（环境工程专业论文）石油污染土壤生物修复的生态条件研究.pdf

摘要 f 在石油生产、贮运、炼制加工及使用过程中，由于事故、不正 常操砟及检修等原因，都会有石油烃类的溢出和排放。其进入土壤 后，会破坏土壤结构，分散土粒，使土壤的透水性降低。其富含的 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。特别是其中的多环芳烃，因有致癌、 致变、致畸等活性和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。 土壤遭受石油污染后，其石油的降解速度，除受石油降解微生 物、污染物的物理化学特性影响外，还受环境等因素的影响。要取 得较高的石油降解效率和最佳的治理效果，就要对石油的生物降解 生态条件进行研究和探讨。7 在本课题中，我们选择武汉石化厂原油和厂内未受污染的土壤 作为研究对象，通过在自制的生物浆化反应器中对石油污染土壤进 行生物修复，改变影响石油降解的各种内部和外部因素。通过单因 素试验比较了土著微生物和接种石化厂内含油污泥后的土壤( 石油 浓度均为1 ) 以及在接种含油污泥后不同石油浓度( 1 和5 ) 对 石油降解效率的影响；通过正交试验，以营养物质、含水量、电子 受体和表面活性剂为因素得出了最佳的生物降解生态条件；最后在 最佳生态条件下对石油修复过程中的烷烃和芳香烃的降解情况进行 了探讨。 试验研究结果表明：作为石油生物降解的执行者，微生物的数 量是影响石油降解效率的重要因素，土壤中微生物的巨大的自然容 量是其生物修复的基础；石油浓度在一定范围内对石油的降解效率 并没有影响，并且在5 浓度时，其起始降解效率较高，但是到了培 养4 0 天以后，这种优势渐渐变弱，可能还是高浓度的石油对微生物 有一定的毒害作用；石油污染土壤生物修复的最佳生态条件为：营 养物质c ：n 为6 0 ，电子受体h 2 0 2 的累计加入量为1 2m g g ，含水 量为5 0 ，表面活性剂为阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠；因 素的主次关系为：含水量、表面活性剂、营养物质和电子受体。在 最佳生态条件下，石油的降解效率3 0 天可以达到5 0 以上，取得了 较好的效果。 关键词：石油污染；生物修复；生态条件；降解机理 声蝴雠： a b s tr a c t i nt h e p r o c e s s o fp e t r o l e u m p r o d u c i n g ，s t o r et r a n s p o r t ，r e f i n e p r o c e s s i n ga n du s i n g ，b e c a u s e o ft h er e a s o n so fa c c i d e n t ，n o tn o r m a l o p e r a t i o n a n do v e r h a u la n ds oo n ，t h e r ew i l lh a v e p e t r o l e u m h y d r o c a r b o ns p i l l i n g o v e ra n de m i s s i o n i ft h e ye n t e rs o i l a f t e r ，t h e y w i l l d e s t r o y s o i l s t r u c t u r e ，s c a t t e r e a r t h g r a i n a n dm a k et h ew a t e r p e n e t r a t i o n o fs o i lr e d u c e t h er e s p o n db a s ec o n t a i n i n go ft h e mc a n i n t e g r a t e w i t hi n o r g a n i cn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s ，r e s t r i c tn i t r i f i c a t i o n a n dd e p h o s p h a t i o n ，s oi tw i l lm a k et h ee f f e c t i v en i t r o g e n ，p h o s p h o r u s c o n t e n ti ns o i l d e c r e a s i n ge s p e c i a l l y t h em u c h r i n gf r a g r a n t h y d r o c a r b o ni nt h e m ，b e c a u s eo fh a v i n gc a r c i n o g e n i c ，m u t a n t ，a b e r r a n t a n dc a np u r s u el e v e le n r i c h m e n tt h r o u g hf o o d c h a i ni nt h e b o d yo f a n i m a lsa n dp l a n t s ，t h e ya c c u m u l a t ei ns o i li sh a r m e r a f t e rs o i ls u f f e r s p e t r o l e u mp o l l u t i o n ，t h e e f f e c t so fp e t r o l e u m d e g r a d a t i o ns p e e d i se x c l u d e db e s i d e st h e p e t r o l e u md e g r a d a t i o n m i c r o o r g a n i s ma n dt h ep h y s i c a l c h e m i c a lp r o p e r t yo fc o n t a m i n a n t ，s t i l l g e t st h e i n f l u e n c eo fe n v i r o n m e n t a lf a c t o ra n ds oo n i fw ew a n tg e t h i g h e rp e t r o l e u md e g r a d a t i o ne f f i c i e n c ya n dt h eb e s td i s p o s a le f f e c t ，w e m u s tc a r r yo u tt h er e s e a r c hf o rt h e b i o l o g i c a ld e g r a d a t i o ne c o l o g i c a l c o n d i t i o no fp e t r o l e u mw i t hd i s c u s s i n g i nt h i sp r o g r a m ，w es e l e c tw u h a np e t r o c h e m i c a l sf a c t o r y sc r u d e o i la n dn o tb ep o l l u t e ds o i li nf a c t o r ya st h eo b j e c to f r e s e a r c h ，c a r r y i n g o u tt h eb i o r e m e d i a t i o ni ns e l f - c o n t r o l l i n gb i o l o g i c a lt h i c kl i q u i dr e a c t o r b yc h a n g i n gt h e v a r i o u si n t e r n a la n de x t e r n a lf a c t o r st h a te f f e c tt h e p e t r o l e u md e g r a d a t i o n w eh a v ec o m p a r e dt h e i n f l u e n c eo fp e t r o l e u m d e g r a d a t i o ne f f i c i e n c y w h i c hn a t i v e s m i c r o o r g a n i s ma n di n o c u l a t i n g t h em u do f g r e a s y i n f a c t o r y h a v er e a c h e d t h r o u g hs i n g l e f a c t o r e x p e r i m e n tf p e t r o l e u md e n s i t yi sl 1a sw e l la si n o c u l a t i n gt h em u do f g r e a s y a n dd i f f e r e n tp e t r o l e u md e n s i t y ( p e t r o l e u md e n s i t yi s1 a n d 5 ) ；t h r o u g ho r t h o g o n a l i t yt e s t ，c h o o s i n g n u t r i t i o n m a t e r i a l ，w a t e r c o n t e n t ，e l e c t r o nr e c e i v e ra n ds u r f a c ea c t i v a t o ra sc o n t r o l l i n gf a c t o r s ， w eh a v er e a c h e dt h eb e s te c o l o g i c a lc o n d i t i o no f b i o l o g i c a ld e g r a d a t i o n f i n a l l y i nt h e p r o c e s s o fp e t r o l e u mb i o r e m e d i a t i o nu n d e rt h eb e s t e c o l o g i c a lc o n d i t i o n ，d i s c u s s e d t h e d e g r a d a t i o nc o n d i t i o n o f a l k y l h y d r o c a r b o na n da r o m a t i ch y d r o c a r b o n a ss h o w ni nt h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s ：a st h ec o n d u c t o ro f p e t r o l e u mb i o l o g i c a ld e g r a d a t i o n ，t h eq u a n t i t yo fm i c r o o r g a n i s mi st h e i m p o r t a n tf a c t o ro fp e t r o l e u md e g r a d a t i o ne f f i c i e n c y ，t h eh u g en a t u r a l c a p a c i t yo fm i c r o o r g a n i s mi ns o i l i si t sf o u n d a t i o no fb i o r e m e d i a t i o n ； p e t r o l e u md e n s i t yi n c e r t a i n s c o p ed o n o ta f f e c tf o rt h e d e g r a d a t i o n e f f i c i e n c yo fp e t r o l e u m ，a n di nt h ed e n s i t yo f5 ，i t si n i t i a ld e g r a d a t i o n e f f i c i e n c y i s h i g h e r ，h o w e v e r a f t e r t r a i n i n g 4 0 d a y s ，t h i s k i n do f a d v a n t a g ec h a n g ew e a kg r a d u a l l y ，t h er e a s o nm a yb et h ep e t r o l e u mo f h i g hd e n s i t yp r o b a b l yh a v i n gc e r t a i np o i s o nr o l ef o rm i c r o o r g a n i s m ；t h e b e s t e c o l o g i c a l c o n d i t i o no f p e t r o l e u m c o n t a m i n a t e ds o i l b i o r e m e d i a t i o ni st h a tn u t r i t i o nm a t e r i a lc ：n = 6 0 e l e c t r o nr e c e i v e s b o d yh 2 0 2j o i n i n gq u a n t i t ya m o u n tt o1 2m g g ，w a t e rc o n t e n ti s5 0 ， s u r f a c ea c t i v a t o ri sa n i o ns u r f a c ea c t i v a t o ro f12w a nb a s eb e n z e n e s u l p h u rs o u rs o d i u m ；t h er e l a t i o no fp r i m a r ya n ds e c o n d a r yo ff a c t o ri s w a t e rc o n t e n t ，s u r f a c ea c t i v a t o r ，n u t r i t i o nm a t e r i a la n de l e c t r o nr e c e i v e r o nt h eb e s te c o l o g i c a lc o n d i t i o np e t r o l e u md e g r a d a t i o ne f f i c i e n c yc a n r e a c hm o r et h a n5 0 w i t h i n3 0d a y s a c h i e v e ds a t i s f a c t o r ye f f e c t k e yw o r d s ：p e t r o l e u mp o l l u t i o n ；b i o r e m e d i a t i o n ；e c o l o g i c a lc o n d i t i o n m e c h a n i s mo fd e g r a d a t i o n 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 1 前言 石油是一种含有多种烃类( 正烷烃、支链烷烃、芳烃、脂环 烃) 及少量其他有机物( 硫化物、氮化物、烷烃酸类等) 的复杂 混合物，有的石油样品可含2 0 0 3 0 0 种烃类，分子量从1 6 ( 甲 烷) 至10 0 0 左右，其物理状态包括气体、挥发性液体、高沸点 液体以及固体。全世界大规模开采是从2 0 世纪初开始的，1 9 0 0 年全世界消费量约2 0 0 0 万吨，1 0 0 年来这数量已增长百余倍， 石油已成为人类最主要的能源之一【l 】。但是，在石油生产、贮运、 炼制加工及使用过程中，由于事故、不正常操作及检修等原因， 都会有石油烃类的溢出和排放。石油烃类大量溢出，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( 土壤、地表和地下水) 造成污染。其进入土壤 后，会破坏土壤结构，分散土粒，使土壤的透水性降低。其富含 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。特别是其中的多环芳烃，因有 致癌、致变、致畸等活性和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【2 j 。 鉴于土壤污染的严重危害，世界各发达国家纷纷制定了土壤 修复计划。荷兰8 0 年代已花费了约15 亿美元进行土壤的修复工 作，德国在1 9 9 5 年投资约6 0 亿美元用于净化土壤，美国9 0 年 代准备在土壤修复方面的投资约有数百亿到数千亿美元。 目前的土壤修复技术主要分为物理方法、化学方法、另外还 有换土法。8 0 年代，有机污染土壤的治理实际上仅限于一些物 理的或者是化学的方法，即热处理、电修复和化学浸出法。热处 理法是利用污染物的热挥发性，采用加热的方法将水或蒸汽压大 的有机物从土壤中解析出来的一种方法。热处理法经过焚烧和煅 武汉理工大学硕士学位论文 烧，虽然能破坏大部分污染物，但常常因为代价昂贵难以实施。 电修复是一种2 0 世纪9 0 年代后才得以重视和发展的新兴土壤修 复技术，其基本原理是在被污染的土壤两极加上低压直流电场， 利用电场的迁移力，主要是电渗和电迁移的作用，将污染物( 如 重金属和有机污染物) 迁移到一端电极室( 一般为阴极室) ，从而得 到分离。与传统的土壤修复技术，如清洗法、蒸发法相比，电修 复具有人工少，接触毒害物质少，经济效益高等优点；与生物修 复和化学修复等相比，电修复更适合于治理渗透系数低的密质土 壤。因此该方法在9 0 年代开始逐渐得到重视，但在国内尚未见 到有关的报道。化学浸出法是利用水力利压头推动清洗液通过污 染土壤而将降污染物从土壤中清洗出去。化学浸出法和换土法也 可以获得较好的除油效果，但所采用的化学溶剂的二次污染问题 限制了它的作用。换土法使用新鲜的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。但 该方法在操作中，操作人员将接触到污染土壤，人工费用较高， 故一般仅适合于事故后的简单处理1 3 】。8 0 年代后期出现的，基于 物理、化学、生物过程的一种新技术，即生物修复技术的发展提 供了一个具有政策、经济和技术吸引力的处理方法，被认为具有 广阔的前景。目前仅有的研究成果表明，生物修复技术具有以下 优点： ( 1 ) 费用省。生物修复技术是所处理技术中最便宜的，其费 用约为焚烧处理法的1 3 1 4 。8 0 年代末采用生物修复技术处 理每立方码的土壤需7 5 2 0 0 美元，而采用焚烧法或填埋处理需 2 0 0 8 0 0 美元。 ( 2 ) 环境影响小。生物修复只是一个自然过程的强化，其最 终产物是二氧化碳、水和脂肪酸等，不会形成二次污染或是导致 污染的转移，可以达到将污染物永久去除的目的，使土地的破坏 和污染物的暴露减少到最小程度。 ( 3 ) 最大限度限制地降低污染物的浓度。生物修复技术可以 武汉理工大学硕士学位论文 处理后，b t x ( 苯、甲苯和二甲苯) 中浓度将为0 0 5 0 1 0 m g 1 甚至低于检测限。 ( 4 ) 其他技术难以使用的场地，如受污染土壤位于建筑物或 是公路下面不能挖出和搬出时，可以采用就地生物修复技术，因 而生物修复技术的应用范围有其独到的优势1 4 ，5 1 。 ( 5 ) 生物修复技术可以同时处理受污染的土壤和地下水。 1 2 生物修复技术 1 2 1 土壤生物修复的定义及原理 近年来国内外研究和实践的所谓土壤生物修复技术( s o i l b i o r e m e d i a t i o n ，也称生物恢复、生物整治等) 就是一种利用生物 技术和方法来治理土壤污染使其恢复其正常功能的途径 6 1 。 广义的土壤生物修复包括利用土壤中的各种生物一植物、土 壤动物和微生物吸收、降解和转化土壤中的污染物，使污染物的 浓度降低到可接受的水平，或将有毒有害的污染物转化为无害的 物质。在这一概念下又可将土壤生物修复分为植物修复、动物修 复和微生物修复三种类型。 狭义的土壤生物修复，就是利用微生物的作用将土壤中有害 的有机污染物降解为无害的无机物( c 0 2 和h 2 0 ) 或其他无害物 质的过程。由于这种技术应用最为广泛，所以通常就把这种技术 称为土壤的生物修复( b i o r e m e d i a t i o n ) 1 7 j 。 受污染的土壤( 严格地说是受有机污染物污染的土壤) 之所 以能够用生物的方法来治理修复，其原因可以从两方面来论述： 其一是在土壤中存在着多种多样的微生物，这些微生物能够适应 变化了的环境，具有或产生酶，具备代谢功能，能够降解或转化 土壤中难降解的有机化合物；其二是进入土壤的有机化合物大部 分具有可生物降解性，即在微生物作用下由大分子化合物转变为 简单小分子化合物的可能性【8j 。只有具备了上述这两方面的条 武汉理工大学硕士学位论文 件，污染土壤的生物修复才能实现。 1 2 2 影响土壤生物修复的因素 影响石油降解的因素十分复杂。石油产地不同，来源不同， 所含组分的差异都可能影响其降解；其他物。理化学因素也产生影 响【9 l 。 ( 一) 油的物理状态 石油降解菌主要生长与作用位置在油一水界面。在水体中， 油能散开成薄膜，微生物利用的表面积较大；而在土壤中，油被 土粒或植物吸附，限制其扩散，故较难降解。 液态烃比固态烃易降解，如能溶于水中或其他烃类中则较易 为微生物所利用。然而烃类溶解度均较低，且在漏油事故中石油 量远远超过其溶解度，故此种溶于水中而后被生物降解的情况较 为少见。 ( 二)温度 从0 - 7 0 环境中均可分离石油降解菌。一般来说，环境中 烃类降解与温度呈正相关。在0 4 0 范围内每升高1 0 ，其生 化反应增加2 3 倍。温带及热带地区石油经2 6 个月降解，寒 带要几年，而在极地的则难以降解。温度与其他因素联系，问题 就较复杂。如温度可能影响水分的供应，冻土及冰中因无液态水， 石油难降解。温度影响烃类的物理状态，低温时某些烃类呈固态， 因而不易降解 1 0 l 。有时，低温对降解有利，某些低分子烃类( c 9 ) 对微生物有毒，在低温时其挥发性受限，溶解度较小，故对微生 物有利。 ( 三) 营养物质 大量实践证明，在众多漏油事故中，氮与磷含量常严重地限 制了微生物对石油的降解，其适宜的比例为c ：n ：p = 1 0 0 ： 1 0 ：l l 。为避免营养物质随水流失，有人研究加入油溶性营养 物如石蜡化尿素、磷酸三辛脂等，施加此类营养物后，经2 1 天 武汉理工大学硕士学位论文 石油降解率为6 3 ，而对照组低于4 0 t ”】。近年来报道，利用 某些固氮微生物代替氮肥，如固氮菌、假单胞菌、分枝杆菌中的 某些种能利用甲烷、正丁烷、甲苯、正十四烷、环烷酸等作为碳 源和能源一固定分子态氮，为解决石油降解的氮素养分问题，提 供了新途径。 ( 四)氧气 石油中各个组分完全矿化为c 0 2 和h 2 0 ，需要一定量的氧。 据计算，每分解一克石油，需氧3 4 克。在严重石油污染的环境 里，氧有时成为石油降解的限制因子f 】3 1 。虽然采用厌氧方式也 可对石油烃进行降解，但试验表明，石油在厌氧条件下的降解比 有氧时要低几个数量级，在有氧时烃类经1 4 天可降解2 0 以上， 而厌氧条件下经2 2 3 天降解率不到5 。厌氧石油降解在自然界 几乎微弱至可忽略不计，但有人认为其对底泥及深水中石油烃类 的降解仍具有一定意义。 ( 五) 共代谢作用及抑制效应( s p a r i n ge f f e c t ) 有的烃类单独存在时不能降解，但在石油混合物中则由于微 生物利用其他烃类生长而使该难降解烃在酶作用下降解。因此， 石油混合物为其氧化作用提供了良好的化学环境，许多复杂的分 支烃及环状烃多借此途径而得以从环境中被去除。然而，又有所 谓抑制效应存在。如醋酸盐存在可抑制对十六烷的降解；十六烷 存在时可抑制朴日斯烷的降解作用。此种效应并不改变降解的生 化过程，但影响该过程是否产生及其活性强度。 ( 六)水分 石油烃在土壤中的降解与土壤中的水分含量有一定的关系。 土壤过分干燥或在冰冻条件下土壤中无液态水，石油难以降解； 但在渍水条件下石油烃的降解率也比正常水分下降低【l4 1 。试验 表明，在土壤中石油浓度为2 5 0 m g k g 和5 0 0 m g k g 时，正常土壤 水分条件下培养4 5 天，烷烃的降解率可达8 5 以上，芳烃的降 解率可达7 0 以上；但在渍水条件下，石油烃浓度在l 0 0 m g k g ， 武汉理工大学硕士学位论文 培养4 5 天时烃的降解率可达6 0 以上，石油烃的浓度在 2 5 0 m g k g 和5 0 0 m g k g 时，在培养4 5 天时，烃的降解率不到4 0 ， 至培养9 0 天时，仍有较高的残留量【l ”。 根据微生物活性所需要的条件，在土壤水分为其最大持水量 的2 5 8 5 范围内，石油烃的降解较为有利，在水分低于2 5 或高于9 0 时，对石油烃降解菌的活动不利。 ( 七) 酸碱度和盐度 土壤的p h 变化范围很大，为2 5 1 1 0 。大多数异氧菌和真 菌喜好中性环境。p h 太高或太低都会影响微生物的降解能力。 v e r s t r a e t 等人报道，汽油在中性土壤中的降解速率是酸性土壤 ( p h = 4 5 ) 或碱性土壤( p h = 8 5 ) 的两倍。 盐度是一个较复杂的影响因素。s h a r i s 报道，在港湾沉积物 中，菲、萘的矿化率与盐度里负相关；r o b e r t 等人报道，土壤中 汽油的去除率随盐度的增加而降低【l “。 ( 八) 土壤结构 土壤结构影响其通透性、持水能力、过滤速度、吸附能力等。 因此，不同类型的土壤结构对污染物的降解必然有影响1 7 ，1 8 】。粘 土型土壤对污染物的物理化学减弱能力比粗砂土大；粘土或淤泥 为主的较细结构土壤孔隙很小，水过滤速度慢；高岭土具有高收 缩膨胀性，湿度增大会引起土壤膨胀，阻碍水的运动，之后可能 引起洪涝，导致厌氧条件，影响好氧微生物活性；但如果移动速 度太快，土壤吸附量太大，会导致污染向底下转移 1 9 ，2 0 1 。 根据石油污染微生物降解原理和影响降解的各种因素分析， 要提高生物修复效率应采取以下措施f 2 l 】： ( 1 ) 增加土壤中石油降解菌的种类和数量，或引用外来菌 剂，或对土著微生物富集驯化1 2 2 1 。 ( 2 ) 在高温季节开展修复活动，保证有较高的处理温度。 ( 3 ) 优化土壤条件，如土壤的结构、酸碱度、盐分、营养 物浓度、含水量等。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 采取适当的供氧措施，保证氧含量不成为降解速率的限制 因素。 1 3石油污染土壤生物修复技术的研究现状 1 3 1 石油污染土壤生物修复技术的国内研究现状 由于土壤污染危害已成为世界性问题，近年来各国科学家对 石油污染治理及生物修复研究较多，目前我国主要采用以下几种 方法： ( 1 ) 植物法利用农业化学法，根据土壤污染状况，通过盆 栽、小区和大田模拟试验，结合野外调查，进行石油污染物的残 留分析，研究石油污染物对植物生长的影响。研究植物常选用研 究区代表性较强的粮食作物和经济作物，如：水稻、花生、油菜、 棉花以及各种果树。近几年来也有的学者研究筛选对石油污染的 抗性植物或其根际分泌物中具有降解石油分子的微生物的植物 品种1 2 3 1 。 ( 2 ) 动物法此法在国外有较长的研究史，在国内的研究还 处于探索阶段。它包括两方面的内容：将生长在污染土壤上的 植物体、粮食等饲喂动物，通过研究动物的生理生化变异来研究 土壤污染状况；直接将土壤动物，如蚯蚓、线虫类饲养在污染 土壤中进行有关研究。 ( 3 ) 微生物法这是研究最多的一种方法，一般是根据土壤 污染状况，富集、驯化土著微生物，或人工接种培养代表性土壤 微生物，以研究土壤微生物受土壤污染的影响变化，筛选能够降 解土壤污染物的工程菌【2 ”。 ( 4 ) 其他生物法酶法。添加一定的污染物于土壤中，待 一定时限后，分析土壤中酶活性变化，找出土壤污染对土壤影响 的界限；土壤呼吸法。土壤呼吸作用受土壤中的物质成分影响 较大，因此，通过研究土壤呼吸来研究土壤污染状况：生物 武汉理工大学硕士学位论文 降解法。研究土壤中石油类物质在各种因素下的降解情况，了解 土壤受污染状况，探索石油污染的修复方法 2 5 i 。 以上方法，虽然在国内的石油污染土壤中研究应用的实例很 少，但可参考进行石油污染土壤的处理研究。 1 3 2 石油污染土壤生物修复技术的国外研究现状 目前国外采用的土壤生物修复技术有原位处理( i n s i t u ) 、 异位处理( e x s i t u ) 和生物反应器( b i o r e a c t o r ) 三种方法。 ( 1 )原位处理 原位生物处理是向污染区域投放氮、磷营养物质或供氧， 促进土壤中依靠有机物作为碳源的微生物的生长繁殖，或接种 经驯化培养的高效微生物等，利用其代谢作用达到降解石油烃 的目的1 2 6 1 。许多国家应用这种技术处理被石油污染的土壤，取 得了较好的成效。例如，1 9 8 9 年，e x x o n 石油公司的油轮在阿 拉斯加p r i n c ew i l l i a n 海湾发生溢油事故，溢油量达4 17 l o3 m3 ，污染海岸线长达5 0 0 6 0 0 k m 2 7 , 2 8 i 。为了消除污染，该 公司采用原位生物消解措旌，通过投放营养物( 氮源、磷源物 质) 加速海滩上自然存在的微生物对污染石油的降解。处理结 果是：同未施加营养物的地段比较，喷施营养物的地段，石油 污染程度明显减轻，并且未向周围地段及海水中扩散【2 9 3 1 】。鉴 于此成功经验，美国环保局拟将此种方法推广于沼泽地及地面 水的石油污染治理上。又如，美国犹他州某空军基地针对航空 发动机油污染的土壤，采用原位生物降解，具体做法是：喷湿 土壤，使土壤湿度保持8 12 范围内，同时添加n 、p 等营养 物质，并在污染区打竖井，通过竖井抽风，以促进空气流动， 增加氧气的供应。经过l3 个月后，土壤中平均油含量由 4l0 m g k g 降至3 8 m g k 9 1 3 2j 。 原位生物修复技术又可分为：投菌法 ( b i o a n g m e n t a t i o n ) 。直接向遭受污染的土壤接入外源的污染 武汉理工大学硕士学位论文 降解菌，同时提供这些细菌生长所需营养。c u t r i g h t 等使用3 种补充的营养液于m y c o b a c t e r i u ms p 一起注入土壤中，已取得 了良好的效果。7 0 年代，c h a k r a b a r t y 等将三个降解不同烃类 的质粒转移到铜绿假单胞菌，所得菌株可同时降解直链烷烃、 轻质芳烃和重质工离烃。b l a l 研究发现将a c i n e t o b a c t e r c a l c o a c e t i c n ss 3 0 和a o d or a n sp 2 0 混合培养可以显著提高单独 培养时得石油降解速率。b a l t i cg e n e r a li v es t m e n t 公司得一项 专利为利用混合菌群( a z o t o b a c t e rv i n e l a n d i i2 l 、p s e n d o m o n a s s p 9 、p s e n d o m o n a ss p 1 9 、p s e n d o m o n a ss p 3 1 和a c i n e t o b a c t e r c a l c o a c e t i c u s2 3 ) 来促进石油烃类的生物降解1 3 3 】。生物培养 法( b i o c u l t u r e ) 。定期向土壤投加h 。0 。和营养，以满足污染环 境中已经存在的降解菌的需要，以便使土壤微生物通过代谢将 污染物彻底矿化成c 0 ：和h 。0 。k a e m p f e r 向石油污染的土壤连 续注入适量的氮、磷营养和n o 。一、o ：及h2 0 。等电子受体，经过 2 天后便可采集到大量的土壤菌株样品，其中大多为烃降解细 菌。生物通气法( b i o v e n t i n g ) 。这是一种强迫氧化的生物降 解方法。在污染的土壤上打至少2 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，在土壤中的挥发性有机 毒物也随之去除。在通入空气时，加入一定量的氨气，可以为 土壤中的降解菌提供氮素营养，促进其降解活力的提高。另外 还有一种生物通气法，即将空气加压后注射到污染地下水的下 部，气流加速地下水和土壤中有机物的挥发和降解，有人称之 为生物注射法( b i o s p a g i n g ) 。生物通气法生物修复系统的主要 制约因素是土壤结构，不适的土壤结构会使氧气和营养物在到 达污染区域之前就已被消耗，因此它要求土壤具有多孔结构。 农耕法( l a n d i n gf a r m i n g ) 。对污染土壤进行耕肥处理，在处 理过程中施入肥料，进行灌溉，加入石灰，从而尽可能地为微 生物降解提供一个良好的环境，使其有充足的营养，水分和适 意的p h 值，保证污染物降解在土壤的各个层次上都能发生【3 ”。 武汉理工大学硕士学位论文 各种方法的最大缺陷是污染物可能从污染地迁移，但由于该法 简易经济，因此在土壤渗透性差，土壤污染较浅，污染物又较 易降解时可以选用。植物修复( p h y t o r e m e d y i n g ) 。在污染的 土壤上栽种对污染物吸收力高，耐受性强的植物，应用植物的 生长吸收以及根区修复机理( 植物一微生物的联合作用) 从土 壤中去除污染物或将污染物予以固定。，我国野生植物资源丰 富，生长在天然的污染环境中的野生超积累植物和耐重金属植 物不计其数，因此，开发与利用这些野生植物资源对植物修复 的意义十分重大。 ( 2 )异位处理 异位处理法是要求把污染的土壤挖出，集中起来进行生物 降解。在处理过程中，保持营养、水分和最佳p h ，用于降解过 程的微生物通常是土著土壤微生物群系。为了提高降解能力， 亦可加入特效微生物，以改进土壤生物修复的效率。 异位生物修复技术可分为：预制床法( p r e p a r e db e d ) 。 在不泄露的平台上，铺上石子与砂子，将遭受污染的土壤以 15 c m 3 0 c m 的厚度平铺其上，并加入营养液和水，必要时加入 表面活化剂，定期翻动充氧，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。p o p e & m a t t e s 对预制床技术进行了深入研究，内容涉及 p h 值控制、翻动操作、湿度调节及营养要求等。预制床处理时 农耕法的延续，但它可以使污染物的迁移量减至最低。堆肥 式处理( c o m p o s t i n g ) 。与预制床处理不同的是，土壤中直接掺 入了能提供高处理效果的支撑材料，如树枝、稻草、粪肥、泥 炭等易堆腐物质，使用机械或压气系统充氧，同时加石灰以调 节p h 值。经过一段时间的发酵处理，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 于农业生产。堆肥法包括风道式、好气静态式和机械式等三种， 其中以机械式( 在密封的容器中进行) 最易控制，可以间歇或 武汉理工大学硕士学位论文 连续运行。l i nj i a n e r 等研究了在堆肥式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 胶囊种或用聚氨基甲酸乙脂固定，掺入所处理的土壤中，避免 流失，明显提高了微生物的降解速率1 3 “。 ( 3 ) 生物反应器 生物反应器是用于处理污染土壤的特殊反应器，通常为卧 式鼓状的、气提式、分批或连续培养，可建在污染现场或异地 处理场地。污染土壤用水调成泥浆，装入生物反应器内，控制 一些重要的微生物降解条件，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。该技术尚处于试验室研究阶段。 生物反应器是污染土壤生物修复的最佳技术，它能满足污染物 生物降解所需的最适宜条件，获得最佳的处理效果 3 6 j 。 生物反应器法实质上是土耕法和堆肥法的重新构造，它们 在微生物相互作用和污染物降解途径方面是相同的，只是生物 反应器法增强了营养物、电子受体及其它添加物的效力，因而 往往能达到最高的降解率和降解效率。生物反应器工作的典型 流程是：土壤挖出后进行预筛，筛去大块部分，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 ：0 ：产生，达到处理目标后，将土壤排 出脱水 3 7 】。 美国东南部的一家木材处理厂，最近使用生物反应器法处 理该厂受杂酚油污染的污泥土壤，安装了四个半间歇式生物泥 浆反应器，并接种能降解杂酚油的细菌，每周可处理l0 0 t 受 污染的污泥和土壤，使菲、葸混合物的含量从3 0 0 ，0 0 0 m g k g 降低到6 5 m g k g ，苯并( a ) 芘从1 ，1 0 0 m g k g 降低到检测限以 f ( 3 m g k g ) ，五氯酚的含量从l3 ，0 0 0 m g k g 降低到 4 0 m g k g 38 1 。m i s s i s s i p p is t a t e 大学土木系的d e n n i sd t r u a x 等 人参考几十年以来废水连续处理的成功经验，用b e n c h s c a l e 武汉理工大学硕士学位论文 生物反应器对柴油污染土壤的连续处理进行了可行性研究，试 验结果表明，这是一个可行的方案，6 0 d 后，含油量为13 3 5 m g k g 砂土( 湿重) 的除油率高达9 1 ，含油量为16 7 5 m g k g 砂土( 湿 重) 的除油率达8 6 i ”j 。 另外，荷兰的一家公司研制出了回转式生物反应器，这种 设备的特点是把待处理的石油污染土壤装入反应器的圆筒内， 借助于反应器的回转运动，使土壤得以与微生物充分接触。这 种设备可间歇操作也可连续操作。间歇操作每次装料5 0 t ，营 养物在加入污染土壤时混入，湿热空气由位于反应器一端的鼓 风机吹入，并在反应器中喷水，以保持土壤的湿度。利用这种 设备对含油量为1 0 0 0 6 0 0 0 m g k g 的石油污染土壤在温度2 2 条件下，处理l7 d 后，土壤含油量降至5 0 2 5 0 m g k g 4 0 】。 由于生物反应器内微生物降解条件很易控制和满足，因此 其处理速度与效果优于其它处理方法t 4 “。但它对高分子量p a h s 的修复效果不理想，且运行费用较高，目前仅作为试验室内研 究生物降解速率及影响因素的生物修复模型使用。 除了以上三种国外常用方法外，对石油污染土壤的生物修 复技术还有： ( 1 ) 厌氧处理( a n a e r o b i cr e a c t o r ) ：大量研究工作表明，厌 氧处理对某些污染物如三硝基甲苯、p c b 等的降解比好氧处理 更为有效，现已有厌氧生物反应器之类的厌氧生物修复技术， 但由于其厌氧条件难以控制，并且易产生中间代谢污染物等， 故其应用比好氧处理少1 4 2 。 ( 2 ) 原位一异位联合修复技术：水洗一生物反应器法 ( w a s h i n g b i o r e a c t o r ) 。用水冲流土壤中的污染物，并将含有 该污染物的废水经回收系统引入附近的生物反应器中，通过连 续供应营养、氧气和接种降解菌将污染物去除。土壤通气一 堆肥法( b i o v e n t i n g c o m p o s t i n g ) 。先对污染土壤进行生物通气， 去除易挥发的有机物染物，然后再进行堆肥式处理，去除难挥 武汉理工大学硕士学位论文 发的有机物染物。 生物修复技术虽然已经取得了长足的发展，但由于受生物特 性的限制，生物修复技术还存在着许多的局限性： 微生物不能降解污染环境中所有的污染物，污染物的难 生物降解性、不溶性以及污染物土壤腐殖质或泥土结合在一起 常使生物修复难以进行。 生物修复要求对地点状况的工程前考察往往费时、费 钱。 一些低渗透性土壤往往不宜采用生物修复技术。 特定的微生物只降解特定的化合物类型，化合物形态一 旦变化就难以被原有的微生物酶系降解。 微生物活性受温度和其它环境条件的影响。 有些情况下，生物修复不能将污染物全部去除，因为当 污染物浓度太低不足以维持一定数量的降解菌时，残留的污染 物就会留在土壤中。 如何开展对寒冷地区的污染土壤和海洋中的石油污染 治理是生物修复尚待研究的一个重要课题。 1 3 3 土壤生物修复生态条件的国内外研究现状 近年来国内外许多研究者对石油污染土壤的微生物降解 原理，影响因素、降解效率、降解菌筛选等方面进行了大量研 究。 常志州、何加骏和w e a v e r r w 等研究了水势与用氮量对 土壤中石油降解的影响，结果表明：石油对土壤的污染没有影 响土壤水势；在土壤水势为一1 0 0 一2 0 0 k p a 范围内，水势的 降低没有影响石油分解，而当土壤水势为一10 0 0 k p a 时，石油 降解速率与对照相比下降了1o 3 5 。在壤土上，肥料氮添加 在碳( 石油中碳) 氮( 肥料中氮) 比为9 0 时，石油降解最快： 过多施用肥料氮会降低石油的分解速率 4 3j 。另外他们还研究了 武汉理工大学硕士学位论文 两种土壤上接种微生物对提高石油降解率的影响，接种微生物 对粉沙土中石油降解没有影响，表明土壤生境条件影响接种的 效果 4 4 】。以及微域培养试验中影响石油降解的几个因素，表明 先加水后加油和搅拌可以增加c o ：累积释放量和t p h 的降解量 i 4 5 1 。 丁克强等研究了真菌对石油污染土壤的降解情况【4 6 】；魏德 洲和秦煜民等研究了h 。0 。