石油污染的生态修复主题论文

海洋石油污染绝大部分来自人类活动，其中以船舶运输、海上油气开采，以及沿岸工业排污为主，由于石油产地与消费地分布不均，因此，世界年产石油的一半以上是通过油船在海上运输的，这就给占地球表面71%的海洋带来了油污染的威胁，特别是油轮相撞、海洋油田泄漏等突发性石油污染，更是给人类造成难以估量的损失。 1991年的海湾战争造成的输油管溢油，使200多万只海鸥丧生，许多鱼类和其它动植物也在劫难逃，一些珍贵的鱼种已经灭绝，美丽丰饶的波斯湾变成了一片死海，海洋石油污染对海洋生态系统的破坏是难以挽回的。海上溢油不仅破坏海洋环境，而且还存在发生火灾的危险，因此，一旦出现溢油事故，一方面要尽可能缩小污染区域，另一方面要迅速消除和回收海面上的浮油，处理溢油的一般方法，是用围油栅将浮油围住后，一边用浮油回收器进行回收，一边喷洒消油剂，使源油尽快形成能消散于水中的小油粒。多达几十万吨的溢油，一旦进入海洋将形成大片油膜，这层油膜将大气与海水隔开，减弱了海面的风浪，妨碍空气中的氧溶解到海水中，使水中的氧减少，同时有相当部分的原油，将被海洋微生物消化分解成无机物，或者由海水中的氧进行氧化分解，这样，海水中的氧被大量消耗，使鱼类和其它生物难以生存。 20世纪80年代以前．治理石油烃污染土壤还仅限于物理和化学方法，即热处理和化学浸出法。热处理法是通过焚烧或煅烧，可净化土壤中大部分有机污染物。但同时亦破坏土壤结构和组分，且价格昂贵而很难实施。化学浸出和水洗也可以获得较好的除油效果。但所用的化学试剂的二次污染问题限制了其应用。早在20世纪70年代。为了解决输油管线和储油罐发生故障漏油和溢油时土壤被石油污染的问题，美国埃索研究和工程公司就已经开始寻找清洁的生物解决方法，并且其实验室研究找到一种有效的“细菌播种法，开了生物修复石油污染土壤先河。上世纪80年代以来，污染土壤的生物修复技术越来越引起人们的关注．生物修复技术也取得了很大进步，正在逐渐成熟。而今，世界各国都开始采用生物的方法来修复石油污染，处于世界领先水平的有俄罗斯、丹麦、美国和德国的生物技术，北京大学环境学院作为国内先驱，已于上世纪90年代开始研究，其合作企业南洋东华生物公司已有成功的修复技术应用于世。生物修复是利用生物的生命代谢活动减少土壤环境中有毒有害物的浓度，使污染土壤恢复到健康状态的过程。国外微生物石油降解技术的应用，经过国内多家科研机构的研究证明，不如本土菌效果优越。而北京大学作为石油污染修复的先驱，其“BDB系列生物降解菌”已经开始在中国各大油田乃至世界他国油田发挥着功效。据相关人士介绍：原位处理方法是将受污染土壤在原地处理。处理期间．土壤基本不被搅动，最常见的就地处理方式是土壤的水饱和区进行生物降解。土壤修复分基本为三个阶段：BDB-n生物修复阶段、BDB-a生物修复阶段、植物修复阶段。(1)原位生物修复技术石油污染水体修复直接采用BDB-a生物降解菌修复，在污染区建池、防渗处理，阶段性定量投入BDB-a生物降解菌，污染水体被修复后COD、BOD等指标均得到控制，无论排海、回注最终达标准污染土壤经过南洋东华公司BDB菌处理过程中，所有多环芳烃的降解都很明显。但是，修复过程中，对于环境的温度较敏感。所以我们建议您在气温大于10℃的月份进行，且建议维持时间超过60天。(2)异位生物修复技术异位生物修复主要包括现场处理法、预制床法、堆制处理法、生物反应器和厌氧生物处理法；但是目前治理技术不断提高，由北京大学环境学院黄教授团队研究的生物修复技术尚处于世界领先水平，我们建议采用北京大学设计的场地生物反应发生器结合本土降解菌BDB修复。a．现场处理法近年来国外石油烃污染生物处理的研究很多，其中土壤耕作处理是现场处理土壤污染常用的方法。被污染的废物施在土壤上。通过施肥、灌溉和加石灰等管理措施，保持氧气、水分和pH的最合适值，并进行耕作以改善土壤的通气状况，确保在污染废物和下面土层中污染物的降解。降解过程所用的微生物多为土著微生物。但是要提高效果还需要引入驯化的微生物。b．预制床法现场处理中土壤耕作处理最大的缺陷是污染物可能从处理区迁移。预制床的设计可以使污染物的迁移量减至最小，因为它具有滤液收集和控制排放系统。预制床的底面为渗透性低的物质，如高密度的聚乙烯或粘土。将污染土壤转移到预制床上，通过施肥、灌溉，调节pH，有时还加入微生物和表面活性剂，使其最适合污染物的降解。与同一区域的原位处理技术相比，预制床处理对三环和三环以上的多环芳烃的降解率明显提高。c．堆制处理法土壤的堆制处理就是将受污染的土壤从污染地区挖掘起来，防止污染物向地下水或更大的地域扩散．运输到一个经过处理的地点(布置防止渗漏底，通风管道等)堆放，形成上升的斜坡，并进行生物处理。堆制法是生物修复技术中的一种新型替代技术。堆制处理过程对污染土壤中的多环芳烃降解，多环芳烃的降解随着苯环数的增加而降低。当多环芳烃的初始浓度提高约50倍时，除荧、蒽外，其他多环芳烃的降解随着污染浓度的提高而降低。d．厌氧生物修复法修复受石油烃污染土壤的研究已开发了生物堆层、堆肥及土壤泥浆反应器等好氧修复工艺，但分离获得某些降解菌时。一些降解菌伴有产生高生态风险的产物。最近的研究表明以厌氧还原脱氯为特征的厌氧微生物修复技术有很大的潜力。e．生物反应器法生物反应器法是将污染土壤置于一专门的反应器中处理。生物反应器一般建在现场或特定的处理区。通常为卧鼓形和升降机形，有间隙式和连续式两种。因为反应器可使土壤与微生物及其他添加物如营养盐，表面活性剂等彻底混合，能很好的控制降解条件，因而处理速度快，效果好。生物反应器处理的过程为：先挖出土壤与水混合为泥浆，然后转入反应器。为了提高降解速率，常在反应器先前处理的土壤中分离出已被驯化的微生物，并将其加入到准备处理的土壤中．(3)植物修复技术目前，对土壤有机污染的生物修复研究较多，但是，多集中在微生物作用上。事实上，植物对污染物的去除起着直接和间接的重要作用。植物生物修复是利用植物体内对某些污染物的积累、植物代谢过程对某些污染物的转化和矿化，植物根圈与根茎的共生关系增加微生物的活性的特点。加速土壤污染物降解速度的过程。植物修复的方式包括植物提取、植物降解和植物稳定化三种。植物提取是指利用植物吸收积累污染物，待收获后才进行处理。收获可以进行热处理，微生物处理和化学处理。植物降解是利用植物及相关微生物区系将污染物转化为无毒物质。植物稳定化是指植物在同土壤的共同作用下．将污染物固定，以减少其对生物与环境的危害。植物根际使土壤环境发生变化，起到了改善和调节作用，从而有利于污染物的降解。因此通过选择适当植物和调控土壤条件等手段．可以实现污染土壤的快速修复。植物生物修复是一项利用太阳能动力的处理系统．具有处理费用低，减少场地破坏等优点而受到普遍重视。据美国实践，种植管理的费用在每公顷200～1000美元之间．即每年每立方米的处理费为0．02～1．00美元．比物理化学处理的费用低几个数量级。 水体石油污染和土壤治理不同，水具有流动性，不及时处理会使污染范围以很快的速度不断扩大。因此．水体石油污染首先是控制污染然后再对污染水进行处理。而对收集上来的污水以及石油工厂排出来的石油污水采用生物处理法。生物处理法也称生化处理法。生物处理法是处理废水中应用最久、最广和相当有效的一种方法。它是利用自然界存在的各种微生物，将废水中有机物进行降解，达到废水净化的目的。而各地江河、海洋、湖泊，为避免生物入侵带来潜在危害，研究中建议采用本土微生物修复。同时，本土微生物的地域性优势表现明显。在中国，北京大学环境学院保存着百余种中国各大油田的样本菌株，可以为中国区域石油海上污染做出贡献。(1)海洋、江河、湖泊水体治理 对海洋、江河、湖泊石油污染治理，目前仅限于化学破乳、氧化处理方法进行分解处理和机械物理的方法进行净化吸附。清除海洋、江河、湖泊石油污染是非常困难的。防止油水合二为一的唯一选择是喷洒清除剂，因为只有化学药剂才能使原油加速分解，形成能消散于水中的微小球状物。清除水面石油污染还有一些物理方法，如用抽吸机吸油，用水栅和撤沫器刮油，用油缆阻挡石油扩散。英国有一位农场主发明了一种用机编禾草排治理石油污染的方法，不仅能防止石油在海中扩散，而且能吸收比自身质量多15倍的石油，可防止油轮流出的石油污染水岸，禾草中又以大麦秸秆治污最为有效。1992年，一艘油轮在舍德兰群岛附近失事后，在海上放置了22千米长的禾草排，从而保护了海滨浴场和渔场不致遭受污染。而俄罗斯莫斯科精细化工科学院的教授奥列格．乔姆金研制出了用农作物废料清除石油污染的全新方法。演示实验中，乔姆金在一盆水中挤了几滴重油，水盆中顿时漂起了一层薄薄的油花。紧接着乔姆金向水盆中撒人了一小撮稻米壳，几分钟后水盆中的油迹开始减少，二小时后水盆中的油迹完全消失了。(2)地下水体治理对地下水石油污染治理，采用水动力学方法，通过抽水井或注水井控制流场，可以防止石油和石油化工产品污染的进一步扩大，同时对抽取出来的受污染的地下水进行处理。近年来。臭氧氧化技术对石油污染的地下水处理取得了很大进展。经臭氧氧化反应后，水体中有机物种类增加，经过一定时间接触氧化反应后，苯系物和稠环芳烃类在水中的相对含量有较大幅度下降，但酯、醛、酮类和烷烃类在水中的相对含量却大幅上升。一般认为，水中芳香烃物质危害性较大，多具有较大的毒性和致癌性，而烷烃、酯类和其他低分子物质的危害性小得多。由上我们可以看出．臭氧氧化法是把危害性大的污染物转化为危害小的污染物．污染水体没有得到根本治理，因此臭氧氧化法与吹脱、活性炭吸附、生物氧化等处理方法配合使用，才能得到良好的处理效果。 然而，对当今的空气状态，大家有目共瞩，石油工业对空气的污染，危害已经相当明显。到目前为止，对于石油产品对空气污染还没有一种很好的治理方法，局限于采用控制油气排放等措施，如制定汽车尾气排放标准等．而具体的污染治理方法还有待于人类进行探讨和研究。石油对空气的污染仅限于其所含的具有挥发性的物质以及轻质石油产品了，而不像对于土壤和水体，石油中的粘稠胶体可以在这两者中成片成块的形成时间很长的污染。虽然如此，石油产品对空气的污染是非常严重的，对空气相对于水体更具有流动和扩散性，治理更加困难。

遇到海洋溢油的事件，一般是分三步走： 第一步是先布设围油栏，防止污染区域进一步扩大。在将海面的污染区域围起来后； 第二步要做的就是出动清污船只，利用吸油器和吸油毡清理油污，等于就是把这些石油抽出来，但这样做肯定是抽不干净的，只能说尽量把损失降低。 采取机械回收，这是对环境造成最小污染的一种方法。机械回收的工作过程是首先在溢油水域布设围油栏，然后将“撇油器”也就是油水分离器放到水面上，利用油和水不同物理机制将两者分离，然后通过水泵抽到存储舱，达到一定量后转到岸上进行油水分离，分离出来的水达到环保标准后再排到海里，油则回收。 浮在海面上的油污一般比较好清理，但海水下层的油污因为会在海浪的震荡下形成较难清理的乳状液油污，这就需要第三步； 第三步用专门的破乳剂使得油、水分层，然后再加以清理，也就是用一些消油剂，将污染物彻底分解。

通过对采油区土壤地下中微生物的生态效应研究发现，水土体中存在着大量的微生物———土著微生物，它能够降解水土环境中的石油污染物，进一步研究发现土壤中这种菌群比水体中大几个数量级。在室内利用优选的试验用菌种、菌群和选择的最佳营养物质，对试验区的土壤和地下水含水层的石油污染进行了微生态修复的模拟试验，试验结果显示效果显著良好，降解速度快。通过野外现场微生态原位修复试验，验证了优选培养的降解石油菌群液在野外修复土壤有良好的效果。

因此，提出原位降解土壤中石油污染物的技术———石油污染土壤原位微生态修复技术。该技术充分利用土壤微生态环境要素:和谐生存的大量土著微生物、适宜温度、充足的营养环境，结合物理方法、化学方法，对土体中石油污染物进行降解。

一、微生态原位修复的基本条件

微生态原位修复方法并不是通用的，它有其自己的适应性。也就是说它必须有其适用的条件，这个条件就是:首先要有适合于降解转化污染物的微生物，能够实施该方法的场地，要有适宜的环境因子。

1)适合的微生物是微生态修复的先决条件，这些微生物是具有正常生理和代谢功能的，并能降解或转化污染物的微生态体系，其中微生物细菌起着十分重要的作用。

2)能够实施该方法的场地，主要是指能将用于降解的微生物细菌及所需营养源和污染物相接触的场地，如土壤包气带土层的某一层位作为活化层来实施;可将用于降解的微生物细菌及所需营养源加入到污染的含水层中。

3)适宜的环境因子是指能够使微生物细菌正常生长代谢的环境因子，它们包括温度、pH值、Eh值、无机养分、电子受体等。

二、微生态修复技术的实施

微生态修复是一项系统工程，它需要依靠工程学、环境学、生物学、生态学、微生物学、地质学、土壤学、水文学、化学等多学科的合作，为了确定微生态修复技术是否适用于某一受污染环境和某种污染物，需要进行微生态修复的工程设计。

(一)污染场地信息收集

调查包括以下5个方面。

1)污染物的种类和化学性质、在土壤中的分布和浓度、受污染的时间。

2)当地正常情况下和受污染后微生物的种类、数量和活性以及在土壤中的分布，分析鉴定微生物的属种，检测微生物的代谢活性，从而确定该地是否存在适于完成微生态修复的微生物种群。具体的方法包括镜检(染色和切片)、生物化学法测生物量(测ATP)和酶活性以及平板技术等。

3)土壤、包气带、地下水的理化特征，如温度，孔隙度，渗透率，pH值，Eh值，TDS，DO，水化学分析等。

4)污染现场的地理、水文地质和气象条件以及空间因素(如可用的土地面积和沟渠)。

5)有关的管理法规，根据相应的法规确立修复目标。

(二)技术查询

在掌握当地信息后，应向有关单位(如信息中心、信息网站、大专院校、科研院所等)咨询是否在相似的情况下进行过生物修复处理，以便吸取他人经验。例如，在美国要向“新处理技术信息中心”(Alternative Treatment Technology Information Center，简称ATTI)提出技术查询。

(三)技术路线选择

根据场地信息，对包括生物修复在内的各种修复技术以及它们可能的组合进行全面客观的评价，列出可行的方案，并确定最佳技术。

(四)可处理性试验

假如生物修复技术可行，就要设计小试和中试，从中获取有关污染物毒性、温度、营养和溶解氧等限制性因素的资料，为工程的具体实施提供基本工艺参数。

小试和中试可以在实验室也可以在现场进行。在进行可处理性试验时，应选择先进的取样方法和分析手段来取得翔实的数据，以证明结果是可信的。进行中试时，不能忽视规模因素，否则根据中试数据推出现场规模的设备能力和处理费用可能会与实际产生大的差距。

小试和中试的试验方法包括:

1.土壤灭菌试验

选取有代表性的土壤经混匀后分装于容器中。容器分为两组，一组经高温灭菌或适当药剂处理以杀灭其中微生物;另一组不灭菌，分别施入同量的目标污染物，置于空气中培养。在一个时期内，定期监测两组土壤中该污染物的消失情况，最后判定是否为微生物降解性物质及其降解速率。如果试验周期长于7d，需补充无菌水以利土壤微生物的活动。对于地下水的试验也可用相同的原理来进行试验。

2.土壤柱试验

一般以拟修复的污染土壤类型及耕作层深度，并按相应的疏松程度(容重)装成土柱，土柱内径至少5cm以上。对地下水含水层也同样可模拟为砂柱试验。

3.三角瓶试验

通常是在三角瓶中装入培养液进行批式培养(batch culture)，监测污染物的降解情况。其大致步骤是，在三角瓶中配制以该污染物为主要碳源的培养液，另补加适当的N，P，S，生长素等其他营养物质，调节pH值(必要时可调至中性微碱及微酸性两种培养液以分别适应细菌与真菌的需要)。设不接种微生物的处理组作为对照，接种的微生物可以是一种或多种，也可接种经驯化的活性污泥，在不同的环境条件与温度条件下进行培养。在一个阶段内定时连续监测各三角瓶内培养液的变化。其中可包括物理外观上的变化，如色度、浊度、颜色、嗅味等;微生物的变化，如菌种、生物量及生物相等;化学的变化，如pH值，COD，BOD5，以及该污染物的数量变化。

4.反应器试验

实验室规模的反应器试验，一般由一个2～5L的容器构成，污染物或基质通过恒流泵输入容器内，用适当的温控器控制温度，通过与恒流泵和流量计相连的几个控制器来维持容器中的pH值和Eh值，容器内设有搅拌装置，以保证泥水混合液的物理、化学和生物特性的均匀。定期通过注射或微孔取样管从容器内取出样品进行分析，取样时要保持无菌状态。容器内微生物的量可以用ATP来表示，目标污染物的消失和CO2等产物的形成则表明污染物的降解和矿化。

(五)修复效果评价

在可行性研究的基础上，对所选方案进行技术经济评价。技术效果评价如下:

原生污染物去除率=(原有浓度－现存浓度)/原有浓度×100%

次生污染物增加率=(现存浓度－原有浓度)/原有浓度×100%

污染物毒性增加率=(原有毒性水平－现有毒性水平)/原有毒性水平×100%

经济效果评价包括修复的一次性基建投资与服役期的运行成本。

(六)实际工程设计

如果小试和中试表明微生物修复技术在技术和经济上可行，就可以开始微生物修复计划的具体设计，包括处理设备、井位和井深、土壤概况、营养物质和其他电子受体等。