（环境工程专业论文）孔隙含水层中btex的污染特征与生物降解作用实验研究.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 地下储涮罐、石油工业废水泄漏或排放引起地下水遭受汽油和其它石油烃的污染是一 个普遍而严重的环境问题。汽油及其它燃油。均含有芳香烃苯、甲苯、乙苯和二甲苯的同分 异构体( b e n z e n e 。t o l u e n e ，e t h y l b e n z e n e ，x y l e n e i s o m e r s ，简称b t e x ) 。由于b t e x 化合物具 有相对较高的溶解度且容易迁移，是饮用水标准严格限定的“三致”化合物。因而也是地 下水污染物报道中最为频繁的芳香烃类化台物。 对广西某炼油厂现场调查表明，许多这些溢出物在浅层地下水系统中能够自然衰减。为 了进一步研究这些石油烃污染物在浅层地下水系统中的迁移分布特征及其自然去除的机理， 在实验塑构筑一个孔隙含水层实验模型和两组厌氧含水层模拟柱，通过投注汽油模拟石油烃 污染泄漏来开展模拟实验研究。 在孔隙含水层实验模型中，通过抽注循环系统模拟地下水流动，石油烃b t e x 溶解组分 在分子扩散和水动力弥散作用下向四周扩散迁移，并在水流流速最大的方向上迁移最快、最 远，从而在平面上形成羽状污染带。对于含水层中溶解性的污染带，如不考虑延迟因素b t e x 污染物将随地f 水以1 3 1 5 m d 的平均流速迁移而擐大迂穆速率达到3 i ，6 9 m d ：如考虑延迟 因素，b t e x 污染物的迁移速率则随着含水层介质中有机质含量的增加而相应减小。三组实 验研究表明b t e x 溶解组分浓度均能够自然衰减，影响的因素主要有吸附、挥发和生物降 解，其中生物降解是最主要的影响因素。根据曲线拟合结果，b t e x 的衰减过程总体上符合 有机化合物的级衰减动力学方程，而乙苯和二甲苯在铁和硫酸盐还原条件f 的衰减过程符 合有机化合物的零级衰减动力学方程。总的b t e x 衰减速率系数在以好氧、硝酸盐还原、铁 和硫酸盐还原作用为主的条件下分别是o 1 0 2 1 、0 0 6 3 5 、o 0 1 5 8 d - 1 。在b t e x 各溶解组分中， 最容易衰减的是甲苯，而最难衰减的组分在以好氧和硝酸盐还原作用为主的条件下是苯 在以铁和硫酸盐还原作用为主的条件下是乙苯。 另外，两组厌氧含水层模拟柱的对比研究表明，在三价铁和硫酸盐同时存在的严格厌氧 条件下，尽管n 0 3 的氧化性比f e ( i i i ) 和s q 。强，但f e ( i i i ) 和s 0 4 2 将比n 0 3 优先被微生 物利用作电子受体。而三价铁低的溶解度限制了铁和硫酸盐还原条件下的生物降解速率。 论文的研究意义在于通过对污染物自然衰减监测决定是否需要合适地选择增加含水层 中电子受体的浓度以及投洼点，以有助于内在生物降解能力的增强，从而能够提高含水层中 污染物去除的效果。 关键词：孔隙含水层；石油烃；b t e x 污染：自然衰减 生物降解；物理模型；含水砂柱 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t i ti sas e r i o u sa n dc o m m o ne n v i m n m a n t a lp r o b l e mt h a tg r o u n d w a t e rs y s t e m sa r cc o n t a m i n a t e d b yg a s o l i n ea n do t h e rp e t r o l e u mh y d r o e a r b o u sf r o ml e a k i n go fu n d e r g r o u n ds t o r a g et a n k so rf r o m d i s c h a r g i n go fp e t r o l e u mr e f i n i n gi n d u s t r ys e w a g e g a s o l i n ea n do t h e rf u e l sc o n t a i ns u c ha r o m a t i c h y d r o c a r b o n sa sb e n z e n e ，t o l u e n e ，e t h y l b e n z e n e ，a n dt h ev a r i o u sx y l e n ei s o m e r s ( b t e x ) b e c a u s e b t e xc o m p o u n d sa r er e l a t i v e l ys o l u b l ei nw a t e ra n dr e a d i l ym o b i l i z e di n t og r o u n dw a t e r , t h e i r m a x i m u ma l l o w a b l ec o n c e n l r a t i o n si nd r i n k i n gw a t e ra r es t r i c t l yr e g u l a t e dd u et ot h e i rp o t e n t i a l c a r c i n o g e n i c i t y , t e r a t o g e n i c i t y , a n dm u t a g e n i c i t y t h u s ，t l l e ya l s oa p p e a rm o s tf r e q u e n t l yi ns o m e r e p o r t so nc o n t a m i n a t i o no f g r o u n dw a t e r b a s e do nf i e l di n v e s t i g a t i o no fa no i lr e f i n e r yi ng u a n g x i ，i ti sf o u n dt h a tm a n yo ft h e s e s p i l t h sc o u l dh er e m o v e db yn a t u r a la t t e n u a t i o ni nt h es h a l l o wg r o u n d w a t e rs y s t e m i no r d e rt o f u r t h e rs t u d yt h ed i s t r i b u t i o na n dt r a n s p o r tc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s ep e t r o l e u m h y d r o c a r b o n c o n t a m i n a n t s a n dt h e i rm e c h a n i s m so fn a t u r a lr e m o v a li nt h es h a l l o wg r o u n d w a t e rs y s t e m ，o n e p o r o u sa q u i f e rm o d e lw i t hap i l o ts c a l e ( i nat a n k w i t hf i v et y p e so fu n s c r e e n e ds e d i m e n t s i n v o l v i n gg r a v e l ，m e d i u ms a n d ，f i n es a n d ，s i l t ，a n dc l a y ) a n dt w oa n a e r o b i ca q u i f e rs a n d yc o l u m n s a r ec o n s t r u c t e di nt h el a b o r a t o r y t h e ya r eu s e dt os t u d yt h ec o n t a m i n a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n d b i o d e g r a d a t i o no f b t e xc o m p o u n d si nt h ea q u i f e r sb yi n j e c t i n gg a s o l i n e i nt h ep o r o u sa q u i f e rm o d e l ，t h eg r o u n d w a t e ri s h y d r a u l i c a l l yc o n t r o l l e d t of l o wb ya r e e i r e u l a t i o ns y s t e mo fp u m p i n ga n di n j e c t i n gw a t e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t , u n d e rt h e a c t i o n so fm o l e c u l ed i f f u s i o na n dh y d r o d y n a m i cd i s p e r s i o n ，b t e xc o m p o u n d sd i s s o l v e di nw a t e r d i f f u s et h r o u g hg r o u n d w a t e r , a n ds p e c i a l l yi nt h ed i r e c t i o no fm a x i m u mv e l o c i t yo fw a t e rf l o w , f a s t e rt r a n s p o r t e df r o mt h es o u r c et of a r t h e rd o w n g r a d i e n t c o n s e q u e n t l yap l u m eo fb t e x c o n t a m i n a n t si sf o r m e do nt h ep l a n ed i s t r i b u t i o n i ft h ed e l a yf a c t o r sa r en o tt a k e ni n t oa c c o u n t , b t e xc o n t a m i n a n t sw i l lf o l l o wg r o u n d w a t e rt ot r a n s p o r ta tt h ea v e r a g eg r o u n d w a t e rf l o wv e l o c i t y o f a p p r o x i m a t e l y1 3 1 5 m d 。a n dt h em a x i m u mf l o wr a t ei sa b o u t3 1 6 9m e t r e sad a y h o w e v e r , i f t h ed e l a yf a c t o r sa mi nc o n s i d e r a t i o n , t h ew a u s p o r tm t e so fb t e xc o n t a m i n a n t sa r e r e l a t i v e l y r e d u c e df o l l o w i n gt h ei n c r e a s eo f o r g a n i cc o n t e n 姆i nt h ea q u i f e rm a 缸七f i n a l l y , t h er e s u l t so f t h r e e 桂林工学院硕士学位论文 e x p e r i m e n t a ls t u d i e sd e m o n s t r a t et h a tb t e xc o u n db er e m o v e db yn a t u r a la t t e n u a t i o nu n d e rs u c h e f f e c t s s o r p t i o n ，v o l a t i l i z a t i o n ，a n di n t r i n s i cb i o d e g r a d a t i o n a m o n gt h e m ，b i o d e g r a d a t i o ni sa m a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fr e g r e s s i o na n a l y s i s ，t h ep r o c e s s e so fb t e x a t t e n u a t i o nm a i n l ya c c o r dw i t hf i r s t - o r d e rd e c a yk i n e t i c so fo r g i n i cc o m p o u n d s ，b u tt h ep r o c e s s e s o fe t h y l b e n z a n ea n d x y l e n e a t t e n u a t i o na c c o r dw i t hz e r o t ho r d e rd e c a yk i n e t i c su n d e r f e ( i i i ) - r e d u e i n ga n ds u l f a t e r e d u c i n gc o n d i t i o n s n a t u r a la t t e n u a t i o nr a t e so fs o l u b l eb t e x c o m p o u n d sa r ev a r i o u s r a t ec o e 佑c i e n t so f t o t a lb t e xa r ea b o u t0 1 0 2 1 ，0 0 6 3 5 ，a n d0 0 1 5 8 d “ m a i n l y u n d e r a e r o b i c ，n i t r a t e - r e d u i n g ，f e ( i i ) 一r e d u c i n g a n d s u l f a t e - r e d u c i n gc o n d i t i o n s ， r e s p e c t i v e l y a m o n gs o l u b l eb t e xa n m p o u n d s ，t o l u e n ei sr e m o v e dm o s te a s i l y h o w e v e r , b e n z e n e i s r e l a t i v e l yr e c a l c i t r a n tm a i n l yu n d e ra e r o b i ca n dn i t r a t e - r e d u i n gc o n d i t i o n s ，a n de t h y l b e n z e n e r e l a t i v e l yr e c a l c i t r a n tm a i n l yu n d e rf e ( i i i ) 一r e d u c i n ga n ds u l f a t e r e d u c i n gc o n d i t i o n s i na d d i t i o n ，b yc o n t r a s t i n gt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sf r o mt w oa n a e r o b i ca q u i f e rs a n d yc o l u m n s ， i ti sk n o w nt h 乩t h o u g ho x i d a t i o no fn i t r a t ei ss t r o n g e rt h a nt h o s eo ff e r r i ci r o na n ds u l f a t e ，f e r r i c i r o na n ds u l f a t ea r cp r e f e r e n t i a l l yu s e da se l e c t r o na c c e p t o r sb ym i c r o o r g a n i s m st on i t r a t eu n d e r s t r i c t l ya n a e r b i cc o n d i t i o nw h e r ef e r r i ci r o na n ds u l f a t ea r ep r e s e n t s i n c et h er a t eo fi r o n d i s s o l u t i o ni so f t e ns l o wc o m p a r e dt ot h er a t eo fi r o nr e d u c t i o n ，t h eo v e r a l lm e t a b o l i ca c t i v i t yo f t h e s eo r g a n i s m si sc o n t r o l l e db yt h er a t ea tw h i c hi r o nb e c o m e sa v a i l a b l e t h i sr e s e a r c hi n d i c a t e st h a t ，b ym o n i t o r i n gn a t m a la t t e n u a t i o no ft h ec o n t a m i n a n t s ，w ec a n d e t e r m i n ew h e t h e ri ti sn e c e s s a r yt oa d ds o m ea p p r o p r i a t ee l e c t r o na c c e p t o r ( e g n i t r a t e ) t ot h e a q u i f e ra n dw h e r et h ea p p r o p r i a t ei n j e c t i o nw e l l sa r e t h i sm a ye n h a n c et h ea b i l i t yo fi n t r i n s i c b i o d e g r a d a t i o na n di n c r e a s es i g n i f i c a n t l yt h ee f f e c t i v e n e s sf o rr e m o v i n gc o n t a m i n a n t sf r o mt h e a q u i f e r s k e yw o r d s ：p o r o u sa q u i f e r ；p e t r o l e u mh y d r o c a r b o n s ；b t e x ；c o n t a m i n a t i o n ；n a t u r a l a t t e n u a t i o n ；b i o d e g r a d a t i o n ；p h y s i c a lm o d e l ；a q u i f e rs a n d yc o l u m n i i i 桂林工学院硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外。论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献筠已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盘壁：互日期：壁堕! ! 墨 关于论文使用授权的说明 本人完全了解桂林工学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分 内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 拉跏躲华签型 桂林工学院硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题来源和项目名称 随着石油工业飞速发展，在石油生产、贮运及使用过程中，由于事故或不正 常操作等原因引起土壤和地下水石油污染迅速蔓延。各种石油污染物正日益威胁 着人类的生存环境。微生物法治理土壤和地下水石油污染出现于2 0 世纪8 0 年代 后期，因其费用低、效果好、无二次污染的特点而具有很好的应用前景。但由于 石油成分复杂，以及受地点、浓度和工程条件的限制。生物修复技术处理的结果 有很多不确定性，所以现场地下水系统中石油烃类污染物的控制与去除，需要有 实验室技术方法的支持。 鉴于此，在对石油污染场地调查研究的基础上，在实验室内构筑一个孔隙含 水层实验模型，对石油烃溶解组分苯、甲苯、乙苯和二甲苯( b e n z e n e ，t o l u e n e ， e t h y l b e n z e n e ，x y l e n e ，简称b t e x ) 污染物在浅层地下水中的迁移分布特征进行 研究，同时对该类污染物的内在生物降解作用及其机理进行研究：并设计两个厌 氧含水层模拟柱，拟对石油烃b t e x 污染物的厌氧生物降解作用及其降解速率进 行探讨。 该研究得到了国家自然科学基金项目的资助，项目名称为浅层地下水中石 油类污染物的内在生物降解作用研究( 编号为4 0 2 6 2 0 0 3 ) 。 1 2 国内外研究现状及进展 1 2 1 国外研究现状及进展 在许多国家，石油类碳氢化合物的随地摊放进入地下水系统造成的环境问题 是非常普遍、严重的。地下或地上的各种燃料罐受到腐蚀常引起泄漏，人的疏忽 如管道阀门管理不严常引起溢出、漏失，石油产品的各种运输有时也导致一些泄 漏事故。在工业社会里，每年都要因此消耗约8 0 0 0 亿加仑的这类物质【“。至8 0 年代底的两年内，美国地下汽油储藏罐大约有2 0 0 万只，其中有9 0 0 0 0 只被证实 存在泄漏( o f f i c eo f u n d e r g r o u n ds t o r a g et a n k s ，1 9 9 0 ) r 孙。这样的泄漏必然会导致浅 层地下水受到石油类碳氢化合物的污染。 桂林工学院硕士学位论文 人类利用微生物制作发酵食品已经有几千年的历史，利用好氧或厌氧微生物 处理污水、废水也有1 0 0 多年的历史，但是使用生物修复技术处理现场有机污染 才有3 0 年盼历史。首先记录实际使用生物修复是在1 9 7 2 年，于美国宾夕法尼亚 州的a m b l e r 清除管线泄漏的汽油 4 1 。在8 0 年代初，m a l e x a n d e r ( 1 9 8 1 ) 提出土 壤、水体中的微生物可以将许多非自然的有机物转化为无机物，并给出了典型的 生物反应模式 5 1 ；1 9 8 2 年c t g e h r l i e h 等人报道了美国明尼苏达州地下水中厌氧细 菌降解酚类污染物的研究，认为厌氧降解是该类污染物检出降低的主要原因，而 含水介质的吸附是可以忽略的忙j 。到中期，j f v i l l a u m e ( 1 9 8 5 ) 运用石油工业知 识，回顾了控制非溶相液体在包气带和饱水带中迁移行为的一般原理，并认为这 类专业知识可用来引导对污染源进行有意义的、有效的调查，也可用来制定和实 施成功的治理措施 7 】：随着对石油烃类污染物侵入地下水系统研究的深入， j t 1 w i i s o n 等人( 1 9 8 6 ) 认为地下水中许多可溶的污染物除了能在包气带中以挥 发分形式被完全降解外，还能够借助自然界固有的微生物菌种转化成新的化合 物，并认为在现场采用这种生物净化作用是一种潜在的、非常经济可行的且环境 能够接受的治理技术嘲；进一步地，j e b a r k e r 等人( 1 9 8 7 ) 通过现场注入芳香 烃b t x ，并以c l 作为示踪剂研究了浅层砂质潜水含水层中可溶性芳香烃的运移 过程，认为有机物的消失是生物降解作用所致 9 1 。在这个阶段，许多人更注重从 物理化学角度进行地下水中非溶相污染物的迁移、消除等方面的室内、现场试验 的研究：l o - 1 1 ，生物降解作用仍处于积极探讨之中，研究对象主要是相对易溶、迁 移能力较强的芳香族烃化合物，并努力从机理上解释生物降解作用。如j r h u n t 等人( 1 9 8 8 ) 曾连续两次从分析与机理、实验研究方面报道了地下水系统中非溶 相液体的运移与驱除i 1 2 , 1 3 】。d w m a j o r ( 1 9 8 8 ) 报道了砂质含水层中脱硝作用对苯 运移的生物影响l l 卅；d r l o v e l y 等人( 1 9 8 9 ) 报道了有f e 参与的氧化芳香族烃 化合物的生物作用i ”】，同时芳香族轻型化合物也成为更多的研究对象：c y c h i a n g 等人( 1 9 8 9 ) 对砂质含水层中苯、甲苯、二甲苯的需氧降解进行了数据分析和计 算机模型研究 1 6 l ；j m t h o m a s ( 1 9 9 0 ) 报道了印度某地由于汽油泄漏引起地下水 生物降解b t e x 的作用旧；e w h a d l e y 等人( 1 9 9 1 ) 论证了c a l i f o m i a 地下水中 苯的消失是生物作用所致f 瑚。到9 0 年代，生物降解作用已普遍为人们接受，其 机理研究也日趋成熟，并逐渐将这一作用运用到治理措施的研究上。e l m a d s o n 等人( 1 9 9 1 ) 报道了现场生物降解含水层中有机物的类型【1 9 】，s r h u t c h i n s 等人 2 桂林工学院硕士学位论文 ( 1 9 9 1 ) 报道了硝酸盐对含水层中生物降解作用的促进作用【2 j ，e a e d w a r d s 等人 ( 1 9 9 2 ) 研究了硫酸盐还原条件下生物厌氧降解甲苯、二甲苯的作用刚。 j p s a l a n i t r o ( 1 9 9 3 ) 提出利用生物净化作用来控制含水层中芳香族烃污染体刚； 到9 0 年代中期，生物降解机理的研究己较为成熟，r o b e r t c b o r d e n 等人( 1 9 9 5 ) 从地下水水化学成分变化角度归纳了生物降解含水层中烃污染物的机理【3 】，1 9 9 7 年又与c h i h - m i n gk a o 合作提出在脱硝作用下降解轻型芳香烃b t e x 的治理技术 口“。而近年来，e h c h a p e l l e 等人( 1 9 9 6 ) 又报道了在现场与实验室研究生物降 解烃化合物的速率研究【2 3 】，使该领域的研究又进入一个新的阶段。 s n v e n k a t r a m a n 等人研究了在吸附、扩散、生物降解共同作用下，低渗透土壤中 易挥发性溶质甲苯的运移。结果表明，由于氮的存在使得氧环境中易挥发性溶质 的生物降解速率高于厌氧系统中的生物降解速率。d m h e u c k e m t h 等人( 1 9 9 7 ) 用土壤温度计算垃圾场的有毒有害化合物( 如杂环、直链及枝链烃和苯) 生物降 解速率常数 2 4 j 。r j b a d e r 等人( 2 0 0 0 ) 利用生物的呼吸速度估算被汽油污染的沉 积物中烃的生物降解速度1 2 5 j 。 回顾国外在该研究领域的进展，自8 0 年代初以来，经历了检出发现一污染 物特性及一般迁移行为的研究一生物降解作用的提出一以轻型芳香烃为主要对 象的生物降解机理与实验室研究一具体环境下生物净化作用的应用研究一生物 降解速率的研究等过程，已逐步发展到了水文地质学、微生物学与地球化学相互 渗透的地步。e h c h a p e l l ef 1 9 9 2 ) 在“g r o u n d w a t e rm i c r o b i o l o g y & g e o c h e m i s t r y ” 一书里认为，“一旦石油类碳氢化合物进入含水系统，由于物理化学作用、生物 作用，它们在含水层中进行扩散。地下水流运动使水溶成分从渗漏源扩散开来， 而地下水面的形状会影响不溶成分的运移，化学作用如吸附与挥发使某些成分交 替迁移与停滞，生物作用使用成分荠降解成c 0 2 。这些过程干差万别且依赖于地 下水系统的化学、水力条件”。j o h n t w i i s o n ( 1 9 8 6 ) 也认为，成功治理的关键 是彻底弄清污染区的水文地质和地球化学特征嘲。 1 2 2 国内研究现状与进展 在我国，石油烃污染地下水的修复研究始于2 0 世纪9 0 年代初。尽管近年来 石油烃污染地下水的场地报道在不断增多，如南阳油田、大庆龙南油田、延安油 田等但现场修复研究以山东淄博市石油烃污染的地下水系统研究为典型。“八 桂林工学院硕士学位论文 五”期间，由国家环保总局组织、清华大学牵头、多个高校与研究所参加，针对 淄博市遭受石油烃严重污染的大型岩溶裂隙地下水水源地，开展了多种方法的室 内实验与现场综合试验防治研究，包括曝气法( 物理方法) 、投注臭氧与二氧化 氯法( 化学氧化法) 、投加培育菌种、水力截获等1 2 6 j ，成为国内该类污染防治研 究最早的实例，为后续的研究打下了基础。 在已有的相关研究报道中，刘新华等( 1 9 9 6 ) 利用山东省淄博市某地下水饮 用水源地油类污染后的水质资料，通过地下水环境对照值的统计，首次研究了地 下水油类污染与其他组分的关系，以及油类污染地下水造成的地下水地球化学环 境的变化。提出地下水环境对照值可以作为地下水是否受到油类污染的重要参考 指标【2 7 】。 李广贺等( 1 9 9 8 ) 利用静态模拟实验研究淄博河滩砂砾石对油类的静态吸附 特性时认为，油类在砂砾石中的吸附符合l a n g m u i r 吸附模式，砂砾石对油类的吸 附量小，迟滞因子心为1 0 6 ，而通过动态土柱实验模拟油类在砂砾石中的迁移过 程时认为，油类在砂砾石层中穿透能力很强，约经5 天基本穿透2 0 m 的砂砾石层， 1 0 天基本穿透1 0 0 m 的砂砾石层【2 8 1 。张旭和李广贺等( 1 9 9 9 ) 在对淄博污染地下 水研究实验中认为吹脱、臭氧氧化、生物活性炭联合技术能够有效去除水中的石 油类物质，去除率为9 6 1 【2 9 】。李广贺等( 2 0 0 0 ) 利用动态释放试验来模拟河滩 包气带油污土层中残油动态释放过程。认为油污土动态释放过程存在快慢两阶 段，油类释放量随水头的增加而增加。与连续释放过程相比，间歇后淋滤液平均 流量降低，但油类浓度增加，释放量增大【3 0 】。进一步的河滩石油烃污染层生物 修复模拟实验表明，在加入富集菌使土壤细菌含量提高一个数量级的条件下，油 半衰期由自然土壤的9 9 0 天减少到3 4 6 天，在翻耕和调节土壤含水率条件下，油 半衰期由对照样的1 7 3 3 天减少到9 0 天，而综合生物治理条件下，油半衰期可以 缩短到4 2 天p l l ；污染包气带土壤中富集的微生物具有降解石油烃的能力与潜力， 随着土壤深度加大，除油菌( 主要是好氧菌) 数量逐渐减少1 3 2 。此后，张旭和李 广贺等( 2 0 0 1 ) 通过室内模拟实验对油污土层微生物降解的温度效应进行了研究， 认为温度对生物反应速率常数的影响符合关系式k = 3 1 4 5 e x p ( 5 2 3 3 t ) t 3 3 1 。任增平 和李广贺等( 2 0 0 4 ) 通过现场调查和室内试验分析，认为陈化残油主要有挥发， 淋溶及微生物降解三种去向1 3 4 1 。 吴玉成和钟佐鬃等( 1 9 9 9 ) 利用实验室含水层物质微环境实验研究认为，在 4 桂林工学院硕士学位论文 强化反硝化条件下，微生物可以利用n 0 3 。作为电子受体降解地下水中的苯与甲 苯，而环境p h 值过高( p h 1 0 ) 或过低( p h 内呈现良好的线性关系；同样，有机沸石 对水中b t e x 的吸附性能较天然沸石有了很大提高，在低质量浓度范围( o 0 2 5 9 l ) 内呈现良好的线性关系| 3 s , 3 9 j 。胡黎明等( 2 0 0 3 ) 采用土工离心试验技术 对b t e x 在非饱和土和地下水系统的迁移过程进行了模拟，认为b t e x 从泄漏点 通过非饱和土层向下运移，在地下水位之上形成高质量分数区，并沿地下水面侧 向迁移，部分溶解的b t e x 在水体扩散1 4 0 】。 因此，从国外现状看。该领域的研究己着重于地下系统内在微生物的生物降 解与增强技术、工艺研究；从国内研究现状看。该领域的研究才刚刚起步。不仅 缺乏地下水系统中内在微生物降解作用机理的研究，更缺乏对含水系统地球化学 与微生物习性的深入认识，而通过确认、利用并增强内在微生物作用来控制与去 除污染物的方法，因缺乏实践证明而没有得到普遍的认识。 1 3 本选题研究的主要内容和重点 ( 1 ) 石油烃污染地下水系统的现场特征调查 研究现场( 位于广西右江右岸开= 东县炼油厂附近) 地下水水力特征，在污染 物迁移方向上取样分析、对比水化学特征、污染物浓度以及含水物质的地球化学 组分；并采集含水层物质进行实验室研究。目的是确定石油烃b t e x 污染物衰减 与电予接受体浓度变化的关系，确定现场微生物降解利用电子受体的类型与能 力，间接证明内在微生物作用的存在与机理，为室内实验条件的建立与研究提供 依据。 桂林工学院硕士学位论文 ( 2 ) 内在生物降解石油烃b t e x 污染物的实验研究 运用砂卵石、中粗砂、细砂、粉砂与粘土( 耕土) 等在实验室内，按照自然 界沉积物层j 芋构筑了一个孔隙含水层实验模型，通过破坏性投注实验( 通过投注 孔向含水层注入汽油) 并对含水层的水质进行检测( 包括p h 值、水温、溶解氧、 磷酸盐、硫酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、电导率、芳香烃b t e x 等) ，来研究石油 烃b t e x 污染物在孔隙含水层中的迁移分布特征，同时研究石油烃b t e x 污染物 的内在生物降解作用的机理及其降解速率。 另外，利用现场含水层物质在实验室制作两组厌氧含水层模拟柱，来重点研 究石油烃b t e x 污染物在厌氧条件下的生物降解作用及其降解速率。 1 4 技术路线 通过水文地质学、地球化学与微生物学多学科交叉的方法与手段，利用现场 含水层物质，进行实验室研究。其技术路线、研究方案按研究内容具体如下： ( 1 ) 石油烃污染地下水系统的现场特征调查 a 在污染地带的上、中、下游取水样分析溶解氧、硝酸盐、硫酸盐、f e 、 m n 离子等溶液组分浓度，判别地下水中电子受体的分布状态；分析水样中石油 烃溶解组分苯、甲苯、乙苯和二甲苯( b t e x ) 浓度；取含水层物质做水化学成 分分析，以判别地下水中电子接受体组分的来源。 b 分析b t e x 组分由污染源位置到污染体前缘的变化。以及与充当电子受体 的组分浓度之间的关系，确定主要影响微生物作用的电子受体组分。 c 间接证明内在微生物降解作用的存在及机理。 ( 2 ) 内在生物降解b t e x 污染物的实验研究 a 在实验室内构筑一个孔隙含水层实验模型，并设计了抽注循环系统来促进 含水层中水体的流动，同时起到水力截获的作用。通过投注孔向含水层注入汽油， 定期从监测孔取水样分析检测溶解氧、硝酸盐、硫酸盐、f e 、m n 离子等溶液组 分浓度，确定地t t u p 电子受体浓度的变化情况，分析水样中b t e x 的浓度，弄 清其迁移分布特征，以及与充当电子受体的组分浓度之间的关系，确定内在微生 桂林工学院硕士学位论文 物降解作用的机理。 b 组建两组相同的厌氧含水层模拟柱，使之具有厌氧、控温、取样( 固气液 三相) 、投注等功能，安置蠕动泵使水在含水物质柱体中处于缓慢循环流动状态。 取现场含水层物质经微生物菌种驯化充填其中一组柱体，同时对现场含水层物质 经过高温杀菌后充填另一组柱体，在相同控温条件( 含水层温度) 下，加入定量 的汽油；并测定污染物与水化学成分的浓度初值，开始实验：有序监测实验柱体 中电子受体浓度与b t e x 组分浓度；根据两组监测结果对比，分析b t e x 在不同 的厌氧条件下的生物降解机理，并确定其相应的厌氧生物降解速率。 具体的技术路线见下面的框图。 1 1 技术路线框图 桂林工学院硕士学位论文 2 1 实验模型描述 第2 章孔隙含水层实验模型 2 1 1 物理模型 模型建于面积为6 0 m 2 的实验室内，其外形是一个东西向长5 5 2 m 、南北向宽 3 0 4 m 、高1 3 0 m 的砖混结构槽，槽的墙壁与底部均进行了防渗处理( 图2 1 ) 。 槽内安装了若干不同功能的管线。其中，一根内径4 e m 、长3 m 的p v c 给水管被 安置在槽的东墙内侧，距离槽底6 0 e m ，给水管壁侧面布置了一排细小的出水孔。 通过连通槽外的供水管，槽能够在转子流量计的控制下接受给水。在槽的西墙距 离槽底2 0 c m 的位置，等距离安置了5 个长3 0 c m 且带阀门开关的铜质管，连通槽 内与槽外，具排水功能。另外，3 6 根长1 3 0 c m 、内径6 e m 的p v c 管被均匀地直 立在槽底部，p v c 管下段( 长6 0 e r a ) 的管壁均匀分布细小孔洞，便于管内与管 外水力连通，这些管起监测、取样的作用，称为监测孔( 图2 2 ) 。 图2 1实验模型立体示意图 桂林工学院硕士学位论文 长度( m ) 篁 监测孔位与孔号 夏 投注孔位与孔号 图2 2模型孔住布置平面图 为了模仿浅层的均质地下水系统。从槽底开始自下而上按照自然界通常的沉 积层序，均匀地堆积了未筛分的卵砾石、中粗砂、细砂、粉砂与粘土等五种沉积 物，沉积物来源于桂林漓江冲积剖面。其中卵石层厚2 0 c m ，中粗砂层厚4 0 e r a ， 细砂层厚1 5 c m ，粉砂层厚1 5 c m ，粘土层( 耕土) 厚3 0 c m ，槽内累计土层厚1 2 0 e m 。 堆积粘土之前，在粉砂层面上垂直安插了9 根长4 0 c m 、内径3 e r a 的p v c 管，作 为投注孔使用，注入物质将通过投注孔进入粉砂层以下土层。最后，一个环状管 线作为淋滤供水管被装置在土槽表面，管壁均匀分布细小孔洞，可以起到模拟降 水的作用。图2 3 是模型含水层东西向水文地质剖面。该物理模型南北边界隔水， 东西边晃分别具有补水与排泄功能可以人为控制其流量【4 l j 。 图2 3 含水层模型水文地质剖面图 卵砾石：2 中粗砂：3 如砂：4 持砂：5 粘土：6 水流方向：7 苴洲孔城号：8 投注孔蝙号：9 水面；1 0 土量袁面 9 桂林工学院硕士学位论文 2 1 2 自动化监测系统 实验模型建成后，为了方便实时监钡4 模型含水层水位、水温、氧化还原电位 ( o r p ) 和豳值，特安装了一套自行设计、桂林市自动化技术研究所研制的地 下水模拟自动化监测系统。该系统主要由地下水模拟系统自动化测试仪( 型号为 m a i n v l 6 ) 、传感器组和计算机监控系统三部分组成，其中传感器组包括有1 5 根 水位传感器( 型号为z q y 4 ) 、1 5 根温度传感器( 型号为p t - 1 0 0 v ) 、2 组氧化还 原电位电极( 型号为a s r 2 5 1 1 - 1 5 0 c m ) 及变送器( 型号为o r p 2 0 0 ) 、2 组p h 电 极( 型号为a s p 2 1 1 1 1 5 0 c m ) 及变送器。1 5 根水位传感器和温度传感器分别组 合固定安装在1 号、4 号、5 号、6 号、7 号、l o 号、1 4 号、1 6 号、2 0 号、2 4 号、 2 6 号、3 0 号、3 3 号、3 5 号和3 6 号监测孔中，而2 根氧化还原电位电极和p h 电 极则分别先通过2 个o r p 变送器和p h 变送器连接到自动化测试仪，后再与计算 机相连。计算机监控系统安装有桂林市自动化技术研究所开发的自动化测试软件 ( 型号为s w e v l 1 ) ，从而把上述传感器和电极传来的信号转变成相应的数据和图 形，便于监测和调整。 水位传感器的精度达到l m m ，温度传感器的精度达到0 1 ，氧化还原电位 电极的精度达到i m v ，p h 电极的精度达到o 1 。经过反复调试和校正，计算机监 控系统能实时监测到模型含水层地下水中水位、水温、氧化还原电位和p h 值的 微小变化，精度也基本达到要求。 2 1 3 抽注循环系统 由于模型含水层动态储量较小，为1 2 1 4 m 3 ，考虑到模型排水可能带来注 入污染物的流失，设计实验期间含水层不向外排水，这个想法与在实际石油污染 含水层处理中采用的水力截获方法有相似之处，因此这种设计也是合理的。同时。 考虑到实际地下水系统中地下水是缓慢流动的，实验模型设计了抽注循环系统， 即用蠕动泵( 型号为y z l 5 1 5 z t 6 0 - 6 0 0 ) 从3 0 号监测孔抽水，再直接回灌到1 0 号监测孔，从而达到局部模拟含水层中水体的流动( 图2 3 ) 。抽注流量的大小可 以通过调整蠕动泵的转速和蠕动管的大小来控制。由于地下水的流动是相当复杂 的为了实验研究的方便以及结合到实验研究的主要目的和实验模型的实际情 况，抽注循环系统只进行定流量抽注。 l o 桂林工学院硕士学位论文 为了选取合适的抽注流量，在实验初期分别选用1 9 5 0 、2 3 3 0 、2 7 2 0 、3 1 1 0 、 3 5 0 0 、3 8 9 0 、4 1