石油烃污染土壤生物修复技术探究

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摘要:生物修复由于其成本低、操作简便、无二次污染的特点，已越来越多的运用到石油烃污染土壤的修复过程中。本文阐述了生物强化、生物刺激、生物通风、生物堆肥法和生物反应器法几种常见的生物修复技术的修复原理、使用条件和研究现状，以及讨论了土壤性质对生物修复的影响，并对今后利用生物修复石油烃污染土壤的研究进行了展望。

关键词:生物修复;土壤;石油烃污染;土壤性质

21世纪以来，全球经济快速增长的同时石油消费量也随之增长。由于石油的用途广泛，需求量大，在石油开采、运输、储存和生产加工等过程中产生的事故性泄漏及含油污水的不合理排放对土壤和地下水造成了严重污染。由于石油烃污染物是一种持久性有机污染物，其低反应性和抗降解性，对人类健康和生态环境健康构成严重威胁。石油烃污染物进入土壤后会堵塞土壤孔隙，降低土壤的通透性，破坏土壤结构，影响土壤的理化性质;并且会影响植物种子的萌发，植物根系的呼吸和对营养物质的吸收，抑制植物的生长;在石油烃污染土壤生长的作物，最终会经过食物链传递给人类，由于石油烃污染物具有致癌、致畸、致突变的危害，对人类的健康造成了严重的威胁;另一方面，部分石油烃污染物进入水体后，会毒害水体中的生物，造成水生态失衡［1］。石油烃污染对环境及人类健康造成了很大的威胁，因此对石油烃污染进行治理的工作十分紧迫。石油烃污染土壤修复技术主要包括物理修复法、化学修复法和生物修复法。其中物理修复法成本较高，容易对土壤结构造成破坏;化学修复法是目前发展比较成熟的修复方法，但其使用药剂容易对土壤中的生物造成影响，并且容易造成二次污染，只适合在特定的条件下使用;生物修复法由于其成本低、无二次污染、操作简单的优点，能将污染物最终转化为无害的产物，可以同时运用于土壤和地下水修复，是一种经济、绿色清洁、最具前景的修复技术。生物修复技术可以按修复地点分为原位生物修复和异位生物修复两大类。

1原位生物修复技术

原位生物修复技术是目前研究较多的生物修复技术，其主要是通过向污染土壤中投加外源微生物或者通过添加营养物质、通风为微生物创造适宜的降解条件，从而增强微生物对污染物的降解。按照修复原理可以将原位生物修复分为生物强化、生物刺激、生物通风三种方法。1.1生物强化。生物强化是通过添加外源微生物或基因工程微生物来降解石油烃污染物的修复方法。生物强化包括使用单一微生物或者多种微生物制成的复合菌剂，在大多数情况下，复合菌剂比单一微生物对污染物的降解更加有效;这是因为相对于单一微生物，混合菌剂更容易形成一个降解体系。Rahman等人［2］研究单一微生物与混合菌剂对石油烃污染物的降解，最后发现添加微生物处理20d后，添加混合菌剂比添加单一微生物降解率提高了58%。生物强化的关键在于高效降解菌的筛选，根据微生物的来源，可以将生物强化分为外源生物强化和土著生物强化;通常土著微生物强化比外源微生物强化更具有优势。Abena等3］将从原油污染土壤中筛选出来的高效降解菌株，将其作为外源菌剂添加到石油烃污染土壤中，最终降解率为48.10%，半衰期为41，76d。Ma等人［4］从某炼油厂的土壤中筛选出6株高效降解菌，将其制作成混合菌剂，然后用于修复该炼油厂的污染土壤，经过84d的处理，石油烃污染物的降解率最高达到了83.3%，为对照组的4倍。目前，筛选土著微生物来修复原污染土壤是最常见的技术。1.2生物刺激。生物刺激是通过往污染土壤中添加营养物质(C、N、P)、生物表面活性剂、电子受体等刺激微生物的代谢活性，从而加快污染物的降解。目前生物刺激的主要手段是添加营养物质和生物表面活性剂。营养物质对微生物影响是显著的，由于一般土壤环境中是无法满足微生物降解石油烃所需的营养物质，因此通常需要额外添加适量的营养物质。营养物质的添加对微生物降解石油烃污染物的影响是显著。张秀霞等人［5］研究了添加了不同量的腐殖酸对石油烃污染土壤的生物修复的影响，结果表明，腐殖酸可以调节土壤中的碳氮比，促进微生物对速效磷的利用，当添加100mg/g的腐殖酸处理30d时，石油烃降解率比未添加腐殖酸的空白组提高了21.8%。Emami等人［6］研究了分别添加硝基氮和氨基氮对微生物降解石油烃污染物的影响，结果表明氨基氮的修复效率更好，这可能是因为氨基氮能更好的促进微生物的生长，提高微生物的酶活性。表面活性剂可以促进石油烃的解吸和溶解，进而提高石油烃污染物的生物利用率。生物表面活性剂相较于化学表面活性具有可生物降解、毒性低的优点，因此被广泛用于石油烃污染的修复中。目前鼠李糖脂和槐糖脂是研究较多的两种生物表面活性剂。Razia等人［7］在石油烃污染土壤的生物修复过程中添加了不同量鼠李糖脂和营养物质，石油烃的降解率最高可达77.6%。孙雨系等人［8］研究了槐糖脂的加入对微生物降解原油的影响，结果表明槐糖脂的加入使石油烃的降解率提高了35.0%。在生物修复的过程中，适量的添加营养物质和生物表面活性有利于加强微生物对石油烃的降解。1.3生物通风。生物通风是向污染土壤中通入空气刺激土著微生物的生长，从而促进微生物对石油烃的降解。刘沙沙等人［9］通过生物通风修复不同浓度(柱Ⅰ(5g/kg)、柱Ⅱ(10g/kg)、柱Ⅲ(20g/kg)、柱Ⅳ(40g/kg))的柴油污染土壤，经过90d的生物通风，柱Ⅱ(10g/kg)的效果最佳，石油烃的去除率达到了65.3%，半衰期为60.05d。Thomé等人［10］利用生物通风技术修复柴油污染土壤，生物通风60d后，其柴油降解率高达85%。生物通风的应用与土壤结构密切相关，如果土壤结构不合适，会导致空气无法与污染土接触，因此通常在使用生物通风技术时会先添加一些改良剂来改变土壤的结构，使土壤能更好应用生物通风技术。

2异位生物修复技术

异位生物修复是将受污染的土壤挖掘转移到其他地方或反应器内，然后采用生物修复技术对污染物进行处理。异位生物修复技术主要包括生物堆肥法和生物反应器法。2.1生物堆肥法。生物堆肥法是通过向污染土壤中加入土壤调理剂强化土壤中的微生物对石油烃降解的一种技术。在堆肥的过程中，有机改良物是营养元素的重要来源，为了降低成本，通常选择工业和农业中产生的有机废物做为堆肥材料添加到污染土壤中。Wan等［11］利用堆肥法修复柴油污染土壤，对其进行添加有机肥料来进行堆肥，最终土壤中柴油的降解率超过了90%。Khamforoush等人［12］研究了木屑(一种膨胀剂)、改性剂类型，膨胀剂/改良剂与土壤的比例对土壤生物修复的影响，最终得出当膨胀剂与土壤比为2.25，改良剂与土壤比为2.5时修复效果最佳。展漫军等［13］利用生物堆技术来修复某化工厂的有机污染土壤，确定了最佳的修复工艺“1%秸秆+2%菇渣+主动曝气+底部被动曝气+翻堆”，修复成本仅为673元/m3，68d的降解率可达到了82.8%～99.0%，而对照组仅为25.2%～46.2%。堆肥法是一种极具前景的修复技术，其主要利用有机废物进行土壤修复，既可以减少对废物储存和处置费用，并且在修复过程中产生的有机物质有助于改善土壤质量，该方法主要应用于污染浓度较高、冬季时间较长的地区。2.2生物反应器法。生物反应器法是将往挖出的污染土壤加入大量水使其混合成泥浆，然后转入接种了微生物的生物反应器中，从而达到去除污染物目的的一种异位生物修复技术，该法又被叫做生物泥浆法。胡晓芳等人［14］利用生物反应器处理不同浓度的石油烃污染土壤，结果表明，经过150d的处理，土壤中石油烃的降解率都超过了90%。TorabifarB等［15］利用生物反应器修复石油烃浓度为23000mg/kg的污染土壤，处理70d后，石油烃的去除率高达97%。生物反应器法在修复过程中，可以很好的控制修复条件，是一种理想且比较灵活的修复方法;该方法不仅可以用来处理石油烃污染土壤还可以对含油污泥进行处理，对石油烃浓度较高的土壤有较好的处理效果。

3土壤性质对生物修复的影响

3.1土壤类型。土壤主要分为砂土、黏土和壤土。不同土壤类型对修复的影响也有所差异。Haghollahi等［16］选择了含100%砂的砂土、含95%以上黏土的黏土、含68%砾石和32%砂的粗粒土和含40%砾石+20%砂+40%黏土的粗粒土四种不同类型的土壤，用来研究不同土壤类型对石油烃降解率的影响;结果表明，砂土的石油烃降解率最高为70%，黏土的石油烃降解率最低为23.5%。这可能是因为黏土的渗透性较低，会阻碍土壤中空气和养分的运输，从而抑制了微生物对石油烃的降解，可以看出土壤类型对生物修复石油烃污染土壤的影响显著。Tang等人［17］也发现适当的增加土壤颗粒大小能够促进石油烃污染物的降解。3.2土壤含水率。水对微生物的生长繁殖具有显著的影响，因此在石油烃污染土壤生物修复的过程中土壤含水率应保持在一个适当的范围内，含水率过低会降低微生物的代谢活性，含水率过高则可能抑制土壤中空气的转移，甚至可能会产生一些渗滤液，导致二次污染［18］。李政等人［19］研究了土壤含水率对微生物降解石油烃的影响，结果表明，添加固体菌剂处理60d，控制土壤含水率为25%时，石油烃降解率最高为40.25%。屈撑囤等［20］也得到了同样的结论，其研究了含水率对混合菌株降解石油烃污染物的影响，最终得出土壤含水率为25%时修复效果最好，此时石油烃的降解率为41.49%。

4总结与展望

土壤法的和土壤防治行动计划的实施，使人们对土壤污染越来越重视，并对土壤修复工作提出了新的目标和要求。生物修复由于其成本低，绿色清洁，无二次污染的优点近年来已引起研究人员的重视。本文论述了3种原位生物修复技术和2种异位生物修复技术，并阐述了土壤性质对石油烃污染土壤的生物修复的影响。微生物很容易受土壤环境影响，在比较恶劣的环境中，微生物对石油烃污染物的降解会受到抑制。因此，未来利用微生物修复石油烃污染土壤仍然需要通过多方面的研究推进:(1)通过遗传学和基因学对特种微生物和基因工程微生物进行研究。(2)应该充分了解环境因素、污染物的性质、降解机理和微生物之间的相互作用，深化研究污染物的迁移转化和降解规律。(3)目前没有一种修复方法能适用于所有类型的污染场地，在实际处理过程中应当选择适当的修复方法进行修复。针对这些情况，应当开展物理－生物修复、化学－生物修复、植物－微生物修复等修复技术的研究。

作者:刁志龙 唐娜 张笑 蹇川 高焕方 单位:1.重庆理工大学化学化工学院 2.重庆市固体废物管理中心 3.重庆市大渡口区生态环境局 .重庆市生态环境监测中心