论文部分内容阅读
石化行业的快速发展，使石油开采、储存、运输等生产过程及泄漏事故造成的土壤污染日益严重。石油污染物不仅造成土壤破坏和废毁，还能通过食物链直接危害人类。生物修复因具有比物化修复法更经济、彻底、对环境友好等优势正成为石油污染土壤修复的主流手段。但生物修复仍存在自然降解效果差、修复周期长、难以修复高浓度石油污染土壤等缺点。一些研究通过添加外源菌剂、表面活性剂、人工通风等措施强化生物修复，但成本过高。此外，由于石油生物降解同时受多种物理、化学和生物因素的影响，只采用一种强化措施很难获得良好的修复效果，而同时采取多种强化措施又会增加生物修复的成本。因此，进一步提高生物修复效果，扩大生物修复应用范围，降低生物修复成本是国内外普遍关注的问题。矿化垃圾(AR)具有较高的孔隙度和保水性，富含有机质和营养元素，还具有较高的微生物量和多样性，而且矿化垃圾本身是一种废物，埋深浅，存量大，方便开采利用。本文提出利用填埋场矿化垃圾原位强化生物修复石油污染土壤的基本思路和解决方案。通过模拟修复试验，检测矿化垃圾和污染土壤的理化性质、石油含量和组分、酶活性、微生物多样性和群落组成等多种因素的变化来分析矿化垃圾原位强化微生物修复的条件、效果、机理和适用范围。同时为进一步提高修复效果，研究矿化垃圾强化植物修复的最优修复植物、浓度适用范围和机理，并对矿化垃圾强化生物修复方法进行评价和安全性分析。研究表明：
矿化垃圾强化微生物修复石油污染土壤的最佳修复条件为：好氧条件；8年埋龄矿化垃圾；25℃温度；15%含水率和50%矿化垃圾质量分数。修复时不需要采取翻耕措施。好氧修复后TPH去除率最高，土壤生态毒性最小。好氧条件更利于小分子石油污染物的降解，修复后链烷烃、烯烃、芳香烃和芳香烃衍生物的去除率最高，新增污染物主要为环烷烃、含卤有机物和含氮杂环有机物。而厌氧条件更利于大分子石油污染物的降解，修复后环烷烃、环烷烃衍生物和含氮杂环有机物的去除率最高，新增污染物主要为支链烷烃、环烷烃和含氧环状有机物。好氧条件下土壤微生物总活性更高，石油烃降解菌更多；而厌氧条件下土壤微生物多样性更高，石油烃衍生物降解菌更多。
石油浓度为5%时，矿化垃圾强化微生物修复的TPH去除率最高(89.83%)。石油含量小于5%时，对微生物的毒性较低，增加石油浓度为微生物提供更多碳源和能源，提高了微生物数量和活性，进而提高了TPH去除率。石油含量大于5%时，由于石油污染物的毒性作用，TPH去除率随石油浓度增加而降低。五组试验中优势细菌属和真菌属都为诺卡氏菌属和柄孢壳属，诺卡氏菌属占比随石油浓度增加而变大，而柄孢壳属占比随石油浓度增加而变小。
矿化垃圾强化微生物修复石油污染土壤的机理同时包括生物刺激和生物添加。在生物刺激方面，添加矿化垃圾显著降低了土壤生态毒性，大幅提高了土壤孔隙度、持水量、阳离子交换量、腐殖质含量、有机质含量、营养元素含量和营养元素的有效性，也使土壤pH变得更加中性。全面改善了微生物生存环境，进而提高了微生物数量和代谢活性。灭菌矿化垃圾修复试验(Exp-SAR)的TPH去除率为74.64%，远大于自然衰减对照的TPH去除率(22.40%)，证明添加矿化垃圾是一种良好的生物刺激措施。在生物添加方面，矿化垃圾的微生物数量远大于试验土壤，且含有多种石油降解菌，添加矿化垃圾大幅增加了土壤FDA水解酶和脱氢酶活性，以及石油降解菌的多样性和数量。矿化垃圾修复试验的TPH去除率比Exp-SAR试验的TPH去除率高15.19%，证明添加矿化垃圾是一种有效的生物添加措施。从矿化垃圾中分离出84种石油降解菌：变形菌70种，拟杆菌11种，放线菌3种。其中52种未在试验土壤土著微生物中发现。修复后，土壤中基本没有C7-C22链烷烃。添加矿化垃圾将TPH生物降解速率提高了10倍。
矿化垃圾强化植物修复能进一步提高石油污染土壤修复效果。添加矿化垃圾将植物修复适应的石油浓度上限从低于3%提高到10%，最优修复植物为紫花苜蓿。与矿化垃圾强化微生物修复相比，矿化垃圾与紫花苜蓿联合应用不仅进一步提高土壤FDA水解酶活性、脱氢酶活性、修复后期多酚氧化酶活性和细菌多样性，还增加了以多环芳烃、多氯联苯、环烷烃和杂环等难降解石油污染物为基质的细菌属占比，TPH去除率进一步提高了7.80%。分离培养出25株特属于紫花苜蓿+AR试验的石油降解菌，分别属于红球菌属、分支杆菌属、iii1-15目、金黄杆菌属、Ignavibacteriaceae科、AKYG1722目、生丝微菌科、Parvibaculum属、红螺菌科、鞘脂菌属、新鞘脂菌属、Sphingopyxis属、无色杆菌属、Giesbergeria属、嗜甲基菌目、Aquicella属、泛菌属、不动杆菌属、气单胞菌科、近根藤黄色杆菌属和单胞菌属，其中5株鉴定到种。
试验用矿化垃圾的重金属含量满足目前法定一类建设用地和果园用地筛选值的标准限制。矿化垃圾能降低石油污染物在土壤中的迁移量，石油污染物迁移量随矿化垃圾质量分数增加而减少。与其它生物修复方法相比，矿化垃圾强化生物修复具有以下优点：成本更低；效果较好；周期较短；适应的石油污染物浓度范围更广；工艺简单，便于管理；便于原位大规模应用。本研究不仅提供了一种经济、高效的石油污染土壤生物修复新方法，也实现了“以废治污”，为矿化垃圾资源化提供了新途径，具有很高的环境效益和经济效益。
矿化垃圾强化微生物修复石油污染土壤的最佳修复条件为：好氧条件；8年埋龄矿化垃圾；25℃温度；15%含水率和50%矿化垃圾质量分数。修复时不需要采取翻耕措施。好氧修复后TPH去除率最高，土壤生态毒性最小。好氧条件更利于小分子石油污染物的降解，修复后链烷烃、烯烃、芳香烃和芳香烃衍生物的去除率最高，新增污染物主要为环烷烃、含卤有机物和含氮杂环有机物。而厌氧条件更利于大分子石油污染物的降解，修复后环烷烃、环烷烃衍生物和含氮杂环有机物的去除率最高，新增污染物主要为支链烷烃、环烷烃和含氧环状有机物。好氧条件下土壤微生物总活性更高，石油烃降解菌更多；而厌氧条件下土壤微生物多样性更高，石油烃衍生物降解菌更多。
石油浓度为5%时，矿化垃圾强化微生物修复的TPH去除率最高(89.83%)。石油含量小于5%时，对微生物的毒性较低，增加石油浓度为微生物提供更多碳源和能源，提高了微生物数量和活性，进而提高了TPH去除率。石油含量大于5%时，由于石油污染物的毒性作用，TPH去除率随石油浓度增加而降低。五组试验中优势细菌属和真菌属都为诺卡氏菌属和柄孢壳属，诺卡氏菌属占比随石油浓度增加而变大，而柄孢壳属占比随石油浓度增加而变小。
矿化垃圾强化微生物修复石油污染土壤的机理同时包括生物刺激和生物添加。在生物刺激方面，添加矿化垃圾显著降低了土壤生态毒性，大幅提高了土壤孔隙度、持水量、阳离子交换量、腐殖质含量、有机质含量、营养元素含量和营养元素的有效性，也使土壤pH变得更加中性。全面改善了微生物生存环境，进而提高了微生物数量和代谢活性。灭菌矿化垃圾修复试验(Exp-SAR)的TPH去除率为74.64%，远大于自然衰减对照的TPH去除率(22.40%)，证明添加矿化垃圾是一种良好的生物刺激措施。在生物添加方面，矿化垃圾的微生物数量远大于试验土壤，且含有多种石油降解菌，添加矿化垃圾大幅增加了土壤FDA水解酶和脱氢酶活性，以及石油降解菌的多样性和数量。矿化垃圾修复试验的TPH去除率比Exp-SAR试验的TPH去除率高15.19%，证明添加矿化垃圾是一种有效的生物添加措施。从矿化垃圾中分离出84种石油降解菌：变形菌70种，拟杆菌11种，放线菌3种。其中52种未在试验土壤土著微生物中发现。修复后，土壤中基本没有C7-C22链烷烃。添加矿化垃圾将TPH生物降解速率提高了10倍。
矿化垃圾强化植物修复能进一步提高石油污染土壤修复效果。添加矿化垃圾将植物修复适应的石油浓度上限从低于3%提高到10%，最优修复植物为紫花苜蓿。与矿化垃圾强化微生物修复相比，矿化垃圾与紫花苜蓿联合应用不仅进一步提高土壤FDA水解酶活性、脱氢酶活性、修复后期多酚氧化酶活性和细菌多样性，还增加了以多环芳烃、多氯联苯、环烷烃和杂环等难降解石油污染物为基质的细菌属占比，TPH去除率进一步提高了7.80%。分离培养出25株特属于紫花苜蓿+AR试验的石油降解菌，分别属于红球菌属、分支杆菌属、iii1-15目、金黄杆菌属、Ignavibacteriaceae科、AKYG1722目、生丝微菌科、Parvibaculum属、红螺菌科、鞘脂菌属、新鞘脂菌属、Sphingopyxis属、无色杆菌属、Giesbergeria属、嗜甲基菌目、Aquicella属、泛菌属、不动杆菌属、气单胞菌科、近根藤黄色杆菌属和单胞菌属，其中5株鉴定到种。
试验用矿化垃圾的重金属含量满足目前法定一类建设用地和果园用地筛选值的标准限制。矿化垃圾能降低石油污染物在土壤中的迁移量，石油污染物迁移量随矿化垃圾质量分数增加而减少。与其它生物修复方法相比，矿化垃圾强化生物修复具有以下优点：成本更低；效果较好；周期较短；适应的石油污染物浓度范围更广；工艺简单，便于管理；便于原位大规模应用。本研究不仅提供了一种经济、高效的石油污染土壤生物修复新方法，也实现了“以废治污”，为矿化垃圾资源化提供了新途径，具有很高的环境效益和经济效益。