海水-沙滩界面石油污染与净化过程研究

摘要

海洋石油污染是全世界共同面临的一个主要环境问题。溢油事故后采取的物理、化学应急措施能有效消除大片油污，而残余的石油污染物会在波浪和海流的作用下向岸边漂移。在海水-沙滩这个多介质环境中，同时存在着微生物对石油污染物的降解和沙土对石油污染物的吸附作用，并且，沙土上吸附的石油污染物还会向环境中释放，使海滩受到潜在的污染威胁。因此，开展海水-沙滩界面石油污染与净化过程的研究具有极为重要的意义。 首先，采用批量实验方法，研究沙土对海水中溶解油的吸附规律及其影响因素；接着，建立石油污染物受吸附和降解共同影响的实验研究方法，探讨海水-沙滩界面石油污染物的迁移和变化规律；然后采用动态和静态相结合的办法，研究沙土中石油污染物的自发解吸和促进解吸；最后，通过批量实验探讨降解石油微生物适合利用的营养类型和配比；建立石油污染沙滩的实验模型，改进营养的施加方式，探索石油污染海滩生物修复中的营养调控指标。通过实验，得出了以下一些主要结论： (1)沙土对海水中溶解油的吸附符合二级吸附动力学模式，平衡吸附量达1.69mg/g，且该值随着温度的降低、盐度的增加和粒径的减小而增大。吸附等温线可以用Henry吸附等温式来描述；该过程中的吸附热为-26.9kJ/mol，属于物理吸附范畴。 (2)吸附和降解作用共同存在时，吸附在实验初期对溶解油的去除率高达20％～25％，而生物降解过程则相对较弱；实验中后期，生物降解对石油污染物的去除起主导作用。沙土对海水中溶解油的吸附能有效降低海水油浓度，使海水中石油污染物降解的半衰期从31.9d缩短到到22.4d和19.5d，但是却有19％～25.5％的石油污染物转移到沙土上。 (3)沙土上吸附的石油污染物难以自发解吸，改变盐度和增加水流紊动程度不能明显促进解吸。添加石油降解细菌可以显著促进解吸过程。与自发解吸相比，营养充足的菌剂1和菌剂2可以分别使沙土中石油污染物的释放量增加6倍和14倍，释放速率提高1～10倍。研究还发现，能分泌表面活性物质的菌剂2对解吸的促进效果尤为明显。 (4)通过施加营养可以有效促进石油污染物的生物降解。实验条件下，降解石油细菌倾向于利用硝酸盐作为生长的N源，且适宜的N/P比为10：1。通过模型实验研究提出石油污染沙滩生物修复的营养调控指标为：间隙水中N、P营养盐浓度分别为5mg/l和0.5mg/l。研究中综合考虑了降解、吸附和解吸作用对石油污染物归趋的影响，抓住了海水-沙滩界面石油污染和净化的关键因素；在批量实验的基础上，研究了降解石油微生物适合利用的营养类型和配比，并通过小型模拟装置，提出了石油污染沙滩生物修复的营养调控指标，为研究沙质海滩石油污染机理及其污染控制提供了一定的数据基础。

目录

文摘

英文文摘

0前言

1绪论

1.1海洋石油污染的现状及危害

1.1.1海洋石油的来源

1.1.2海洋石油污染的危害

1.2物理化学法清除海洋石油污染

1.2.1物理处理法

1.2.2化学处理法

1.3石油污染的生物净化技术

1.3.1生物修复的适用性

1.3.2投加表面活性剂

1.3.3提供电子受体

1.3.4投加菌种

1.3.5施加营养

1.4国内外研究现状

1.4.1石油污染物的吸附和解吸

1.4.2石油污染物的迁移和分布规律

1.4.3石油污染物的生物降解

1.4.4石油污染生物修复的工程实践

1.5研究内容及基本思路

2石油的性质与测定方法

2.1石油的馏分组成

2.2石油的元素组成

2.3石油的烃类族组成

2.4石油的非烃组成

2.5海上溢油的环境化学行为

2.5.1溢油的分布与存在形态

2.5.2蒸发过程

2.5.3溶解过程

2.5.4乳化过程

2.5.5吸附沉淀过程

2.5.6生物降解过程

2.5.7光氧化过程

2.6海水中石油烃的测定

2.6.1测试方法比较

2.6.2柴油标准曲线的测定

2.6.3回收正己烷的实验研究

2.7沙土中石油含量的测定

2.7.1索氏提取法

2.7.2索氏提取流程改进

3沙土对海水中溶解油的吸附及其影响因素

3.1实验材料及性质

3.1.1海水

3.1.2沙土

3.1.3油品

3.2实验步骤及方法

3.2.1油污染海水的制备

3.2.2实验步骤

3.2.3主要仪器设备

3.2.4计算方法

3.3吸附动力学研究

3.3.1实验步骤

3.3.2吸附动力学方程

3.4吸附等温线的数学描述

3.5粒径对吸附的影响研究

3.5.1实验过程及结果

3.5.2吸附等温式研究

3.6温度对吸附的影响

3.7盐度对吸附的影响

3.8吸附等温式研究

3.9吸附机理探讨

3.7小结

4吸附和降解对石油污染物归趋的影响

4.1研究方法

4.1.1实验过程设计

4.1.2样品准备

4.1.3实验步骤

4.1.4计算方法

4.2海水中石油污染物的去除率

4.2.1去除率随时间的变化

4.2.2两种体系的比较与分析

4.3石油降解菌的数量

4.3.1降解菌数量和石油污染物浓度之间的关系

4.3.2两种体系的比较

4.4石油污染物的生物降解

4.4.1生物降解动力学

4.4.2污染物降解的半衰期

4.5脱氢酶活性的比较

4.5.1材料与试剂

4.5.2方法与步骤

4.5.3相对脱氢酶活性

4.6沙土对石油污染物的吸附转移作用

4.7小结

5沙土中石油污染物的自发及促进解吸

5.1自发物理解吸

5.1.1研究方法

5.1.2解吸动力学

5.1.3振荡频率对解吸的影响

5.1.4盐度对解吸的影响—动态解吸实验

5.2微生物促进解吸

5.2.1促进解吸实验设计

5.2.2降烃菌的筛选分离及其特性

5.2.3沙土中油的解吸量变化

5.2.4促进解吸与自发解吸比较

5.2.5沙土上石油降解菌的数量

5.2.6两种菌剂对海水中石油污染物的降解

5.3小结

6石油污染物生物净化模拟实验

6.1营养类型和配比

6.1.1研究方法

6.1.2不同营养对石油污染物生物降解的影响

6.1.3不同营养状况下微生物的数量变化

6.1.4营养的利用率

6.1.5小结

6.2营养盐浓度

6.2.1研究方法

6.2.2水中石油污染物的去除率

6.2.3沙土中油浓度的相对变化

6.2.4间隙水中微生物的数量变化

6.2.5脱氢酶活性变化

6.2.6营养盐浓度变化

6.2.7小结

6.3讨论

7结论与建议

7.1结论

7.2建议

8参考文献

9攻读博士学位期间成果汇总

10致谢