（环境工程专业论文）石油烃污染土壤的生物修复研究.pdf

摘要 置 il i lh ii i 一一i i i i 曼曼皇曼皇曼皇曼曼皇 摘要 石油烃类物质有较高的生物学毒性、在环境中的残留时间较长。所以，石油 污染是除农药污染之外的又一大土壤污染源，其对环境造成的危害己引起广泛重 视。生物修复技术具有处理成本低、高效、无二次污染、自然美观等特点，是最 具应用前景的土壤修复技术之一。本文采用外源微生物方法，在实验室环境下对 模拟石油烃污染土壤进行修复，一方面力求揭示如何使污染物状况和环境条件更 适合菌株降解，系统探讨各影响因子和环境条件对微生物降解的影响：另一方面 初步探讨基于本土植物的植物微生物联合修复技术。为实现这两个研究目标，具 体开展了以下几个方面的研究：首先考察污染浓度、土样处理方式、投菌量、湿 度、温度和营养配比等6 种因素对微生物降解的影响；在此基础上研究这6 种因 素的显著性水平和相互关联关系；通过多因素关联分析和开展多因素正交试验， 获得最优正交试验条件；进一步选用重庆乡土植物，与微生物联合降解石油烃污 染土壤。 通过本文的研究，结果表明： ( 1 ) 采用黄孢原毛平革菌对不同浓度的石油烃污染土壤降解6 0 d 后，低中高 三种浓度( 5 0 0 m g k g ，5 0 0 0 m g k g ，1 0 0 0 0 m g k g ) 降解率分别达到了5 8 ，7 0 和 7 2 ，说明在降解菌耐受浓度范围之内，随着污染浓度的增大石油降解量增大，而 且浓度越大，降解率越高；土样翻耕实验组在5 0 0 0 m g k g 污染浓度条件下，土壤 翻动时的降解率比不翻动的高1 8 ，而对照组( 5 0 0 m g k g ，1 0 0 0 0 m g k g ) 翻动时 降解率比不翻动的分别高1 4 ，3 0 ，说明土壤经过翻动，加强了通风透气的作用， 使微生物呼吸作用加强，从而提高石油烃降解率，而且这一功效适用于各种浓度 条件，浓度越高效果越明显；向污染土壤中投加外源菌对石油烃去除有明显的促 进作用，较空白样提高了8 2 8 ，而接种量为0 、5 、1 0 、1 5 、2 0 、2 5 、3 0 r a l 时， 石油烃降解率分别为2 2 、4 6 、5 4 、6 0 、6 4 、7 4 、7 0 ，说明投加量与降解率之间 不是简单的正比例关系，在实际工作中应确定最佳投加量，既提高石油烃降解率 又节省生物菌剂；土壤含水量分别为5 、1 0 、1 5 、2 0 、2 5 时，石油降解率分别达 到1 2 、3 0 、4 8 、6 6 、6 4 ，说明在一定范围内，石油烃的降解量随土壤含水率的 提高而增大；从c n 比例这个角度研究，c ：n s l 0 的两组( 1 0 0 ：1 0 ：1 和1 0 0 ：1 5 ：1 ) 降解率比c ：n 1 0 的两组( 1 2 0 ：1 0 ：1 和5 0 ：2 ：1 ) 高，前两组降解率分别是6 4 ，6 0 ， 而后两组分别为4 4 ，5 2 ；根据重庆地区年平均气温在1 8 左右，夏季气温较 高( 特殊高温除外) 的气候条件，设计的两组温度( 2 0 和3 5 ) 条件下，降解 率分别达到了6 6 和7 0 ，说明在一定温度范围内，温度越高，生物活性越大， 重庆工商大学硕士学位论文 最终降解率越高。 ( 2 ) 在实验考虑的影响因素中，时间、含水率、投菌量和营养盐配比在本实 验中对降解有显著影响。在因素间关联分析的基础上，采用l 9 ( 3 4 ) 正交实验确定的 最优方案为：温度3 5 c ，污染浓度1 0 0 0 0 m g k g 条件下，每天翻耕，湿度2 0 ，投 菌量2 0 m l ，营养配比c ：n ：p = 1 0 0 ：1 0 ：1 。 ( 3 ) 金心吊兰和吉祥草都对石油烃有降解效果，但金心吊兰在所选植物中的 石油烃降解效果是最好的，降解9 0 d 后，金心吊兰在不同浓度条件下的降解率分 别为2 9 、3 5 、3 3 ，而且金心吊兰+ 微生物组合降解石油烃能力最强，降解率最高。 本研究揭示了不同影响因子和环境条件对微生物降解石油烃的影响，初步证 实了选用的两种重庆乡土植物与微生物联合修复具有潜在的优势，研究结果可以 为石油烃污染土壤的现场修复提供基础的技术支持。 关键词：石油污染；土壤；生物修复；降解率；微生物植物联合修复 a b s t r a c t 鲁曼曼曼曼曼皇蔓! 皇曼皇皇曼! 曼曼曼曼皇皇量曼曼曼曼曼曼量曼曼曼皇曼曼舅i i 曼寰曼皇曼曼皇量皇曼曼量曼量鲁曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼量量量罾皇皇量曼鼍曼曼曼曼曼 a b s t r a c t t h e r ea r eh i g hb i o l o g i c a lt o x i t ya n dr e s i d u ec h a r a c t e r i s t i c sf o ro i lp o l l u t i o n s t h e o i lp o l l u t i o nh a st h e r e f o r eb e c o m eas e r i o u ss o i li s s u e ，w h i c hh a sa 觚t e dc o n s i d e r a b l e p u b l i ca t t e n t i o n s f o rt h er e s t o r a t i o no fo i l - c o n t a m i n a t e ds o i l ，t h eb i o r e m e d i a t i o nh a s l o wc o s t ，h i 曲e f f i c i e n c y , n os e c o n d a r yp o l l u t i o n , m o r en a t u r ea n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c s ， a n dt h u si so n eo ft h em o s tp r o m i s i n gs o i lr e m e d i a t i o nt e c h n o l o g i e s a ne x o g e n o u s m i c r o b e ，p h a n e r o c h a e t ec h r y s o s p o r i u m ，w a se m p l o y e d f o rb i o r e m e d i a t i o no f o i l - c o n t a m i n a t e ds o i lu n d e rl a b o r a t o r yc o n d i t i o n s t h i sw o r kh a st w oo b j e c t i v e s t h e f i r s to n ei st od i s c m sh o wt om a k et h ep o l l u t a n t sa n de n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n ss u i t a b l e f o rs t r a i nd e g r a d a t i o n , a n dt h ei m p a c to fa f f e c t i n gf a c t o r ss y s t e m a t i c a l l y t h es e c o n d o n ei st o p r e l i m i n a r i l ye x p l o r em i c r o b i a l - p h y t o r e m e d i a t i o nt e c h n i q u e b a s e do n i n d i g e n o u sp l a n t s t ot h i se n d , t h es t u d yw a sc a r r i e do u ta sf o l l o w s f i r s t l y , w e i n v e s t i g a t es i xf a c t o r sa f f e c t i n gt h ed e g r a d a t i o nr a t eo fo i l ，i e c o n c e n t r a t i o n , s o i l s a m p l et r e a t m e n t , b a c t e r i aq u a n t i t y , h u m i d i t y , t e m p e r a t u r ea n dn u t r i e n tr a t i o s e c o n d l y , t h es i g n i f i c a n tl e v e la n dc o r r e l a t er e l a t i o n s h i pa b o u ti n f l u e n c ef a c t o r sw e r es t u d i e d t h i r d l y , a c c o r d i n gt om u l t i f a c t o r sc o r r e l a t i o na n a l y s i sa n do r t h o g o n a le x p e r i m e n t , t h e o p t i m a lo r t h o g o n a lt e s tc o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e d a tl a s t , w ec h o s es o m ei n d i g e n o u s p l a n t sa n ds t u d i e dt h ed e g r a d a t i o nb a s e do nt h em i c r o b i a l - p h y t o r e m e d i a t i o n 砀em a i nr e s u l t so ft h i st h e s i sa l ea sf o l l o w s 。 ( 1 ) a f t e r6 0 do ft r e a t m e n t , t h ed e g r a d a t i o nr a t eo ft h r e ec o n c e n t r a t i o nl e v e l s ，i e 1 0 w , m e d i u ma n dh i g hc o n c e n t r a t i o n s ( 5 0 0 m g k g ，5 0 0 0 m g k g ，l0 0 0 0 m g k g ) ，w e r e5 8 ， 7 0 a n d7 2 r e s p e c t i v e l y t h ed a t aa b o v ei l l u s t r a t et h a ti nd e g r a d a t i o nb a c t e r i u m t o l e r a n c er a n g e ，t h ed e g r a d a t i o ni n c r e a s e s 丽t l lt h ec o n c e n t r a t i o no fo i lp o l l u t i o n i n c r e a s i n g a n dt h eh i g h e rt h ec o n c e n t r a t i o n , t h eb e t t e r t h ed e g r a d a t i o ni s 1 1 1 e p l o u g h i n ge x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w nt h a tw h e np l o u g h i n gt h eo i l c o n t a m i n a t e ds o i l ， t h e d e g r a d a t i o n r a t eo fe x p e r i m e n t a l g r o u p ( 5 0 0 0 m g k g ) a n dr e f e r e n c eg r o u p s ( 5 0 0 m g k g ，1 0 0 0 0 m g k g ) w e r e1 8 ，1 4 a n d3 0 r e s p e c t i v e l yh i g h e r t h a n n o n p l o u g h i n gg r o u p s t h ec o n s e q u e n c ea b o v ei l l u s t r a t e st h a tt h ep l o u g h i n gs t r e n g t h e n s t h e v e n t i l a t e df u n c t i o nw h i c hr e s u l t si ns t r o n g e rm i c r o b er e s p i r a t i o n ，a n dt h u s i m p r o v i n gt h ed e g r a d a t i o nr a t e t h i se f f e c ti ss u i t a b l ef o rv a r i o u sc o n c e n t r a t i o n s i ti s s h o w nt h a tt h eh i g h e rt h ec o n c e n t r a t i o n ，t h eb e t t e rt h ee f f e c ti s a d d i n ge x o g e n o u s m i c r o b ei n t oc o n t a m i n a t e ds o i l ，8 - 2 8 h i g h e rt h a nb l a n kg r o u p s ，h a st h es i g n i f i c a n t p r o m o t i o ne f f e c tt or e m o v et p h s a n d t h ed e g r a d a t i o nr a t eo ft h ea m o u n to fm i c r o b e ，0 ， i i l 重庆工商大学硕士学位论文 5 ，10 ，15 ，2 0 ，2 5a n d3 0 m l ，w e r e2 2 ，4 6 ，5 4 ，6 0 ，6 4 ，7 4a n d7 0 r e s p e c t i v e l y , i l l u s t r a t i n gt h a td o s i n ga n dt h ed e g r a d a t i o nr a t ea r en o tas i m p l ed i r e c tp r o p o r t i o n r e l a t i o n s h i p ，s oi ti si m p o r t a n tt od e t e r m i n et h eo p t i m a ld o s i n gi nt h ea c t u a lw o r kw h i c h c a l li m p r o v ed e g r a d a t i o nr a t ea n ds a v eb i o l o g i c a lb a c t e r i a ；n l ed e g r a d a t i o nr a t eo f h u m i d i t y , 5 ，10 ，15 ，2 0a n d2 5 ，w e r e12 ，3 0 ，4 8 ，6 6a n d6 4 r e s p e c t i v e l y , i l l u s t r a t i n g t h a tt h ed e g r a d a t i o nr a t ei n c r e a s e sw i t hs o i lm o i s t u r ec o n t e n ti n c r e a s i n gi nac e r t a i n r a n g e ；t h ed e g r a d a t i o nr a t eo ff o u rg r o u p s ，c ：n ：p = 1 0 0 ：1 0 ：i ，1 2 0 ：1 0 ：1 ，1 0 0 ：1 5 ：1 ， 5 0 ：2 ：1 ，w e r e6 4 ，4 4 ，6 0 ，5 2 r e s p e c t i v e l y t h ed a t aa n a l y s i sa b o v ef r o mc n r a t i op e r s p e c t i v ec o n c l u d et h a tt h ed e g r a d a t i o nr a t eo fg r o u p s ( c ：n 1 0 ) ，a n de x o g e n o u sm i c r o b ec a l lk e e ph i g hd e g r a d a t i o na c t i v i t yi nt h e c o n d i t i o n so fc ：n s l0 ；a c c o r d i n gt ot h ea n n u a la v e r a g et e m p e r a t u r ei n18 ca n d s u m m e rt e m p e r a t u r eh i g h e r ( s p e c i a le x c e p t i o n ) i nc h o n g q i n ga r e a , d e s i g nt w ok i n d so f t e m p e r a t u r e st e s t s ( 2 0 ca n d35 c ) ，a n dt h ed e g r a d a t i o nr a t eo ft w og r o u p sw e r e6 6 a n d7 0 r e s p e c t i v e l y , w h i c hi l l u s t r a t et h a ti nc e r t a i nt e m p e r a t u r er a n g e ，t h eh i g h e r t e m p e r a t u r e ，t h eh i g h e rb i o l o g i c a la c t i v i t y , a n dt h ef i n a ld e g r a d a t i o nr a t ei sh i g h e r ( 2 ) t h et e x t so fs i g n i f i c a n c es h o wt h a tt i m e ，h u m i d i t y , b a c t e r i aq u a n t i t ya n dn u t r i e n t r a t i oh a v es i g n i f i c a n te f f e c t so nd e g r a d a t i o n , a n dt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tl 9 ( 3 4 ) b a s e do nm u l t i f a c t o r sc o r r e l a t i o na n a l y s i ss h o wt h a tu n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h e t e m p e r a t u r e3 5 ca n dp l o u g h i n g , t h eb e s td e g r a d a t i o nc o m b i n a t i o nw e r ec o n c e n t r a t i o n 10 0 0 0 m g k g ，h u m i d i t y2 0 ，t h ea m o u n to fm i c r o b e2 0 m la n dn u t r i e n tr a t i o10 0 ：10 ：1 ( 3 ) t h es i n g l ep h y t o r e m e d i a t i o ne x p e r i m e n t ss h o wt h a tb r a c k e t - p l a n ta n dp i n k r e i n e c k i ab o t hh a v ee f f e c to nd e g r a d a t i o no fp e t r o l e u mh y d r o c a r b o n , b u tb r a c k e t - p l a n t h a v eh i g hd e g r a d a t i o ne f f e c t s ，o fw h i c ht h ed e g r a d a t i o nr a t ea td i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n l e v e l sw e r e2 9 ，3 5 a n d3 3 r e s p e c t i v e l y ；1 1 1 em i c r o b i a l - p h y t o r e m e d i a t i o nt e x t s s h o wt h a tt h ed e g r a d a t i o na b i l i t yo ft h ec o m b i n a t i o no fb r a c k e t - p l a n t + m i c r o b ei st h e g r e a t e s ta n dt h ed e g r a d a t i o nr a t ei st h eh i g h e s t t h i ss t u d yh a sr e v e a l e dt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tf a c t o r sa n de n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n so nt h em i c r o b i a ld e g r a d a t i o n ，a n dp r o v e np r e l i m i n a r i l yt h ep o t e n t i a l a d v a n t a g e so ft w on a t i v ec h o n g q i n gp l a n t sf o rm i c r o b er e s t o r a t i o n n l er e s u l t sp a v et h e w a yt o w a r d st h eo n s i t ea p p l i c a t i o no f t h er e s t o r a t i o nf o r0 i lc o n t a m i n a t e ds o i l k e y w o r d s ： o i l p o l l u t i o n ； s o i l ；b i o r e m e d i a t i o n ；d e g r a d a t i o n r a t e ； m i c r o b i a l p h y t o r e m e d i a t i o n i v 1 绪论 l 绪论 石油是现代社会的主要能源之一，石油工业在国家经济中占有十分重要的地 位，因此世界各国十分重视石油工业的发展。全世界大规模开采石油是从2 0 世纪 初开始的，1 0 0 年来开采数量已增长百余倍【l 】，目前，我国已在2 5 个省和自治区 中找到了4 0 0 多个油气田或油气藏，现在年产石油近1 8 3 亿吨【2 】。近年来，石油 工业的迅猛发展，导致了石油污染逐渐成为影响最严重的污染之一。 石油污染土壤的途径及危害 石油污染泛指石油原油和初加工产品( 包括汽油、煤油、柴油、重油、润滑 油等) 及各类油的分解产物所引起的污染 3 1 。 1 1 1 石油污染土壤的途径 土壤是生态环境的重要组成部分之一，是人类赖以生存的物质基础和主要资 源之一。而我国是农业大国，土壤对我国而言，更是尤为重要的自然资源。但近 年来，由于石油工业的迅速发展，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，都会有石油烃类物质的溢出和排放，造成 了日益严重的土壤污染，其主要污染途径如下。 ( 1 ) 含油污泥、矿渣及垃圾的堆置 在开采、冶炼石油时，产生大量的含油废物( 主要包括含油泥浆、油砂等) ， 而这些含油废弃物没经过特殊处理，直接堆积在厂矿周围。在堆放的过程中，由 于雨水的冲刷、淋洗使污染物扩散、迁移，污染了堆放地周围的土壤。 ( 2 ) 原油泄漏和溢油事故 我国在矿业生产过程中，仍存在一些不合理的作业方式，在采油井洗井和检 修时，都会产生有部分凝析油和原油洒落在油井周围的情况，造成了严重的环境 污染和生态破坏1 4 。此外，在运输、使用、贮存石油及其产品的过程中，渗漏和溢 油现象也时有发生，甚至在原油开采过程中发生井喷事故，引起突发性泄漏，过 多的石油浸入土壤空隙中，超出了土壤的自净能力，使小范围内的生态系统完全 毁灭。 ( 3 ) 汽车尾气的排放及大气污染 石油成分复杂，一些轻组分在石油炼化或工厂生产的过程中，可挥发进入大 气，这些成分可与大气中颗粒物结合，以降尘形式进入土壤；此外，汽车排放的 尾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【5 1 。 重庆工商大学硕士学位论文 这一途径产生的污染量比较少，通过土壤环境的自净作用就可以减轻其对土壤的 破坏，使土壤生态系统良好运行。 ( 4 ) 污水灌溉和药剂污染 在农业生产方面，土壤受石油污染的主要原因就是使用含油污水灌溉农田和 农药的不合理使用。许多工业废水和生活污水都含有石油烃类物质，长期使用这 类污水灌溉农田必然导致土壤石油污染；石油烃是各种农药的溶剂或乳化剂的原 材料，使用这些农药的同时，石油烃也进入土壤，长期不合理的使用农药，增加 了土壤中的石油烃含量，使土壤受到污染。 1 1 2 石油污染土壤的危害 石油污染物进入土壤后，因其特殊的理化性质、去除难度大和残留时间长等 特点，所以对土壤的生态环境造成一系列的危害，给污染地区的生态、作物以及 人类健康带来负面影响，主要的危害总结如下。 ( 1 ) 石油污染对土壤理化特性的影响 污染物进入土壤，破坏土壤结构，比如堵塞土壤孔隙，使土壤的透水性降低； 改变土壤有机质的组成和结构，比如其富含的反应基能够与土壤中的无机氮、磷 结合并限制硝化作用和脱磷酸作用，从而使土壤的有效磷、氮含量减少，导致土 壤有机质的碳氮比( c n ) 和碳磷比( c p ) 的变化，进一步导致土壤微生物群落、 微生物区系的变化，进而破坏土壤生态系统1 6 。 一 ( 2 ) 石油污染对作物的危害 石油污染对作物生长发育产生不利影响，如发芽出苗率低，各生育期推迟， 贪青晚熟，结实率下降，抗倒伏、抗病虫害的能力降低等【7 】；石油会粘着在植物的 根表面，形成粘膜，阻碍根系的呼吸与吸收，引起根系腐烂，影响作物根系的生 长，甚至造成作物的死亡，直接使作物减产；影响粮食质量，使粮食的品质下降。 ( 3 ) 石油污染对人类健康的危害 石油烃在作物及果实部分主要残留的毒害成分是多环芳烃，它对于人和动物 的毒害最大，尤其是双环和三环为代表的多环芳烃毒性更大。多环芳烃类物质可 通过呼吸、皮肤接触、饮食摄入等方式进入人和动物的体内，影响其肝、肾等器 官的正常功能，甚至导致癌变。除此之外，石油类物质还通过渗透作用污染地下 水，污染物的迁移对人类生存环境构成多个层面上的不良威胁m j 。 1 2 石油污染土壤的修复技术 2 目前石油污染土壤已经涉及到环境科学、环境工程、生态学、地理学、植物 1 绪论 学、分子生物学、微生物学、地质学、土壤学、植物营养学、农学等2 0 多个专业 领域，但其处理方法主要分为：物理法、化学法和生物法【9 】。 1 2 1 物理法和化学法 物理法主要是通过减少土壤表层的污染物浓度，或增强土壤中的污染物的稳 定性使其水溶性、扩散性和生物有效性降低，从而减轻污染物危害；化学法是向 土壤中投加改良剂，通过对污染物的吸附、氧化还原、拮抗或沉淀等作用，以降 低污染物浓度【l o 】。下面简单介绍几种物理和化学修复技术。 ( 1 ) 热处理法 热处理法是将受污染的土壤加热，使得石油烃类物质受热分解或挥发，从而 达到净化土壤的目的【1 1 】。常用的加热方法主要有射频管道注入水蒸气和红外线微 波等，该方法成本高，因此，仅适用于小面积且污染情况比较严重的情况。 ( 2 ) 换土法 换土法是利用新鲜的未受污染的土壤替换或部分替换被污染的土壤，达到稀 释污染物的目的，主要分为翻土、换土和客土三种方法。翻土是深翻土壤，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；客土是 在原土中直接加入未受污染的土壤，从而达到降低污染物浓度水平的目的，这种 方法主要用于处理面积小的污染土壤【1 2 1 。 ( 3 ) 洗涤法 土壤洗涤法是将污染土壤进行破碎，添加足够量的洗涤剂和水，得到水、土 壤和洗涤剂相互作用的浆液。静置，使污染物与洗涤剂一起上升，从水相中将部 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，并加入活性剂， 使污染物降解【l3 1 。土壤洗涤法可以有效地去除土壤中的石油污染，但容易造成二 次污染等问题。 ( 4 ) 萃取法 萃取法是利用有机溶剂来萃取土壤中的石油烃物质，然后对有机相内的物质 进行分离，回收石油类物质，这种方法适合于面积小且石油污染浓度高的情况。 由于有机溶剂的使用，使得修复的成本明显升高，且有机溶剂的回收率通常很低， 因此制约着该方法的发展。有一种比较特殊的萃取法，又称为浮选法，它利用了 油类物质憎水的特点，用水作为萃取剂来萃取土壤，使得土壤中的石油类物质与 水分层，从而达到去除油类污染物的目的。 ( 5 ) c s p 法 蕈厌工两大掌硕七学位论文 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，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。该法用含碳的物料当吸附物，在9 0 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、石油和来自煤里的柏油 以及其他石化产品污染的土壤【1 4 】。 ( 6 ) 氧化法 化学氧化法是利用化学物质的氧化性使得土壤中的石油烃组分得到去除，常 用的氧化剂有臭氧、二氧化氯、高锰酸钾、过氧化氢等，造价低，比较经济。化 学氧化法去除土壤中的石油污染通常与去除地下水中的石油污染同时进行，可以 与抽气法结合进行。化学氧化法不会对环境造成二次污染，但操作比较复杂。 1 2 2 生物法 生物修复( b i o r e m e d i a t i o n ) 是利用生物对环境污染物的吸收、代谢、降解等 功能，在环境中对污染物的降解起催化的作用，即加速去除环境污染物的过程，实 现环境净化、生态效应恢复的生物措施。 从污染物处理的过程分析，生物修复技术与其它的物理化学处理技术相比较， 具有以下特点：a 处理过程消耗低、成本低而且处理条件要求低，符合低碳经济 要求；b 最大限度地降低污染物的浓度，可以使污染物的残留浓度降到很低；c 对 背景环境影响小，而且无二次污染。所以，生物修复技术是我国生态环境保护领 域最有价值和最具生命力的生物处理技术。 按照操作的主要生物分类，生物法可以分为三种技术，即微生物修复、植物 修复和动物修复。 ( 1 ) 微生物修复技术 微生物修复技术是微生物在修复土壤的过程中起主导作用，即在人为的情况 下，用土著微生物或强化微生物对石油烃污染物进行转化、降解与去除i l 引。微生 物利用污染物作为碳源，同时投入适量的微生物所需营养物质，通过微生物的呼 吸作用，从而达到对污染物的降解和矿化的目的；通过实验手段，为微生物生产 创造良好的生活条件，提高微生物的降解效果，有效地消除石油烃污染，净化环 境，重新恢复己被破坏的生态平衡。此技术污染物降解效果明显，是一项具有广 阔应用前景的处理技术。 ( 2 ) 植物修复技术 植物修复是利用植物与环境之间的相互作用，对环境污染物质进行吸附、吸 收、转移、降解、固定、挥发等，最终使土壤环境得到恢复1 1 6 。植物能够直接吸 4 1 绪论 收的组分主要为二甲苯、含氯有机溶剂和短链脂肪族化合物，但实际上，植物修 复是利用土壤植物土著微生物组成的复合体来共同降解有机污染物，它是一项利 用太阳能动力的处理系统，该系统可通过一系列的物理、化学和生物过程去除污 染物，达到净化土壤的目的。植物修复过程中常伴随着土壤有机质的积累和土壤 肥力的提高，净化后的土壤更适合于作物生长；植物修复中的植物固定措施对于 稳定土表、防止水土流失具有积极的生态意义【17 ，1 羽。 ( 3 ) 动物修复 动物修复指的是经常或暂时栖息在土壤中、对土壤的形成和发育有一定影响 的动物群，直接参与土壤有机质的分解和矿化的过程【5 1 。土壤动物通过与土壤微生 物之间的相互作用，对微生物群落起着生物和能量的过滤作用，并通过自身的运 动和摄食，促进土壤腐殖质和团粒结构的形成，增强透水性和通气性，改善土壤 理化性质，有助于农业生态系统生产力的提高【1 9 1 。此法主要起到污染生物指示的 作用，而对污染物的降解多采用与其他方法结合。 1 3 石油污染土壤的微生物修复技术 1 3 1 微生物对石油烃的降解 微生物是自然界生态系统的分解者，而其具有种类多、分布广、个体小、繁 殖快、比表面积大、容易变异等特点，对石油烃的降解就是基于微生物降解有机 污染物的巨大自然容量和具有范围很广的代谢活性【2 0 】。微生物高速度的繁殖和遗 传变异性使它的酶体系能够以最快的速度适应外界环境的变化，从而显示出其在 环境治理上的高效性和多样性。 ( 1 ) 降解石油烃的微生物 用于石油烃污染土壤微生物修复的微生物从其来源可分为土著微生物、外来 微生物和基因工程菌三大类【2 1 】；从微生物种类可分为细菌、真菌和放线菌。 据报道能够降解石油烃的微生物有7 0 多个属、2 0 0 余种，其中细菌约有4 0 个属 网。目前在微生物修复工程中大多应用土著微生物，其原因一方面是由于土著微 生物降解污染物的巨大潜力，另一方面是接种的微生物在环境中难以保持较高的 活性；此外基因工程菌因其安全性等原因使其受到较严格的限制。 ( 2 ) 石油烃的降解 石油烃产品的碳分布从气体到液体到固体，如气态的甲烷、液态的苯和固态 的沥青等几种不同形态的物质。在自然条件下，这些物质均可被微生物降解，但 微生物降解的程度程度和速度相差较大。一般的石油烃物质按照下列方式被降解 重庆工商大学硕士学位论文 c 2 3 】：石油产品+ 微生物斗0 2 + 营养元素- - - * c 0 2 + h 2 0 + 副产品+ 微生物细胞生物量。 石油中的主要化学物质是烷烃、烷基芳香烃和芳香烃。c l o c 2 2 的石油化学物 质对环境毒性最低，是可生物降解的：而c 5 c 6 在低浓度下可由微生物缓慢降解。 一般来说，c 8 c 1 8 的直链化合物较易分解，烯烃最易分解，烷烃次之，芳烃较难， 多环芳烃更难，脂环烃类对微生物作用最不敏感，至今只发现个别菌株能利用它。 正构烷烃比异构烷烃易降解，直链烃比支链烃易降解。在芳香烃中，苯的降解极 难，比烷基苯和其他多环芳烃化合物要慢的多。 1 3 2 微生物修复技术的分类 按污染处理方式分，微生物修复技术可分为两种类型，即原位修复( i ns i t u b i o r e m e d i a t i o n ) 和异位修复( o ns i t ub i o r e m e d i a t i o n ) 。 原位修复技术是指在受污染的地区直接采用生物修复，不需将污染物挖掘和 运输，一般采用土著微生物，除了要加入营养盐、氧源以外，根据处理效果有时 也可加入经过驯化和培养的微生物以提高处理速度。主要处理方法有投菌法 ( b i o a u g m e n t a t i o n ) 、生物通气法( b i o v e m i n g ) 、生物培养法( b i o c u l t u r e ) 和农 耕法( 1 a n df a r m i n g ) 【2 4 1 。此法工艺简单、费用低，但处理速度慢，适用于渗透性 好的土壤的处理。 异位修复技术是指将被污染的土壤从被污染地挖掘或抽取出来，经运输后再 进行治理的技术。主要处理方法有预制床法( p r e p a r e db e d ) 、堆肥式处理 ( c o m p o s t i n g ) 、生物反应器( b i o r e a c t o r ) 和厌氧处理( a n a e r o b i ct r e a t m e n t ) 【2 5 1 。 此法由于费用昂贵，只适用于处理土壤污染严重时。 ( 1 ) 投菌法 直接向受污染的土壤中投入高效降解菌，同时提供些微生物生长所需要的营 养物质，包括氮、磷为主的营养元素以及微量营养元素。其微生物可以是自然界 筛选的微生物，也可以是基因工程菌。 ( 2 ) 生物通气法 这是一种强迫氧化的生物降解方法。通过鼓风和抽气，将空气强行排入土壤， 挥发性有毒物排出，同时提供氮素营养，促进降解能力的提高。在提抽过程中可 以加入一定量的氧气，有助于降解参与的有机污染物，如原油中沸点高、分子量 大的组分。 ( 3 ) 生物培养法 定期向土壤投加h 2 0 2 和营养( 适量的氮、磷营养盐及电子受体) ，满足污染 环境中已经存在的降解菌的需要，以使土壤微生物将污染物彻底矿化成c 0 2 和 6 1 绪论 h 2 0 。 ( 4 ) 农耕法 对污染土壤进行耕耙处理，在处理过程中施肥，进行灌溉，加入石灰，从而 尽可能为微生物降解提供一个良好的环境，使其有充足的营养、水分和适宜的p h 值，保证污染物降解在土壤的各个层次上都能发生。 。( 5 ) 预制床法 在不外泄的平台上铺以石子、沙子，将受污染土壤以1 5 3 0 e m 的厚度平铺其上， 加入营养液和水分，必要时加入表面活性剂，定期翻动充氧以满足微生物生长之 需，处理过程中流出的渗滤液回灌土层，以彻底清除污染物。此法是农耕法的延 续，但它可以使污染物的迁移量降至最低。 ( 6 ) 堆肥式处理 这是传统处理固体废弃物的方法，在污染土壤中直接掺入能提高处理效果的 支撑材料，如树枝、稻草、泥炭等易堆腐物质，使用机械或压气系统充氧，同时 调节p h 值，进行发酵处理。 ( 7 ) 生物反应器 把污染土壤移到生物反应器中，加入3 9 倍的水混合使其呈泥浆状，同时加入 必要的营养物和表面活性剂，鼓入空气充氧，剧烈搅拌使微生物与底物充分接触， 完成代谢过程，然后在快速过滤池中脱水。此法对高分子量物质的修复效果不理 想，且运行费用较高。 ( 8 ) 厌氧处理 适用于高浓度的有机物污染的土壤处理，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有效。因该技术厌氧条件难以控制，且易产生中间产物， 故应用较少。 1 3 3 影响微生物修复的因素 影响微生物降解的因素很多，大致可以分为三类：微生物自身的活性( 受微 生物种类、土壤理化性质、营养盐分布等制约) 、目标化合物的特征及环境条件 ( 温度、p h 值、水分等) 。 ( 1 ) 污染物性质 由于石油的产地不同、油层不同，其原油组成成分及各成分之间的比例都有 很大差别，甚至同一油层内不同原油中的性质也有很大差别。不同的原油性质势 必会导致其可生物降解性的不同。另外，生物降解率与石油污染物的生物可达性 有关。许多土壤系统中，由于油的疏水性、土壤胶体对油的吸附性、油的挥发性 重厌工两大学硕士学位论文 或不能溶解到土壤有机物中等原因，使微生物不能与之充分接触，影响了降解效 果【2 6 1 。 ( 2 ) 微生物种类 自然界中存在众多的石油降解微生物，但是由于石油是由成千上万种烃类及 非烃类组成的复合体，没有任何一种微生物能够降解石油的所有组分，而且不同 微生物对同一种组分的降解程度也不同。所以在石油污染的修复上通常利用具有 能够降解石油不同组分的多种细菌组合制成修复剂。而在原土壤生态系统中，石 油烃降解菌虽然普遍存在，但一般只占细菌总数的0 1 3 0 5 ，而且对污染物的 降解速率很低【2 7 】。因此，可通过对从土壤中分离出对烃类有强降解力的微生物进 行培养驯化或利用基因接种等方法，获得高效除油菌。 ( 3 ) 土壤性质 不同土壤的理化性质( 有机质含量、物理结构、颗粒组成、p h 值、盐度等) ， 对于油的降解速率以及程度不同。例如有机质的组成就决定了微生物的种类，从 而决定了有机物的降解程度；颗粒组成不同，导致土壤中的含氧量不同，从而使 微生物的降解程度不同。当土壤透气性好时，有利于气体的交换，有利于微生物 降解，但若土壤的孔隙率过大，水分在当中的下渗速度太快，油类就会随之深入 下层土壤，污染地下水。而在粘性很强的土壤中，不但没有足够的氧气供微生物 降解，还会因为土壤胶体对污染物的吸附，使其无法与微生物充分接触而阻碍了 降解【2 8 】。 ( 4 ) 环境因素 微生物需要在一个适宜的环境条件下生存。这些条件包括：氧气量、营养物 质、水分、温度等。 首先，在氧气量方面，大多数微生物降解微生物是利用有氧呼吸作用，所以 需要充足的氧气，可以通过翻土提供氧气：其次，营养物质的比例对于降解有非 常重要的意义，营养盐比例的多样性导致了降解率的差异；然后，水分能影响到 污染物、溶解氧和代谢产物的传质速度、土