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石油污染土壤的生物通风修复

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第22卷第3期 能源环境保护 Vo1.22,No.3 2008年6月 Knergy ̄nvironmental Pr Jun.,2008 石油污染土壤的生物通风修复 张峰 ,薛晓虎 (1.太原理工大学环境科学与工程学院,山西太原030024; 2.山西省城乡规划设计研究院,山西太原030001) 摘要:生物通风法作为物理处理方法与生物处理方法相结合的一种土壤原位修复方法,对 于修复石油污染土壤的土层功能,维护土壤生态环境等具有较大的应用前景。概述了生 物通风修复方法的设计、优越性、影响生物通风修复效果的因素以及强化生物通风的手 段,针对目前生物通风技术在国内外的研究进展,提出需要在现场应用研究以及描述生物 通风过程的数学模型方面作进一步研究。 关键词:石油污染;原位修复;生物通风;生物降解 中图分类号:TE991.3 文献标识码:A 文章编号:1006—8759(2008)03—0001—04 BIoVENTD G REMED姗oN oF SoIL PoI Ⅱ'ED BY oIL ZHANG Feng,XUE Xiao—hu r College ofEnvironmental Science and Engineering,Taiyuan University fo Technology, Taiynan 030024,China) Abstract:As an in—-situ remodiation technique combined with physical treatment and biological treatment,bioventing has a wide prospect for remodiating soil functions polluted by oil and maintaing soil environment in application.In this paper,the design and superiorities of bioventing process,the influencing factors and intensiifcation methods of remediation effcets、^陀 summarized.According to hte present situation in home and abroad for bioventing techniuqe,印plications in spot and mathe- matical model in the process of bioventing were needed to study furtherly. Keywords:oil polution;in—-siut remediafion;bioventing;biodegradation 土壤作为人类赖以生存和发展的物质基础及 萃取法、淋滤冲洗法等)及生物修复方法(原位修复 人类生态环境的重要组成部分,石油开采、冶炼、使 方法:土壤耕作法、植物修复法、生物冲淋生物注气 用和运输过程的污染和泄漏及含油废水的排放等 法、生物通风法(Bioventing,BV)、投菌法等;异位修 对其的污染已成为当前国际土壤生态环境保护与 复方法:堆肥法、预制床法、异位土地耕作法等;生 治理的焦点问题,并引起了国内外广大学者的广泛 物反应器法)[1 】。生物修复方法以其成本低于物 重视。目前对于石油污染土壤的修复方法主要有: 理、化学处理方法,处理效果好,对环境影响低,无 物理修复方法(土壤气相抽提法(Soil Vapor extrac- 二次污染等而被广泛使用,但越来越多的学者认 tion,SVE)、热熔玻璃化方法、焚烧法、固定作用、隐 为,单一的修复方法都有其各自的优缺点,治理效 定化方法、超临界方法、气提法、溶剂一声波处理等 果未见太好,因而开始考虑处理方法的联用。生物 方法)、化学修复方法(化学氧化法、光降解法、溶剂 通风法作为土壤气相抽提(物理处理方法)与生物 修复方法的结合的一种土壤原位修复方法,在恢 收稿日期:2008—03—10 复污染土层功能方面具有较大的应用前景。 维普资讯 http://www.cqvip.com ・2・ 张峰等石油污染土壤的生物通风修复 1 生物通风法概述 生物通风(Biov0enting,BV)技术是在土壤气 相抽提(Soil Vapor extmction,SVE)技术基础上发展 起来的,是一种生物增强式的SVE技术,主要用 于非饱和土壤有机污染。与SVE类似,通过井和 泵的作用使产生的气流经土壤非饱和带,从而去 除有机污染物,但二者在使污染运移转移的机理 和目的上是不同的。SVE侧重的是挥发性有机污 续处理费用,操作成本下降;应用范围也较宽,不 仅能用于挥发组分,还能用于半挥发组分及重组 分有机物;BV可修复不满足SVE修复要求的石油 污染低渗透性、高含水率土壤 ; (3)操作灵活,可给土壤注入纯氧气、升高土 壤温度、添加表面活性剂或添加工程菌等方法将 石油类物质从其所吸附的土壤颗粒上剥落下来, 从而大大提高生物可利用性; (4)因最终产物是CO:、H 和脂肪酸,环境副 染物的蒸发迁移以及地上修复,而BV则是通过 在原地以气流的形式提供氧气,促进好氧微生物 的活性,增强土壤中污染物的降解效果[3 ;SVE的 目的是在修复污染物时使空气抽提速率达到最 大,利用挥发性去除污染物;而BV的目的是优化 氧气的传送和氧的使用效率,创造好氧条件来促 进原位生物降解…。 1.1 生物通风系统设计 BV技术的出现直接源于SVE的发展,使用 了与SVE相同的基本设施:鼓风机、真空泵、抽提 井、注入井和供营养渗透至地下的管道等。在受 污染地区,土壤中0:浓度降低,CO:浓度升高,抑 制了污染物的进一步生物降解。为了提高土壤中 的污染物降解效果,需要排出土壤中的CO:和补 充0:,最初的生物通风系统就是为改变土壤中气 体成分而设计的。生物通风系统设计的两个基本 要素为:土著微生物的活性和空气渗透率,注射井 和抽提井的位置、数量、布设以及通风速率和通风 时间等也是决定生物通风效率的重要因素b】。 现场操作时,一般先在污染的土壤中打至少 2口井,安装鼓风机和真空泵,将空气(空气中可 以加入氮、磷等营养元素,为土壤的降解菌提供营 养物质,增强其降解活力) 强注入土壤中,使得 受污染土壤中的有机物挥发速率和生物降解速率 都有可能增加,并为石油污染土壤中的微生物提 供充足的电子受体和营养物质,土壤孔隙中压力梯 度驱使挥发性有机物(VOC )及降解产物流向抽气 井,抽气,土壤中的挥发性有机物即随之去除。 1.2 生物通风法的优越性 生物通风法处理石油污染土壤具有如下优 点: (1)生物通风属于原位修复技术,不挖土,不 破坏土壤结构,且设计,安装简便易行; (2)与SVE相比,生物通风省去了尾气的后 作用小,即使中间产物是污染物,在出口处安装气 体净化装置,可避免二次污染。 2 影响生物通风修复效果的因素及强化 手段 生物修复系统中许多参数都是随污染场地变 化的,因此有必要对每一个修复场地确定要进行 生物通风修复的最佳条件阻】。一些文献中提出了 影响生物通风效果的几个因素及相应采取的强化 手段,现总结如下: 2.1 土壤因素 土壤因素主要包括:土壤的气体渗透率、土壤 湿度、土壤的氧气含量、土壤温度、土壤pH、土壤 中营养物的含量和电子受体类型 。 (1)土壤的气体渗透率:土壤的气体渗透率是 影响生物通风最重要的土壤因素。土壤的渗透性 与土壤结构、颗粒的大小和土壤的湿度有关。一般 来说,土壤的气体渗透率应大于0.1darcy,否则。 空气流动就很小,为微生物提供的氧气量就少;其 次,在渗透性好的土壤中营养物质和电子受体的 传质速度快,有利于生物降解反应的进行。 (2)土壤湿度t土壤中的微生物需要水以维持 其基本的代谢活动。含水率低的土壤,不但营养物 质和污染物的传质速度低,生物可利用性差,而且 对依赖水流作用力进行迁移的单细胞微生物的活 性造成不利影响,但含水率过高又会妨碍氧的传 递。一般认为,土壤含水率达到15%~20%时,生 物修复的效果最好[to】。 (3)土壤中氧气的含量:对于石油污染物的降 解来说,0z是生物通风最重要的环境影响因素。 土壤修复治理中,除了用空气提供0 外,还可用 H2() 或纯氧作为氧源。 (4)土壤温度t土壤温度不但直接影响微生物 维普资讯 http://www.cqvip.com 第22卷第3期 能源环境保护 ・3・ 的生长,而且通过改变污染物的物理化学性质来 价值。实验室研究显示,土壤通风去除的汽油污染 影响整个生物降解过程。Dupont“】(1993)发现土 壤中绝大多数污染物的生物降解是在中温条件 (15oC~45oC)下进行的。 (5)土壤的pH:土壤pH变化会引起微生物活 物中,由生物降解去除的占1/3多 ;1988年底, 生物通风技术首次应用在美国犹他州的空军基 地,处理约90 t航空燃料油的泄漏污染,生物降解 达到了85% 90%【l’ ;Hogg等n引(1992)在新西兰 成功地应用生物通风技术对含有机污染物的土壤 性的变化,通常降解石油污染物的微生物的最佳 pH值范围是5.5~8.5。 (6)营养物及其含量:实验和现场应用都表 进行了修复,实地修复13个月后,比土壤中石油 污染物初始浓度减少了92%;从1992年到1995 明,适当添加营养物可以促进生物降解。Lindhardt 等…(1991)在实验研究中增加了氮盐和磷酸盐以 利于生物通风处理效果;Breedreld等 (1995)在 实验室土柱及污染现场中研究了加入营养物对生 物通风的影响,证实了添加营养物对生物降解的 促进作用。但营养物的添加要按一定的比例,这 与微生物的特性有关,Millen等n (1994)研究了 原油在土壤中泄漏后的生物降解能力,发现当添 加营养物的C:N:P=100:5:1.7并为缓慢 释放形式时,效果最佳。 (7)电子受体类型:Dupont等H】(1993)提出 生物修复的最关键因素是缺乏合适的电子受体。 2.2 污染物因素 污染物因素主要包括:污染物浓度和污染物 的可生物降解性。 (1)污染物浓度。污染物的浓度不同也会影响 微生物对其降解的效果。土壤中石油浓度适宜, 有利于降解石油微生物的繁殖;污染物浓度过高 会对微生物产生毒害作用,降低微生物的活性“ ; 污染物浓度过低,降低了污染物和微生物相互作 用的几率,也会影响微生物的降解率。 (2)污染物的可生物降解性。污染物的可生物 降解性决定了污染物治理的难易和程度。 2.3微生物因素 微生物因素包括微生物的种类、数量等。土 壤中石油污染物的生物降解与土壤中可降解菌的 含量有密切关系,土壤中加入石油降解优势菌能 大大提高生物降解速度。Gruiz【】 等(1995)将生物 通风与高效菌应用相结合,效果十分明显。 3 生物通风修复的实(试)验及数学模型 研究 20世纪8O年代初,Texas研究所最先认识到 了用土壤通风来促进石油有机物原位生物降解的 年,美国空军部(U.S.Air Force)已经在130多个 地点应用了生物通风进行土壤修复【I ;Michael等 (1995)在两个土壤具有低渗透性的现场,进行了 长期的生物通风处理,经生物通风1年后,土壤污 染程度明显下降;Gagnon等[2o (1997)发展了一个 实时控制系统来提高生物通风技术,用此系统提供 一个合适的空气流速,并且在进行动力学测试时在 线监测气体流速和土壤气相中的氧气浓度;Patiek 等∞ (1997)在一个燃料油污染现场进行生物通风 处理,通过测量仪表远程监控CO:和O:浓度以及 在线控制的测量仪表来监测生物降解速率,以获得 实时数据来优化生物通风操作;隋红等m](2003)进 行了生物通风技术去除土壤中甲苯的室内土柱实 验,研究了甲苯总的去除效率;段云霞等 (2004) 采用室内一维土柱模拟地下土壤环境,对土壤非饱 和带中两种形式甲苯的去除进行了研究。 数学模型对于实际的生物通风过程具有指导 意义,可以预测有机污染物在土壤非饱和带中的 运移及生物降解规律以1oBV过程包括土壤中有机 污染物的挥发、吸附/解吸、生物降解以及污染物 在多孔介质中的迁移等,因此,在建立生物通风过 程的数学模型时,要考虑以上各个过程的综合作 用。Donald等{25 (1995)建立了一个二维空气流动 模型用于生物通风研究中,可通过此模型预测生 物降解速率;Glaseoe等{26 (1999)提出了典型生物 通风操作中包含对流所引发的温度和水含量变化 对生物活性影响的模型,但此模型过于简化,为一 维均质砂土;Rathfelder等∞ (2000)利用将多相流 动过程、多组分输运、非平衡相间传质及好氧生物 降解相结合的二维模型MISER模拟SVE和生物 通风过程;隋红等 (2004)在所建立的模型中考 虑了对流通量、扩散通量、相间传质和生物降解 项,从而描述生物通风过程中渗流区土壤中甲苯 的运移和生物降解过程,并与室内土柱实验的模 维普资讯 http://www.cqvip.com ・4・ 张峰等石油污染土壤的生物通风修复 TheUniversity ofGuelph[D】,2OO2. 拟结果较吻合。 【9】夏淮海,林玉锁.有机污染土壤生物修复技术进展【J】.污染 4 生物通风法存在的问题及展望 由于生物通风涉及到了非生物过程、生物过 防治技术,2OOO,13(1):46—47. 【10]MorganP.Microbiologicalmethodsfurthe Cleanup of soil and ground water contaminatedwith halogenated organic conTpounds,Ferns Microbi- ology Reviews。1989。63:277—3O0. 程和它们之间的相互影响作用,机理十分复杂,且 土壤污染的生物通风修复技术在国内的研究和应 【l1】Lindha ̄t,Jacobsen B.T,Anderse ̄E,Degrad ̄on 0fdiesel oilin 用还处于刚刚起步阶段,仍存在许多问题有待进 he tunsaturated zone(in Danish),Vand ogMiljo,1991。8(5):257—261. 一步解决: (1)生物通风法修复系统的主要制约因素是 土壤结构,不适的土壤结构会使氧气和营养物在 到达污染区域之前就己被消耗,因此它要求土壤 具有多孔结构;受土著微生物种类的,与其它 土壤修复技术相比,操作时间较长;目前国内在生 物通风修复石油污染土壤应用方面还停留在实验 室模拟阶段,实地应用未得到推广; (2)尽管以上学者已建立了生物通风修复相 关的数学模型,但不够完善,尤其缺少生物通风过 程中非生物过程和生物过程的耦合作用的模型, 仍需进行深入的研究和模拟; (3)国内针对生物通风效果影响因素及强化 生物通风效果的手段的研究成果还未多见,需要 进一步研究优化生物通风技术的操作条件; (4)此外,对于生物通风技术对土壤微生物活, 性、理化性质的影响,也需要进一步地研究。 参考文献: 【1】段云霞.生物通风(Bv)法去除土壤中石油污染物的研究【D】 .天津大学。2OO4. 【2】丁克强,李培军.石油污染土壤的生物修复技术【J】.生态学 杂志.2OOO,19(2):50—55. 【3】Klaus M.Rathfelder。John R.Lang,Linda M.Abriola.A nmr ̄rical model(MISER)furthe simulation 0f coupled physical。chemical and bio- l0gical processesin soil vapor extraction and biovenfing systems,Journal 0fContmninant Hyd ̄logy。20OO。43:239—270. 【4]DupontRR.Fundamentals 0fbiovenfingapp ̄odtofuel contaminated sites.EnvirProgress,1993。12(1):45—53. 【5】Paul D,McClure。E Brc-nt.Sinmlation 0f bioventing fur soil and g ̄xmnd—water remedi ̄on.Journal ofEnvironmental Engineering,1996, 122(11):1 003~1 012. 【6】沈铁孟,黄国强,李凌等.石油污染土壤生物通风修复及其强 化技术【J】.环境污染治理技术与设备,2OO2,3(7):67—70. 【7]Michael D.L Bioventing ufr in situ remedlatino.In Situ Aeratino:Air sparg g,Biovenfing and Related Processes.Batelh press Columbus. 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