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解決石油污染土壤難題 微生物修復技術發(fā)揮優(yōu)勢

[2016/8/5]

    一、土壤中石油降解微生物種群組成　　

　　自然界中能降解石油烴的微生物廣泛存在于土壤圈、水圈等圈層中。許多微生物具有以石油烴為唯一碳源和能源而生長的能力。到目前為止，己查知能降解石油中各種烴類的微生物共約100余屬、200多種，他們分屬于細菌、放線菌、霉菌、酵母以至藻類。土壤中最常見的石油降解細菌群數(shù)由高到低分別為：假單胞菌屬(Pseudomonas)、節(jié)核細菌屬(Arthrobacter)、產(chǎn)堿桿菌屬(AIcaligenes)、棒狀桿菌屬(Corynebacterium)、黃桿菌屬(Flavobacterium)、無色菌屬(Aomobacter)、微球菌屬(Micrococcus)、諾卡氏菌屬(Nocardia)和分支桿菌屬(Mycobacterium)。最常見的石油降解真菌種群數(shù)由高到低：木霉屬(Trichoderma)、青霉屬(Penicillium)、曲霉屬(Aspergillus)、森田屬(Mortierella)。

　　

　　二、微生物對石油烴的降解機理　　

　　石油污染物進入降解微生物的細胞膜后,通過三種同化作用被降解：好氧呼吸、厭氧呼吸和發(fā)酵作用。一般情況下，生物降解石油污染物主要是通過好氧生物的降解作用，利用石油污染土壤環(huán)境中的土著菌種或者向受污染的土壤中施加經(jīng)過馴化的微生物，在C/N適當?shù)那闆r下，微生物將石油類物質中的烴類代謝為不飽和脂肪酸同時產(chǎn)生某些雙鍵的位移或產(chǎn)生甲基化，形成脂肪酸，加速新陳代謝，在氧氣充足的條件下，發(fā)生氧化作用，脫氫生成水和CO2。石油污染物的降解并不能簡單看作某一同化作用，而是一個非常復雜的過程。簡單來說，這一過程可用下面的式子表示：

　　

　　石油污染物 生物 O2 N源→CO2 H2O 副產(chǎn)物 細胞體

　　

　　三、常用微生物修復技術方法介紹　

　　投菌法(Bioangmentation)：直接向遭受污染的土壤接入外源的高效降解菌，同時提供這些微生物生長所需要的營養(yǎng)，包括常量的營養(yǎng)元素和微量的營養(yǎng)元素。常量營養(yǎng)元素包括氮、磷、硫、鉀、鈣、鎂、鐵、錳等，其中氮和磷是土壤微生物治理系統(tǒng)中最主要的營養(yǎng)元素，微生物生長所需的碳、氮、磷質量比大約為120：10：1。

　　

　　生物培養(yǎng)法(Bioculture)：定期向污染土壤中加入營養(yǎng)和氧或H2O2作為微生物氧化的電子受體，以滿足污染環(huán)境中已經(jīng)存在的降解菌的需要，提高土著微生物的代謝活性，將污染物徹底地礦化為CO2和H2O。研究認為，通過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，因為土著微生物已經(jīng)適應了污染物的存在，外源微生物不能有效地與土著微生物競爭，只有在現(xiàn)存微生物不能降解污染物時，才考慮引入外源微生物。

　　

　　生物通氣法(Bioveniing)：是一種強迫氧化的微生物降解方法。在污染的土壤上打至少兩口井，安裝鼓風機和抽真空機，將空氣強排入土壤中，然后抽出，土壤中揮發(fā)性的有毒有機物也隨之去除。在通入空氣時，加入適量的氨氣，可以為土壤中的降解菌提供氮素營養(yǎng)，促進微生物降解活力的提高。生物通氣法生物修復系統(tǒng)的主要制約因素是土壤結構，不合適的土壤結構會使氧氣和營養(yǎng)元素在到達污染區(qū)域之前就被消耗,具有多孔結構的土壤污染可以采用生物通氣法來處理。

　　

　　土壤耕作法(Landfarming)：是一種廣泛采用的處理土壤污染的方法，需要監(jiān)測土壤水分和補充無機營養(yǎng)物(N、P、K)。利用耕作機械，定期使廢物與營養(yǎng)物、細菌和空氣充分接觸，使上部處理帶保持好氧狀態(tài)。這一項節(jié)約成本的方法，適于處理石油工業(yè)廢物和污泥，可在幾個月時間內使石油濃度從70000mg/kg，降低到100~200mg/kg。修復到100mg/kg則需要更長的處理時間以及增加微生物、表面活性劑和頻繁的土壤旋耕和翻耕。這種方法存在的問題是，揮發(fā)性有機物會造成空氣污染，難降解物質的緩慢積累會增加土壤的毒性。

　　

　　土壤堆腐法(CompostingPiles)：是一種和土壤耕作法相似的生物修復過程，但是它加入了土壤調理劑以提供微生物生長和石油生物降解的能量。這個過程對去除含高濃度不穩(wěn)定固體的有機復合物是最有效的，加入的物質或調理劑可以是干草、劉割草、樹葉、木屑、麥稈、鋸屑或肥料，加入土壤調理劑是為了提高土壤的滲透性，增加氧的傳輸，改善土壤質地，以及為快速建立一個大的微生物種群提供能源，微生物既消耗土壤調理劑又消耗石油產(chǎn)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復處理時間，處理時間是1~4個月。

　　

　　預制床法(PreParedbed)：在不泄漏的平臺上，鋪上石子和沙子，將受到污染的土壤以15~30cm的厚度平鋪其上，加入營養(yǎng)物和水，必要時也可以加一些表面活性劑，定期翻動土壤補充氧氣，以滿足土壤中微生物生長的需要。處理過程中流出的滲濾液，回灌于該土層上，以便徹底清除污染物。這一技術將污染土壤集中在生物修復預制床上，可保證理想的工藝條件與處理效果，還可防止處理過程中污染物向環(huán)境轉移，被視為一項具有廣闊應用前景的處理技術。

　　

　　生物反應器(Bioreactor)：是用于處理污染土壤的特殊反應器，可建在污染現(xiàn)場或異地處理場地。泥漿生物反應器是最靈活的方法，污染土壤用水調成泥漿，裝入生物反應器內，控制一些重要的生物降解條件，提高處理效果。還可用上批處理過的泥漿接種下一批新泥漿。泥漿生物反應器工作的典型流程是：土壤挖出后進行預篩，篩去大塊部分，然后將土壤分散于水中(一般20%~50%重量濃度)送入生物反應器，生物反應器可在好氧或厭氧條件下運轉。當需氧時，經(jīng)噴嘴導入氧氣或壓縮空氣，或通過加H2O2產(chǎn)生，達到處理目標后，將土壤排出脫水。

　　

　　四、微生物修復技術的局限性　

　　微生物修復技術雖然已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，但由于受微生物特性的限制，生物修復技術還存在著許多的局限性：

　　

　　(1)微生物不能降解污染環(huán)境中的所有污染物。污染物的難生物降解性、不溶性以及污染物土壤腐殖質或泥土結合在一起常使微生物修復難以進行。

　　

　　(2)一些低滲透性土壤往往不宜采用微生物修復技術。

　　

　　(3)特定的微生物只降解特定的化合物類型，化合物形態(tài)一旦變化就難以被原有的微生物酶系降解。

　　

　　(4)場地條件和環(huán)境因素對微生物修復的效率影響較大，與物理法、化學法相比，這一方法治理污染土壤的時間相對較長。

　　

　　(5)有些情況下，微生物修復不能將污染物全部去除，因為當污染物濃度太低不足以維持一定數(shù)量的降解菌時，殘余的污染物就會留在土壤中。

　　

　　(6)土壤中的持久性有機污染物很難被一般的微生物所降解，在實用規(guī)模修復中，引進的高效降解微生物在土壤不滅菌條件下很難同土著菌競爭而保持降解所需要的種群和數(shù)量。

　　

　　(7)低溫和低含水率條件下，寒冷與干旱半干旱地區(qū)的污染土壤，以及海洋中的石油污染治理是微生物修復尚待研究的一個重要課題。

　　

　　五、展望　　

　　我國是經(jīng)濟飛速發(fā)展的國家之一，隨著國家產(chǎn)業(yè)開發(fā)的實施，石油工業(yè)的發(fā)展將會提速，而這會使石油污染日趨嚴重。微生物降解石油作為一種高效率、低成本、無污染的生物治理技術，非常適合中國的國情，也是增加可利用耕地面積的有效途徑。展望未來，在石油污染土壤的治理過程中，注意微生物修復方法與傳統(tǒng)方法的有機結合，同時著重做好高效微生物菌株的篩選、構建以及環(huán)境條件的優(yōu)化，把物理、化學處理技術與生物修復技術相結合，將是石油污染土壤微生物修復技術的發(fā)展方向，石油污染土壤微生物修復技術的進一步研究與應用，必將對中國石油工業(yè)的發(fā)展與環(huán)境保護的實施產(chǎn)生深遠的影響。

（來源：中國生態(tài)修復網(wǎng)）