土壤石油污染物生物通风修复的研究进展.doc

-专业文档，值得下载!-专业文档，值得珍藏！-土壤石油污染物生物通风修复的研究进展隋红1，茹旭2，黄国强1，李鑫钢11：天津大学化工学院，天津300072；2：锦州石化设计院，辽宁锦州121001摘要：生物通风是一种去污效果好、操作费用低的土壤原位修复技术。文章概述了生物通风系统的结构、设计目的、适用范围和优缺点，详细论述了生物通风的国内外研究现状，包括现场应用、影响因素和强化技术及理论研究，并展望了生物通风在我国的应用前景。关键词：土壤；石油污染；原位修复；土壤气相抽提；生物通风；生物降解中图分类号：X53文献标识码：A文章编号：1672-2175（2003）02-0216-04土壤是人类赖以生存的基础资源。土壤中最严重的污染是石油类污染。由于输油管道、储油罐泄露，落地油、含油污水排放等原因，大量石油类污染物进入土层，不仅破坏了土壤本身的生态系统，而且对地下水资源构成威胁。至90年代中期，美国就有1/3的地下储油罐被确认存在不同程度的渗漏，使地下水受到污染。我国目前大部分油田区地下水也因受到污染而达不到饮用标准，对人类健康造成潜在的致命危害。国外最近20年加强了土壤修复计划，通常解决的办法有异位（exsitu）修复和原位（insitu）修复两种形式，异位修复在多方面存在明显不足，已基本被原位修复所取代。美国于90年代投入大量资金以鼓励一些新兴的革命性土壤原位修复技术，土壤气相抽提法（soilvaporextraction，SVE）应用而生，随后其衍生技术_生物通风（bioventing，BV），结合了土壤通风的物理过程和增强的生物降解过程，而成为一种应用广泛的革新性原位修复技术1。1生物通风概述SVE技术是一种通过强制新鲜空气流经污染区域，将挥发性有机污染物从土壤中解吸至空气流并引至地面上处理的原位土壤修复技术，该技术被认为是一个“革命性”的修复技术2。BV是在SVE基础上发展起来的，实际上是一种生物增强式SVE技术。因利用外界驱动力向地下输送气流，使得受污染土壤中的有机物挥发速率和生物降解速率都有可能增加，注射井和抽提井可去除气相污染物，也可以向污染区提供氧源增加微生物活性，当其首要目标是增强氧气的传送和使用效率来促进生物降解时，通常称之为生物通风3。BV技术的出现直接源于SVE的发展，使用了与SVE相同的基本设施：鼓风机、真空泵、抽提井、注入井和供营养渗透至地下的管道等。其中井所在位置的结构依现场而定，并与空气是被注入还是从土壤中抽出有关。BV技术还可与修复地下水的空气搅拌（airsparging，AS）或生物曝气（biosparging,BAS）技术相结合4，将空气注入含水层来提供氧支持生物降解，并且将污染物从地下水传送到渗流区，在渗流区污染物便可用BV或SVE法处理。SVE和BV虽然系统组分相同，但系统的适用情况、结构和设计目的有很大不同：SVE将注射井和抽提井放在被污染区域的中心，而在BV系统中，注射井和抽提井放在被污染区域的边缘往往更有效。SVE的目的是在修复污染物时使空气抽提速率达到最大，利用挥发性去除污染物；而BV的目的是优化氧气的传送和氧的使用效率，创造好氧条件来促进原位生物降解。因此，BV使用相对较低的空气速率，以使气体在土壤中的停留时间增长，促进微生物降解有机污染物5。生物通风应用范围较宽，Michael6已经通过实验研究证明了，生物通风不仅能成功用于轻组分有机物，如汽油和柴油，还能用于重组分有机物，如燃料油等，另外也可用于其它的挥发或半挥发组分。生物通风的另一个显著优点是，与SVE比较它的操作费用更低7。在SVE操作中抽出的废气不能直接放入空气中，需要后续处理工艺（一般是活性碳吸附和催化燃烧），这有时甚至要占整个费用的50%左右，生物通风省去了此步骤，因此操作成本下降。生物通风与其它土壤修复技术比较，其主要缺点是操作时间长，受到土著微生物种类的限制8。2生物通风国内外研究进展2.1现场应用隋红等：土壤石油污染物生物通风修复的研究进展217大约在1980年，Texas研究所最先认识到了用土壤通风来促进石油有机物原位生物降解的价值。实验室研究显示，土壤通风去除的汽油污染物中，由生物降解去除的占1/3强910。1991年以前，有关生物通风现场应用和研究的公开发表和文献很少，从1992到1995年，美国空军部（USAF）已经在130多个地点应用了生物通风进行土壤修复。在土壤具有低渗透性的两个现场，Michael等11用单井空气注入系统进行了长期的生物通风处理；土壤气相抽样结果显示，经生物通风一年后，土壤污染程度明显下降，说明具有低渗透率的土壤也能被生物通风修复。Hinchee和他的同事12用改造的SVE设计系统增大生物降解的贡献，文献中报道生物降解达到了85%90%。Hogg等在新西兰成功应用生物通风技术对含有机污染物的土壤进行了修复，有机物降解速率为零级，在操作了13个月后，土壤中石油有机物的浓度减少了92%。在现场生物通风过程的监测方面，Gagnon等13发展了一个实时控制系统来提高生物通风技术，用此实时控制系统提供一个合适的空气流速，并且在进行动力学测试时在线监测气体流速和土壤气相中的氧气浓度。另外一个实例是在一个燃料油污染现场14，自1997年11月开始进行生物通风处理，由测量仪表可以远程监控CO2和O2浓度以及不同抽提井中的湿度。因为原位生物降解速率是生物通风操作中的一个重要指标，作者设计了在线控制的测量仪表来监测生物降解速率，以获得实时数据来优化生物通风操作。2.2生物通风影响因素研究BV现场修复的效果受多种因素影响，许多研究者对此进行了研究。下面概述如下：2.2.1土壤湿度微生物完成代谢转化需要为它们的生长和活性提供足够的水份。实验室研究表明，不饱和条件下，在较高的土壤湿度中生物转化速率较大1516。另外，Holman和Tsang17研究发现：生物转化速率和土壤湿度之间的依赖关系依污染物不同而不同。根据这些研究，在许多BV现场，添加土壤水分后增加了生物降解速率18。然而，有研究者提出了与之相反的结论：在一些生物通风现场，增加土壤湿度后对生物降解速率影响很小，甚至发现，湿度增加后由于阻止了氧气的传递而使生物通风特性消失。另外，土壤中水分含量过高，水便会将土壤孔隙中的空气替换出来，浸满水的土壤很快从好氧条件变为厌氧条件，不利于好氧生物降解。2.2.2土壤温度研究表明，温度和供氧是去除土壤中污染物的重要因素19。既然污染物组分的气相压力是温度的函数，增加土壤温度后有两个潜在作用：提高微生物降解活性和增加污染物的挥发性，这可以加快有机污染物的降解速率。在土壤温度成为主要限制因素的寒冷地区，提高土壤温度尤其显得重要，加热方法主要有热空气注射、蒸汽注射、电加热和微波加热等20。Filler在实验室研究的基础上，和同事们在北极的AK现场设计和安装了热绝缘系统（TIS），将机械加热与TIS及热能循环结合起来，用BV方法对污染物进行修复，监测数据显示热强化后，生物降解程度明显提高，在以前因温度限制没有微生物活性的季节现也有生物降解发生21。2.2.3电子受体Dupont等5提出限制生物修复的最关键因素是缺乏合适的电子受体。虽然氧、硝酸盐、硫酸盐、二氧化碳和有机碳都可以作为电子受体被土壤微生物利用来完成有机污染物的氧化，但最普遍使用的是氧，因为氧能提供给微生物的能量最高，几乎是硝酸盐两倍，比硫酸盐、二氧化碳和有机碳所释放的能量多出一个数量级，其次，土壤环境中利用氧的微生物非常普遍，并且从工程观点上，加速的生物降解大部分发生在好氧条件下，而非厌氧条件下，因此，氧是最好的电子受体。原位生物降解很大程度上受氧输送速率控制，空气是将氧输送到地下环境的最后载体，因为空气中氧含量高，且空气的粘度低。Wilson和Ward22较早提出了在原位修复中用空气注入方法来提供氧气。前已提到，BV使用较低的空气流速，以使微生物有足够的时间利用所有的氧来转化有机物，在此条件下增加气速可使生物修复速率增加，而在高气速下，有其它的因素限制代谢速率，且微生物不能消耗所有的氧，进一步增加气速不会使生物降解更多的污染物23。另外，气速增大会使因挥发去除的污染物比例加大，生物降解的贡献率相对减少。因此如何选择最佳气速便成为影响BV操作的重要因素。DePaoli24提出一个设计BV系统的方法，目的是设计最优操作条件使气速最小，但在整个受污染土壤中能够维持足够的氧水平来支持好氧生物降解。2.2.4生物营养盐218生态环境第12卷第2期（2003年5月）实验和现场应用都表明，适当添加营养物可以促进生物降解。据报道，调节被石油污染的土壤的m(C)m(N)m(P)对石油的生物降解很有好处。Breedveld等25比较了分批、实验室土柱和现场规模研究中加入营养物对生物通风的影响，结果显示：没有营养物加入时观测到一极小的呼吸速率，当加入营养物时，呼吸速率几乎同时增加。在分批实验中呼吸速率最大，土柱和现场的测试显示两者速率相似，约为分批实验的1/6。在污染现场生物通风1年后，比较发现，加入营养物，TPH含量减少了66，而没有添加营养物，剩余石油几乎与原来一样，只有极少轻组分被去除了。这证实了添加营养物对生物降解的促进作用。另外据Lee和Swindoll16的实验室研究报道，加入无机营养盐后总污染物的矿化是原来的3倍。Bulman26在一个柴油污染基地设计了生物通风系统，通风操作6个月，总有机物浓度减少了10%30%，去除深度达3m，通风中加入营养物后导致在下面的6个月中，又有30%的污染物被去除，去除深度达到了3.5m。2.2.5加入优势菌土壤中石油污染物的生物降解与土壤中可降解菌的含量有密切关系，土壤中加入石油降解优势菌能大大提高生物降解速度，如白腐真菌对许多有机污染物都有很好的降解效果。Gruiz等27将生物通风与应用高效菌相结合，效果十分明显。2.3生物通风理论研究数学模型对于优化生物通风系统具有指导意义，虽然早期许多模型中包含了地下有机物的生物降解，但这些模型仅仅适用于单相饱和系统。后来开发了用于不饱和区生物通风的模型，这些模型的缺点是没有考虑到温度和热交换过程。于是Glascoe等28提出了一个典型生物通风操作中包含对流所引发的温度和水含量变化对生物活性影响的模型，但此模型过于简化，为一维均质砂土。Chen29在1992年推导了一个一维数学模型来模拟土壤中苯和甲苯的运移和生物降解，模拟过程包括组分各相（固、液、气和生物）间的物质交换、对流和扩散运动，方程中的源/汇项代表了生物过程。作者还详细论述了用实验确定模型参数的方法。Donald等30发展了一个二维空气流动模型用于生物通风研究中，可用此模型预测生物降解速率。Gomez-Lahoz等31也描述了在SVE修复中所发生的生物降解现象，模型包括描述生物降解的Monod方程及水相和气相间的质量传递过程。Sleep和Sykes32提出的模型中考虑了三相（空气-有机物-水）的输运，每一项中的组分数量是任意的，模型中包括水相和固相间吸附作用的影响，相间浓度关系用Henrys定律表示。作者还模拟了饱和区和不饱和区中污染物为甲苯的土壤修复，显示了考虑生物降解和没考虑生物降解的结果，在不饱和区空气注射和纯氧注射两种方法都被研究了。后来，Sleep等用有限差分模型来模拟生物通风过程，模型也包括了气-液-有机三相的输送，还包括有机物、氧和二氧化碳的相间分配，微生物的生长和运移，以及氧的消耗和二氧化碳的产生。并且，用双Monod动力学方程模拟了基质和氧为限制因素时的生物降解。最近，MISER二维模型被发展用来模拟SVE和生物通风过程33，模型将多相流动过程、多组分输运、非平衡相间传质及好氧生物降解相结合；模拟生物通风结果显示，充分的供氧并不是评价生物通风操作有效性的唯一标准，污染物的去除途径和生物通风效率受到动力学的显著影响，这包括生物生长因子，相间传质速率和空气注入速率。3结语综上所述，国外在受污染的土壤现场已有许多应用和监测生物通风过程的实例，实验室的理论研究近几年来也颇受研究者的重视。另外，通过现场观测和实验室研究，对影响生物通风的环境因素有了一定的了解，但还很不透彻，需要进一步深入综合的研究来优化生物通风操作条件。土壤修复的生物通风技术在国内的研究和应用还处于刚刚起步阶段，而我国正处于经济飞速发展中，石油工业对土壤造成的污染比较严重，因此生物通风这项高效、低费用的土壤修复技术有着广阔的应用前景，应大力加以推广，以维持土壤的生态平衡和保护宝贵的地下水资源。参考文献：1RONALDE.HOEPPEL,ROBERTE.etal.Bioventingsoilscontam-inatedwithpetroleumhydrocarbonsJ.JIndMicrobiol,1991,8(3):141-146.2黄国强.土壤气相抽提（SVE）有机物污染物的运移与数学模拟研究D.天津:天津大学博士论文，2002.3MCCLUREPD,SLEEPBE.Simulationofbioventingforsoilandgroud-waterremediationJ.JEnvironEng,1996,122(11):1003-1012.4HINCHEERE,MILLERRN,DUPONTRR.Enhancedbiodegrada-tionofpetroleumhydrocarbons:AnairbasedinsituprocessA.In:FREEMANH,SFERRAPR,eds.InnovativeHazardousWastTreat-隋红等：土壤石油污染物生物通风修复的研究进展219mentTechnologiesSeries,Volume3:BiologicalProcessesM.Lan-caster,Pennsylvania:TechnomicPublishingCo.,1991:177-184.5DUPONTRR.Fundamentalsofbioventingappliedtofuelcontami-natedsitesJ.EnvirProgress,1993,12(1):45-53.6MICHAELDL.BioventingforinsituremediationA.In:HicheeRE,MillerRN,JohnsonPC,eds.InSituAeration：AirSparging,Bi-oventing,andRelatedRemediationProcessesC.Columbus：BattellePress,1995:273-282.7DOWNEYDC,FIRSHMUTHRA,ARCHABALRS.UsinginsitubioventingtominimizesoilvaporextractioncostA.In:HicheeRE,MillerRN,JohnsonPC,eds.InSituAeration：AirSparging,Bio-venting,andRelatedRemediationProcessesC.Columbus：BatellePress,1995：391-399.8黄国强，李鑫钢，李凌，等.地下水有机污染的原位生物修复进展J.化工进展，2001，10：13-16.9TexasResearchInstitute.LaboratoryscalegasolinespillandventingexperimentR.AmericanPetroleumInstitute：InterimReportNo.7743-5，1984.10TexasResearchInstitute.Forcedventingtoremostgasolinevaporfromalarge-scalemodelaquiferR.AmericanPetroleumInstitute：FinalReportNo.82101-F:TAV，1989.11MICHAELDL.Long-termbioventingperformanceinlowpermea-bilitysoilsA.In:HicheeRE,MillerRN,JohnsonPC,eds.InSituAeration：Airsparging,Bioventing,andRelatedRemediationPro-cessesC.Columbus:BattellePress,1995:277-282.12MILLERRN,VOGELCC,HINCHEERE.InSituBioreclamation:ApplicationsandInvestigationsforHydrocarbonandSiteRemedia-tionC.Massachusetts:Butterworth-Heinemaan,1991:283.13GAGNONJ,PERRIERM.Developmentofareal-timecontrolsys-temforthebioventingprocessA.In:InSituBioremediationofPe-troleumHydrocarbonandOtherorganicCompoundsC.Columbus:BattellePress,1997:177-182.14PATRICKJ,ASHCOMDW,KURRUSJA.RemotemonitoringofaBunkerCfueloilbioventingsystemA.InSituBioremediationofPetroleumHydrocarbonandOtherorganicCompoundsC.Columbus:Battellepress,1997:189-194.15FANS,SCOWKM.BiodegradationoftrichloroethyleneandtoluenebyindigenousmicrobialpopulationsinsoilJ.ApplEnvironMicro-biol,1993,59(6):1911-191816LEEMD,SWINDOLLCM.BioventingforinsituremediationJ.HydrolSci,1993,38(4):273-28117HOLMANHY,TSANGY-W.Effectsofsoilmoistureonbiodegrada-tionofpetroleumhydrocarbonsA.In:HicheeRE,MillerRN,JohnsonPC,eds.InSituAeration:AirSparging,Bioventing,andRe-latedRemediationProcessesC.Columbus:BattellePress,1995:323-332.18ZWICKTC,FOOTEEA,etal.EffectsofnutrientadditionduringbioventingoffuelcontaminatedsoilsinanaridenvironmentA.In：InSituandOn-SiteBioremediationC.Columbus:BattellePress,1997:297-308.19LEAHYJG,COLWELLRR.MicrobialdegradationofhydrocarbonsintheenvironmentJ.MicroRev,1990,54:305-315.20陈坚.环境生物技术M.中国轻工业出版社,1996:235.21FILLERDM.Integralbiopilecomponentsforsucssessfulbioremedi-ationintheArcticJ.ColdRegionsScienceandTechnology,2001,32:143-156.22WILSONJT,WARDCH.OpportunityforbioremediationofaquiferscontaminatedwithpetroleumhydrocarbonsJ.JIndustrialMicrobi-ology,1988,27:109-116.23DONALDHM,PAULHM.Applicationofa2DairflowmodeltosoilvaporextractionandbioventingcasestudiesJ.GroundWater,1995,33(3):433-444.24DEPAOLIDW.DesignequationsforsoilaerationviabioventingJ.SeparationsTechnology,1996,6:165-174.25BREEDVELDGD,OLSTADG,BRISEIDT,etal.NutrientdemandinbioventingoffueloilpollutionA.In:HicheeRE,MillerRN,JohnsonPC,eds.InSituAeration：AirSparging,Bioventing,andRelatedRemediationProcessesC.Columbus：BatellePress,1995:391-399.26BULMANTL,NEWLANDM.InsitubioventingofadieselfuelspillC.In：InSituandOn-siteBioremediation.Columbus:BattellePress,1999:297-308.27GRUIZK,KRISTON.InsitubioremediationofhydrocarboninsoilJ.JSoilContam,1995,4(2):163-173.28GLASCOELG.,WRIGHTSJ.Modelingtheinfluenceofheat/moistureexchangeduringbioventingJ.JEnvirEng,1999,125(12):1093-1102.29CHENY-M,ABRIOLALM.Modelingtransportandbiodegradationofbenzeneandtolueneinsandyaquifermaterial：ComparisonwithexperimentalmeasurementsJ.WaterResourRes,1992,28(7):1833-1847.30DONALDHM,PAULHM.Applicationofa2DairflowmodeltosoilvaporextractionandbioventingcasestudiesJ.Groundwater,1995,33(3),433-444.31GOMEZ-LAHOZC,RODRIQUEZ-MAROTOJM,WILSONDJ.Biodegradationphenomnaduringsoilvaporextraction：ahigh-speednonequilibriummodelJ.SepSciTe