油田区石油污染土壤的生物修复及不同修复方法的比较

摘要

石油是当今人类社会重要的能源,土壤的石油污染是世界范围内的重大环境问题。随着我国社会经济的发展,土壤石油污染呈现逐年累积加重的态势,开发适合我国国情的土壤石油污染控制与修复技术已刻不容缓。
　　 长期的石油开采活动造成油田区土壤受到的石油污染呈现程度深、范围广的特点,对大面积的油田区土壤进行修复亟待开发高效且廉价的修复方法和技术。利用微生物降解作用来实现和恢复石油污染土壤生态系统的生物修复技术,与物理化学技术相比具有成本低、无二次污染的优点,已经成为国内外土壤修复技术研究的热点。本论文在总结前人研究工作的基础上,以我国山东省胜利油田污染土壤为修复对象,综合考虑影响生物修复效果的各种因素,构建廉价、高效的生物修复营养助剂和菌制剂,并在实验室内进行模拟原位修复研究,取得的主要结论如下:
　　 1)基于应用生物刺激对油田区土壤进行生物修复,构建了由NPK肥、诺沃肥和褐煤粉三部分构成的营养助剂。其中NPK肥用于提供土壤中缺乏的N、P元素调节土壤的C、N比;诺沃肥是酶发酵工业的废弃物,可提供微生物容易利用的碳源等营养元素;褐煤粉富含腐殖酸可调节使用诺沃肥带来的或土壤本身具有的碱性,并对污染物起到增溶作用。与传统的仅添加NPK肥对土壤的修复效果相比,该营养助剂可显著提高土壤中微生物的数量和活性,改善土壤中微生物的多样性,从而显著增强了土壤中石油烃的降解。在营养助剂的构成中,诺沃肥.褐煤粉的两个添加浓度(5％和10%)在本研究中对石油烃的降解率未见明显差别,且对于土壤中微生物数量、脱氢酶活性的影响都无明显差别。在未来的修复工作中,可选择5%的低浓度在达到同样修复效果的同时还可以节约成本。本营养助剂的三个成分,均属于能够大量获得且廉价的材料,其中的诺沃肥更是可以免费获得的工业废弃物,因而本营养助剂在大面积的石油污染土壤修复中,具有良好的应用前景。
　　 2)基于应用生物强化对油田区土壤中难降解污染物(如芳香烃组分、PAHs等)能有更好的去除,从细菌、真菌协同作用机理出发,构建了由三种细菌和一种真菌组成的细菌-酵母菌混合菌群,并将该混合菌吸附在褐煤粉-诺沃肥上,制成细菌-酵母菌菌制剂。将该菌制剂应用到油田区土壤的生物修复中发现,菌剂的添加虽然不能使土壤中TPH的降解率进一步增强,但却能够在修复后期使土壤中依旧保持较高的微生物数量,且能够显著增强对土壤中芳香烃组分和16种PAHs的降解。
　　 3)在修复实验中对各类修复方式下土壤中污染物、微生物和土壤环境三方面各因素的变化进行测试,对得到的数据结果进行数理统计和分析,探究了各修复方式对修复效果产生差异的原因和对修复影响的差异性和共同性。
　　 显著性差异分析表明,添加富含腐殖酸的褐煤粉对土壤溶液的表面张力影响不显著,也不能够显著影响土壤中TPH的降解率。诺沃肥的添加可以显著增强微生物的数量和酶活性,是导致营养助剂对土壤中TPH降解率提高的主要因素。生物强化对TPH的降解率低于生物刺激,其原因是外来菌与土著菌存在竞争作用,致使菌剂添加的土壤中酶活性的降低和微生物多样性的减少。生物强化对芳香烃和PAHs的降解率显著高于生物刺激,其原因可能是添加的细菌与酵母菌可通过协同作用对这类难降解污染物进行了降解。
　　 应用典型相关分析研究各修复方式的共同性发现,修复效果较好的生物刺激和生物强化四个处理中,土壤中总石油烃和饱和烃的降解状况主要与总异养菌数、脱氢酶活性、酯酶活性以及土壤中氮的含量有关。土壤中芳香烃组分的降解状况主要与石油烃降解菌数和脱氢酶活性相关。
　　 4)对各生物修复方式修复后土壤的生物毒性进行测试后发现,生物刺激和生物强化由于能够对土壤中石油烃进行有效去除,因而修复后土壤对发光菌和小麦的抑制影响都有显著降低。细菌-酵母菌菌剂由于对土壤中芳香烃组分和多环芳烃的去除好于营养助剂,因而菌剂修复后土壤对发光菌的毒性要明显低于营养助剂。与土壤中TPH含量相比,土壤16种PAHs的含量与土壤对发光菌的毒性具有更为显著的相关性。从修复后土壤生物毒性的大小来对各生物修复方式的优劣进行评估,应用菌剂进行修复后的土壤生物毒性最小,因而取得的修复效果最好。
　　 5)通过比较生物刺激和生物强化两种修复方式的差异可对实际生物修复工作提供一定的启示,即可以将生物强化应用在生物刺激修复之后,也许能尽量避免外来菌与土著菌的竞争作用,最大程度地发挥生物强化的优势,从而有效地降低土壤中污染物的含量和生物毒性,达到最佳的修复效果。