操作方便有效；对实施地产生的干扰小；治理费用较低；不用进行尾气处理。 此方法适用于深层土壤石油烃的治理，生物通气法生物修复系统的主要制约囚素是 土壤结构，不合适的土壤结构会使氧气和营养_ 元素在到达污染区域之前就被消耗，具有 多孔结构的土壤污染可以采用生物通气法来处理f 3 2 】。 土壤翻耕法 土壤翻耕法是一种广泛采用的处理土壤污染的方法，需要监测土壤水份和补充无机 营养物( n 、p 、k 等) ，耕作机械定期使污染物与营养物、微生物和空气充分接触，使 上部处理带保持好氧状裂3 3 1 ，可在几个月时问内使石油浓度从7 0 0 0 0 m g k g 降低到10 f t - - - 2 0 0 m g k g 。修复到1 0 0 m g k g 则需要更长的处理时间以及增加微生物、表面活性剂和频 繁的土壤翻耕，是一项节约成本的处理方法。这种方法的缺点是挥发性有机物会造成空 气污染【3 4 1 。 美国环保局( e p a ) 于1 9 8 9 年在阿拉斯加的威廉王子湾海滩实施的原油污染生物修 复项目，采用这种土壤耕作法，在8 0 k m 的海滩上施用了氮磷肥料，不至- j j 2 0 d 原油全部消 失3 5 1 。 值得说明的是，一般认为翻耕法属于原位处理方式，但是也可以采用异位处理方式。 翻耕法的原位处理方式，是指在原地对被污染土层进行耙耕，耙耕深度以0 2 - - - 0 4 m 为 宜，以使石油烃类与土壤均匀混合，并尽可能提供微生物代谢的好氧环境。翻耕法的异 位处理方式，是将被污染土壤从污染现场取出，均匀分散在处理场地表面，再按照原位 处理方法进行耙耕。 ( 2 ) 异位生物修复 异位生物修复方法包括预制床法、土壤堆肥法和生物反应器法。 预制床法 在不泄漏的平台上铺上石子和沙子，将受到污染的土壤以1 5 - - - 3 0 c m 的厚度平铺其 上，加入营养物和水，必要时也可以加一些表面活性剂，定期翻动土壤补充氧气，以满 足土壤中微生物生长的需要。处理过程中流出的渗滤液，回灌于该土层上，以便彻底清 除污染物。这一技术将污染土壤集中在生物修复预制床上，可保证理想的工艺条件与处 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 理效果，还可防止处理过程中污染物向环境转移，被视为一项具有广阔应用前景的处理 技术。 中科院沈阳应用生态研究所孙铁珩院士在试验室小试和现场巾试的基础上，采用 预制床处理工艺对辽河油田4 种不同类型的石油污染土壤进行实用规模的生物处理。稀 油、稠油、特稠油和高凝油污染土壤中总石油烃含量( t p h t o t a lp e t r o l e u mh y d r o c a r b o n ) 为2 5 8 - 、, 7 7 2 9 k g ，经过8 4 d 处理后，t p h 去除率达6 0 。 土壤堆肥法 土壤堆肥法是在_ 十壤中直接掺入能提高处理效果的支撑材料，如树枝、稻草、粪肥、 泥炭等易堆肥物质，使用机械或压气系统充氧，同时加入石灰以调节p h 值。经过一段时 间发酵处理，大部分污染物被降解，标志着堆肥的完成，经处理消除污染后的土壤可返 回原地或用丁农业生产。堆肥法包括风道式、好气静态式和机械式等3 种，其中机械式( 在 密封容器巾进行) 最易控制，可以间歇或连续进行。g i a n 等对汽油污染堆肥处理的研究表 明，动物粪草( p o u l t r yi i t t e r ) 中存在大量能降解石油烃的生物，它既能提供无机、有机营 养物质，又能起到接种作用。l i nj i a ne r 等研究了在堆肥处理装置中投加菌种和营养的方 法。他们将降解菌和菌体生长所需营养包埋于p v a 胶囊中或用聚氨基甲酸乙酯固定，掺 入所处理的土壤中，避免流失，明显提高了微生物降解速率f 3 7 】。 生物反应器法 生物反应器是用于处理污染土壤的特殊反应器，可建在污染现场或异地处理场地。 泥浆生物反应器是最灵活的方法，可以提供最大程度的控制，产生最理想的条件。污染 土壤用水调成泥浆，装入生物反应器内，控制一些重要的生物降解条件，提高处理效果。 还可用上批处理过的泥浆接种下一批新泥浆。泥浆生物反应器工作的典型流程是；土壤 挖出后进行预筛，筛玄大块部分，然后将土壤分散于水中( 一般2 0 5 0 重量浓度) 送入生物反应器，生物反应器可在好氧或厌氧条件下运转。当需氧时，经喷嘴导入氧气 或压缩空气，或通过加h 2 0 2 产生，达到处理目标后，将土壤排出脱水【3 8 】。 目前，生物反应器在国外已进入实用阶段，而国内仅作为试验室内研究生物降解速 率及影响因素的生物修复模型使用。荷兰一家公司研制出间歇操作每次装料5 0 吨的同 转式生物反应器。s a p o n a r o 通过反应器试验研究被p a h s 污染多年的煤气厂土壤采用生 物修复的可行性【3 9 j 。生物降解试验在土壤液体质量比为l ：1 0 的2 2 c 的泥浆反应器中进 行，取得了较好的修复效果。 1 3 3 3 生物修复影响因素的研究 第一章绪论 由于微生物降解依靠的是特定菌种的生理过程，相对于物理和化学方法处理而言， 微生物对石油污染物的降解作用受很多因素的影响。这些因素包括微生物的种类和活 性、微生物的数量、污染物的性质和浓度、土壤物理化学条件、营养物质的供给情况、 氧的供给情况等等。为了强化石油污染的生物治理过程，缩短污染治理周期，前人曾对 上述石油污染土壤生物修复的影响因素进行了大量的研究，以探求促进正向作用、抑制 负向作用的途径。 ( 1 ) 氮磷营养盐对微生物降解作用的影响 李秀艳、魏德洲、何良菊、郑龙熙认为【4 0 1 0 n 、p 营养物质的缺乏是影响十壤中石 油污染物生物降解的一个主要原因。相比较而言，生物对n 源的供给更敏感，但同时添 n n 、p 营养盐才能取得更好的降解效果。按质量计算的n 、p 浓度分别为8 5 m g 、1 5 m g 左右，添加比例在5 ：l 7 ：l 之间比较适宜。以洲h 4 ) 2 s 0 4 、n h 4 n 0 3 、n a n 0 3 、c o 洲h 2 ) 2 分别作为无机n 源( 包括胺盐和硝酸盐) 和有机n 源的代表，考察了它们的使用效果。试验 结果表明，在添加适量的情况下，4 种n 源对石油烃的微生物降解均有明显的促进作用。 而且无机n 源比有机n 源效果更好，硝酸盐形式的n l l 胺态n 更有利。合理添加营养盐促 进了微生物的生长繁殖，同时改变了体系的p h 值，有利于降解过程的进行。有机n 源同 时又作为c 源优先于石油烃而被利用，在一定程度上妨碍了石油烃的降解，i 天l 而不宜大 量使用。仅仅接种微生物而不添) n n 、p 营养盐对降解过程几乎不能起到强化作用， 在添加营养盐的基础上接种经驯化培养的高效微生物也具有较大的促进作用。 ( 2 ) 石油浓度的影响 石油浓度对降解有很大影响，在石油物质浓度过高时，会抑制微生物的活性，对微 生物利用氧和其它的营养盐产生一定的阻碍。d i b b l e 等报道，当向土壤中添加油泥使土 壤中烃浓度达1 2 5 - - 一5 时，土壤的呼吸强度增大，当烃浓度达到l o n , - t ，土壤的呼吸 强度不再增大，当烃浓度达到1 5 时，土壤的呼吸强度下降，表明油浓度太高会抑制微 生物的活性。降解率与石油浓度成负相关关系。j e n s o n 等研究了含油废弃物与土壤的质 量百分比在0 - - 一3 0 时，油的浓度对生物降解活性的影响，发现浓度为5 时，氧的吸收 率最高，这，- 与- d i b b l e 等的研究结果一致1 2 0 】。可见，将被处理的石油物质浓度控制在一定 范围更有利于石油的生物处理。 ( 3 ) 石油物理化学性质的影响 不同地区所产石油的组分和物理化学性质有一定差异，这对微生物的降解也存在影 响。有研究报道，用同一种微生物降解不同地区产的石油，有不同的降解效果，对同一 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 来源的石油在不同的地区进行污染试验，发现这些地区的微生物数量增值也有所不同， 这说明石油本身的性质对微生物的降解有影响。有人在试验中发现，石油的物理化学性 质如芳香烃或极性物质的含量，石油的粘度、沸点、折射率都与石油的降解率存在一定 的关系。因而，对石油物质进行生物修复处理时，石油的物理化学性质也是影响生物降 解和选择接种菌株的一个值得考虑的因素。 ( 4 ) 氧气的影响 石油的好氧生物降解过程中需要大量的电子受体，主要是溶解氧和n 0 3 。，在许多石 油污染区，供氧不足成为石油降解的制约凶素，尽管在缺氧条件下，厌氧微生物能够利 用m n 5 + 、f e 3 + 、s 0 4 2 。和c 0 2 作为电子受体，但石油降解速率往往较低。如地f 水的溶解 氧少，在受石油污染时，生物降解修复很慢，有人将地下水抽j l ，采h j 充氧回灌的方法 加强生物降解，取得很好的效果。 ( 5 ) 土壤湿度的影响 土壤湿度也是影响微生物活性的因素之一。土壤含水量过低，微生物得不到充足的 水分供应，细胞活性受抑制，自身代谢速率降低。反之，土壤含水量过高，有效毛细空 隙空间被水充满，就会阻碍微生物所需要的空气的进入，妨碍氧气的供应。一般认为， 土壤含水量达到1 5 2 0 时石油污染生物修复的效果最好。对于干旱地区的油污土壤 的治理可采取间断性的喷淋等手段以增强土壤的湿度提高微生物降解效率。 ( 6 ) 土壤温度的影响 b o s s e r t 等研究发现，在低温时，油粘度增加，有毒的短链烷烃挥发性下降，生物降 解起动滞后。随着温度的升高，烃代谢增加，一般在3 0 - - - , 4 0 c 达到最大，温度继续升高， 烃的膜毒性增大而使代谢减少【4 。丁克强等【2 0 】研究发现，随温度升高，微生物增多， 活性增大，降解率提高，温度从2 0 升全3 0 时止构烷烃的降解率增加一倍。而温度由 2 0 降至1 0 时，重质油的降解率减低5 0 - - 6 0 ，轻质油降解率减i 1 9 3 0 4 0 。对 于好氧菌来说，最佳的降解温度一般在1 5 3 0 。c 。 因此，对微牛物降解的土壤环境特别是气温低的地区进行温度控制是十分必要的。 其中热通风是寒冷地带石油污染土壤修复的必要手段，在污染土壤的现场操作q j 热通风 至少可采用以下三种方式：热空气注射、蒸汽注射和电加热，其中电加热通常是在土壤 中填埋电极，通入高频电流对介质加热，是一种很有应用前景的强化技术。 ( 7 ) 土壤p h 土壤p h 的变化会引起微生物活