（环境工程专业论文）油田区石油污染土壤微生物植物联合修复技术研究及应用.pdf

摘要 为了净化胜利油田的石油污染土壤，本课题研究了石油污染土壤的微生物植物联 合修复技术。 从胜利油田的含油污泥和井场落地油污染土壤中筛选出多组可耐受一定盐度的石 油烃类降解混合菌，通过对各组茵降解石油污染物的效率比较，最终选定一组高效石油 降解菌；对此混合菌的培养条件的研究表明，1 - 2 的盐度有利于混合菌的生长，最佳 p h 范围为7 8 ，适宜的生长温度为2 8 ，适宜的培养时间为4 0 h ；从多种碳、氮源中优 选出蔗糖和酵母粉作为石油降解菌发酵用原料，可大幅降低发酵成本而发酵液的石油降 解活性没有大的改变。通过不同含油量油泥中种子发芽率实验和植物生长状况实验，从 五种植物中筛选出草类植物高羊茅作为油污土壤生物处理用植物。研究了菌液用量、温 度、土壤湿度、营养物质添加方案、膨松剂种类及用量、翻耕频率和土壤粒径大小等多 种工艺条件对油污土壤生物处理效果的影响，总结出适宜的工艺条件为：土壤湿度3 0 、 膨松剂用量1 5 、菌液用量1 0 1 0 8 c m ( g 干土) 、n 类营养物质用量为c ：n = 1 0 0 1 0 ，修复时温度在3 0 左右，现场翻耕频率5 7 天翻耕一次，处理前油污土壤适度粉碎 有利于提高处理效果。研究了不同氮源、碳源、土壤调理剂对原位修复中土著微生物激 活效果的影响，总结出适宜的工艺条件为：葡萄糖用量1 3 3 9 ( k g 干土) 一、氯化铵与尿 素( 1 ：1 ) 用量2 0 9 ( k g 干土) 1 、稻草与锯末( 6 ：4 ) 用量2 。 进行了井场油污土壤原位生态修复现场试验，结果表明，对于新鲜原油污染的土壤， 经微生物植物修复处理四个月后土壤含油量下降幅度大于8 5 。进行了面积超过1 0 0 0 0 平方米的中低浓度油污土壤的生态修复示范，对于受长时间石油污染的土壤，经微生物 植物修复处理五个月后土壤含油量下降约5 0 以上。 关键词：石油污染土壤，微生物植物联合修复，工艺条件优化，土著刺激 s t u d ya n da p p l i c a t i o no nb i o p h y t o r e m e d i a t i o nt e c h n o l o g y o fp e t r o l e u m p o l l u t e ds o i li no i lr e g i o n d o n gj i a n ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gx i u x i a ，z h uw e i a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h eb i o - p h y t o r e m e d i a t i o nt e c h n o l o g yf o rt h ep e t r o l e u mp o l l u t e ds o i li n s h e n g l io i l f i e l d ，w a si n v e s t i g a t e d s o m es o i ls a m p l e sw e r et a k e nf r o mt h eo i ls l u d g ep i l e do u t d o o rf o ral o n gt i m ea n df r o m o i lc o n t a m i n a t e ds o i ls e a l t h eo i lw e l li ns h e n g l io i l f i e l d 。s o m eg r o u p so f i n d i g e n o u sb a c t e r i a w i t ho i ld e g r a d a t i o nc a p a c i t ya n da n t i - s a l tc a p a c i t yw e r es c r e e n e d ag r o u po fb a c t e r i aw a s s e l e c t e db yc o m p a r i n gt h eo i ld e g r a d a t i o nc a p a c i t y t h eo p t i m a li n c u b a t i n gc o n d i t i o n si sa s f o l l o w s ：1 - 2 s a l tc o n c e n t r a t i o n , p h7 - 8 ，2 8c e n t i g r a d ea n d4 0 h t h ep r e s c r i p t i o nw a s o p t i m i z e dt od e c r e a s et h ep r o d u c t i o nc o s to ff r e m e n t a t i o nb r o t ho fb a c t e r i a s a c c h a r o s ea n d y e a s te x t r a c tw e r es e l e c t e da st h ef i n a lc h e a pc a r b o na n dn i t r o g e nr e s o u r c e h ao r d e rt oa s s i s t t h eb i o t r e a t m e n to fo i lc o n t a m i n a t e ds o i l ，h i 曲f e s c u r ew a ss e l e c t e df r o mf i v ek i n d so fp l a n t s b yc o m p a r i n gt h eg e r m i n a t i o nr a t ea n dt h eg r o w t hs t a t u si no i lc o n t a m i n a t e ds o i l t h e i n f l u e n c eo fo p e r a t i o np a r a m e t e r ss u c ha st h ed o s a g eo fb a c t e r i a , t e m p e r a t u r e ，s o i lm o i s t u r e ， n u t r i e n tc o n t e n t ，a m o u n to fb u l ka g e n t ，t i l l i n gf r e q u e n c ya n dt h ed i a m e t e ro fs o i lg r a i no nt h e d e g r a d a t i o ne f f e c t i v e n e s sw a ss t u d i e d t h ea p p r o p r i a t ec o n d i t i o n s f o rt h eb i o t r e a t m e n t p r o c e s sw a s ：3 0 o fs o i lm o i s t u r e ，1 5 o ft h ea m o u n to f b u l ka g e n t ，1 o xl0 8 c 如g - 1f o rm e b a c t e r i ad o s a g e ，c ：n = 1 0 0 ：1 0 ，a n da b o u t3 0c e n t i g r a d ef o rt h et e m p e r a t u r e t h ef i l l i n g f r e q u e n c yi so n c ep e r5 - 7d a y s t h ei n f l u e n c eo ft h ed i f f e r e n tc a r b o nr e s o u r c e ，n i t r o g e n r e s o u r c ea n ds o i lc o n d i t i o n e r so nt h ei n d i g e n o u sm i c r o b i a la c t i v a t i o ne f f e c t i v e n e s si nt h ei n s i t ue c o l o g i c a lr e m e d i a t i o nw a ss t u d i e d t h ea p p r o p r i a t ec o n d i t i o n sw a s ：g l u c o s e13 3 9 ， a m m o n i u mc h l o r i d ea n du r e a ( 1 ：1 ) 2 0 0 9 ，2 o f t h ea m o u n to fs t r a wa n ds a w d u s t ( 6 ：4 ) f i e l de x p e r i m e n t so fi ns i t ue c o l o g i c a lr e m e d i a t i o nn e a rao i lw e l lw e r ec o n d u c t e dt o v e r i f yt h el a b o r a t o r yr e s u l t s t h ed e g r a d a t i o ne f f e c t i v e n e s so fo i lw a su pt o8 5 f o rm en e w o i lp o l l u t i o no fs o i la f t e r4m o n t h sb i o t r e a t m e n ta n dp l a n tt r e a t m e n t t h e nam o r et h a no n e i i h e c t a r ed e m o n s t r a t i o np r o j e c tw a s i m p l e m e n t e df o r t h eo i lc o n t a m i n a t e ds o i l t h ed e g r a d a t i o n e f f e c t i v e n e s so fo i lw a su pt o5 0 f o rt h es o i l p o l l u t e db yt h eo i lf o ral o n gt i m ea f t e r4 m o n t h sb i o t r e a t m e n ta n d p l a n tt r e a t m e n t k e y w o r d s ：o i lc o n t a m i n a t e d s o i l ，b i o - p h y t o r e m e d i a t i o n , o p t i m i z i n g o fo p e r a t i o n c o n d i t i o n s ，i n d i g e n o u sm i c r o b i a la c t i v a t i o n 中国石油大学( 华东) i 程硕士学位论文 1 1 课题的来源、目的和意义 第一章前言 本课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 课题“油田区石油污染土壤生态修 复技术与示范”。 随着工业的发展，石油的需求量大幅度增加，石油污染物对环境造成的污染和破坏 也越来越严重，其中石油对土壤的污染是最为直接，也最为严重。全球每年开采大量的 原油，其中一部分通过各种途径进入土壤、大气和水环境，这一情况对我国更为严重， 因为我国在环境保护方面的力度较国外差一些。在原油生产、运输，成品油加工过程中 存在一些油品泄漏问题，泄漏的油品多数进入土壤环境，因而石油污染土壤量随石油用 量的增加而增大，对我国人民的健康造成危胁。尤其是我国的石油污染治理技术和力度 均比西方发达国家差，因此石油污染造成的损失也更大一些。据有关部分分析，我国的 土壤污染主要来自两方面，一是重金属污染，另一个就是石油污染。土壤污染对国民经 济造成的损失高达2 0 0 0 亿元左右。 土壤石油污染的有效治理手段是学术界和工程界共同面对的一大难点，其原因一方 面是由于土壤生态系统的复杂性与地域差异，另一方面是由于石油污染本身的复杂性及 取样测试的繁杂和困难等因素，限制了研究的进展速度。目前，用于石油污染土壤修复 的主要技术手段可大致分为物理化学方法和微生物法。目前常用的物理化学技术包括浓 缩干化法、固液分离法、萃取分离法、冲洗法、热处理和热解吸技术、化学破乳回收法 等。微生物修复技术大致可分为异位处理和原位处理两类。原位微生物修复主要包括投 菌法、生物培养法、生物通气法、农耕法等，异位处理技术主要包括预制床法、堆肥式 处理、生物反应器等。作为国内土壤修复的一项重要技术，植物修复在石油污染土壤修 复中的应用并不多，主要因为该技术修复效率低，且受各种条件的限制较明显( 如生长 周期慢、气候条件要求严格、区域性分布等) ，但将植物修复与微生物技术联合使用则 有可能对总体修复有定的促进作用。石油污染土壤生态修复技术在我国仍处于研究阶 段，我国各大油田都存在着严重的石油污染，也进行了部分中试实验研究，规模都不大， 虽然也取得了一定的经验，但尚无石油污染土壤大规模物化或生物修复的相关报道。 本课题依托于胜利油田勘察设计研究院承担的国家8 6 3 计划课题“油田区石油污染 土壤生态修复技术与示范”，开展针对中低浓度石油污染土壤的微生物一植物联合修复技 第一章前言 术研究及示范工作，旨在为油田的油污土壤治理和修复提供前期技术指导。 1 2 石油污染土壤的来源及危害 土壤受到石油污染的来源是多方面，主要包括以下几种：落地油污染，污水排放和 灌溉污染的土壤，含油固体废物堆放、填埋时污染的土壤和空气污染导致的污染土壤。 在石油勘探、开采、储运、炼制等过程中，由于操作不当或事故泄漏及检修等原因，都 会使一些石油洒落到地面上，造成土壤的污染【1 1 。按原油泄露量7 计算，我国石油企 业一年生产原油约2 亿吨，则我国每年进入土壤环境的原油量约1 4 0 万吨，造成的污染 土壤量更为可观。从石油生产现场可以看到，油井周围一段距离内土壤均为黑褐色，表 明土壤污染十分严重。有调查表明，井场周围的污染空间可达到1 0 0 0 m 2 以上。如果再 算上作业油泥的污染和早期泥浆池成周围的污染，这一面积还要大幅增加。如果再算上 地表水和地下水携带的石油向周围环境的扩散，这一面积至少达到2 0 0 0 m 2 。因此，石 油生产企业因落地油对油井周围土壤环境造成了严重影响 2 1 。 ( 1 ) 落地油污染 在原油开采过程中，由于泵、管线、油罐、原油净化处理设备等跑、冒、滴、漏洒 落在地面的原油，以及在试油、压裂、酸化等井下作业过程中，洒落在井场中的原油， 都统称为落地原油，落地原油是油田开发对土壤污染最重要的方面。 ( 2 ) 污水排放和灌溉污染的土壤 石油开采、冶炼、加工和以石油为原料的化工部门排放的废水都含有大量的石油类， 长期使用这类污水灌溉农田必然导致土壤中油含量增高。以往油田生产过程中，在油水 井周围经常设置有土油池，部分污水会渗透至土壤层，导致土油池周边的土壤受到污染。 ( 3 ) 含油固体废物堆放、填埋时污染的土壤 由于历史原因，以往对含油固体废物的处置手段以露天堆放和填埋为主，含油固体 废物中所含原油会迁移至周围土壤中，对土壤造成一定程度的污染。 ( 4 ) 空气污染导致的污染土壤 石油开采、石油炼制的生产过程中，都有部分石油挥发烃进入大气，这些成分与大 气中颗粒物质结合成降尘进入土壤，有研究表明，大气降尘污染区油区的土壤矿物油含 量比对照区高出1 2 倍。 石油污染对人类的影响可通过多种途径实现：石油中的轻质组分可通过挥发作用进 入大气环境，通过人类的呼吸作用进入体内；石油组分也可通过地表水和地下水进入水 2 中国石油人学( 华东) 工程硕士学位论文 环境，再通过人类的饮用进入人体内；土壤中的石油组分则会通过植物的摄取进入植物 体内，再经达人类食用进入人体，或者，植物经动物食用，辗转进入人体。 石油类物质进入土壤，会破坏土壤结构，改变土壤有机质的组成和结构，引起土壤 微生物群落、微生物区系的变化。东营地区潜水位1 3 m ，石油类随水扩散污染土壤深 度一般为1 5 m 左右，石油污染土壤中石油成分会透过渗漏等作用污染地下水。石油污 染物的一部分组分和分解产物可挥发进入大气，污染和毒化大气环境【3 】。 人类直接摄取各种石油蒸馏物可发生各种中毒症状，受到影响的器官有肺、肠胃、 肾、中枢神经系统和造血系统【4 】。 石油中的芳香烃类物质对人及动物的毒性较大，尤其是双环和三环为代表的多环芳 烃毒性更大。因其有致癌、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1 5 1 。 1 3 石油污染土壤的处理现状 现有的石油污染土壤处理方式包括物理处理、化学处理和生物处理( 生物修复) 等。 1 3 1 石油污染土壤处理的物理化学方法 ( 1 ) 焚烧 焚烧处理法优点是经焚烧后多种有害物质几乎全部除去，缺点是耗能大，焚烧中产 生了二次污染，油资源也没得到回收利用，浪费了宝贵资源。因此，只适于小面积被石 油烃类严重污染土壤的治理，原因是处理成本过高。 ( 2 ) 固化隔离 固化隔离法是在污染土壤中添加一些物质，然后将土壤固化，让土壤中的污染物难 以渗出，从而将污染物与环境分离开来的一种方法。添加的物质通常是一些惰性材料， 这些材料不易与环境相互反应，因此可起到隔离的作用。但是，这种方法只是临时处理 措施，因为它并没有将石油污染物转化为无害物质，只是防止石油烃类的迁移，因此这 种方法的使用也受到诸多限制嘲。 ( 3 ) 换土 顾名思义，换土法就是把被污染的土换掉，用的是没有被污染的土。针对小规模的、 污染严重的土壤，可以采取这种方式，比如污染事故发生时，可采用该法进行应急处理， 但是被污染的土依然要处理。该方法的缺陷在于，污染可能发生二次转移，同时治理成 第一章前言 本并未减少，而是增加了人工和机械成本 6 1 。 ( 4 ) 洗涤 土壤洗涤法的基本原理是将污染土壤中的石油组分从土壤中洗涤出来，实现土壤的 净化。洗涤时为了提高效率，需将土壤颗粒化，同时，为了提高洗涤效果，也常加入人 工或天然的表面活性剂，以增加石油从土壤表面的剥离。洗涤后，石油组分漂浮在水表 面，下层沉积的土壤可以轻易的与石油污染物分离开来 7 1 。 ( 5 ) 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臭氧、过氧化氢、高锰酸钾、二 氧化氯等，使其与污染物质发生化学反应来实现净化的目的。适合于土壤和地下水同时 被石油烃类污染的治理，化学氧化法不会对环境造成二次污染，但操作较复杂【7 】。 ( 6 ) 干化场 干化场方法是一种处理油泥的有效方法，它主要是利用自然条件来处理油泥，利用 阳光的加热作用挥发油泥中的轻烃组分，利用风将挥发出的油品稀释，待油泥中石油含 量下降一定程度后，再搬运至合适场所进行深度处理。由于利用的手段主是自然条件， 因此，适用范围较小，在沙漠地区这方法较为合适，在其它地区，由于土地使用的限 制，这一方法通常难以实现。 ( 7 ) 浓缩干化 这是一种通过外加力的作用( 如过滤、压滤等) ，将油泥中的水分先除去，将油泥 浓缩至一定体积再行处理。优点是基建投资和运转费用少，操作简单，主要缺点是：需 要占用大面积土地；由于受到气候的影响，工作环境不稳定；干化场地卫生条件差；当 污泥的颗粒小，粘度大，沉降和过滤性能较差时，很难使其干化。 表1 1 是将物理化学法处理石油污染土壤进行的综合对比。 表1 - 1 石油污染土壤物理化学处理法对比 t a b l e1 - 1 p e t r o l e u mc o n t a m i n a t e ds o i lp h y s i c a la n dc h e m i c a lt r e a t m e n tm e t h o dc o n t r a s t 表1 - 1 石油污染土壤物理化学处理法对比( 续) t a b l e1 - 1 p e t r o l e u mc o n t a m i n a t e ds o i lp h y s i c a ia n dc h e m i c a lt r e a t m e n tm e t h o dc o n t r a s t 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 1 3 2 石油污染土壤处理的生物方法 生物修复( b i o r e m e d i a t i o n ) 是指生物特别是微生物催化降解有机物，去除或消除环境 污染的一个受控的或自发的过程。由于微生物治理技术费用低、对环境影响小、适用范 围广等优点，因此在环境科学界，微生物处理技术被认为比物理和化学处理更具发展前 途。 ( 1 ) 石油污染土壤的生物处理技术理论基础 土壤中石油污染物的可生物降解性 不同种类烃类由于其结构不同( 化学键和空间结构不同) ，因此，被微生物降解的 能力也有一些差距，研究表明【8 l o ，1 ，短链直链的烷烃最易被降解( 一般是1 0 个碳以下 的) ，其次是中长链的直链烷烃( 如1 0 个至2 4 个碳的烷烃) ，支链烷烃的降解难度大于 同碳数的直链烷烃，而环烷烃较难降解，其中，单环烷烃相对较易降解，杂环烷烃降解 最难。由于构造的差异，烃类的降解经历不同的途径，链烃的降解通常为一类，而芳香 烃的降解遵循另一规律1 1 2 1 。近几年有报道称微生物可以帮助降解石油中的沥青质，例如， 黄英【1 3 】等的研究表明其筛选出的微生物可大幅降低稠油中的沥青质。中科院生态所的郭 第一章前言 书海1 4 】等得到的两株菌也能降低稠油中胶质和沥青质的含量，但其下降幅度有限；有报 道称，青海油田的咸水泉地区的稠油也可通过微生物降解而减少其中沥青质的含量【1 5 】， 研究报告中使用的是混合菌，实际上，混合菌对原油的降解作用一般更为直接有效，因 为不同菌作用的沥青质中的化学键应该有较强的专一性。 土壤中可降解石油污染物的微生物种类 土壤和水体中有数百种、7 0 多个属的可降解石油污染物的微生物，包括细菌、真菌 和藻类等。 表1 2 降解石油污染物的微生物属名 t a b l e1 - 2l l a m a 3o f m i c r o b i a lw h i c hg a bd e g r a d eo i lp o l l u t a n t 细菌真菌 a c h r o m o b a c t e r m y c o b a c t e r i u m a c r e m o n i u mm o n i l i a 彳c i n e t o b a c t e rm i c r o b a c t e r i u m a s p e r g i l l u sp a e c i l o m y c e s a l c a l i g e n e s n o c a r d i aa u r e o b a s i d i u mp e n i c i l l i u m 4 r t h r o b a c t e rp r o t e u sb e a u v e r i ap h o m a a c t i n o m y c e t e s p s e u d o m o n a s b o t r y t i s r h o d o t o r u l a b a c i l l u ss a c i n a c a n d i d a s a c c h a r o m y c e s b r e v i b a c t e r i u ms e r r a t i a c h r y s o s p o r i u m s c o l e c o b a s i d i u m c h r o m o b a c t e r i u m s p i r i l l u mc l a d o s p o r i u m s c o l e c o b a s i d i u m c o r y n e b a c t e r i u m s t r e p t o m y c e s c o c h l i o b o l u s s p r o t r i c h u m c y t o p h a g e v i b r i o c y l i n d r o c a r p o ns p i c a r i a c o r y n e f o r m s x a n t h n m o n a s d e b a r y o m y c e s t o l y p o c l a d i u m e r w i n i af u s a r i u m g r a p h i u m f l a v o b a c t e r i u mg e o t r i c h u m h u m i c o l a m i c r o c o c c u sg l i o c l a d i u m 石油污染土壤生物修复的影响因素 a 石油降解微生物的降解活性 石油降解微生物是石油污染土壤生物修复的关键，无论是土著微生物还是外源菌 种。土壤里大量微生物中只有一部分土著微生物均有石油降解活性，而石油污染物的介 入会对该类微生物产生诱变作用，刺激其大量繁殖并发挥活性，同时抑制其他微生物种 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 群的生长。外源菌的投入则需要强制提供更加合适的环境条件( 比如各类营养物质、氧 气和限制因子等) 来促进外源菌在土壤环境中的生存，一旦其成为优势种群，就能够发 挥良好的降解活性【1 6 1 。 b 石油污染土壤的环境条件 前已述及土壤中石油类污染物的可生物降解性，说明石油污染土壤中石油类物质的 化学结构对生物修复是有关键影响的。同时，土壤中过高的石油浓度会抑制微生物生长 并降低其降解活性。d i b b l e 等旧发现在石油污染土壤中石油浓度较低时( 1 2 5 - - 5 ) 可 促进微生物生长和发挥活性，当石油浓度超过1 0 时，则开始抑制微生物生长。b r i n k t l 8 】 也对土壤石油浓度和微生物活性之间的关系做了深入研究，结论基本一致。因此土壤中 石油类污染物的浓度应适当。另外，石油污染土壤的物理化学性质也是生物修复的关键 影响因素，比如土壤的温度、湿度、酸碱度、含盐量、营养物质含量、颗粒粒径、孔隙 度、氧含量等等1 9 刎。 ( 2 ) 石油污染土壤的生物处理技术 石油污染土壤的生物处理可分原位和异位两种方式。 原位生物修复 修复时是在石油污染的原发地进行，这样可减少运输过程由于土壤散落造成的新污 染地。主要利用土著微生物对石油的降解能力来进行，一般需对土著微生物进行适当的 外部条件刺激，如加肥料加水、适当通气以改善土壤环境。有时，为了提高修复效率， 也可外加石油降解菌剂，但要注意外加菌对土壤中石油组分的降解能力，也需注意外加 菌对土壤环境的适应能力。 a 通气 这种方法需要将空气强行通入污染地层，以置换出挥发性的轻烃组分。因此，实际 操作时，需在污染地层处打两口井，一口井用于向地层鼓入空气，另外一口井则将置换 出的气体排出。 b 耕作 将肥料与石油污染土壤翻耕拌匀并进行灌溉，以保证土壤具有充足的营养、水分和 适宜的p h 值。这种方法操作费用低，可以处理土壤的浅层污染、新鲜污染，但是操作过 程中容易产生污染物的迁移。 c 外源菌 在石油污染土壤中投入石油烃降解微生物，并不断补充微生物生长和降解所需的营 7 第一章前言 养，调控土壤环境和性质，使其发挥降解活性。 d 微生物一植物联合修复 在使用微生物进行石油污染土壤修复时种植植物可利用植物与微生物的相互促进 作用提高修复效果叫。 异位生物修复 将石油污染土壤移动至特定的场地和环境下进行修复处理，特定的场地可以避免污 染物迁移，特定的环境有利于发挥微生物降解活性。 a 堆肥 在石油污染土壤中加入适当肥料以及可提高膨松度的物质，定期进行翻作搅拌并补 充营养元素，监测堆肥效果。 b 预制床 建造的预制床需满足防渗要求，以避免污染物再次转移。预制床上铺设渗透性良好 的砂石，底部设土工布，可对修复过程中浇灌液进行渗滤，可设泵进行回收。在砂石层 上铺设石油污染土壤，厚度以适合耕作、不破坏渗滤层为宜。土壤中投加微生物和营养， 定期浇水翻耕【2 2 】。 c 生物反应器 在生物反应器中加入数倍于石油污染土壤的水以及微生物和营养物，充氧，搅拌， 可实现较快速的生物降解。 表l - 3 石油污染土壤生物处理技术对比 t a b l e1 - 3 p e t r o l e u mc o n t a m i n a t e ds o i lb i o l o g i c a lt r e a t m e n tt e c h n o l o g yc o n t r a s t 表1 - 3 石油污染土壤生物处理技术对比( 续) t a b l e1 - 3 p e t r o l e u mc o n t a m i n a t e ds o i lb i o l o g i c a lt r e a t m e n tt e c h n o l o g yc o n t r a s t 8 中国石油大学( 华东) - f 程硕士学位论文 生物处理技术的应用 石油污染土壤的生物修复技术于上世纪8 0 年代出现，但直到9 0 年代初，才开始实 际应用。美国在这方面研究一直处于世界领先地位，美国e x x o n 公司和环境保护协会在 阿拉斯加海岸的石油污染的修复是目前世界上应用生物修复技术的典型案例；荷兰也有 6 0 0 0 多处污染地已使用该技术进行处理，处理效果良好，多处土地已达到可再利用的程 度。 相对国外而言，我国成熟的研究并不多，实际研究及现场修复的很少，仍处于起步 阶段 9 1 。姜昌亮等用堆置的方法处理辽河油田石油污染土壤，修复两个月后，石油污染 物去除了4 5 2 - - 5 6 7 t 2 3 1 。 1 3 3 石油污染土壤的植物修复技术 植物修复利用植物与微生物及环境之间的相互作用，对环境污染物质进行清除、分 解、吸收或吸附，使土壤环境重新得到恢复，是一种很有希望的、可有效和廉价处理某 些有害废物的新方法，在美国等发达国家已开展大规模的实验，并被证明是有效的【2 4 l 。 自从2 0 世纪8 0 年代问世以来，污染土壤和水体环境的植物修复2 5 ，2 6 1 已成为国内外环境污 染修复前沿领域的热门研究课题，并且开始进入产业化初期阶段。 9 第一章前言 ( 1 ) 植物修复的机理与过程 植物修复主要有植物提取( 富集污染物后再对植物进行后处理) 和植物降解两种方 式，植物修复一个复杂的过程，不仅需要植物也需要微生物如细菌和真菌的共同作用来 实现【2 7 ，2 引。除了植物本身的吸收和代谢外，其作用机理还包括改变土壤水分平衡、改变 根系附近的土壤微环境【2 2 1 、促进根系附近微生物的降解3 3 。7 1 等。 ( 2 ) 植物对石油污染土壤的修复 孙铁衍和宋玉芳等【3 8 1 利用首蓓草进行了野外盆栽实验，研究植物对土壤石油和多环 芳烃生物修复影响及调控作用，结果表明土壤中的多环芳烃降解率明显高于对照，说明 植物根际对降解有作用。p r a d h a n 等研究了原煤气生产厂污染的植物修复技术，用3 种植 物进行了6 个月的实验室研究，发现其中应用首楷和柳枝翟处理，6 个月后土壤中总p a h s 浓度减少了5 7 ，然后，再用首蓿可进一步减少p a h s 总量的1 5 t 3 9 1 。 ( 3 ) 影响植物一微生物修复的因素 植物根 植物提供给根圈一个十分有利于生长的环境条件，能够使根满足植物生长基本需要 的性质可影响根际微生物群落和有害物质在土壤中的归宿。 土壤的理化性质及其他 土壤中污染物的浓度，电子接收体的数量，养分供应，包括养分状况、盐分、p h 、 磷肥和钙的可利用性，以及氧含量、氧化还原电位和土壤湿度等也影响根系微生物活性。 1 3 4 石油污染土壤生物修复的发展趋势 目前对石油污染土壤生物修复的研究热点主要有： ( 1 ) 石油烃降解微生物的获得 石油烃降解微生物的获得依然是研究的首要重点，而选择适当的碳源、氮源、磷源 则有不同的见解，一般来说，铵盐、磷酸盐选择较多，使用石油类污染物作为碳源来模 拟土壤污染环境也是非常重要削4 0 4 3 】；由此带来的问题便是，传统的氮、磷源是水溶性 的，在石油类污染物存在的情况下，会限制营养源的充分利用，因此近年来有研究致力 于亲油性氮、磷源的开发。除土著微生物的筛选外，基因工程菌的开发也是研究热点， 因为有目的性的开发基因工程菌，理论上能够提高微生物对某类污染物的降解能力或者 提高其在特殊污染环境下的生存能力。 ( 2 ) 石油污染物的传质效率 l o 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 由于石油中各组分多为疏水性化合物，极易吸附到土壤颗粒上，污染物从土壤表面 到细胞内部的传递速率是生物降解的主要限制步骤之一。近年来许多研究致力于发现和 开发适当的表面活性剂，目的是提高石油污染物的传质效率4 4 捌】。 1 4 课题的研究目标、研究内容及创新性 1 4 1 课题的研究目标 针对胜利油田中低浓度石油污染土壤问题，筛选效率较高的石油微生物降解菌株； 开展修复工艺条件研究，确定较优的操作工艺参数，选育适合油田区生态环境条件的高 效修复植物，构建植物微生物联合修复技术；开展土著刺激微生物修复工艺条件研究。 1 4 2 课题的研究内容 ( 1 ) 高效石油降解土著微生物的筛选；修复植物的筛选； ( 2 ) 石油污染土壤生物修复技术研究； 在室内开展膨松剂种类及用量、土壤湿度、土壤温度、菌剂用量、营养物质添加、 土壤翻耕频率、土壤粒径分布等修复工艺条件的研究；采用生物修复技术在被石油污染 的单井井场进行土壤的修复处理，确定最佳工艺操作参数。 ( 3 ) 土著菌激活原位修复石油污染土壤技术研究； ( 4 ) 中低浓度油污土壤生态修复示范。 1 4 3 课题的创新性 ( 1 ) 通过降低菌剂成本、优化修复工艺参数，形成工业化石油污染土壤高效原位 微生物植物修复工艺，并开展面积超过1 公顷规模的原位微生物植物联合修复石油污 染土壤示范； ( 2 ) 成果的工业化应用为胜利油田下一步全面实现石油污染土壤治理和生态恢复 提供可借鉴的处理工艺和方法，对油田的可持续发展、保护油区生态环境具有重要的现 实意义。 第一二章4 j 油污染十壤生态修复技术研究 第二章石油污染土壤生态修复技术研究 本章肖介绍丌展的行油污染上壤生态修复技术的研究，主要包括：耐盐石油降解t 著微生物菌组的筛选及优化：修复用植物的筛选；扛态修复工艺条件的研究：井场石油 污染上壤原位生态修复现场试验；土著菌激活原位修复石油污染上壤技术研究。 2 1 耐盐石油降解土著微生物菌组的筛选及优化 2 1 1耐盐石油降解土著微生物菌组的筛选 胜利油田石油污染土壤具有含盐量高的特点，为了适应这一特点，需筛选驯化出既 能耐受油污环境和高盐环境、又能降解石油烃的微生物。研究思路是先用含少量原油的 l b 培养液富集上壤中的石油烃降解菌，然后逐步提高培养基中的石油含量，直至完令 以石油为碳源。然后将筛选出的石油降解菌进行耐盐能力的驯化，使筛选到的十著石油 降解菌依次经过盐浓度逐渐提高的原油培养基，最后得到的是既能耐高盐又能降解石油 组分的土著微生物。获得高效的石油烃降解荫后，进行了该菌剂的发酵条件和发酵成分 的优化研究，以确定最廉价的培养基配方，最终实现菌剂成本的降低。 菌源取自长期被石油污染的土壤中，共筛选获得9 组耐盐土著降解微生物菌组，并 进行了石油污染物降解验证试验。 12345 6 t89 置组编号 图2 - 1y 系列菌组石油烃降解率( 5 0 d ) f i g 2 - 1 ys e r i e sb a c t e r i u mg r o u po i lh y d r o c a r b o nd e g r a d a t i o ne f f i c i e n c y ( 5 0 d ) 将筛选得到的耐盐石油降解卜著微生物菌组进行室内修复效果对比发现：y 2 、y 1 、 y 3 的降解效果相对较好。其中y 2 菌组在试验中修复效果最好，将该茵组与胜利油田引 进的困外固体菌剂一r h o d e r 菌剂的效果对比，见表2 1 ( 主要考察土壤中石油污染物的 降解效率) 。 0 t v * 叠盘 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 表2 - 1y 2 菌组与r h o d e r 菌剂的修复效果对比 t a b l e2 - 1 r e p a i re f f e c t sc o n t r a s tb e t w e e ny 2b a c t e r i u mg r o u pa n dr h o d e rb a c t e r i u ma g e n t 菌组 1 2 0 天石油污染物降解率( ) r h o d e r y 2 5 7 9 5 4 5 从对比试验结果看，修复1 2 0 天时，y 2 菌组的石油降解效率与国外引进的高效固 体菌剂r h o d e r 的效果大致相当。因此确定y 2 作为优化研究菌组，进行混合发酵条件研 究、培养基成分优化研究。 2 1 2 菌组培养条件优化研究 ( 1 ) 混合发酵条件研究 y 2 菌组在不同氯化钠含量条件下的生长状况( 以吸光度示，波长6 0 0 n m ) 见下图。 氯化钠含量 图2 - 2 氯化钠对y 2 菌组生长影响 f i g 2 - 2 i n f l u e n c eo fn a c it ot h eg r o w t ho fy 2b a c t e r i u mg r o u p 结果显示，y 2 混合菌可在较高的氯化钠浓度下很好的生长，但当氯化钠的浓度在 1 2 时处于生长特别旺盛的阶段，所以选择1 为最优的氯化钠的浓度。 y 2 菌组在不同p h 条件下的生长状况( 以吸光度示，波长6 0 0 n m ) 见下图。 第二章石油污染土壤生态修复技术研究 p h 图2 - 3p h 对y 2 混合菌生长情况的影响 f i g 2 - 3 i n f l u e n c eo fp ht ot h eg r o w t ho f y 2b a c t e r i u mg r o u p 结果显示，y 2 菌株生长的最佳p h 在7 8 的范围内。 y 2 菌组在不同摇床转速条件下的生长状况( 以吸光度示，波长6 0 0 h m ) 见下表。 表2 - 2 摇床转速与溶氧量及菌生长情况的关系 t a b l e2 - 2 r e l a t i o n s h i po fw a v eb e dr o t a t i o ns p e e da n do x y g e na n db a c t e r i ag r o w t hc o n d i t i o n 当转速控制为1 2 0 r m i n 。1 时，混合菌的生长处于最佳状态，此时氧的传质速率与菌 株的生长代谢的速率相匹配，菌体能够均匀的悬浮于水中，对营养物质的吸收和代谢物 的分散都十分有利。 y 2 菌组在不同培养温度条件下的生长状况( 以吸光度示，波长6 0 0 n m ) 见下图。 01 02 03 0 加5 06 07 08 09 01 0 0 时间h 图2 - 4 培养温度对菌株生长的影响 f i g 2 - 4 i n f l u e n c eo fc u l t u r et e m p e r a t u r et ot h eg r o w t ho f y 2b a c t e r i u mg r o u p 1 4 中困石油人学( o # 东) t 程坝i j 学位论文 结果表明2 8 时混合菌生长最为良好，生长状况明显好于低温2 0 。c 以及高温3 6 时的，- 长情况。从培养时问上看，2 8 下培养4 0 小时左右即可获得较高的菌数，培养 时问过长，可能细菌将进入衰亡期。 ( 2 ) 培养基优化研究 为得到高效菌的经济、实用、高效的培养基，选取廉价的碳源和氮源作为培养基的 主要成分，通过测定培养液中菌体降解活性来优化培养基的组成。培养基的碳源分别选 用葡萄糖( p ) 、蔗糖( z ) 、淀粉( d ) ，培养基的氮源分别选择酵母粉( j ) 、尿素( n ) 、 n h 4 c 1 ( a ) ，以脱氢酶活性为评价指标，通过比较不同配方的培养基发酵菌液脱氢酶活 性随时间的变化，优选出廉价、高效培养基的配方，以优化培养条件。碳源、氮源实验 中碳氮比分别设3 个水平( 15 ：l 、2 5 ：l 、3 5 ：1 ) ，用l b ( 牛肉膏蛋白胨培养基) 作对照， 即分别设1 0 个处理。 不同碳源发酵液的脱氢酶活性随时间变化情况见下图。 p 1 5p 2 5p 3 5z 1 5z 2 5z 3 5d 1 5d 2 5d 3 5l b 发酵液的碳源 图2 5 不同碳源发酵液的脱氢酶活性随时间变化 2 4 h 4 2 h 16 4 h 材7 2 h ”$ 6 h “9 6 h ”1 1 2 h f i g 2 - 5d e h y d r o g e n a s ea c t i v i t yc h a n g e sw i t ht i m eo fd i f f e r e n tc a r b o ns o u r c ef e r m e n t e dl i q u i d 通过比较不同发酵时问下发酵液的脱氢酶活性( 主要依据碳源用量、成本、发酵时 间与脱氢酶活性之间的关系) ，选择z 1 5 为最适宜的廉价碳源( 即发酵液中蔗糖含量为 9 6 4 9 l ) 进行后续试验。 不同氮源发