修复攻略 | 石油烃污染修复技术之“好氧微生物修复技术”

发布时间:2019-08-23 15:29:17

基本原理

微生物修复技术是指通过向污染土壤或地下水中投加高效降解微生物或营养物质,同时为微生物创造适宜的水分、氧气、pH等生长条件,促进微生物降解环境中的有害物质或降低污染物毒性,达到修复目的。

微生物、营养物质和生长条件是决定微生物修复成功与否的三个关键因素,由此也引申出了微生物修复领域的三个重要研究方向:基于高效降解微生物菌剂的生物强化技术、基于营养剂和功能助剂的生物刺激技术以及旨在创造微生物生长代谢适宜条件的修复工艺研究。

微生物、营养物质和生长条件是决定微生物修复成功与否的三个关键因素,由此也引申出了微生物修复领域的三个重要研究方向:基于高效降解微生物菌剂的生物强化技术、基于营养剂和功能助剂的生物刺激技术以及旨在创造微生物生长代谢适宜条件的修复工艺研究。

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微生物“吃掉”污染物的过程


前提条件

石油烃能够被微生物降解是有其先天条件的,下表是石油烃各组分的生物降解特点,可以看到,对于短链脂肪烃、单环芳香烃、3环以内的多环芳烃来说,微生物降解性良好。而石油烃中的其他组分虽然生物降解性稍差,但对于微生物来说也并不是无能为力,无非就是需要更长的降解时间、更多更高效的降解菌种、更优越的降解条件而已。需要注意的是,对石油烃来说,好氧生物降解是最主要的降解途径。

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石油烃各组分的微生物降解性

降解机理

如下图所示,石油烃的好氧生物降解过程是在充分供氧,氮、磷、微量元素等营养物质充足的条件下,利用细菌、真菌、放线菌等微生物的作用,将石油烃彻底降解为二氧化碳和水,同时生成新的细胞生物量的过程。

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好氧微生物降解烃类物质主要过程


从图中我们还可以看到,降解过程中一些生物酶起到了决定性的作用,主要包括单加氧酶、双加氧酶和羟化酶等生物酶,主要的酶促反应如下图所示:

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石油烃降解过程主要酶促反应


看到这些让人眼花缭乱的反应过程,是不是对大自然的力量产生了深深的赞叹?这么不起眼的小小微生物却能够像智能化的工厂一样完成如此精准的工作任务,于无形之中降解环境中的油类污染物,保护人类的生存环境。

修复过程


好了,估计有小伙伴要举手提问了:既然微生物的力量这么神奇,为什么还有这么多的污染土壤和地下水存在?俗话说,no zuo no die,总有极少部分人为了一己私利,以大自然难以承受的速度向环境中排放着超量污染物,导致我们土壤中的微生物生!病!了!


主要病症表现为:


孤独


高浓度的石油烃超出了环境中土著微生物的耐受能力,菌种的种类和数量大大减少;


饥饿


有研究表明,微生物降解过程所需的C:N:P≈100:10:1,石油烃的降解需要足量的氮、磷等营养物质,显然,过高浓度的石油烃使得微生物降解所需的营养物质供不应求;


窒息


石油烃密度小,黏着力强,乳化能力低,在土壤中容易与土粒粘连,影响土壤通透性,导致好氧微生物无法获取足够的氧降解石油烃。


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                                         生病的土壤,微生物无力应敌


治病救人讲究对症下药,土壤的治疗也不例外。


面对孤独症


我们主要采用生物强化技术治疗。所谓缺啥补啥,直接向土壤或地下水中接入高效降解菌种,提高土壤中降解石油烃的微生物种类和数量,强化降解能力。投加的菌种可以是采用生物工程方法将土著微生物富集、驯化、分离得到的高效降解菌株(本土作战),也可以在现存微生物不能降解污染物时引入高效外源微生物协助降解(雇佣兵)。目前已知能够降解石油烃的微生物共100余属,200余种,分属细菌、放线菌、真菌和藻类,可见供我们选择的空间极其庞大。


面对饥饿症


我们主要采用生物刺激技术治疗。向土壤或地下水中投加氮源、磷源等营养物质,刺激土著微生物的生长代谢。在中试以上规模,营养物质的添加量一般控制在0.005~0.1%之间,当然,需要根据实验效果灵活调整。


面对窒息症


我们主要通过投加功能助剂加以治疗。常用功能助剂包括:


缓释增氧剂——投入土壤和地下水中,缓慢释放氧气,维持好氧条件;


表面活性剂——降低油水界面张力,创造微生物细胞接触、降解石油烃的有利环境;


土壤调理剂——在异位生物修复工艺中调理土质,保持土壤疏松,透气透水。

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土壤恢复健康,微生物所向披靡

当然,对于土壤及地下水环境中氧气缺乏的问题,也可以通过生物通风法等修复工艺实现。


说到修复工艺,前面我们提到,微生物、营养物质和生长条件是微生物修复的三大关键要素,土壤不同于空气和水,它是一个多相、非均质的复杂体系,有效的传质是影响生物修复效果的决定性因素,各种修复工艺的存在就是为了给微生物提供适宜的生长条件(见下表)。

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石油烃生物修复工艺条件(经验值)

目前已经投入工程应用的修复工艺包括生物通风、生物堆、生物泥浆反应器、原位注入等,知识体系极为庞大,篇幅有限,这部分以后我们再详细探讨,此处仅提供两张工艺流程示意图供大家自行体会。

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生物修复工艺(原位注入)

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生物修复工艺(生物通风)

结语

石油烃生物修复技术在我国的发展并不成熟,研究和实践工作任重而道远。


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