土壤通气-微生物降解耦合修复现场石油烃污染土壤研究

摘要

污染土壤的微生物修复技术具有费用低、处理效果好、无二次污染等优点，可用于被石油烃、重金属等污染物污染的土壤治理，但该技术存在修复周期长和特定高效降解菌难以获得等不利因素。土壤通气（SoilVenting，SV）技术是用于修复不饱和区域土壤中挥发性有机物的新兴修复技术，该技术包括土壤气相抽提（SoilVaporExtraction，SVE）及其衍生技术如生物通风技术（Bioventing，BV）等，土壤通气技术对于土壤渗透性要求较高并且后期存在拖尾效应。实际修复工程中单一修复技术往往不能解决土壤的石油烃污染问题，因此对土壤通气（SVE/BV）-微生物降解耦合修复技术进行深入研究是十分必要的。
　　对来自辽河油田污泥和天津开发区某现场被轻质油污染的土壤中的微生物进行了筛选、分离，得到了四株能够对原油和轻质油降解的高效微生物菌株，并确定了优势菌种适宜的生长条件。同时对石油降解菌株固定化载体的选择进行研究，综合考虑载体的吸菌量、持水能力及密度等特性，确定了实验条件下固态菌剂的最佳载体。
　　以天津开发区现场具有代表性的粘性土壤-淤泥质粉质粘土夹粉砂为研究对象，通过吸附平衡实验和原油降解实验探讨了该类型土壤对原油的吸附性能以及高效石油降解菌对该土壤中原油的降解规律。通过吸附实验确定吸附常数等参数，探讨原油在土壤中的吸附机理。采用生物泥浆法考察了原油在现场粘性土壤中的降解规律，并且对一级降解动力学模型进行了改进。本文同时考察了表面活性剂对土壤中原油降解的影响，发现鼠李糖脂在降解初期能明显促进土壤中原油的降解。
　　基于高效石油降解菌剂的自然通风技术在辽河油田的应用研究中，采用土壤自然通风（辅助以定期深翻）-微生物降解的异位修复方法，验证了添加微生物菌剂在油田油泥中的应用效果，该固态菌剂对土壤中原油的降解效果明显优于自然降解。现场试验条件下，微生物生长相对生长缓慢，仍符合一级生长动力学，但没有明显的延迟期及对数生长期等阶段。
　　在天津开发区某轻质油污染场地建立原位修复试验体系，系统地研究了挥发性石油烃的土壤通气（SVE/BV）-微生物降解耦合修复的机理。单井稳态抽气试验，确定了SVE/BV过程的气相压力分布、不饱和区域土壤（粘性土壤）的空气渗透率、压力影响半径等重要参数。现场优势土著微生物（细菌）的原位自然驯化阶段（1~140天），考察了土壤含水量、pH值以及土壤环境温度等因素对微生物生长的影响。
　　现场条件下，土壤中挥发性石油烃（异辛烷）的去除经历了105天，以土壤通气开始时间为节点，划分为单纯微生物降解（33~132天）和土壤通气（SVE/BV）-微生物降解耦合过程（133~138天）两个阶段。通过单纯微生物降解试验，获得了生物降解动力学模型参数；通过单井稳态土壤通气试验研究了抽提尾气中的污染物去除机制，尾气中的异辛烷的去除符合幂函数关系。顶空法测定土壤固相中污染物（异辛烷）的初始质量百分比含量为0.30％，单纯生物降解阶段污染物的去除率为63.33％，而土壤通气（SVE/BV）-微生物降解耦合修复过程污染物的去除率达到了72.73％。现场试验证明采用土壤通气（SVE/BV）-微生物降解耦合修复技术，可有效去除不饱和区域土壤中的挥发性石油烃。
　　在对土壤通气的气相流动方程和石油烃污染土壤微生物降解模型分析的基础上，提出了挥发性石油烃的土壤通气（SVE/BV）-微生物降解耦合修复传质模型，并对单井抽气系统的稳态流场下的传质模型进行了求解。模拟污染物（异辛烷）去除的模型计算结果与现场数据基本吻合，说明本文提出的数学模型能够对现场土壤通气-微生物修复过程进行正确预测。
　　本文研究成果，特别是挥发性石油烃的原位土壤通气（SVE/BV）-微生物降解耦合修复的试验和理论研究成果可作为土壤修复中试或现场修复的基础数据和参考依据。

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第一章 文献综述

1.1土壤的石油烃污染现状和治理技术研究进展

1.2石油烃污染土壤的主要修复技术

1.3石油烃污染土壤的微生物修复影响因素及其强化手段

1.4石油烃污染土壤修复机理和理论研究现状

1.5本文研究的基本思路与主要研究内容

第二章 土壤通气-微生物降解修复过程理论分析

2.1石油烃污染物在土壤不饱和区域运移基本规律

2.2微生物生长模型和石油烃污染物降解动力学模型

2.3本章小结

第三章 油污染土壤微生物的分离、驯化与固定化

3.1实验仪器、药品和材料

3.2高效石油降解菌的实验室分离、筛选与驯化

3.3石油降解菌优势菌种的发酵成长条件确定

3.4高效石油降解菌的固定化

3.5挥发性石油烃土著降解菌的分离、筛选及分析

3.6本章小节

第四章 动力学参数及其吸附、降解特性研究

4.1土壤对石油烃的吸附性能研究

4.2原油降解动力学及其表面活性剂强化研究

4.3本章小结

第五章 土壤通气-微生物降解耦合修复现场试验研究

5.1基于高效石油降解菌剂的自然通风技术在辽河油田的应用研究

5.2土壤通气（SVE/BV）-微生物降解耦合修复现场试验研究

5.3 本章小结

第六章 土壤通气-微生物耦合修复理论模型建立及现场验证

6.1土壤通气-微生物降解耦合修复理论模型建立

6.2土壤通气-微生物修复参数、耦合传质方程求解与现场验证

6.3本章小结

第七章 结论与展望

7.1结论

7.2创新点

7.3进一步工作展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

附 录

附录一 微生物培养基组成

附录二 H1菌培养基配方考察正交试验

附录三 土壤基本参数分析结果

附录四 常见土壤的渗透系数(K)经验值

致谢