不同生物質(zhì)炭對遼河油田石油污染土壤總烴及各組分修復(fù)效果研究

石麗芳，李法云, ，王艷杰, ，陳佳勃

1. 遼寧石油化工大學(xué)生態(tài)環(huán)境研究院，遼寧 撫順 113001；2. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 410128

當(dāng)今世界原油年產(chǎn)量高達(dá)40億噸，2017年中國原油產(chǎn)量為1.915億噸（蕭蘆，2018）。在開采、運(yùn)輸、儲(chǔ)存等過程中，原油及其制品進(jìn)入土壤，造成環(huán)境污染（王林昌，2009）。據(jù)2014年環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，所調(diào)查的 13個(gè)采油區(qū)的 494個(gè)點(diǎn)位，超標(biāo)率高達(dá)23.6%，主要污染物為石油烴。中國陸地產(chǎn)油約占76%，東北地區(qū)主要分布有大慶油田和遼河油田，已有研究表明，大慶油田采油廠近井口區(qū)域土壤中總石油烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)246.17 g·kg-1，遼河油田采油廠附近土壤中總石油烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.62 g·kg-1。中國油田土壤在不同程度上都存在石油污染，包括存有300多萬噸遺留油泥的新疆油田、受污染面積高達(dá)7.2萬平方米的中石化西北油田分公司阿克蘇地區(qū)，多家石油企業(yè)已被列入國家重點(diǎn)污染監(jiān)控名單。石油是一種組成復(fù)雜的混合物，落地破壞土壤生態(tài)系統(tǒng)，滲透污染地下水體，揮發(fā)降低空氣質(zhì)量（詹研，2008），其組分可通過食物鏈進(jìn)入人體，威脅身體健康（Alebeleve et al.，2017），石油污染土壤的修復(fù)與治理已經(jīng)引起極大關(guān)注。

石油污染土壤修復(fù)主要有物理、化學(xué)和生物方法，其中生物修復(fù)技術(shù)以其綠色環(huán)保、無二次污染且投入較低等多種優(yōu)勢受到環(huán)境科學(xué)工作者的廣泛關(guān)注（盧桂蘭等，2011；楊茜等，2015；Xie et al.，2018）。近年來，生物炭作為一種新型功能性材料在國內(nèi)外石油污染土壤修復(fù)研究中得到較好應(yīng)用（劉亮，2015；Karppinen et al.，2017）。生物炭對石油污染土壤的修復(fù)機(jī)理主要為兩個(gè)方面：施用生物炭可改善土壤理化性質(zhì)（房彬等，2014），促進(jìn)石油污染物質(zhì)自然降解；優(yōu)化微生物生長環(huán)境，調(diào)控土壤營養(yǎng)元素，滋養(yǎng)土著微生物，從而促進(jìn)石油烴的微生物降解（張又弛等，2015）。目前，生物炭在石油污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用大多集中在生物炭對土壤有機(jī)質(zhì)和土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)的改善，微生物活性、群落結(jié)構(gòu)變化（Wu et al.，2017；卜曉莉等，2014），多種酶活性變化（陳心想等，2014），以及生物炭對有機(jī)污染物質(zhì)的吸附機(jī)制研究（Ni et al.，2018；姜媛，2017）等方面，本研究則對土壤中總石油烴及各組分的去除效果進(jìn)行研究，以期豐富生物炭在石油污染土壤中的應(yīng)用研究。

中國東北地區(qū)農(nóng)林生物質(zhì)資源豐富，秸稈年可利用量高達(dá)1.59億噸，大量秸稈未得到合理利用而被焚燒（張崇尚等，2017）。2017年環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星監(jiān)測顯示，東北地區(qū)焚燒火點(diǎn)持續(xù)增加，造成環(huán)境污染、資源浪費(fèi)，存在安全隱患。玉米（Zea mays）秸稈、蘆葦（Phragmites australis）秸稈以及松針（Pinus armandi）均為東北地區(qū)常見農(nóng)林廢棄物（馬驍軒等，2016）。

本研究對比不同生物質(zhì)炭的物理化學(xué)性質(zhì)差異，通過修復(fù)試驗(yàn)體現(xiàn)不同種類生物炭對土壤總石油烴及各個(gè)組分烴類的去除效果，為生物質(zhì)材料的篩選提供可靠依據(jù)，對東北地區(qū)遼河油田石油污染土壤修復(fù)具有實(shí)際意義。

1 材料與方法

1.1 土樣采集與處理

土壤樣品采自遼寧省盤錦市遼河油田采油井區(qū)，將采集后的土壤樣品置于陰暗處自然風(fēng)干，研磨后過 10目篩，收集于保鮮盒中密封儲(chǔ)存。土壤孔隙度為39.507%，持水量為12.137%（王艷杰等，2018）。土壤樣品的總石油烴含量測定采取超聲-萃取重量法（朱文英等，2014）；將總石油烴用正己烷溶解后過層析柱，測定各組分含量，測定結(jié)果如表1所示。

表1 土壤總烴及各組分含量Table1 Total petroleum hydrocarbons and main components in the sample soil g·kg-1

1.2 生物炭的制備

生物質(zhì)材料：玉米秸稈采自遼寧省盤錦市遼河油田附近農(nóng)田，蘆葦采自遼寧省盤錦濕地，松針采自遼寧省撫順市新賓縣林區(qū)。生物質(zhì)材料去雜質(zhì)，用離子水洗去粘附物質(zhì)，自然風(fēng)干后切成3－5 cm段狀，于60 ℃烘箱內(nèi)烘干3 h，粉碎后過60目篩，密封儲(chǔ)存。

生物炭制備：采用高溫裂解氧化法（房彬等，2014），將生物質(zhì)材料裝入陶瓷坩堝，壓實(shí)，加蓋并置于氣氛爐（KBF11Q，南京南大儀器有限公司）中，爐內(nèi)抽真空，通水泵，以5 ℃·min-1的速率升溫至300 ℃，恒溫?zé)峤? h，而后自然冷卻至室溫。取出所制得的生物炭，稱量，計(jì)算生物炭產(chǎn)率。將生物炭研磨后過 60目篩，裝入自封袋中，置于干燥器中儲(chǔ)存。用松針和蘆葦、玉米秸稈生物質(zhì)材料制得的生物炭分別記為S300、L300和Y300。

1.3 修復(fù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置 4個(gè)處理組（見表 2），CK為對照處理組，即石油烴及各組分在適宜條件下的自然降解。在土壤樣本中添加玉米秸稈（T1）、蘆葦秸稈（T2）、松針生物炭（T3），生物炭比例為風(fēng)干土重的5%。生物炭和石油污染土壤攪拌均勻后裝入培養(yǎng)盆，放入培養(yǎng)箱內(nèi)，晝夜切換，保持土壤水分含量為50%，給予光照，定期翻土。設(shè)置4期修復(fù)試驗(yàn)，每10天為1期，稱取10 g風(fēng)干土樣測定其中總石油烴及各組分含量，每處理組做 3次重復(fù)。

表2 不同處理組設(shè)置Table2 Different treatment groups

1.4 生物炭性質(zhì)測定與表征

生物炭產(chǎn)率計(jì)算：

式中，W 為生物炭產(chǎn)率（%）；m1為制得生物炭質(zhì)量（g），m2為生物質(zhì)材料質(zhì)量（g）。

生物炭pH值測定：取2.50 g生物炭置于含有50 mL超純水的100 mL錐形瓶中充分混合，密閉緩和煮沸10 min，將過濾后的余液冷卻至室溫后用pH計(jì)測定pH值；

生物炭灰分測定：參照《GB/T12496.3—1999木質(zhì)活性炭試驗(yàn)方法——灰分含量的測定》。

測定生物炭比表面積（BET），使用電鏡掃描觀察生物炭表面形態(tài)特征，傅立葉紅外光譜儀（FTIR）測定分析表面官能團(tuán)，EDS能譜分析生物炭中C、N、H、O元素組成。

1.5 總石油烴及各組分含量測定

土壤總石油烴含量測定：采用超聲-萃取重量法（朱文英等，2014），取10 g風(fēng)干土樣裝入50 mL離心管中，加入20 mL二氯甲烷溶劑，在60 W、30 ℃條件下超聲萃取 15 min，4000 r·min-1、30 ℃離心10 min，將上清液倒入100 mL已恒重錐形瓶，此步驟重復(fù)3次。將錐形瓶中總石油烴溶液于54 ℃下水浴蒸發(fā)，54 ℃烘至溶劑全部揮發(fā)，稱質(zhì)量，計(jì)算總石油烴含量。

石油烴中飽和烴、芳香烴及非烴類物質(zhì)組分含量測定（朱文英等，2014）：將上述總石油烴用正己烷溶解，硅膠氧化鋁層析柱分離，規(guī)格為 10 mm×60 mm，填充物活化后濕法裝柱，柱內(nèi)填充物質(zhì)由下而上依次裝入無水硫酸鈉、活性硅膠、活性氧化鋁和無水硫酸鈉，厚度分別為1、12、6、1 cm。其中飽和烴、芳香烴和非烴類物質(zhì)分別用20 mL正己烷、50 mL 1∶1體積的正己烷/二氯甲烷和50 mL甲醇洗脫，采用質(zhì)量法計(jì)算含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭理化性質(zhì)分析

相同熱解溫度和制備時(shí)間條件下玉米、蘆葦秸稈生物炭和松針生物炭的基本理化性質(zhì)見表 3。生物炭產(chǎn)率：L300＞S300＞Y300，其中蘆葦秸稈生物炭的灰分含量最低，為 6.7%，表明在 300 ℃條件下蘆葦秸稈轉(zhuǎn)化為氣體和灰分的損失最少。3種生物炭均呈堿性，其中蘆葦秸稈生物炭的pH值明顯高于另外兩種生物炭。

表3 不同生物質(zhì)炭的產(chǎn)率、灰分、pH值Table3 Productivity, ash and pH of different biochars

表4 不同生物質(zhì)炭的比表面積及元素組成Table4 BET and elemental compositions of different biochars

由表3可知，蘆葦秸稈生物炭比表面積是松針生物炭比表面積的9倍，玉米秸稈生物炭比表面積也較高，松針生物炭未能檢測出 TPV（孔隙度），這對生物炭的吸附能力有重要影響。生物炭富含多種元素，其中C、H、N、O構(gòu)成了其基本骨架結(jié)構(gòu)（Lehmann et al.，2015）。由表4可知，蘆葦秸稈生物炭的C含量高達(dá)66.37%，玉米秸稈生物炭C含量最低（64.29%），3種生物炭C含量均大于60%。研究表明將生物炭添加到作物土壤中可顯著增加土壤有機(jī)碳和總氮含量（Wang et al.，2015)，其碳組分極少參與C循環(huán)，具有較高的抗分解性和熱穩(wěn)定性，可作為土壤長期碳庫（Woolf et al.，2010）。其對土壤酶、微生物活性的影響是高度可變的，在土壤中添加生物炭可作為提高土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量的有效策略（Nelissen et al.，2014）。通過計(jì)算原子比H/C、O/C和(O+N)/C，分別表征生物炭的芳香性、親水性和極性（張崢嶸，2014）。蘆葦秸稈生物炭較低的O/C和(O+N)/C表明其親水性和極性較弱，與其他兩種生物炭相比較熟化程度較高。H/C表現(xiàn)為蘆葦秸稈生物炭＞松針生物炭＞玉米秸稈生物炭，表明蘆葦秸稈生物炭性質(zhì)最為穩(wěn)定。

2.2 生物炭掃描電鏡觀察

生物炭電鏡掃描結(jié)果如圖1所示，蘆葦秸稈生物炭具備明顯的管狀結(jié)構(gòu)，截?cái)嗝婵紫督Y(jié)構(gòu)呈蜂窩狀，排列緊密無規(guī)則，大小各異且具有一定的深度。其中大孔為限氧裂解過程中碳骨架相互交錯(cuò)而成，較小孔隙則多為有機(jī)分子的釋放。玉米秸稈生物炭也可見孔隙輪廓，部分孔隙內(nèi)部覆有碎片，但在大小、數(shù)量及排列上與蘆葦秸稈生物炭差異顯著。松針生物炭呈規(guī)則層狀，未能體現(xiàn)孔隙結(jié)構(gòu)，這與孔隙度檢測結(jié)果相符。

2.3 生物炭紅外光譜分析

利用FTIR對生物炭表面官能團(tuán)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，3種生物炭的特征吸收峰基本相同，但松針生物炭與玉米和蘆葦秸稈生物炭存在明顯差異。3種生物炭在3410 cm-1附近出現(xiàn)的較寬吸收峰由羥基-OH伸縮振動(dòng)產(chǎn)生，L300和Y300在此處峰強(qiáng)較弱，說明其炭化較完全；指紋區(qū) 1085、899和779 cm-1附近的吸收峰由酯基上C-O和苯環(huán)上C-H振動(dòng)產(chǎn)生，L300和Y300在此處吸收峰較強(qiáng)，即芳香性結(jié)構(gòu)較多。玉米秸稈生物炭Y300和蘆葦秸稈生物炭L300均在2935 cm-1處存在明顯有機(jī)質(zhì)脂肪性-CH2的伸縮振動(dòng)；松針生物炭在 1710 cm-1附近的吸收峰說明可能有羧基-COOH和羰基C=O等含氧官能團(tuán)的存在，在 1605 cm-1處出現(xiàn)較強(qiáng)C=C吸收峰，且在1432 cm-1、1242 cm-1附近出現(xiàn)脂肪族C-O-C和酚類C-O的吸收峰。相比之下，玉米秸稈生物炭和蘆葦生物炭在1800－1100 cm-1之間官能團(tuán)的種類和數(shù)量較少，說明這兩種生物炭具有較少高化學(xué)活性的含氧官能團(tuán)，穩(wěn)定性更強(qiáng)，與生物炭元素組成結(jié)果分析一致。

圖1 不同生物炭的掃描電鏡Fig.1 SEM images of different biochars

圖2 不同生物炭紅外圖譜Fig.2 FTIR spectra of the different biochars

圖3 不同修復(fù)時(shí)期總石油烴去除率Fig.3 Removal rate of TPH in soil during different period

2.4 石油污染土壤生物炭修復(fù)后總石油烴及各組分含量變化

在整個(gè)修復(fù)試驗(yàn)過程中，CK處理組總石油烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)由初始值 9.62 g·kg-1降低到 7.08 g·kg-1，總石油烴去除率為 23.03%，其中包括石油烴的氧化、揮發(fā)和生物降解等。由圖3可知，在修復(fù)初期，CK處理組總石油烴去除率提升較緩慢，此時(shí)微生物生長處于適應(yīng)階段，微生物需要在繁殖、變異等過程中通過逐漸適應(yīng)環(huán)境變化來提高自身活性，最終形成以有機(jī)污染物質(zhì)為碳源的吸收和代謝過程，將石油烴轉(zhuǎn)化為無毒害的無機(jī)物。經(jīng)過 40 d的修復(fù)，在添加了不同生物炭的3個(gè)處理組（T1、T2、T3）中，總石油烴濃度由初始值9.62 g·kg-1降到5.62－6.92 g·kg-1，總石油烴去除率為28.15%－41.58%，與CK處理組相比均有所提高。當(dāng)修復(fù)進(jìn)行到第10天，蘆葦秸稈生物炭處理組的去除率分別較玉米秸稈生物炭、松針生物體內(nèi)處理組高出6.9%和10.2%，并且隨著修復(fù)時(shí)間延長，差距逐漸增大。

由圖4可知，修復(fù)第10天左右，T2處理組飽和烴去除率上升趨勢最明顯，質(zhì)量分?jǐn)?shù)由初始值5.27 g·kg-1降至 4.16 g·kg-1，去除率達(dá)到 21.07%，T1和T3處理組飽和烴濃度具有相同變化趨勢。在修復(fù)第20天左右，各處理組飽和烴去除率差值達(dá)到最大，其中蘆葦秸稈生物炭處理組與對照組去除率差值達(dá)到26.89%。在修復(fù)進(jìn)行到第30－40天，各處理組去除率增長趨于平緩，飽和烴與石油烴中其他物質(zhì)相比更易被微生物分解利用，在修復(fù)前期被微生物優(yōu)先分解，故修復(fù)前期降解速率高于修復(fù)后期。由圖5可知，經(jīng)40 d修復(fù)試驗(yàn)，芳香烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)由初始值 1.62 g·kg-1降低至 1.23 g·kg-1。蘆葦秸稈生物炭處理組修復(fù)效果最佳，去除率達(dá)到24.07%，玉米秸稈生物炭、松針生物炭處理組去除率分別為 10.49%和 8.02%，是對照處理組的 2倍左右。芳香烴類物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需經(jīng)降解才能被微生物直接利用，其濃度降低主要是高度芳香化的生物炭對芳香烴的吸附作用。由圖6可知，非烴類物質(zhì)在不同處理組的整個(gè)修復(fù)過程中，去除率均保持最低狀態(tài)，其中T2處理組效果最好，非烴類物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)由初始值 2.62 g·kg-1降至 2.21 g·kg-1，去除率為16.29%。非烴類物質(zhì)作為石油污染物質(zhì)中最難降解的組成部分，易造成大量殘留，影響微生物生長與群落構(gòu)建，添加生物炭有利于疏松土壤結(jié)構(gòu)，流通氧氣，促進(jìn)非烴類物質(zhì)的去除，降低殘留。

圖4 不同修復(fù)時(shí)期飽和烴類去除率Fig.4 Removal rate of saturated hydrocarbon in soil during different period

圖5 不同修復(fù)時(shí)期芳香烴類去除率Fig.5 Removal rate of aromatic hydrocarbon in soil during different period

圖6 不同修復(fù)時(shí)期非烴類物質(zhì)去除率Fig.6 Removal rate of non-hydrocarbon in soil during different period

3 討論

在限氧裂解過程中，3種生物炭表面形成大量孔隙結(jié)構(gòu)，比表面積增大，蘆葦秸稈生物炭性質(zhì)突出。生物質(zhì)材料是影響生物炭結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的重要因素（Zhao et al.，2017）。各生物質(zhì)炭具有不同的孔隙大小及分布規(guī)律，這決定了其在改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)、氧氣疏通及保水保肥的性能中存在差異（張崢嶸，2014）。同時(shí)，在土壤中添加生物炭可持續(xù)降低土壤養(yǎng)分淋洗量（Laird et al.，2010；王萌萌等，2013）。Chen et al.（2017）在實(shí)驗(yàn)室開展小型堆肥試驗(yàn)研究不同生物質(zhì)生物炭減少堆肥氣體排放的能力和機(jī)制，表明生物炭比表面積、孔隙體積與其吸附能力顯著相關(guān)。

石油污染土壤中總石油烴是由多種烴類組成的復(fù)雜混合物質(zhì)，土壤對石油烴的有限吸附致使過量的石油烴仍滯留于土壤孔隙中，經(jīng)過長時(shí)間在土壤中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和沉淀，已經(jīng)形成較穩(wěn)定狀態(tài)。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，在總石油烴的不同組分中，飽和烴類物質(zhì)的去除率最高，芳香烴去除率僅低于飽和烴，非烴類物質(zhì)由于其自身難降解的特性，去除率最低。石油污染物質(zhì)破壞微生物生長環(huán)境、限制其生長繁殖，導(dǎo)致微生物活性降低、多樣性減少（甄麗莎等，2015）。研究表明生物炭可有效改善土壤理化性質(zhì)（Deng et al.，2017），間接影響土壤生物性質(zhì)（張又弛等，2015）。王艷杰等（2018）研究發(fā)現(xiàn)，在遼河油田石油污染土壤中添加生物炭60 d后，土壤容重降低、孔隙度明顯增加、田間持水量增加9.903%，土壤總氮和總磷含量均有所提高，土壤中微生物數(shù)量為修復(fù)前原土壤樣品的2倍左右。微生物是土壤有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化與分解的重要參與者，生物炭對土壤理化性質(zhì)的改善具有長期性（姚欽，2017）。

對照組的修復(fù)效率主要來源于在修復(fù)過程中給予石油污染土壤良好的外在條件，包括溫度、光照和水分，增強(qiáng)了土壤土著微生物活性。定期的土壤翻耕有助于氧氣疏通，同時(shí)重新分布石油烴類物質(zhì)，為微生物與石油烴類物質(zhì)提供更多的接觸機(jī)會(huì)（孔露露等，2016），從而促進(jìn)石油烴的微生物降解。在T1、T2、T3中，總石油烴及各組分降解效果均有所提高。各石油烴組分呈現(xiàn)出不同降解規(guī)律，通常情況下，結(jié)構(gòu)簡單、分子量小的有機(jī)物最先降解，直鏈烴比環(huán)烴易降解。其中添加蘆葦秸稈生物炭的T2處理組修復(fù)效果最好，這與蘆葦秸稈生物炭緊密排列的孔隙結(jié)構(gòu)、較大的比表面積、C/O和高芳香化等性質(zhì)密切相關(guān)。

4 結(jié)論

（1）在300 ℃條件下，松針生物炭呈層狀結(jié)構(gòu)，未能檢測出微孔體積；玉米秸稈生物炭炭化不完全，孔隙內(nèi)部覆有碎片；蘆葦秸稈生物炭孔隙結(jié)構(gòu)清晰，比表面積可高達(dá)93.47 m2·g-1。

（2）石油烴污染土壤經(jīng)生物炭40 d修復(fù)后，各處理組修復(fù)效果存在明顯差異，土壤中總石油烴及各組分去除效率表現(xiàn)為蘆葦秸稈生物炭＞玉米秸稈生物炭＞松針生物炭＞CK。蘆葦秸稈生物炭對石油烴污染土壤中總石油烴的修復(fù)效率為41.58%，生物炭對各石油烴組分去除率表現(xiàn)為飽和烴＞芳香烴＞非烴類物質(zhì)。

（3）與石油烴的自然降解相比較，添加生物炭可有效促進(jìn)總石油烴及各組分降解，蘆葦秸稈生物炭在石油烴污染土壤修復(fù)實(shí)驗(yàn)中效果最佳。