解决石油污染土壤难题 微生物修复技术发挥优势
[2016/8/5]

    一、土壤中石油降解微生物种群组成  

  自然界中能降解石油烃的微生物广泛存在于土壤圈、水圈等圈层中。许多微生物具有以石油烃为唯一碳源和能源而生长的能力。到目前为止,己查知能降解石油中各种烃类的微生物共约100余属、200多种,他们分属于细菌、放线菌、霉菌、酵母以至藻类。土壤中最常见的石油降解细菌群数由高到低分别为:假单胞菌属(Pseudomonas)、节核细菌属(Arthrobacter)、产碱杆菌属(AIcaligenes)、棒状杆菌属(Corynebacterium)、黄杆菌属(Flavobacterium)、无色菌属(Aomobacter)、微球菌属(Micrococcus)、诺卡氏菌属(Nocardia)和分支杆菌属(Mycobacterium)。最常见的石油降解真菌种群数由高到低:木霉属(Trichoderma)、青霉属(Penicillium)、曲霉属(Aspergillus)、森田属(Mortierella)

  

  二、微生物对石油烃的降解机理  

  石油污染物进入降解微生物的细胞膜后,通过三种同化作用被降解:好氧呼吸、厌氧呼吸和发酵作用。一般情况下,生物降解石油污染物主要是通过好氧生物的降解作用,利用石油污染土壤环境中的土著菌种或者向受污染的土壤中施加经过驯化的微生物,在C/N适当的情况下,微生物将石油类物质中的烃类代谢为不饱和脂肪酸同时产生某些双键的位移或产生甲基化,形成脂肪酸,加速新陈代谢,在氧气充足的条件下,发生氧化作用,脱氢生成水和CO2。石油污染物的降解并不能简单看作某一同化作用,而是一个非常复杂的过程。简单来说,这一过程可用下面的式子表示:

  

  石油污染物 生物 O2 N源→CO2 H2O 副产物 细胞体

  

  三、常用微生物修复技术方法介绍 

  投菌法(Bioangmentation):直接向遭受污染的土壤接入外源的高效降解菌,同时提供这些微生物生长所需要的营养,包括常量的营养元素和微量的营养元素。常量营养元素包括氮、磷、硫、钾、钙、镁、铁、锰等,其中氮和磷是土壤微生物治理系统中最主要的营养元素,微生物生长所需的碳、氮、磷质量比大约为120101

  

  生物培养法(Bioculture):定期向污染土壤中加入营养和氧或H2O2作为微生物氧化的电子受体,以满足污染环境中已经存在的降解菌的需要,提高土著微生物的代谢活性,将污染物彻底地矿化为CO2H2O。研究认为,通过提高受污染土壤中土著微生物的活力比采用外源微生物的方法更可取,因为土著微生物已经适应了污染物的存在,外源微生物不能有效地与土著微生物竞争,只有在现存微生物不能降解污染物时,才考虑引入外源微生物。

  

  生物通气法(Bioveniing):是一种强迫氧化的微生物降解方法。在污染的土壤上打至少两口井,安装鼓风机和抽真空机,将空气强排入土壤中,然后抽出,土壤中挥发性的有毒有机物也随之去除。在通入空气时,加入适量的氨气,可以为土壤中的降解菌提供氮素营养,促进微生物降解活力的提高。生物通气法生物修复系统的主要制约因素是土壤结构,不合适的土壤结构会使氧气和营养元素在到达污染区域之前就被消耗,具有多孔结构的土壤污染可以采用生物通气法来处理。

  

  土壤耕作法(Landfarming):是一种广泛采用的处理土壤污染的方法,需要监测土壤水分和补充无机营养物(NPK)。利用耕作机械,定期使废物与营养物、细菌和空气充分接触,使上部处理带保持好氧状态。这一项节约成本的方法,适于处理石油工业废物和污泥,可在几个月时间内使石油浓度从70000mg/kg,降低到100~200mg/kg。修复到100mg/kg则需要更长的处理时间以及增加微生物、表面活性剂和频繁的土壤旋耕和翻耕。这种方法存在的问题是,挥发性有机物会造成空气污染,难降解物质的缓慢积累会增加土壤的毒性。

  

  土壤堆腐法(CompostingPiles):是一种和土壤耕作法相似的生物修复过程,但是它加入了土壤调理剂以提供微生物生长和石油生物降解的能量。这个过程对去除含高浓度不稳定固体的有机复合物是最有效的,加入的物质或调理剂可以是干草、刘割草、树叶、木屑、麦秆、锯屑或肥料,加入土壤调理剂是为了提高土壤的渗透性,增加氧的传输,改善土壤质地,以及为快速建立一个大的微生物种群提供能源,微生物既消耗土壤调理剂又消耗石油产品。和土壤耕作法相比土壤堆腐法可以降低石油污染土壤的生物修复处理时间,处理时间是1~4个月。

  

  预制床法(PreParedbed):在不泄漏的平台上,铺上石子和沙子,将受到污染的土壤以15~30cm的厚度平铺其上,加入营养物和水,必要时也可以加一些表面活性剂,定期翻动土壤补充氧气,以满足土壤中微生物生长的需要。处理过程中流出的渗滤液,回灌于该土层上,以便彻底清除污染物。这一技术将污染土壤集中在生物修复预制床上,可保证理想的工艺条件与处理效果,还可防止处理过程中污染物向环境转移,被视为一项具有广阔应用前景的处理技术。

  

  生物反应器(Bioreactor):是用于处理污染土壤的特殊反应器,可建在污染现场或异地处理场地。泥浆生物反应器是最灵活的方法,污染土壤用水调成泥浆,装入生物反应器内,控制一些重要的生物降解条件,提高处理效果。还可用上批处理过的泥浆接种下一批新泥浆。泥浆生物反应器工作的典型流程是:土壤挖出后进行预筛,筛去大块部分,然后将土壤分散于水中(一般20%~50%重量浓度)送入生物反应器,生物反应器可在好氧或厌氧条件下运转。当需氧时,经喷嘴导入氧气或压缩空气,或通过加H2O2产生,达到处理目标后,将土壤排出脱水。

  

  四、微生物修复技术的局限性 

  微生物修复技术虽然已经取得了长足的发展,但由于受微生物特性的限制,生物修复技术还存在着许多的局限性:

  

  (1)微生物不能降解污染环境中的所有污染物。污染物的难生物降解性、不溶性以及污染物土壤腐殖质或泥土结合在一起常使微生物修复难以进行。

  

  (2)一些低渗透性土壤往往不宜采用微生物修复技术。

  

  (3)特定的微生物只降解特定的化合物类型,化合物形态一旦变化就难以被原有的微生物酶系降解。

  

  (4)场地条件和环境因素对微生物修复的效率影响较大,与物理法、化学法相比,这一方法治理污染土壤的时间相对较长。

  

  (5)有些情况下,微生物修复不能将污染物全部去除,因为当污染物浓度太低不足以维持一定数量的降解菌时,残余的污染物就会留在土壤中。

  

  (6)土壤中的持久性有机污染物很难被一般的微生物所降解,在实用规模修复中,引进的高效降解微生物在土壤不灭菌条件下很难同土著菌竞争而保持降解所需要的种群和数量。

  

  (7)低温和低含水率条件下,寒冷与干旱半干旱地区的污染土壤,以及海洋中的石油污染治理是微生物修复尚待研究的一个重要课题。

  

  五、展望  

  我国是经济飞速发展的国家之一,随着国家产业开发的实施,石油工业的发展将会提速,而这会使石油污染日趋严重。微生物降解石油作为一种高效率、低成本、无污染的生物治理技术,非常适合中国的国情,也是增加可利用耕地面积的有效途径。展望未来,在石油污染土壤的治理过程中,注意微生物修复方法与传统方法的有机结合,同时着重做好高效微生物菌株的筛选、构建以及环境条件的优化,把物理、化学处理技术与生物修复技术相结合,将是石油污染土壤微生物修复技术的发展方向,石油污染土壤微生物修复技术的进一步研究与应用,必将对中国石油工业的发展与环境保护的实施产生深远的影响。

(来源:中国生态修复网)