某炼油厂土壤和地下水污染特征及生物修复技术研究

杨均明

（中山市东凤镇生态环境保护局，广东 中山 528400）

长期生产和使用不同的石油衍生品会对加工和处理设施周围的土壤造成广泛的污染，例如，由井喷、储罐泄漏和倾倒废弃石油产品引起的石油泄漏，导致土壤中石油碳氢化合物的负荷升高，土壤质量显著下降，使其不适合农业使用[1]。土壤修复主要涉及风险评估和修复策略，需要从化学成分、毒性和理化性质（挥发性、水溶性、可降解性）方面对土壤污染进行表征[2]。从分析的角度来看，风险评估的质量和土壤修复成功的机会将随着表征水平的提高而提高。为控制石油产品带来的环境风险，我国出台了各种新法规，同时加强了污染土壤的生物修复研究[3]。

生物修复技术是处理总石油烃（TPH）污染土壤的有效方法。这些技术在经济上和技术上都很有吸引力，在处理受有机化合物，特别是石油碳氢化合物污染的土壤方面显示出良好的前景[4]。通过这种方法降解碳氢化合物受到生物表面活性剂的影响，因为它们增加了污染物在水相中的溶解度，并通过增加细胞表面疏水性改变了微生物细胞与碳氢化合物之间的亲和力[5]。

考虑到这些石油产品泄漏所造成的经济损失、环境问题、对人体健康的影响、社会弊端等，迫切需要对这些污染源进行修复。本文旨在详细研究炼油厂对土壤和地下水的污染，并研究当地微生物对高度石油污染场地的生物修复的适用性。

1 材料与方法

1.1 土壤及地下水取样

本文选择了17 个可用于地下水采样和挥发性有机碳（VOC）等参数监测的点进行实验。测试面积约36 km2，采样点分布基本覆盖整个区域，特别是炼油厂所在地。随后，通过分析土壤和地下水样来测量污染的程度和类型。

1.2 土壤分析

1.2.1 总石油烃（TPH）测定

本次调查采用土壤取样孔采集的样品对土壤含油量进行定量分析。利用索氏仪、分光光度计等仪器，以二氯甲烷（DCM）提取的土壤中TPH（质量分数）计算土壤的油污染程度。

该方法通过在二氯甲烷中制备不同浓度的油溶液，并利用紫外可见光谱测量其在400 nm 处的光吸收度，制备了校准曲线。TPH 质量分数由整个土壤样品提取测定。采用二氯甲烷溶剂萃取法测定了土壤中油的含量。将DCM（5 mL）加入0.2～2 g 洗净的土壤（干）中，置于5 mL 有盖的试管中。试管在振动筛上均匀混合1 min，然后以3 000 r/min 的速度离心5 min，之后将原油/DCM提取物收集到25 mL 容量瓶中，用DCM配制至25 mL。然后将油/DCM提取物离心去除溶液中的土壤颗粒。用分光光度计在25 ℃±1 ℃、波长400 nm 处测定上清液吸光度。土壤中油的浓度由25 ℃±1 ℃时油/DCM 溶液的校准曲线和土壤质量确定。标准曲线方程如式（1）所示：

式中：x 为TPH 质量分数；y 为在400 nm 处读取的吸光度值。

1.2.2 VOC 测量

由于油的挥发，在地面产生挥发性有机物气体。因此，可以通过检查VOCs 密度的分布来估计污染的范围。本次调查旨在通过VOC-201h 传感器测量地面VOCs 的浓度，并考察其分布，以估计整个区域的污染范围和污染源。

1.3 地下水分析

地下水取样后，进行各种表征测试。用重铬酸钾法测量化学需氧量（COD）；用ES-51 电导率仪对样品进行电导率测试；用OCMA-300 含油量分析仪进行含油量测定，考察地下水污染含量及其指标。

1.4 生物修复实验

在这部分研究中，基于实验室净化实验，对目标区域的生物修复进行了可行性评估，其中使用从该区域的污染土壤中分离出的组合培养物，对现场土壤中平均污染率的油污染土壤进行生物降解。为了评价该方法的适用性，在design Expert 软件设计的基础上，采用TORC 污染的表层土壤样品制备混合菌培养物，进行了一系列实验。然后，对该组合培养物对现场污染物的生物降解进行了拟合性评价。

1.4.1 细菌生长和培养条件

采 用 1.0 g/L NaNO3、0.5 g/L KH2PO4、0.5 g/L K2HPO4、0.1 g/L MgSO4、0.01 g/L CaCl2、0.001 g/L FeSO4组成的矿物盐（MS）培养基进行培养。使用NaOH 溶液将培养基pH 调至7.2。最后，将炼油厂回收井的1 mL 油作为碳源添加到灭菌介质中。

本研究中使用的细菌培养物采用以下程序分离：将1 g 受污染的土壤、100 mL MS 培养基和1%（体积分数）的油（作为唯一的碳和能量来源）混合在250 mL烧瓶中。随后，将1 mL 的接种菌转移到另一个250 mL的培养瓶中，其中含有100 mL MS 培养基和1 mL 油，在相同条件下再培养24 h，重复5 次。取100 μL 的培养物铺于琼脂培养基板上，30 ℃孵育24 h。营养琼脂培养基板维持在4 ℃。

1.4.2 实验设计

使用Design Expert 7 进行实验设计和所有统计分析。采用方差分析（ANOVA）来确定回归和因素的显著性。方差分析也用于评估适当的测量参数之间的差异。设计表如表1 所示。

1.4.3 土壤泥浆

为了模拟该地区土壤的平均污染程度，将10 g被3%油污染的筛分土壤（2 mm）样品悬浮在37.5 mL去离子水中，置于250 mL 烧瓶中。以生物修复应用推荐的最佳n（C）∶n（N）∶n（P）=100∶10∶1 添加氮和磷，为微生物活性提供营养物质。此外，根据设计表（见表1），从污染土壤和城市活性污泥中分离出2.5 mL 的微生物，MLSS 为12 g/L，用无菌生理盐水（0.89%NaCl）在600 nm 处将光密度调至1，加入烧瓶中作为接种菌。根据设计表，将SDS 表面活性剂（十二烷基硫酸钠）、葡萄糖等加入烧瓶（见表1）。同时使用一个无接种瓶作为非生物对照。根据表1，泥浆在25 ℃和30 ℃和140 r/min 下孵育12 d 和24 d。采用紫外光谱法测定TPH 质量分数，并根据校正曲线进行校正。TPHs 的生物耗损百分比（D）由式（2）得到：

式中：TPH对照为对照中TPH 的量；TPH实验为各处理中TPH 的量；TPH初始为土壤中TPH 的初始量。

2 结果与分析

2.1 地下水污染

2.1.1 COD 分析结果

我国污水排放标准规定，农业用水的COD 值低于200 mg/L，排放到地面或地下的水，COD 值应小于100 mg/L。如表2 所示，在该区域分布的17 个采样点中，只有2 个样品的浓度高于标准水平（100 mg/L）。表2 中第4 点的COD 最高，由于该点靠近其中一条管道，可能是由于这条管道泄漏造成了这一范围的污染。

2.1.2 电导率测量结果

一般情况下，当水中溶解离子较多时，就容易通过电流，电导率就会上升。因此，通过测量电导率，可以大致比较水中溶解离子的总量。石油污染地面的电阻率降低，导电性增大，这是地面油的普遍特性。当地面油饱和时，根据油的电特性，电导率降低（电阻率变高）。但随着时间的推移，污染油可能被微生物分解，电阻率降低。因此，根据电导率（电阻率）的差异，可以估计出油污区域的范围。从表2 可以看出，在该区域内，所有样品的电导率都高于河流平均值（100 μS/cm），说明污染在整个区域是分散的。

2.1.3 含油量结果分析

根据我国污水标准，地表水、地下水和农业用水的废水含油量上限为10 mg/L。如表2 所示，在该地区，最高检出300 mg/L 的含油量。从水质分析结果推测，农用水水质超标。此外，污染水平大大超过了调查地区的环境标准。根据样品的分析结果可以推测，样品是多种油类的混合物，很难确定污染物质。然而，样品的主要成分可能是汽油、煤油和柴油。从这些结果可以得出结论，炼油厂内部和整个工业区都有污染源。

2.2 土壤污染

2.2.1 VOCs 在该地区土壤中的分布

基于工业建筑的存在，本文将整个区域分为两个主要组，包括工业区内的区域和工业区外的区域。工业区域外研究区域附近的VOCs 质量分数约为100×10-6，呈大范围分散分布。由于在这些分散的区域附近铺设了管道，除了这些管道之外，这些点周围没有看到其他石油污染源，因此认为这些管道在过去甚至现在都有泄漏的可能性。相比之下，工业建筑附近的VOCs 质量分数相当高（超过7 000×10-6）。这些分布主要分布在油罐堆场和工业区管道周围，说明污染源可能是油罐底板、地下埋管、排水坑等。研究区域VOC 值的频率分布如图1 所示。

图1 不同抽样点位的VOCs 分布频率

2.2.2 土壤含油量

根据土壤样品分析和VOCs 浓度测定结果（图1），研究区域有一个高污染区域，包含不同的工业公司，而在该边界以外的其他地区有一个低石油污染区域。此外，研究区域的南部和东部也有污染分布，特别是在VOCs 质量分数超过7 500×10-6，地下水油层较厚的地区。因为这个区域靠近主储罐，所以这个污染可能是因为这个区域的一些储罐和管道泄漏的问题。

2.3 生物修复研究的方差分析

通过分析发现，在5 个主要因素中，表面活性剂、培养类型和剩余时间3 个因素对TPH 的生物降解有显著影响，p 值<0.05（见表3）。这些实验的主要结果验证了当地微生物对该地区石油污染的生物降解性。因此，利用本地微生物和工程辅助进行生物修复是一种合适的方法，可用于研究区域的净化。

表3 生物修复实验结果表

3 结论

本文证明了净化工业区内水和土壤污染的重要性。在工业领域的各种净化方法中，生物修复技术是一种较为合适的处理TPH 污染土壤的方法。这些技术在经济上、政治上和生态上都很有吸引力，在处理被有机化合物，特别是石油碳氢化合物污染的土壤方面显示出很好的效果。考虑到现场条件，特别是地面炼油设施的存在和保持其持续运行的必要性，最终去除该地区污染石油的最后阶段适用方法是生物修复。因此，为了调查现场天然石油降解微生物的存在情况，还进行了其他实验。实验结果表明，该地区的原生微生物可以生物降解土壤和地下水中的石油污染物。