石油烴污染土壤生物修復技術探究

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摘要:生物修復由于其成本低、操作簡便、無二次污染的特點，已越來越多的運用到石油烴污染土壤的修復過程中。本文闡述了生物強化、生物刺激、生物通風、生物堆肥法和生物反應器法幾種常見的生物修復技術的修復原理、使用條件和研究現狀，以及討論了土壤性質對生物修復的影響，并對今后利用生物修復石油烴污染土壤的研究進行了展望。

關鍵詞:生物修復;土壤;石油烴污染;土壤性質

21世紀以來，全球經濟快速增長的同時石油消費量也隨之增長。由于石油的用途廣泛，需求量大，在石油開采、運輸、儲存和生產加工等過程中產生的事故性泄漏及含油污水的不合理排放對土壤和地下水造成了嚴重污染。由于石油烴污染物是一種持久性有機污染物，其低反應性和抗降解性，對人類健康和生態環境健康構成嚴重威脅。石油烴污染物進入土壤后會堵塞土壤孔隙，降低土壤的通透性，破壞土壤結構，影響土壤的理化性質;并且會影響植物種子的萌發，植物根系的呼吸和對營養物質的吸收，抑制植物的生長;在石油烴污染土壤生長的作物，最終會經過食物鏈傳遞給人類，由于石油烴污染物具有致癌、致畸、致突變的危害，對人類的健康造成了嚴重的威脅;另一方面，部分石油烴污染物進入水體后，會毒害水體中的生物，造成水生態失衡［1］。石油烴污染對環境及人類健康造成了很大的威脅，因此對石油烴污染進行治理的工作十分緊迫。石油烴污染土壤修復技術主要包括物理修復法、化學修復法和生物修復法。其中物理修復法成本較高，容易對土壤結構造成破壞;化學修復法是目前發展比較成熟的修復方法，但其使用藥劑容易對土壤中的生物造成影響，并且容易造成二次污染，只適合在特定的條件下使用;生物修復法由于其成本低、無二次污染、操作簡單的優點，能將污染物最終轉化為無害的產物，可以同時運用于土壤和地下水修復，是一種經濟、綠色清潔、最具前景的修復技術。生物修復技術可以按修復地點分為原位生物修復和異位生物修復兩大類。

1原位生物修復技術

原位生物修復技術是目前研究較多的生物修復技術，其主要是通過向污染土壤中投加外源微生物或者通過添加營養物質、通風為微生物創造適宜的降解條件，從而增強微生物對污染物的降解。按照修復原理可以將原位生物修復分為生物強化、生物刺激、生物通風三種方法。1.1生物強化。生物強化是通過添加外源微生物或基因工程微生物來降解石油烴污染物的修復方法。生物強化包括使用單一微生物或者多種微生物制成的復合菌劑，在大多數情況下，復合菌劑比單一微生物對污染物的降解更加有效;這是因為相對于單一微生物，混合菌劑更容易形成一個降解體系。Rahman等人［2］研究單一微生物與混合菌劑對石油烴污染物的降解，最后發現添加微生物處理20d后，添加混合菌劑比添加單一微生物降解率提高了58%。生物強化的關鍵在于高效降解菌的篩選，根據微生物的來源，可以將生物強化分為外源生物強化和土著生物強化;通常土著微生物強化比外源微生物強化更具有優勢。Abena等3］將從原油污染土壤中篩選出來的高效降解菌株，將其作為外源菌劑添加到石油烴污染土壤中，最終降解率為48.10%，半衰期為41，76d。Ma等人［4］從某煉油廠的土壤中篩選出6株高效降解菌，將其制作成混合菌劑，然后用于修復該煉油廠的污染土壤，經過84d的處理，石油烴污染物的降解率最高達到了83.3%，為對照組的4倍。目前，篩選土著微生物來修復原污染土壤是最常見的技術。1.2生物刺激。生物刺激是通過往污染土壤中添加營養物質(C、N、P)、生物表面活性劑、電子受體等刺激微生物的代謝活性，從而加快污染物的降解。目前生物刺激的主要手段是添加營養物質和生物表面活性劑。營養物質對微生物影響是顯著的，由于一般土壤環境中是無法滿足微生物降解石油烴所需的營養物質，因此通常需要額外添加適量的營養物質。營養物質的添加對微生物降解石油烴污染物的影響是顯著。張秀霞等人［5］研究了添加了不同量的腐殖酸對石油烴污染土壤的生物修復的影響，結果表明，腐殖酸可以調節土壤中的碳氮比，促進微生物對速效磷的利用，當添加100mg/g的腐殖酸處理30d時，石油烴降解率比未添加腐殖酸的空白組提高了21.8%。Emami等人［6］研究了分別添加硝基氮和氨基氮對微生物降解石油烴污染物的影響，結果表明氨基氮的修復效率更好，這可能是因為氨基氮能更好的促進微生物的生長，提高微生物的酶活性。表面活性劑可以促進石油烴的解吸和溶解，進而提高石油烴污染物的生物利用率。生物表面活性劑相較于化學表面活性具有可生物降解、毒性低的優點，因此被廣泛用于石油烴污染的修復中。目前鼠李糖脂和槐糖脂是研究較多的兩種生物表面活性劑。Razia等人［7］在石油烴污染土壤的生物修復過程中添加了不同量鼠李糖脂和營養物質，石油烴的降解率最高可達77.6%。孫雨系等人［8］研究了槐糖脂的加入對微生物降解原油的影響，結果表明槐糖脂的加入使石油烴的降解率提高了35.0%。在生物修復的過程中，適量的添加營養物質和生物表面活性有利于加強微生物對石油烴的降解。1.3生物通風。生物通風是向污染土壤中通入空氣刺激土著微生物的生長，從而促進微生物對石油烴的降解。劉沙沙等人［9］通過生物通風修復不同濃度(柱Ⅰ(5g/kg)、柱Ⅱ(10g/kg)、柱Ⅲ(20g/kg)、柱Ⅳ(40g/kg))的柴油污染土壤，經過90d的生物通風，柱Ⅱ(10g/kg)的效果最佳，石油烴的去除率達到了65.3%，半衰期為60.05d。Thomé等人［10］利用生物通風技術修復柴油污染土壤，生物通風60d后，其柴油降解率高達85%。生物通風的應用與土壤結構密切相關，如果土壤結構不合適，會導致空氣無法與污染土接觸，因此通常在使用生物通風技術時會先添加一些改良劑來改變土壤的結構，使土壤能更好應用生物通風技術。

2異位生物修復技術

異位生物修復是將受污染的土壤挖掘轉移到其他地方或反應器內，然后采用生物修復技術對污染物進行處理。異位生物修復技術主要包括生物堆肥法和生物反應器法。2.1生物堆肥法。生物堆肥法是通過向污染土壤中加入土壤調理劑強化土壤中的微生物對石油烴降解的一種技術。在堆肥的過程中，有機改良物是營養元素的重要來源，為了降低成本，通常選擇工業和農業中產生的有機廢物做為堆肥材料添加到污染土壤中。Wan等［11］利用堆肥法修復柴油污染土壤，對其進行添加有機肥料來進行堆肥，最終土壤中柴油的降解率超過了90%。Khamforoush等人［12］研究了木屑(一種膨脹劑)、改性劑類型，膨脹劑/改良劑與土壤的比例對土壤生物修復的影響，最終得出當膨脹劑與土壤比為2.25，改良劑與土壤比為2.5時修復效果最佳。展漫軍等［13］利用生物堆技術來修復某化工廠的有機污染土壤，確定了最佳的修復工藝“1%秸稈+2%菇渣+主動曝氣+底部被動曝氣+翻堆”，修復成本僅為673元/m3，68d的降解率可達到了82.8%～99.0%，而對照組僅為25.2%～46.2%。堆肥法是一種極具前景的修復技術，其主要利用有機廢物進行土壤修復，既可以減少對廢物儲存和處置費用，并且在修復過程中產生的有機物質有助于改善土壤質量，該方法主要應用于污染濃度較高、冬季時間較長的地區。2.2生物反應器法。生物反應器法是將往挖出的污染土壤加入大量水使其混合成泥漿，然后轉入接種了微生物的生物反應器中，從而達到去除污染物目的的一種異位生物修復技術，該法又被叫做生物泥漿法。胡曉芳等人［14］利用生物反應器處理不同濃度的石油烴污染土壤，結果表明，經過150d的處理，土壤中石油烴的降解率都超過了90%。TorabifarB等［15］利用生物反應器修復石油烴濃度為23000mg/kg的污染土壤，處理70d后，石油烴的去除率高達97%。生物反應器法在修復過程中，可以很好的控制修復條件，是一種理想且比較靈活的修復方法;該方法不僅可以用來處理石油烴污染土壤還可以對含油污泥進行處理，對石油烴濃度較高的土壤有較好的處理效果。

3土壤性質對生物修復的影響

3.1土壤類型。土壤主要分為砂土、黏土和壤土。不同土壤類型對修復的影響也有所差異。Haghollahi等［16］選擇了含100%砂的砂土、含95%以上黏土的黏土、含68%礫石和32%砂的粗粒土和含40%礫石+20%砂+40%黏土的粗粒土四種不同類型的土壤，用來研究不同土壤類型對石油烴降解率的影響;結果表明，砂土的石油烴降解率最高為70%，黏土的石油烴降解率最低為23.5%。這可能是因為黏土的滲透性較低，會阻礙土壤中空氣和養分的運輸，從而抑制了微生物對石油烴的降解，可以看出土壤類型對生物修復石油烴污染土壤的影響顯著。Tang等人［17］也發現適當的增加土壤顆粒大小能夠促進石油烴污染物的降解。3.2土壤含水率。水對微生物的生長繁殖具有顯著的影響，因此在石油烴污染土壤生物修復的過程中土壤含水率應保持在一個適當的范圍內，含水率過低會降低微生物的代謝活性，含水率過高則可能抑制土壤中空氣的轉移，甚至可能會產生一些滲濾液，導致二次污染［18］。李政等人［19］研究了土壤含水率對微生物降解石油烴的影響，結果表明，添加固體菌劑處理60d，控制土壤含水率為25%時，石油烴降解率最高為40.25%。屈撐囤等［20］也得到了同樣的結論，其研究了含水率對混合菌株降解石油烴污染物的影響，最終得出土壤含水率為25%時修復效果最好，此時石油烴的降解率為41.49%。

4總結與展望

土壤法的和土壤防治行動計劃的實施，使人們對土壤污染越來越重視，并對土壤修復工作提出了新的目標和要求。生物修復由于其成本低，綠色清潔，無二次污染的優點近年來已引起研究人員的重視。本文論述了3種原位生物修復技術和2種異位生物修復技術，并闡述了土壤性質對石油烴污染土壤的生物修復的影響。微生物很容易受土壤環境影響，在比較惡劣的環境中，微生物對石油烴污染物的降解會受到抑制。因此，未來利用微生物修復石油烴污染土壤仍然需要通過多方面的研究推進:(1)通過遺傳學和基因學對特種微生物和基因工程微生物進行研究。(2)應該充分了解環境因素、污染物的性質、降解機理和微生物之間的相互作用，深化研究污染物的遷移轉化和降解規律。(3)目前沒有一種修復方法能適用于所有類型的污染場地，在實際處理過程中應當選擇適當的修復方法進行修復。針對這些情況，應當開展物理－生物修復、化學－生物修復、植物－微生物修復等修復技術的研究。

作者:刁志龍 唐娜 張笑 蹇川 高煥方 單位:1.重慶理工大學化學化工學院 2.重慶市固體廢物管理中心 3.重慶市大渡口區生態環境局 .重慶市生態環境監測中心