土壤石油污染物生物通風(fēng)修復(fù)的研究進(jìn)展.doc

-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-土壤石油污染物生物通風(fēng)修復(fù)的研究進(jìn)展隋紅1，茹旭2，黃國(guó)強(qiáng)1，李鑫鋼11：天津大學(xué)化工學(xué)院，天津300072；2：錦州石化設(shè)計(jì)院，遼寧錦州121001摘要：生物通風(fēng)是一種去污效果好、操作費(fèi)用低的土壤原位修復(fù)技術(shù)。文章概述了生物通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)目的、適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，詳細(xì)論述了生物通風(fēng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，包括現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用、影響因素和強(qiáng)化技術(shù)及理論研究，并展望了生物通風(fēng)在我國(guó)的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：土壤；石油污染；原位修復(fù)；土壤氣相抽提；生物通風(fēng)；生物降解中圖分類號(hào)：X53文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-2175（2003）02-0216-04土壤是人類賴以生存的基礎(chǔ)資源。土壤中最嚴(yán)重的污染是石油類污染。由于輸油管道、儲(chǔ)油罐泄露，落地油、含油污水排放等原因，大量石油類污染物進(jìn)入土層，不僅破壞了土壤本身的生態(tài)系統(tǒng)，而且對(duì)地下水資源構(gòu)成威脅。至90年代中期，美國(guó)就有1/3的地下儲(chǔ)油罐被確認(rèn)存在不同程度的滲漏，使地下水受到污染。我國(guó)目前大部分油田區(qū)地下水也因受到污染而達(dá)不到飲用標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)人類健康造成潛在的致命危害。國(guó)外最近20年加強(qiáng)了土壤修復(fù)計(jì)劃，通常解決的辦法有異位（exsitu）修復(fù)和原位（insitu）修復(fù)兩種形式，異位修復(fù)在多方面存在明顯不足，已基本被原位修復(fù)所取代。美國(guó)于90年代投入大量資金以鼓勵(lì)一些新興的革命性土壤原位修復(fù)技術(shù)，土壤氣相抽提法（soilvaporextraction，SVE）應(yīng)用而生，隨后其衍生技術(shù)_生物通風(fēng)（bioventing，BV），結(jié)合了土壤通風(fēng)的物理過(guò)程和增強(qiáng)的生物降解過(guò)程，而成為一種應(yīng)用廣泛的革新性原位修復(fù)技術(shù)1。1生物通風(fēng)概述SVE技術(shù)是一種通過(guò)強(qiáng)制新鮮空氣流經(jīng)污染區(qū)域，將揮發(fā)性有機(jī)污染物從土壤中解吸至空氣流并引至地面上處理的原位土壤修復(fù)技術(shù)，該技術(shù)被認(rèn)為是一個(gè)“革命性”的修復(fù)技術(shù)2。BV是在SVE基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，實(shí)際上是一種生物增強(qiáng)式SVE技術(shù)。因利用外界驅(qū)動(dòng)力向地下輸送氣流，使得受污染土壤中的有機(jī)物揮發(fā)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氣相污染物，也可以向污染區(qū)提供氧源增加微生物活性，當(dāng)其首要目標(biāo)是增強(qiáng)氧氣的傳送和使用效率來(lái)促進(jìn)生物降解時(shí)，通常稱之為生物通風(fēng)3。BV技術(shù)的出現(xiàn)直接源于SVE的發(fā)展，使用了與SVE相同的基本設(shè)施：鼓風(fēng)機(jī)、真空泵、抽提井、注入井和供營(yíng)養(yǎng)滲透至地下的管道等。其中井所在位置的結(jié)構(gòu)依現(xiàn)場(chǎng)而定，并與空氣是被注入還是從土壤中抽出有關(guān)。BV技術(shù)還可與修復(fù)地下水的空氣攪拌（airsparging，AS）或生物曝氣（biosparging,BAS）技術(shù)相結(jié)合4，將空氣注入含水層來(lái)提供氧支持生物降解，并且將污染物從地下水傳送到滲流區(qū)，在滲流區(qū)污染物便可用BV或SVE法處理。SVE和BV雖然系統(tǒng)組分相同，但系統(tǒng)的適用情況、結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)目的有很大不同：SVE將注射井和抽提井放在被污染區(qū)域的中心，而在BV系統(tǒng)中，注射井和抽提井放在被污染區(qū)域的邊緣往往更有效。SVE的目的是在修復(fù)污染物時(shí)使空氣抽提速率達(dá)到最大，利用揮發(fā)性去除污染物；而B(niǎo)V的目的是優(yōu)化氧氣的傳送和氧的使用效率，創(chuàng)造好氧條件來(lái)促進(jìn)原位生物降解。因此，BV使用相對(duì)較低的空氣速率，以使氣體在土壤中的停留時(shí)間增長(zhǎng)，促進(jìn)微生物降解有機(jī)污染物5。生物通風(fēng)應(yīng)用范圍較寬，Michael6已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究證明了，生物通風(fēng)不僅能成功用于輕組分有機(jī)物，如汽油和柴油，還能用于重組分有機(jī)物，如燃料油等，另外也可用于其它的揮發(fā)或半揮發(fā)組分。生物通風(fēng)的另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是，與SVE比較它的操作費(fèi)用更低7。在SVE操作中抽出的廢氣不能直接放入空氣中，需要后續(xù)處理工藝（一般是活性碳吸附和催化燃燒），這有時(shí)甚至要占整個(gè)費(fèi)用的50%左右，生物通風(fēng)省去了此步驟，因此操作成本下降。生物通風(fēng)與其它土壤修復(fù)技術(shù)比較，其主要缺點(diǎn)是操作時(shí)間長(zhǎng)，受到土著微生物種類的限制8。2生物通風(fēng)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展2.1現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用隋紅等：土壤石油污染物生物通風(fēng)修復(fù)的研究進(jìn)展217大約在1980年，Texas研究所最先認(rèn)識(shí)到了用土壤通風(fēng)來(lái)促進(jìn)石油有機(jī)物原位生物降解的價(jià)值。實(shí)驗(yàn)室研究顯示，土壤通風(fēng)去除的汽油污染物中，由生物降解去除的占1/3強(qiáng)910。1991年以前，有關(guān)生物通風(fēng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和研究的公開(kāi)發(fā)表和文獻(xiàn)很少，從1992到1995年，美國(guó)空軍部（USAF）已經(jīng)在130多個(gè)地點(diǎn)應(yīng)用了生物通風(fēng)進(jìn)行土壤修復(fù)。在土壤具有低滲透性的兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)，Michael等11用單井空氣注入系統(tǒng)進(jìn)行了長(zhǎng)期的生物通風(fēng)處理；土壤氣相抽樣結(jié)果顯示，經(jīng)生物通風(fēng)一年后，土壤污染程度明顯下降，說(shuō)明具有低滲透率的土壤也能被生物通風(fēng)修復(fù)。Hinchee和他的同事12用改造的SVE設(shè)計(jì)系統(tǒng)增大生物降解的貢獻(xiàn)，文獻(xiàn)中報(bào)道生物降解達(dá)到了85%90%。Hogg等在新西蘭成功應(yīng)用生物通風(fēng)技術(shù)對(duì)含有機(jī)污染物的土壤進(jìn)行了修復(fù)，有機(jī)物降解速率為零級(jí)，在操作了13個(gè)月后，土壤中石油有機(jī)物的濃度減少了92%。在現(xiàn)場(chǎng)生物通風(fēng)過(guò)程的監(jiān)測(cè)方面，Gagnon等13發(fā)展了一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)來(lái)提高生物通風(fēng)技術(shù)，用此實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)提供一個(gè)合適的空氣流速，并且在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)測(cè)試時(shí)在線監(jiān)測(cè)氣體流速和土壤氣相中的氧氣濃度。另外一個(gè)實(shí)例是在一個(gè)燃料油污染現(xiàn)場(chǎng)14，自1997年11月開(kāi)始進(jìn)行生物通風(fēng)處理，由測(cè)量?jī)x表可以遠(yuǎn)程監(jiān)控CO2和O2濃度以及不同抽提井中的濕度。因?yàn)樵簧锝到馑俾适巧锿L(fēng)操作中的一個(gè)重要指標(biāo)，作者設(shè)計(jì)了在線控制的測(cè)量?jī)x表來(lái)監(jiān)測(cè)生物降解速率，以獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化生物通風(fēng)操作。2.2生物通風(fēng)影響因素研究BV現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)的效果受多種因素影響，許多研究者對(duì)此進(jìn)行了研究。下面概述如下：2.2.1土壤濕度微生物完成代謝轉(zhuǎn)化需要為它們的生長(zhǎng)和活性提供足夠的水份。實(shí)驗(yàn)室研究表明，不飽和條件下，在較高的土壤濕度中生物轉(zhuǎn)化速率較大1516。另外，Holman和Tsang17研究發(fā)現(xiàn)：生物轉(zhuǎn)化速率和土壤濕度之間的依賴關(guān)系依污染物不同而不同。根據(jù)這些研究，在許多BV現(xiàn)場(chǎng)，添加土壤水分后增加了生物降解速率18。然而，有研究者提出了與之相反的結(jié)論：在一些生物通風(fēng)現(xiàn)場(chǎng)，增加土壤濕度后對(duì)生物降解速率影響很小，甚至發(fā)現(xiàn)，濕度增加后由于阻止了氧氣的傳遞而使生物通風(fēng)特性消失。另外，土壤中水分含量過(guò)高，水便會(huì)將土壤孔隙中的空氣替換出來(lái)，浸滿水的土壤很快從好氧條件變?yōu)閰捬鯒l件，不利于好氧生物降解。2.2.2土壤溫度研究表明，溫度和供氧是去除土壤中污染物的重要因素19。既然污染物組分的氣相壓力是溫度的函數(shù)，增加土壤溫度后有兩個(gè)潛在作用：提高微生物降解活性和增加污染物的揮發(fā)性，這可以加快有機(jī)污染物的降解速率。在土壤溫度成為主要限制因素的寒冷地區(qū)，提高土壤溫度尤其顯得重要，加熱方法主要有熱空氣注射、蒸汽注射、電加熱和微波加熱等20。Filler在實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上，和同事們?cè)诒睒O的AK現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)和安裝了熱絕緣系統(tǒng)（TIS），將機(jī)械加熱與TIS及熱能循環(huán)結(jié)合起來(lái)，用BV方法對(duì)污染物進(jìn)行修復(fù)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示熱強(qiáng)化后，生物降解程度明顯提高，在以前因溫度限制沒(méi)有微生物活性的季節(jié)現(xiàn)也有生物降解發(fā)生21。2.2.3電子受體Dupont等5提出限制生物修復(fù)的最關(guān)鍵因素是缺乏合適的電子受體。雖然氧、硝酸鹽、硫酸鹽、二氧化碳和有機(jī)碳都可以作為電子受體被土壤微生物利用來(lái)完成有機(jī)污染物的氧化，但最普遍使用的是氧，因?yàn)檠跄芴峁┙o微生物的能量最高，幾乎是硝酸鹽兩倍，比硫酸鹽、二氧化碳和有機(jī)碳所釋放的能量多出一個(gè)數(shù)量級(jí)，其次，土壤環(huán)境中利用氧的微生物非常普遍，并且從工程觀點(diǎn)上，加速的生物降解大部分發(fā)生在好氧條件下，而非厭氧條件下，因此，氧是最好的電子受體。原位生物降解很大程度上受氧輸送速率控制，空氣是將氧輸送到地下環(huán)境的最后載體，因?yàn)榭諝庵醒鹾扛?，且空氣的粘度低。Wilson和Ward22較早提出了在原位修復(fù)中用空氣注入方法來(lái)提供氧氣。前已提到，BV使用較低的空氣流速，以使微生物有足夠的時(shí)間利用所有的氧來(lái)轉(zhuǎn)化有機(jī)物，在此條件下增加氣速可使生物修復(fù)速率增加，而在高氣速下，有其它的因素限制代謝速率，且微生物不能消耗所有的氧，進(jìn)一步增加氣速不會(huì)使生物降解更多的污染物23。另外，氣速增大會(huì)使因揮發(fā)去除的污染物比例加大，生物降解的貢獻(xiàn)率相對(duì)減少。因此如何選擇最佳氣速便成為影響B(tài)V操作的重要因素。DePaoli24提出一個(gè)設(shè)計(jì)BV系統(tǒng)的方法，目的是設(shè)計(jì)最優(yōu)操作條件使氣速最小，但在整個(gè)受污染土壤中能夠維持足夠的氧水平來(lái)支持好氧生物降解。2.2.4生物營(yíng)養(yǎng)鹽218生態(tài)環(huán)境第12卷第2期（2003年5月）實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用都表明，適當(dāng)添加營(yíng)養(yǎng)物可以促進(jìn)生物降解。據(jù)報(bào)道，調(diào)節(jié)被石油污染的土壤的m(C)m(N)m(P)對(duì)石油的生物降解很有好處。Breedveld等25比較了分批、實(shí)驗(yàn)室土柱和現(xiàn)場(chǎng)規(guī)模研究中加入營(yíng)養(yǎng)物對(duì)生物通風(fēng)的影響，結(jié)果顯示：沒(méi)有營(yíng)養(yǎng)物加入時(shí)觀測(cè)到一極小的呼吸速率，當(dāng)加入營(yíng)養(yǎng)物時(shí)，呼吸速率幾乎同時(shí)增加。在分批實(shí)驗(yàn)中呼吸速率最大，土柱和現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試顯示兩者速率相似，約為分批實(shí)驗(yàn)的1/6。在污染現(xiàn)場(chǎng)生物通風(fēng)1年后，比較發(fā)現(xiàn)，加入營(yíng)養(yǎng)物，TPH含量減少了66，而沒(méi)有添加營(yíng)養(yǎng)物，剩余石油幾乎與原來(lái)一樣，只有極少輕組分被去除了。這證實(shí)了添加營(yíng)養(yǎng)物對(duì)生物降解的促進(jìn)作用。另外據(jù)Lee和Swindoll16的實(shí)驗(yàn)室研究報(bào)道，加入無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽后總污染物的礦化是原來(lái)的3倍。Bulman26在一個(gè)柴油污染基地設(shè)計(jì)了生物通風(fēng)系統(tǒng)，通風(fēng)操作6個(gè)月，總有機(jī)物濃度減少了10%30%，去除深度達(dá)3m，通風(fēng)中加入營(yíng)養(yǎng)物后導(dǎo)致在下面的6個(gè)月中，又有30%的污染物被去除，去除深度達(dá)到了3.5m。2.2.5加入優(yōu)勢(shì)菌土壤中石油污染物的生物降解與土壤中可降解菌的含量有密切關(guān)系，土壤中加入石油降解優(yōu)勢(shì)菌能大大提高生物降解速度，如白腐真菌對(duì)許多有機(jī)污染物都有很好的降解效果。Gruiz等27將生物通風(fēng)與應(yīng)用高效菌相結(jié)合，效果十分明顯。2.3生物通風(fēng)理論研究數(shù)學(xué)模型對(duì)于優(yōu)化生物通風(fēng)系統(tǒng)具有指導(dǎo)意義，雖然早期許多模型中包含了地下有機(jī)物的生物降解，但這些模型僅僅適用于單相飽和系統(tǒng)。后來(lái)開(kāi)發(fā)了用于不飽和區(qū)生物通風(fēng)的模型，這些模型的缺點(diǎn)是沒(méi)有考慮到溫度和熱交換過(guò)程。于是Glascoe等28提出了一個(gè)典型生物通風(fēng)操作中包含對(duì)流所引發(fā)的溫度和水含量變化對(duì)生物活性影響的模型，但此模型過(guò)于簡(jiǎn)化，為一維均質(zhì)砂土。Chen29在1992年推導(dǎo)了一個(gè)一維數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬土壤中苯和甲苯的運(yùn)移和生物降解，模擬過(guò)程包括組分各相（固、液、氣和生物）間的物質(zhì)交換、對(duì)流和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，方程中的源/匯項(xiàng)代表了生物過(guò)程。作者還詳細(xì)論述了用實(shí)驗(yàn)確定模型參數(shù)的方法。Donald等30發(fā)展了一個(gè)二維空氣流動(dòng)模型用于生物通風(fēng)研究中，可用此模型預(yù)測(cè)生物降解速率。Gomez-Lahoz等31也描述了在SVE修復(fù)中所發(fā)生的生物降解現(xiàn)象，模型包括描述生物降解的Monod方程及水相和氣相間的質(zhì)量傳遞過(guò)程。Sleep和Sykes32提出的模型中考慮了三相（空氣-有機(jī)物-水）的輸運(yùn)，每一項(xiàng)中的組分?jǐn)?shù)量是任意的，模型中包括水相和固相間吸附作用的影響，相間濃度關(guān)系用Henrys定律表示。作者還模擬了飽和區(qū)和不飽和區(qū)中污染物為甲苯的土壤修復(fù)，顯示了考慮生物降解和沒(méi)考慮生物降解的結(jié)果，在不飽和區(qū)空氣注射和純氧注射兩種方法都被研究了。后來(lái)，Sleep等用有限差分模型來(lái)模擬生物通風(fēng)過(guò)程，模型也包括了氣-液-有機(jī)三相的輸送，還包括有機(jī)物、氧和二氧化碳的相間分配，微生物的生長(zhǎng)和運(yùn)移，以及氧的消耗和二氧化碳的產(chǎn)生。并且，用雙Monod動(dòng)力學(xué)方程模擬了基質(zhì)和氧為限制因素時(shí)的生物降解。最近，MISER二維模型被發(fā)展用來(lái)模擬SVE和生物通風(fēng)過(guò)程33，模型將多相流動(dòng)過(guò)程、多組分輸運(yùn)、非平衡相間傳質(zhì)及好氧生物降解相結(jié)合；模擬生物通風(fēng)結(jié)果顯示，充分的供氧并不是評(píng)價(jià)生物通風(fēng)操作有效性的唯一標(biāo)準(zhǔn)，污染物的去除途徑和生物通風(fēng)效率受到動(dòng)力學(xué)的顯著影響，這包括生物生長(zhǎng)因子，相間傳質(zhì)速率和空氣注入速率。3結(jié)語(yǔ)綜上所述，國(guó)外在受污染的土壤現(xiàn)場(chǎng)已有許多應(yīng)用和監(jiān)測(cè)生物通風(fēng)過(guò)程的實(shí)例，實(shí)驗(yàn)室的理論研究近幾年來(lái)也頗受研究者的重視。另外，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)室研究，對(duì)影響生物通風(fēng)的環(huán)境因素有了一定的了解，但還很不透徹，需要進(jìn)一步深入綜合的研究來(lái)優(yōu)化生物通風(fēng)操作條件。土壤修復(fù)的生物通風(fēng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研究和應(yīng)用還處于剛剛起步階段，而我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展中，石油工業(yè)對(duì)土壤造成的污染比較嚴(yán)重，因此生物通風(fēng)這項(xiàng)高效、低費(fèi)用的土壤修復(fù)技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景，應(yīng)大力加以推廣，以維持土壤的生態(tài)平衡和保護(hù)寶貴的地下水資源。參考文獻(xiàn)：1RONALDE.HOEPPEL,ROBERTE.etal.Bioventingsoilscontam-inatedwithpetroleumhydrocarbonsJ.JIndMicrobiol,1991,8(3):141-146.2黃國(guó)強(qiáng).土壤氣相抽提（SVE）有機(jī)物污染物的運(yùn)移與數(shù)學(xué)模擬研究D.天津:天津大學(xué)博士論文，2002.3MCCLUREPD,SLEEPBE.Simulationofbioventingforsoilandgroud-waterremediationJ.JEnvironEng,1996,122(11):1003-1012.4HINCHEERE,MILLERRN,DUPONTRR.Enhancedbiodegrada-tionofpetroleumhydrocarbons:AnairbasedinsituprocessA.In:FREEMANH,SFERRAPR,eds.InnovativeHazardousWastTreat-隋紅等：土壤石油污染物生物通風(fēng)修復(fù)的研究進(jìn)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黃國(guó)強(qiáng)，李鑫鋼，李凌，等.地下水有機(jī)污染的原位生物修復(fù)進(jìn)展J.化工進(jìn)展，2001，10：13-16.9TexasResearchInstitute.LaboratoryscalegasolinespillandventingexperimentR.AmericanPetroleumInstitute：InterimReportNo.7743-5，1984.10TexasResearchInstitute.Forcedventingtoremostgasolinevaporfromalarge-scalemodelaquiferR.A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