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细说现阶段石油污染土壤修复的技术应用现状

来源: http://www.huiguo.net.cn/    发表日期:2015-07-08    浏览:7850

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石油作为重要的工业原料,在能源、材料、化工等领域有着至关重要的作用。然而石油在开采、加工、储藏及运输等环节的非正常泄漏会造成土壤及水污染,进而通过土壤中的植物或者饮用水进人人体对人类健康造成危害,从而产生一系列的经济、环境和社会问题。

2002年河南濮阳中原油田自开采以来,由于钻井、采油和井下作业等工艺流程累计污染耕地3万余亩,其中重度污染弃耕的土地占污染总面积的60%。这不仅给油田带来巨大的经济损失,而且给环境造成了极不良的影响。2004年延安由于石油泄漏事故导致数百亩农田被污染;2005年青岛一大 型油罐车在黄张路发生事故,40余吨原油溢出造成大面积污染;2009年渭河发生柴油泄漏事故,泄漏点周围麦田受到柴油污染,大量的柴油以残留饱和方式保留在土壤中,如不及时除去,会引起地下水的污染;2010年4月,墨西哥湾的“深水地平线”钻井平台发生爆炸并引发大火,钻井平台底部油井漏油不止,事发半个月后,仍没有有效的补救措施,平均每天漏油量约5000桶,给美国带来了巨大的经济及环境损失。

土壤受到石油污染后,有机质和碳含量大量增加,氮、磷等营养成分的严重缺乏及土壤pH值的改 变,破坏土著微生物的生长,进而影响地表农作物对营养成分的摄取,破坏了局部的生态环境。同 时,迁移性强的石油烃会随土壤水分迁移,穿过土壤包气带到达地下含水层而污染地下水,再随地下水的输送与使用而危害人类健康。除此之外,一些难降解石油烃组分,如萘、甲苯、菲、蒽、芘等,可长期蓄积在土壤中,通过食物链进人人体,影响肝、肾及心血管系统,对人类产生危害。

1 石油污染土壤的修复技术发展现状

由于石油的流动性大、渗透性强、对土壤黏附作用显著等特点,石油污染土壤具有体系复杂、范 围广、治理难、周期长、危害大等特点。目前石油污染土壤的修复技术主要包括物理法、化学法和生物法。

物理法包括气相抽提技术、电修复技术等。土壤气相抽提是一种广泛应用于石油类污染土壤修复过程中的原位修复技术,主要通过抽气使土壤中高浓度的挥发性污染物挥发而降低土壤中石油污染物的含量。利用真空泵产生的负压驱使气体流过污染的土壤孔隙,将地下土壤不饱和区域的挥发性有机物解吸并收集于地上处理。王贞国等应用该技术在野外试验场地进行了石油污染土壤的原位修复,发现在适宜的曝气深度下,石油类物质去除率可达88%。刘沙沙等通过在广东某石油污染场地开展土壤气相抽提修复技术示范工作进一步掌握和完善了该技术,经过三个月的修复,土壤中总石油烃的去除率达到64.88%,修复后污染场地恢复使用功能。气相抽提技术主要是通过抽气使土壤中高浓度的挥发性污染物挥发而除去,但土壤中低浓度、难挥发性污染物依然存在。土壤电修复技术是在20世纪90年代后发展并得到重视的修复技术。此方法将电极插人受污染土壤中,土壤孔隙中的带电离子和颗粒物质可在施加直流电后沿电场方向进行定向的迁移运动。与其他土壤修复技术相比,具有经济效益高、能保护现场生态环境、安全等优点,适合治理渗透系数低的密质土壤。其主要 缺点在于对于电荷缺乏的非极性有机污染物,利用电修复技术无法高效去除,且对于不溶性有机污染物需要化学增溶,易产生二次污染。国外科研人员研究了多种修复效率高的土壤电修复技术并已 经成功应用于实际工程中,如Electro-Klean TM电动力学分离技术、LasagnaTM技术。

化学法存在的主要问题是表面活性剂的加人会破坏土壤微生态,同时成本较高。以淋洗法为例,淋洗法是用流体淋洗出土壤中的污染物,或对于石油污染土壤可用表面活性剂清洗土壤中的有机污染物。挥发性有机物等有机污染土壤清洗技术主要用的淋洗剂为表面活性剂。许多研究者采用不同的表面活性剂清洗修复受不同组分挥发性有机物污染的土壤,取得了显著效果。Fountain等在美国Hill AFB基地场地修复过程中使用不同的表面活性剂进行淋洗,成功降低TCE(三氯乙烯)污染物浓度,这在美国应用表面活性剂修复技术领域极具代表性。德国Eckenfelder公司的研究人员成功地研究了如何回收及再利用土壤污染清洗液中的表面活性剂,为进一步提高表面活性剂在污染土壤处理中的效率打下基础。

土壤生物修复技术发源于20世纪80年代。相对于物理和化学法,生物修复技术具有操作简单、 有机物降解彻底、不造成二次污染、能实施原位处 理等优点而受到各国学术界、工业界和政府部门的 高度重视,是当前土壤修复技术研究领域的前沿,也是美国环境总署推荐的优选土壤生物修复技术之一。植物修复是指植物可以通过直接吸收和降解有机污染物及释放各种分泌物刺激微生物活性, 以加强其生物转化作用和强化有机污染物在植物根部区域的矿化作用来降解土壤中的有机污染物。该方法具有低能耗、低成本、操作简单且符合可持续发展战略等优点,适合修复大面积的污染土壤。但多数植物根系集中在土壤表层,无法修复土壤深层的污染物,且受季节、环境温度影响较大,因此植物修复技术存在一定的局限性。张娟娟等研究了利用紫花苜蓿加上优化菌群抑制剂,并调控土壤温度和营养物质来降解石油污染土壤中的石油烃,经过99d的修复,土壤中石油烃的降解率达到95%。土壤动物在土壤生态系统中占有重要地位,维持着土壤生态结构的稳定。土壤动物可对一些有机物进行破碎、消化和吸收转化,把土壤中的污染物转化为性能良好的粪肥,但其能利用的有机物种类及含量有限,适合轻度污染土壤。土壤中有些动物如蚯蚓的活动可促进微生物的生长和转移, 使微生物修复效果更加明显,因此动物修复与微生物修复结合更有益于土壤的修复过程。在石油污染土壤的生物修复中,微生物修复应用最广泛。该方法通过利用或者强化环境微生物特有的代谢分解有毒物质的能力,去除土壤中的有毒有害污染物,将有机污染物分解转化成其他无害物质。

将其在质量浓度为3.78 g/L的柴油培养基中培养,降解率高达60.98%。其研究结果为柴油污染土壤的生物修复提供一定的理论依据。

最新研究表明,为提高土壤中污染物的降解率,可采取多种修复技术相结合的方法。例如电修复技术与生物修复技术优化组合,就成为了高效且 环保的复合修复技术。李婷婷等将电动-微生物联合修复技术用于去除石油污染物,在施加电场后,石油降解菌的数量有所增加,石油降解率是对照组的2.4倍。

2 微生物修复技术处理石油污染土壤的分类及应用

微生物修复是指微生物利用其生命代谢作用将有机污染物最终降解成二氧化碳和水,以达到修复污染土壤的目的。根据治理过程中添加到土壤中的制剂种类及微生物来源的不同,可将微生物修复技术分为自然衰减法、生物刺激法、生物强化法和酶反应法。微生物修复技术的分类及优缺点见表1。

自然衰减法依靠土壤或地下水系统中的自然过程去除或削弱污染状况。当环境受到化学物质污染时,大多数污染区域中会发生污染物的自然衰减,但由于自然衰减过程对污染物的降解能力较弱,通常需要5到25年才能完成对环境的净化。

生物刺激修复技术通过定期向土壤投加氮源和磷源等营养物质,以强化土著微生物中降解菌对污染物的降解。中国科学院南京土壤研究所的王聪颖等通过向多环芳烃(PAHs)污染土壤中添加(NH4) 2HP04的措施,研究了土壤中13种PAHs的降解,通过13周的好氧培养,每种PAHs含量发生了不同程度的降低,其中2环和4环的降解率最高,分别为24%和38%。这是由于污染土壤中有机碳含量较高,而N、P营养源相对不足,在添加(NH4)2HP04后优化了微生物的生长条件,激活土著微生物的活性,从而促进了PAHs的降解。营养源N、P也可以肥料的形式加人污染土壤中。近年来的研究表明,有机和无机肥料的添加,都可在不同程度上提高石油烃的降解率。Ayotamimo等应用肥料原位投加法修复石油污染农业土壤,经处理的样品中石油烃的降解率达50%〜65%,为较有效的石油烃降解方法。Margesin等在研究施InipolEAP22亲脂肥和NPK无机肥对石油烃的降解作用时发现,肥料可以显著提高石油烃的降解率和脂肪酶的活性,而且污染物起始浓度越高,肥料的作用越显著。

生物强化修复技术是指为提高污染物生物治理能力,向污染治理体系中投加高效外源菌种或菌群,从而实现高效去除目标污染物的技术,是近年来生物修复领域内研究的热点。西北农林科技大学的马晓焉等以柴油为唯一碳源,通过富集培养和平板划线法从甘肃庆阳和河南中原油田原油污染土壤中筛选和分离出降解柴油的细菌,并找到了其生长最适宜的pH值和温度,为柴油污染土壤的原位修复提供了菌种储备。浙江工业大学的科研工作者从喀麦隆未被柴油污染的土壤样品中分离获得一株柴油降解酵母,经鉴定属于解脂耶罗维亚酵母,在适宜温度、pH及营养源浓度下的降解率为78%。通过GC-MS组分分析可知该菌主要降解C9〜C25的长链烃和少量支链烃。长春理工大学的赵瑞雪等以众诚连锁卫星加油站储油罐附近被柴油长时间浸润的土壤为菌源,柴油为唯一碳源进行驯化后,分离得到降解柴油的优势菌株,以氯化铵、磷酸二氢钾和磷酸氢钾为营养源,测得其降解率为47.8%。中国石油大学的赵东风等将室内筛选得到的嗜热石油烃降解菌接种到新疆克拉玛依油田8-8站位被石油长期污染的土壤样品中进行室内模拟生物修复实验。修复的不同阶段土壤微生态及理化性质有较大变化,修复过程中土壤过氧化氢酶活性升高,脲酶、脱氢酶活性降低。经75d修复后,石油烃降解率达到56.31%。

研究表明,对于筛选分离得到的高效降解石油烃的菌株进行诱变处理,可以获得生长稳定期长、 耐受性高的菌株,从而提高降解率。郑金秀等从武汉青山石油化工厂的污染土壤中分离得到两株 高效降解石油菌W1和W2,分别为不动杆属细菌和芽孢杆属细菌。将菌悬液置于已灭菌的培养皿中, 在距离30cm处用30W紫外灯照射40s后得到其诱变菌。实验结果表明随石油浓度的增加,诱变菌的高效性越来越明显。此外,通过比较生长曲线可以看出,诱变后的菌株有较好的遗传稳定性。陆泗 进从油污染土壤中富集并分离出能高效降解柴油的细菌,经形态特征及生理生化特征鉴定其归为 红球菌属。米用紫外线照射并添加助诱变剂氯化锂的方法,将其诱变得到一种高效降解柴油菌株,其降解能力比诱变前提高了16.9%。廖有贵从湖南一石油炼厂附近的油污染土壤中筛选出一株降解石油能力最强的假单胞菌属,对其进行紫外诱变后得到一株石油降解效率更高的S-3-15菌,其降解率比诱变前提高9.1%;此外, 诱变后该菌的液体培养基pH值降低,说明诱变后菌株分泌致酸物质的能力有所提高。花秀夫等对从中原油田油污染土壤中筛选出的高效石油降解菌阴沟肠杆菌进行低温常 压等离子体诱变,与野生菌株相比,突变菌株种属没有发生变化而具有耐盐性,且15代传代稳定。在含7.5% NaCl的高盐情况下突变菌株生长稳定,石油烃降解率是野生菌的2.5倍。

对于一些可降解石油烃的微生物,由于其生长缓慢,故降解效率并不高。因此,提取微生物中可 降解石油烃的酶,构建酶反应是一条可行途径。石油中的烷烃通常以末端加氧的方式成为相应的伯 醇,再由于醇脱氢酶和醛脱氢酶的作用进一步氧化,最后以脂肪酸的形式进人0氧化途径。赖其良 等用柴油和石油作为碳源,对印度洋深层海水富集培养后分离得到一株具有较强降解柴油能力的 细菌P40,经鉴定其与食焼菌具有最高相似性,相似度均为99.8%。从该菌株中克隆到两个烷烃羟化酶基因片段,经分析初步判断该菌可能是柴油食焼菌的一个深海表型菌株。在石油的芳烃降解过程中,邻苯二酚双加氧酶是催化苯环开裂的重要酶。骆宛蓉通过引物设计的方法,从降解菌中扩增得到邻苯二酚2,3双加氧酶基因。 吴宇澄等从炼油厂附近的土壤样本中提取邻苯二酚2,3双加氧酶基因并进行克隆,获得了7个不同的基因序列。分析表明这些基因可能来源于土壤中的假单胞菌,且该基因丰富度与芳烃降解菌的数量有关,由此可见土壤中降解基因的多样性为生物修复提供了丰富的资源。花秀夫等用邻苯二甲酸酐对白腐真菌中主要降解多环芳烃的漆酶进 行化学修饰,以蒽为模式底物研究了其降解效果。 结果表明与天然漆酶相比,修饰漆酶对底物的亲和力更高,半衰期延长,适宜pH有所拓宽,对蒽的降解效率提高近2倍。

3 影响生物修复石油污染土壤场地试验的主要因素

国内外采用生物修复技术在场地试验中取得 了一定成果。1990〜1991年在阿拉斯加Exxon石油公司的王子海湾游轮发生漏油事故造成大面积海岸线石油污染,通过投加高效石油降解菌和营养物质的方法进行了治理,取得了显著效果。 又如,美国某空军基地在犹他州发生航空发动机漏油,污染大面积土壤,采用原位生物降解法,经过13个月的治理,土壤中的平均含油量从410降到8mg/kg。韩会龙等在中原油田现场开展原位真菌-细菌协同生物强化治理中试研究,通过现场实施和监测,受污染地块基本恢复了耕种能力。

国内外基础研究和场地实践的结果表明:土壤生物修复效果受污染物性质、土壤介质中微生物的 种类及数量、土壤的理化性质及水力学性质、土层中的含氧量、营养物质、湿度、pH值、温度等环境条件的影响和制约,是一个复杂过程。生物强化修复 场地试验必须解决三个难点:第一由于有机污染物组成复杂且对微生物有毒害作用,微生物难以在受石油污染的土壤中生存、生长及繁殖;其二是土壤对微生物的吸附作用及石油烃的疏水性强和在土壤中的“老化”使得它们的生物可利用度很低;第三是利用分子生物学分析技术监测与评估土壤微生态。

能否筛选出和获得具有较强石油烃降解能力的外源微生物是生物修复成功的关键,得到的微生物要能积累一定的生物活性并且抵抗环境中的不利因素。外源微生物接种到土壤中会发生失活及数量下降的现象,其生物因素包括土著微生物的竞争作用及原生动物的捕食等,非生物因素主要是土 壤中营养物质的匮乏。在多环芳烃类污染土壤中采用生物强化修复技术治理时,Cimliffe等考察了 土壤微生物群落的变化,发现接种外源微生物后,原污染土壤中的几类微生物较之前增加了数倍,作用。大多数非生物因素可以人为进行控制,通过调控营养物质在土壤中的配比可以加快微生物的 生长代谢进而提高石油烃的降解速率。外源微生物接种到土壤环境后,与环境生物因素、非生物因素 的相互作用以及土壤的温度、湿度、pH值、营养物质 的分布将决定外源微生物的存活、生长、繁殖等。

石油烃污染物不溶于水及其在土壤颗粒表面的吸附导致其生物可利用度低,土壤对于微生物也具有吸附作用,限制了其迁移,由此制约生物修复过程速率。提高生物可利用度的方式之一是在混合菌 群中加人高产生物表面活性剂的菌株;此外加人植物秸秆等也可促进石油烃从土壤表面转移并强化其 与石油烃降解菌群的接触而提高其生物可利用度。

由于石油污染土壤的特殊性及其对土壤结构和生态的严重破坏,使分析污染土壤的微生态非常困难,如石油烃和盐污染物对于土壤DNA分析的干扰等。因此在修复过程中需要通过利用分子生态学技术来得到更为全面和可靠的土壤微生态的信息,揭示土壤微生物多样性与石油烃降解能力之间的内在联系,进而指导土壤微生物生态的构建和生物修复过程的强化。

4 关于石油污染土壤修复技术的结论与展望

随着我国经济发展的加快,石油资源开采消耗也不断加快,对土壤的污染也日益严重。由于土壤 污染对环境及人体危害深远,因此土壤修复技术的社会需求越来越大,各种修复技术对于油污染土壤都有一定的修复效果,但都存在一定的限制与不足。生物修复技术因其巨大的经济及环境优势成为研究热点。应用分子生态学技术来监控耕地修复过程中外加菌的生长繁殖以及对于石油烃污染物降解率的影响,考察石油污染土壤中添加菌群和土著菌群的竞争、拮抗和协同行为,为石油降解微生物菌群和菌剂构建提供参考。目前对生物修复技术治理石油污染土壤的研究大多局限于实验室研究,真正应用于工业过程的并不多。根据我国的污染情况,开发高效、低成本的系统化生物修复技术,采用分子生态学方法研究土壤重要循环的微生 物功能基因以及其丰度和均度标准化变化,结合土壤物理化学性质和种植能力评价指标,系统评价生物修复技术的效果,就显得尤为重要和迫切。

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