石油污染场地化学氧化结合生物降解修复

向甲甲

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

石油在开采、储运和生产加工等过程中容易发生泄露，引起了许多国家和地区土壤及地下水石油污染。在英国，石油污染的土壤、地下水占受污染总量的15%[1]。澳大利亚全国16万个污染场地中，石油类污染的场地占多数[2]。我国勘探和开发的油气田中有约4.8×106hm2的土壤受到不同程度的石油污染[3]。

石油化工产品中的多种“三致”物质对人体健康造成威胁[4-5]。石油污染土壤常用的修复的方法有物理、化学、微生物等修复法[6-7]。化学氧化能够为生物修复提供了电子受体、生物可利用性的有机小分子等条件[8-9]。化学氧化与生物修复组合修复技术为场地石油污染修复提供了一个新的修复方向。

1 石油污染主要特征

石油成分包括4大类：(1)饱和烃，包括直链烷烃、支链烷烃，化学性质稳定，易挥发；(2)芳香烃，分子含有芳香结构，如苯、甲苯、二甲苯，毒性较大；(3)树脂类，无定型含氮、氧、硫等元素；(4)柏油类，主要为大型分子以胶体状散布在石油中，难挥发。常见的石油污染物理化性质见表1。

表1 石油类污染物理化性质[11]

石油污染物通常为非水相液体(NAPL)，NAPL根据和水的密度关系又可区分为两类：比水轻的为LNAPL；比水重的为DNAPL。当LNAPL扩散到地下时部分会残留在不饱和土壤孔隙中，有些会经土壤空隙挥发到地表大气中。往下迁移到地下水位的LNAPL会侧向扩散形成薄层浮油往地下水位较低的方向流动，另有一部分较易溶解组分则会溶解到不饱和土壤结合水中或地下水中随着地下水流动。其中浮流在地下水表层的浮油会因地下水位的上下变动而滞留到原本在水位面以下的孔隙，当水位再度上升时，较易溶解的成分快速地溶解到地下水中，造成二次污染。由于DNAPL较低的溶解度、高密度及低粘滞力的影响，使得DNAPL在土壤中具有较大的流动性。DNAPL迁移时更容易滞留于不饱和层中，其蒸汽也不易挥发，存在于土壤空隙中。更多DNAPL泄露会使其积累在土壤毛细管缝隙，当其厚度足以抵抗水和土之间的毛细力时，便会继续流入含水层，在渗透过程中，若含水层有一隔水底板，DNAPL将在隔水底板处形成一层DNAPL膜[10-11]。

2 化学氧化

化学氧化修复通过向污染场地添加氧化剂，使场地中污染物氧化成为无毒或低毒的物质，从而达到修复目的[12]。化学氧化技术具有高效、快速、普适等优点，能够将土壤中难溶于水的石油污染物矿化为CO2或降解为小分子有机物，增加其水溶性及生物可利用性，但是单纯的化学修复存在修复不彻底，容易破坏土壤的理化性质，影响土壤微生物群落等问题。常用的氧化剂有芬顿试剂、高锰酸盐、过硫酸盐和臭氧等[12]。芬顿反应为放热反应，在氧化过程导致土壤温度升高，可能破坏土壤理化性质，造成土壤结构板结。此外，在不同土壤酸碱性条件下，反应过程产生的OH-可能会与Fe3+或土壤中的其他重金属离子形成胶体或沉淀物附着在土壤颗粒表面，从而降低土壤渗透性[13-14]。臭氧能够与多种有机物反应，常态下为气体，在土壤中的扩散受到土壤孔隙率的限制，工程运用不广泛。高锰酸盐在地下环境中相对稳定，且氧化降解速率也较快，但是能降解的有机污染物较少[15]，高锰酸盐反应产物二氧化锰沉淀会堵塞土壤孔隙影响其传递，此外，高锰酸钾对土著微生物的毒性较大严重破坏微生物群落。过硫酸盐因其具有较好的水溶性、强氧化性、化学稳定性、反应产物的毒性低等优点可以弥补其它氧化剂的不足。过硫酸盐投加量并非越高越好，在降解反应达到饱和之后，多余的氧化剂不仅浪费资源，而且会与土壤中有机质反应造成破坏，可能影响土壤后续的再利用能力及微生物生长。付文怡[16]研究化学氧化修复多环芳烃污染土壤微生物群落多样性发现在0～24 h反应时间内，反应时间越长越利于氧化剂与多环芳烃充分反应，在24 h之后降解反应趋于平稳，污染物降解速率不再提高。化学氧化修复反应条件及过程见表2。

表2 化学氧化修复反应条件及过程[17-18]

3 生物降解

微生物修复技术的原理是利用土壤中的土著物生物或在污染土壤中接种人工选育的高效降解微生物，同时给予优化的环境条件，以石油污染物为碳源进行新陈代谢从而实现污染物降解[19]。生物修复技术与物理和化学修复技术相比，最突出的优点是成本低，对环境的扰动性小，但是生物修复技术修复周期过长一般难以满足实际工程需求。目前，已知能降解石油类的微生物大约有200多种，包括细菌、霉菌、放线菌、酵母以及藻类等。微生物的修复效果受到石油污染土壤理化性质、营养物质性质与来源等因素的影响[20]。微生物降解石油类物质的最适宜条件一般为pH 6～8,表层土壤温度15～30 ℃,空气相对湿度70%～80%,营养物质比例C∶N∶P=25∶1∶0.5[21]。影响生物修复效果因素见表3。

表3 影响土壤石油污染生物修复效果的因素

4 化学氧化结合生物降解

化学氧化技术具有高效、快速、普适等优点，但是单纯的化学修复存在修复不彻底，容易破坏土壤的理化性质；生物修复技术对环境的扰动性小、修复彻底、能够改善土壤环境，但是生物修复法修复周期过长一般难以满足实际工程需求。石油污染场地污染特征复杂，容易发生扩散、多相迁移，附着在土壤颗粒及缝隙中的污染物在化学氧化修复后往往会不断释放出来造成污染物反弹，需要微生物的长期修复。化学氧化能够为生物修复提供电子受体、生物可利用性的有机小分子等条件(见表4)，表明化学氧化与生物修复组合的可行性。有关研究表明化学氧化结合生物降解能够显著提高石油类污染物的去除率(见表5)，化学氧化与生物降解组合修复技术相互弥补为场地石油污染修复提供了一个新的修复方向。

表4 化学氧化修复土壤为生物降解提供的条件

表5 化学氧化与生物修复联合修复技术有效去除石油类污染物

尽管化学氧化修复会改变土壤酸碱性、温度、质地、有机质含量等理化性质，对微生物种群造成不利影响，可以通过优化氧化剂用量、确定外源微生物添加的合理时间、调节土壤环境、微生物强化等措施有效降低这些影响。

4.1 优化氧化剂用量

氧化剂投加量并非越高越好，在降解反应达到饱和之后，多余的氧化剂不仅浪费资源，而且会与土壤中有机质反应造成土壤结构的破坏，可能会影响土壤后续的再利用能力。活化过硫酸钠氧化降解石油类污染研究发现在0～24 h内，反应时间越长越利于氧化剂与多环芳烃充分反应，在24 h之后，降解反应趋于平稳去除率不再增加[16]。Valderrama C等[37]用臭氧氧化30 mg/L柴油污染土壤柱实验中，氧化时间为60～900 min，发现生物降解程度与臭氧化时间成反比，在臭氧氧化900 min，石油的氧化去除率达到最高(50%)，经过9周的培养，未发生进一步的生物降解。然而，氧化时间调整为180 min，石油的氧化除去率为37%，但是随后发生了生物降解，使总的去除率更高。从这些研究中，我们可以得出结论：通过优化氧化剂的用量，减少残留氧化剂与微生物直接接触，能够有效降低氧化剂的生物影响。一般来说，较低的氧化强度虽然降低了化学氧化阶段的降解效率，但是增加了后续生物降解，从而可以提高整体修复效率。

4.2 外源微生物添加时间

生物修复往往需要引入外源菌种，一方面在化学氧化阶段土著菌种受到抑制；另一方面土著菌种本身的石油降解潜能可能较低，不能满足石油后续生物修复。因此，引入外源菌种可显著加快土壤的修复过程。王金华[41]通过添加外源高效降解菌(鞘氨醇、单胞菌、霍尔德氏菌和伯克菌)使石油的降解率由没有添加外源高效降解菌的16.8%提高到64.4%，认为外源菌种在土壤石油降解过程中起主要作用。此外，不同菌种之间可能存在一定的协同作用，添加的外源高效降解菌可能与场地内土著菌种复配产生更好的修复效果。

添加外源菌种要充分考虑化学氧化修复后场地环境变化，氧化剂产生的短寿命自由基会在氧化修复阶段结束而湮灭，但是环境持久性自由基会附着在土壤颗粒上，在一定时间内会对微生物产生毒性。如果氧化剂投放量过大，在氧化修复结束后剩余的氧化剂还会持续产生·OH等自由基，很容易造成土著/外源微生物的死亡。一般在氧化修复后1～2个月添加外源微生物，降低氧化剂对微生物的影响，如果氧化剂用量较大应当在更长的时间后添加，在添加微生物前需要监测土壤氧化还原电位等理化条件。

4.3 调节土壤环境

微生物的代谢活动以及酶的活性对土壤的酸碱性比较敏感[31]，合适的土壤pH值能够保证微生物的正常代谢活动，从而获得较高的降解效率。在后续生物修复前需要对土壤的pH值进行测定及调节以满足微生物代谢、繁殖、降解石油烃。王世强等[42]研究表明，土壤pH值从4.1提高到6.88，土壤中的细菌和放线菌数量能提高近百倍，各类生理群数量也呈快速上升变化。

在低温条件下，石油的黏度增大造成小分子量石油挥发性降低，减慢了生物降解作用，温度同样影响烃类的溶解性，在低温条件下生物降解速率会减慢[23]。高温条件会影响酶的活性及阻碍微生物的繁殖及降解活动[23]。芬顿反应为放热反应，在使用过程会导致土壤温度升高；热活化的过硫酸盐氧化反应同样会使土壤温度升高，因此，在化学氧化与生物降解组合修复过程中需要监控调节化学氧化阶段土壤温度，在温度较低的污染场地可以合理利用化学氧化释放的热量以增快生物降解速率。

土壤结构是土壤功能的基础，不仅影响土壤营养元素的供应、水分的保持及渗透、气体的交换等过程，还为土壤微生物提供了物理生存环境。化学氧化容易导致土壤板结，不利于微生物的生长。化学氧化修复后通过向土壤中混合生物炭、粉碎的作物秸秆、土壤改良剂等改善土壤结构、提高孔隙率为后续生物修复创造条件。

4.4 生物强化

C、N、P是微生物生长所需的营养元素，在石油污染土壤微生物修复过程中，微生物所需的C元素可以来源于石油污染物。化学氧化将大分子的石油氧化成小分子碳氢化合物，有利于微生物利用，但是土壤中N、P 元素的含量和比例一般无法满足微生物降解石油的需求。在后续的生物修复过程中加入含N、P 的营养物质能够显著提高修复效果[35]。Tsai 等[18]在石油生物修复实验中加入铵盐和磷酸，发现总石油的去除率较没有加入营养物质提高了6%～14%；硝基磷酸铵、硝酸铵、磷酸铵、磷酸氢钾和磷酸二氢钾等含氮含磷无机盐能够提供N、P营养元素，结合高压旋喷等工艺可以将这些营养物质更加充分有效地注入特定深度的土壤，能够有效加强生物修复。

除了添加营养元素以外，引入生物表面活性剂也能加强生物降解。生物表面活性剂是由微生物产生的具有表面活性剂性质的化合物，该类化合物具有生物可降解性、低毒性、环境相容性、高选择性以及在极端温度、pH和盐度条件下的活性等优点，能够降低液体表面张力，增加石油与微生物的接触面积，提高有机污染物的生物利用度，增大生物降解率。化学氧化后的土壤结构及理化性质受到一定程度的改变，阻碍了石油类污染物的溶解、污染物与微生物的接触、微生物与污染物在土壤中的迁移等，生物表面活性剂及能产生生物表面活性剂的菌种的引入能够绿色、有效地促进化学氧化修复后的生物修复效果。

5 结论及展望

化学氧化能够为生物修复提供电子受体、生物可利用性的小分子有机物等条件，化学氧化与生物降解组合修复技术具有适用广泛、速度快、修复彻底、绿色低毒等特点，为土壤及地下水石油污染修复提供了一个新的修复方向。

化学氧化与生物降解组合修复要充分考虑化学氧化对生物修复造成的不利影响。化学氧化阶段合理分配氧化剂的用量，较低的氧化强度可以降低对生物降解的影响，能够提高整体修复效率。添加外源功能微生物时选择恰当的投放时机以降低活性自由基对其毒害。调节化学氧化后土壤pH、温度、孔隙度、有机质等条件能够有效改善后续生物修复效率。生物修复阶段可以采取添加N、P 等营养物质、生物表面活性剂等生物加强措施以提高生物修复效果。

该组合式修复技术从实验室研究应用到实际工程项目仍需大量的工作，今后的工作应着重于化学氧化对不同土壤类型的理化性质及营养成分的影响以及对微生物再生所需条件的影响。通过对上述内容的研究，可以设计绿色的、高效的、经济普适的适用于石油污染场地化学氧化联合生物修复技术。