盧桂蘭,王世杰,郭觀林,王翔,張玉,張朝,李發(fā)生*
1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院土壤污染與控制研究室,北京 100012
2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083
含油污泥具有產(chǎn)生量大、含油量高、重質(zhì)組分多和難處理等特點(diǎn),是石油生產(chǎn)過(guò)程中的主要污染物之一[1]。含油污泥減量化、無(wú)害化、資源化處理技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn),目前主要的處理方式分為物理法、化學(xué)法和生物法。生物修復(fù)具有修復(fù)效果好、處理費(fèi)用低,無(wú)二次污染、對(duì)環(huán)境影響小、公眾接受度高等特點(diǎn),被認(rèn)為具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。近年來(lái),堆肥法成為陳化油泥最常用的生物修復(fù)技術(shù)[3],堆肥法和土耕法修復(fù)原理相似,主要針對(duì)石油類污染引起的土壤理化性質(zhì)變化,如堵塞土壤孔隙,土壤鹽堿化、膠質(zhì)化、板結(jié)化等特性,通過(guò)添加干草、割草、樹(shù)葉、小麥秸稈和肥料等生物基質(zhì),提高堆肥效果[4-5],對(duì)去除高濃度不穩(wěn)定固體的有機(jī)復(fù)合物最有效。研究表明,添加外源石油降解菌和采取適當(dāng)措施刺激土著微生物均能大幅降低土壤中的石油污染物濃度,改善土壤的理化性質(zhì),降低其生物毒性。葉小梅等研究了調(diào)理劑類型和添加量對(duì)污泥中石油類污染物生物降解的影響,研究發(fā)現(xiàn)添加木屑的效果最好,蛭石次之,稻草最差[6]。針對(duì)露天堆放了近30年的陳化油泥,筆者以草炭作為生物基質(zhì),采用土耕法進(jìn)行生物修復(fù)試驗(yàn),同時(shí)設(shè)置自然衰減為對(duì)照,分別測(cè)定了修復(fù)前后陳化油泥的理化性質(zhì),總石油烴(TPH),石油組分,土壤微生物數(shù)量及群落變化等,以期為開(kāi)發(fā)針對(duì)油田陳化油泥的修復(fù)技術(shù)提供理論依據(jù)和工作經(jīng)驗(yàn)。
陳化油泥生物修復(fù)試驗(yàn)工程位于某采油廠聯(lián)合站。該地區(qū)年均氣溫 11~14℃,年日照時(shí)數(shù)2300~2900 h,日照率52%~65%,年均降水量550~950 mm,多集中在6—9月;無(wú)霜期180~220 d,冬季140~150 d,夏季72~108 d,春秋各50~70 d,屬于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。該地區(qū)為渤海海岸淺灘地帶,土壤類型以沖積型沙質(zhì)土壤為主,土壤透氣性能好[7]。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)采樣分析,表層土壤中TPH濃度約為200000 mg/kg,大大超過(guò)GB 4284—84《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的土壤中礦物油濃度最高限值(3000 mg/kg)。
草炭強(qiáng)化生物修復(fù)陳化油泥試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)試驗(yàn)區(qū)及1個(gè)自然衰減對(duì)照區(qū)(均為2.3 m×1.5 m×0.4 m),油泥與草炭按質(zhì)量比1∶1混合均勻,試驗(yàn)區(qū)概況如圖1所示。試驗(yàn)區(qū)每個(gè)月深翻1次,分別在修復(fù)1,2,4,9,13,16 和 26 個(gè)月時(shí)采樣分析。各試驗(yàn)區(qū)按多點(diǎn)混合法采樣,每個(gè)混合樣由10個(gè)樣點(diǎn)組成。樣品于4℃下保存。
樣品預(yù)處理步驟。1)冷凍干燥:將采集的樣品放入實(shí)驗(yàn)盤中,揀出其中的碎石、砂礫、植物殘?bào)w,進(jìn)行壓碎、翻動(dòng)、攪拌,使樣品充分混合后置于-4℃冰箱中冷凍,再放入預(yù)冷好的干燥器中進(jìn)行冷凍干燥(-57℃,300 Pa)24 h以上,使樣品充分干燥;2)樣品的選取:將冷凍干燥好的樣品充分混合均勻,用碾缽磨細(xì)過(guò)篩(60目),按四分法進(jìn)行縮分。
圖1 陳化油泥生物修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)概況Fig.1 Overview of field research construction for bioremediation of oily sludge
草炭購(gòu)自吉林省某公司,粉碎至10目左右,并按標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法進(jìn)行相關(guān)理化性質(zhì)分析(表1)。
陳化油泥中TPH及石油組分的分析,以三氯甲烷為溶劑,通過(guò)快速溶劑萃取儀(美國(guó)戴安,ASE300)萃取,測(cè)定油泥中的總含油量。石油組分采用棒薄層火焰離子化法(TLC-FID)測(cè)定,棒薄層火焰離子化分析儀(日本,IATROSCAN MK6S)參數(shù)設(shè)定:空氣和氫氣流量分別為2000和60 mL/min,掃描速度為40 s/次。重金屬濃度采用電感耦合等離子體質(zhì)譜(Agilent Technologies ICP-MS 7500 Series)分析。
表1 草炭基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physicochemical properties of peat
陳化油泥的基本理化性質(zhì)指標(biāo):pH用LY/T 1239—1999《森林土壤pH的測(cè)定》方法測(cè)定,離子交換量〔(CEC),cmol(+)/kg〕用 LY/T 1243—1999《森林土壤陽(yáng)離子交換量的測(cè)定》方法測(cè)定,全鹽量用LY/T 1251—1999《森林土壤水溶性鹽分分析》方法測(cè)定;陳化油泥的其他基本理化性質(zhì)指標(biāo),如密度、有機(jī)質(zhì)、有效氮、有效磷和有效鉀等測(cè)試方法參照表1。
陳化油泥中微生物數(shù)量采用逐級(jí)稀釋平板計(jì)數(shù)法測(cè)定:準(zhǔn)確稱取10 g處理后的土樣,放入裝有90 mL無(wú)菌水并放有小玻璃珠的錐形瓶中(已滅菌),用漩渦混合振蕩器振蕩2 min,使微生物細(xì)胞充分分散,靜置20~30 s,制成稀釋度為10-1的稀釋菌液;用1 mL無(wú)菌吸管,吸取稀釋度為10-1的稀釋菌液1 mL,放入裝有9 mL無(wú)菌水的試管(已滅菌)中,使菌液混合均勻,制成稀釋度為10-2的稀釋菌液;依此類推,連續(xù)稀釋,制成8個(gè)稀釋度的稀釋菌液。取稀釋度為 10-5,10-6,10-7和 10-8的稀釋菌液各 0.1 mL,用涂布法均勻涂布在牛肉膏蛋白胨瓊脂平板上,倒置,37℃培養(yǎng)48 h。菌落計(jì)數(shù)方法:選取平均菌落數(shù)在30~300 CFU的平板,以菌落數(shù)乘以稀釋倍數(shù),計(jì)算出1 g土壤樣品中含有的菌落數(shù)[9]。
生物多樣性分析采用菌落Biolog ECO板(Biolog Inc,Hayward,CA)。測(cè)定菌落吸光度的分析方法:準(zhǔn)確稱取10 g處理后的土樣于250 mL的錐形瓶中,加入100 mL 0.75%的生理鹽水,將錐形瓶放入振蕩器中充分振蕩,轉(zhuǎn)速100 r/min,振蕩30 min,取土壤提取液10 mL,再用生理鹽水稀釋10倍。將稀釋好的土壤提取液加樣到Biolog ECO微平板上。每孔50 μL,每樣1板(包括3個(gè)平行測(cè)定),將Biolog ECO微平板置于25℃恒溫箱中培養(yǎng),24 h后用Biolog讀數(shù)儀讀數(shù),將此次讀數(shù)設(shè)為初始值,之后每隔24 h讀數(shù)1次,連續(xù)讀數(shù)7次。分別用菌落平均每孔顏色變化率(AWCD)值,Simpson指數(shù)和McIntosh指數(shù)表征微生物群體利用碳源能力的多樣性[10-11]。
修復(fù)前陳化油泥的基本理化性質(zhì):油泥中TPH濃度為27%,其中非烴濃度為26%,瀝青質(zhì)濃度為10%;汞、鉛、鎘、銅、鋅等重金屬濃度均未超過(guò)GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值;微生物活菌數(shù)為50 CFU/g。
草炭強(qiáng)化生物修復(fù)能夠改善陳化油泥的理化性質(zhì),有利于提高土著微生物的降解活性,從而提高石油烴類污染物的生物降解率。經(jīng)過(guò)26個(gè)月處理,發(fā)現(xiàn)經(jīng)陳化油泥草炭強(qiáng)化生物修復(fù)后,其理化性質(zhì)得到顯著改善:pH從8.7降至6.9,密度從2.7 g/cm3降至 1.2 g/cm3,有機(jī)質(zhì)濃度從 1.2%增加為17.3%,全鹽量從20.3 g/cm3降至7.3 g/kg,CEC增加約1倍(表2)。
表2 草炭強(qiáng)化生物修復(fù)前后陳化油泥的基本理化性質(zhì)Table2 Physicochemical properties of aged oily sludge after 26 months'bioremediation with peat
研究表明,大多數(shù)土壤中微生物最適pH為中性范圍,環(huán)境中的pH變化對(duì)微生物的影響很大,它通過(guò)引起細(xì)胞電荷的變化,影響代謝中酶的活性和細(xì)胞質(zhì)膜的透性及穩(wěn)定性,從而影響微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收及石油烴生物降解速率[12-13]。通過(guò)添加草炭強(qiáng)化生物修復(fù)陳化油泥,主要是利用草炭中含有的大量有機(jī)酸分子、其具有的較大總表面積和較強(qiáng)的鹽堿緩沖能力來(lái)調(diào)節(jié)陳化油泥的酸堿度,使其調(diào)整到適合微生物生長(zhǎng)的范圍[14]。王傳遠(yuǎn)等認(rèn)為油泥污染土壤中,通常含碳量較高,而微生物所需要的氮、磷等元素的相對(duì)缺乏,建議在進(jìn)行石油修復(fù)中添加相應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)元素來(lái)增強(qiáng)土壤微生物的活性[15-16]。筆者的研究中陳化油泥經(jīng)草炭強(qiáng)化生物修復(fù)后土壤中有效態(tài)的營(yíng)養(yǎng)元素顯著提高,有效氮、有效磷和有效鉀的濃度分別增加到184.0,3.0和146.0 mg/kg。草炭是鹽堿及荒漠化治理的有效生物基質(zhì),在研究中草炭強(qiáng)化生物修復(fù)陳化油泥的作用還表現(xiàn)在3個(gè)方面:1)石油污染通常伴隨鹽堿產(chǎn)生,鹽度太高對(duì)微生物生長(zhǎng)具有顯著的影響[17]。試驗(yàn)結(jié)果表明,草炭強(qiáng)化生物修復(fù)陳化油泥后鹽濃度顯著降低(表2),有利于石油類污染物的微生物降解[18]。2)草炭結(jié)構(gòu)中的官能團(tuán)與土壤中膠體表面的官能團(tuán)或化學(xué)鍵發(fā)生物理化學(xué)吸附作用,從而形成有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合體等團(tuán)粒結(jié)構(gòu),有利于陳化油泥的孔隙度增加,密度下降[12]。3)采用草炭強(qiáng)化處理后,陳化油泥中有機(jī)質(zhì)的濃度顯著提高,其中一個(gè)重要原因是草炭本身含有大量的有機(jī)碳和腐殖酸[19]。
隨降解時(shí)間的增加,自然衰減區(qū)和草炭強(qiáng)化生物修復(fù)區(qū)的陳化油泥中TPH濃度都呈現(xiàn)下降趨勢(shì),自然衰減區(qū)中TPH濃度從10.6 mg/g降至9.0 mg/g,草炭強(qiáng)化生物修復(fù)區(qū)中TPH濃度從12.4 mg/g降至7.6 mg/g。經(jīng)過(guò)26個(gè)月降解,草炭強(qiáng)化生物修復(fù)區(qū)與自然衰減區(qū)中的陳化油泥TPH降解率存在明顯差異:自然衰減區(qū)降解率為14.9%,草炭強(qiáng)化生物修復(fù)區(qū)的降解率為38.9%(圖2)。
圖2 草炭強(qiáng)化生物修復(fù)對(duì)陳化油泥中TPH生物降解率的影響Fig.2 Influence of peat on the biodegradation efficiency of TPH in oily sludge
自然衰減處理陳化油泥主要依靠土著微生物對(duì)石油烴類污染物的降解。宋玉芳等認(rèn)為,污染物的降解在很大程度上依靠土著微生物的降解能力[20]。王震宇等研究證明,黃河三角洲鹽漬化土壤中土著菌對(duì)石油烴具有較強(qiáng)的降解能力,原油生物降解率達(dá)到70.7%[21]。金文標(biāo)等研究發(fā)現(xiàn),油污土壤經(jīng)90 d自然降解,其原油降解率達(dá)24.5%,并且添加原油降解菌和營(yíng)養(yǎng)物,能夠使石油生物降解效率提高20.7%[22]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),現(xiàn)場(chǎng)土著微生物對(duì)油泥自然衰減發(fā)揮重要作用。
通過(guò)深翻耕及添加草炭的方式,經(jīng)過(guò)26個(gè)月現(xiàn)場(chǎng)降解試驗(yàn),陳化油泥的TPH降解率達(dá)38.9%。由于陳化油泥黏著力強(qiáng),嚴(yán)重限制了氧氣的傳輸,形成厭氧或缺氧的環(huán)境,影響了石油的降解速率[23-24]。通過(guò)翻耕和添加草炭等,改善了土壤理化性質(zhì),增加了土壤透氣性和單位體積內(nèi)的供氧量,促進(jìn)了微生物的活性,Embar等通過(guò)添加蛭石的方法提高土壤的通透性,使石油的降解率提高了近20%[25]。研究發(fā)現(xiàn),添加草炭能顯著促進(jìn)陳化油泥的降解,其主要原因有3個(gè)方面:1)草炭對(duì)石油污染物具有一定的吸附作用[26-27];2)陳化油泥中添加草炭可顯著增加有機(jī)質(zhì)濃度(表2),已有研究結(jié)果表明,通過(guò)添加稻草、有機(jī)肥、玉米芯、樹(shù)皮碎片等生物基質(zhì),土壤中石油降解率顯著增加[28-30];3)草炭中的腐殖酸具有表面活性劑增溶作用,能促進(jìn)石油烴類污染物的解吸附,并提高微生物對(duì)土壤中殘留石油的降解[31]。
研究表明,經(jīng)過(guò)自然衰減和草炭強(qiáng)化生物修復(fù)處理的陳化油泥,其殘留石油烴組分相對(duì)濃度變化趨勢(shì)一致:飽和烴、芳香烴、瀝青質(zhì)均呈下降趨勢(shì),非烴呈上升趨勢(shì),生物降解率表現(xiàn)為飽和烴>芳香烴>瀝青質(zhì)>非烴(圖3),其他研究結(jié)果也表明,陳化油泥中石油組分的生物降解呈現(xiàn)相似的規(guī)律[13,32-33]。由于原油中含有大量的 S,N 和 O 等非烴類化合物(主要為硫醇、噻吩、卟啉、喹啉、環(huán)烷酸、脂肪酸及酚、酮類化合物),這些物質(zhì)通常不易分解,因此降解過(guò)程中非烴類污染物的相對(duì)密度逐漸增加[34]。此外,非烴類物質(zhì)使石油黏稠,并造成土壤板結(jié),透氣性差,導(dǎo)致微生物、植物生長(zhǎng)處于厭氧環(huán)境,常需輔以其他修復(fù)方法(化學(xué)萃取法、焚燒法、物理破碎等)處理陳化油泥,提高生物修復(fù)效率,降低對(duì)土壤的危害。如圖3所示,在自然衰減與草炭強(qiáng)化降解的陳化油泥樣品中,瀝青質(zhì)濃度明顯減小,說(shuō)明在一定條件下瀝青質(zhì)也能部分被生物降解[35],通過(guò)選擇適合的微生物菌株利用膠質(zhì)和瀝青質(zhì)作為唯一碳源[36-37]。
在生物修復(fù)開(kāi)始時(shí)(降解時(shí)間為0月),草炭強(qiáng)化生物修復(fù)區(qū)的陳化油泥中微生物數(shù)量比自然衰減區(qū)的高2個(gè)數(shù)量級(jí),說(shuō)明添加草炭能迅速增加陳化油泥中的微生物數(shù)量,因?yàn)椴萏恐泻写罅康耐庠葱晕⑸锞?。研究表明,微生物降解石油烴污染物的過(guò)程中,微生物數(shù)量是影響降解速率的重要因素[9]。對(duì)草炭強(qiáng)化生物修復(fù)區(qū)26個(gè)月中的5次微生物數(shù)量監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。
圖3 草炭強(qiáng)化生物降解對(duì)陳化油泥中石油烴組分的影響Fig.3 Influence of peat on change of hydrocarbons components in bioremediation of aged oily sludge
表3 草炭強(qiáng)化生物修復(fù)區(qū)微生物數(shù)量監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 3 Monitoring results of microorganisms quantity in peat-enhanced bioremediation region
由表3可見(jiàn),微生物數(shù)量隨時(shí)間的增加呈下降趨勢(shì),其下降原因有待進(jìn)一步研究,初步推測(cè)是石油的毒害作用及土壤中有效態(tài)營(yíng)養(yǎng)元素濃度的影響[38-42]。Kaufmann等研究發(fā)現(xiàn),在長(zhǎng)期的石油污染土壤中,對(duì)環(huán)境敏感的微生物種群類型和數(shù)量呈下降趨勢(shì),逐漸被具有石油降解能力的微生物所代替[43-45],因此只有適應(yīng)高含油量的微生物才能存活。環(huán)境介質(zhì)中烴類污染物生物降解代謝,往往是不同種屬微生物共同作用的結(jié)果[46]。AWCD值,Simpson指數(shù)和McIntosh指數(shù)是反映微生物群落整體活性的有效指數(shù),從群落Biolog多樣性指數(shù)中可以得出:生物修復(fù)開(kāi)始時(shí)(降解時(shí)間為0月),草炭強(qiáng)化生物修復(fù)處理的AWCD值,Simpson指數(shù)和McIntosh指數(shù)均大于自然衰減對(duì)照(表4),表明草炭的添加能夠提高陳化油泥中微生物的多樣性,證實(shí)了添加草炭后土壤中的微生物數(shù)量較純油泥污染顯著增加;但陳化油泥經(jīng)過(guò)了26個(gè)月的生物降解,草炭強(qiáng)化生物修復(fù)處理的AWCD值,Simpson指數(shù)和McIntosh指數(shù)值均有所減小,說(shuō)明其微生物多樣性的減少,也證實(shí)了石油污染對(duì)微生物種群的選擇性影響。該現(xiàn)象的產(chǎn)生,可能與草炭能夠產(chǎn)生腐殖酸和提供N,P等營(yíng)養(yǎng)元素有關(guān)。研究表明,在一定時(shí)期內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度是影響微生物數(shù)量及污染物降解率的主要因素[47],添加N和P營(yíng)養(yǎng)能夠顯著提高石油降解菌數(shù)量和活性[48],施用腐殖酸肥料可促進(jìn)土壤微生物的繁殖及酶活性的增加[49]。
表4 草炭強(qiáng)化生物修復(fù)對(duì)陳化油泥中微生物數(shù)量和微生物多樣性的影響Table 4 Influence of peat on the microbial quantity and biodiversity of aged oily sludge
(1)草炭強(qiáng)化生物修復(fù)對(duì)陳化油泥具有較好的修復(fù)效果,經(jīng)過(guò)26個(gè)月的降解過(guò)程,TPH降解率達(dá)到38.9%,較自然衰減的降解率(14.9%)提高了24%。其中對(duì)石油組分中的飽和烴、芳香烴的降解率較大,對(duì)瀝青質(zhì)也具有一定的降解效果。
(2)草炭強(qiáng)化生物修復(fù)對(duì)陳化油泥的理化性質(zhì)具有明顯改善作用,能有效調(diào)節(jié)陳化油泥鹽堿濃度(從20.3 g/kg降至7.3 g/kg)和酸堿度(pH從8.7降至6.9),提高了土壤的有機(jī)質(zhì)濃度(從1.2%增加為17.3%),CEC增加約1倍,有效態(tài)營(yíng)養(yǎng)元素濃度顯著提高,微生物生長(zhǎng)環(huán)境的改善,提高了石油烴類污染物的降解效率。
(3)與自然衰減對(duì)照相比,添加草炭后,陳化油泥中微生物數(shù)量(增加2個(gè)數(shù)量級(jí))、活性和微生物多樣性明顯增加,在陳化油泥生物修復(fù)過(guò)程中補(bǔ)充草炭等生物基質(zhì),可以作為提高工程修復(fù)效果的有效手段。
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環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)2011年5期