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体育利记地下水和表层水的微生物修复(1)

来源: //www.pjshinuo.com/    发表日期:2015-05-04    浏览:4053

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优良“土著”菌株的筛选和菌群的构建、低温缺氧利记下的降解研究、同位素技术、原位修复的现场研究以及微生物植物的联合修复将是今后体育利记浅层含水层的原位微生物修复技术的研究重点。

世界范围内,至少有15亿人将浅层含水层中的地下水作为饮用水的主要来源,而我国有2/3的人口以地下水为饮用水源,近30年来我国地下水开采量以25亿m3/a的速度递增。随着体育工业的发展,地下水利记系统中的体育利记问题已经越来越严重。由于地下水系统的隐蔽性和复杂性,其利记问题往往不如地表水利记表现得直观与突出,而长期未受到应有的重视,这使得地下水利记日趋加剧。体育对生物的危害分为大量体育造成的急性中毒和长期低浓度体育的毒性效应。毒理学实验表明,多种体育类利记物通过生物富集和生物放大效应对人类等生物具有致癌、致畸和致突变的危害, 其利记与防治问题也由此引起世界各国政府及公众的关注和研究。

体育类利记物的生物降解是指利用生物的代谢活动催化降解体育类利记物,从而减轻或消除利记体育利记的一个受控或自发进行的过程。微生物降解因其具有对人和利记造成的影响最小、能够使利记物最终分解为二氧化碳和水,不存在二次利记。费用低等优势而得到广泛认可和普遍重视。因此微生物修复相关研究在体育利记领域也十分活跃。在浅层含水层利记下的研究也逐见报道八本文结合近年国内外最新研究成果对体育利记浅层含水层的微生物修复技术的研究进展进行了综述。

1 浅层含水层中体育类利记物的来源及普遍性

体育类利记物产生于体育开采、冶炼、运输、使用与处置等过程,其进入浅层地下水的途径主要为地表入渗至浅层含水层和地下利记上返至浅层含水层。地表入渗主要是油本身的底水、边水、原油掺水等含油污水、以钻井废弃泥浆、落地油、联合站原油沉降分离出来的油砂污水处理站污泥和油罐底泥等含油固体废物的形式跑、冒、滴、漏而进入地表水、利记等利记介质中,再经过复杂的物理、化学和 生物过程透过包气带迁移至浅层地下水甚至更深处。研究发现,造成浅层地下水利记的最主要的来源为干化池中含油废水的渗漏。其次是地表径 流携带利记物的入渗,近年来随着次采油”技术的实施。注水量大大增加,某些排出的含油废水直接 利记地表。这对当地地下水危害极大,而地下利记上返至浅层含水层主要来自油井套外返水:苏小四等利用同位素示踪技术研究发现,油井套外返水使得场地地下水会受到体育类利记物不同程度的利记,且利记晕长轴方向与地下水水流方向近于一致:为使油田增产、增注而采用的油田压裂过程、油田进行正式大规模生产前的试采过程以及压裂废液、试采废液均可能含有体育类利记物。井壁坍塌、井管破裂等也会对浅层地下水带来利记。此外,体育地下储油罐、管道和其他设施的泄漏事故也已成为国内外城市地下水利记的最大利记源之一。据报道, 200l年美国300万个地下储油罐中发生泄漏的约为50万个。根据美国联邦水利局资料,美国现已有1 %〜3%的地下水受到体育烃利记,50个州中有几千口水井被迫停用;美国宾夕法尼亚州使用10 a以上的地下储油罐渗漏率达到46%;使用15a以上的地下储油罐渗漏率则高达71%,法国南特市使用10a以上的储油罐渗漏率在20%以上,英国30%以上的加油站及几乎所有的化SBOBET、炼油厂等均存在严重的油类利记。在我国,周迅通过对苏南地区加油站渗漏利记状况和趋势的调查发现,在29个被调查对象中72.4%的加油 站存在不同程度的渗漏,其中渗漏特征较为典型的占62.1%,15a以上的老旧加油站发生渗漏的概率约为60%。天津部分加油站地下水样品中体育烃检出率为沾超标样品占地下水样品总数的40% ,此外,钻井平台的爆炸事故发生概率一般较低,但是事故一旦发生将对事发区域的浅层地下水发生持久、长远的利记。如2010年4月位于美国南部墨西哥湾的深水地平线钻井平台发生爆炸,事故造成的原油泄漏形成了一条超过100km长的利记带,利记甚是严重。

经调查发现,我国紧邻油田、石化厂的一些城市赖以生存的地下水已经受到了体育利记,如东北地区重工业和油田开发区地下水利记严重,松嫩平原和辽河平原地下水体育类利记普遍:Tung等通过对松原油田地下水样品中总体育烃的分布进行调查发现,在26个浅层地下水样品中有23个被检出含有体育烃.其浓度范围为0.01〜1.71 mg/L,付新建等对中原油田利记和地下水的体育利记研究表明,体育利记主要残留于表层利记中(最高达23~35.4mg/Kg)尚未对地下水造成大范围的利记,但是体育类利记物已运移到了地下水水位以下,对地下水安全构成了潜在的威胁;原油田采油区的浅层地下水样品中,体育类利记物的浓度范围为0.05~0.15mg/L。在我国 大部分体育化工地区,体育利记甚至已经波及到饮用水安全。如我国河南双河水源地浅层地下水体育烃检出率达44%,中深层地下水(深度为200m左右)体育烃的检出率达78%,56%的水井体育烃含量超标,其浓度达(1. 1〜2.7mg/L。河南油田的魏岗水源地利记也较为严重,该地区水井中体育烃检出率为64.3%,超标率达28%,局部水井中体育烃浓度高达4.6〜5.0mg/L--,远超过我国地表水质量标准所规定的0.05mg/L的浓度限值,严重威胁水源地的使用。

2 微生物修复技术及研究进展

自20世纪80年代开展地下水利记治理至今,地下水利记修复技术已经在不断发展和创新,目前地下水利记治理网站技术主要分为利记地下水抽出处理技术、包气带土层有机物的生物通风技术以及原位修复网站技术三大类。近几十年来地下水抽出处理技术除了应用于利记中易挥发且易溶利记物 (VOCs、SVOCs、Fuels)、重利记的恢复和治理等特定情况下外,原位修复网站技术占据主导地位。 Mohamm等对原位修复网站技术中的生物修复、利记洗涤、利记冲洗、土地耕作、真空抽吸、自然 通风、热分解和稳定8项技术从可行性、处理水平、 不良影响、费用处理时间五个方面进行了比较,结果显示生物修复因其产物的无毒无害性、技术可行性和经济合理性而位居第一。不过其花费的时间也最长,而对地下利记而言原位生物修复是以原位微生物修复为主,同时相比地下水抽出处理技术。原位微生物修复网站技术因费用节省利记物暴露时间短和对土地利记的扰动小等优势在地下水体育利记区域得到了一定程度的发展,已被美国环保署、国防部、能源部等科研机构积极推广。据美国环保署《2 0 0 4年关于水土利记修复治理技术的年度报告》 显示在所开展的原位微生物修复中,60%的网站都是针对体育烃类利记。

原位微生物修复从需氧类型来看,主要包括好氧修复和厌氧修复。好氧菌主要降解低环芳烃、对四环以上的多环芳烃降解效果不明显。厌氧菌的培养速度和降解速度虽然较慢。但是可以利用N03\SO4\Fe3等作为电子受体代替O2进行呼吸作用。将好氧处理不能降解的部分物质降解掉。近年来,关于体育类利记物的好氧修复研究较多,其降解机理研究已经较为透彻。而关于厌氧降解机理的基础研究则相对较少,远没有好氧降解研究透彻。浅层含水层中的地下水一般处于厌氧或兼性厌氧利记,因此关于此方面的研究还鲜见报道。

同时,原位微生物修复又可以分为自然微生物修复、强化自然微生物修复和人工强化微生物修复。自然微生物修复主要是指在无人为千扰条件下自发降解利记物的过程。由于体育烃的疏水性和利记的复杂性等原因,自然条件下微生物降解速度较慢,可采取多种措施强化微生物修复这一过程,强化自然微生物修复是指通过人工干预的形式,提高利记物的降解效率,主要措施是定期向受利记含水层中注入无机 营养物质以及适当电子受体来刺激土著微生物的生长。提高其生物代谢活性将利记物彻底转化为CO2、CH4、H2〇或者无机盐,这可以通过生物漱洗技术和生物曝气技术来实现。如鉴于厌氧条件下微生物代谢缓慢,可以通过生物曝气技术使得含水层中以厌氧降解为主导地位的修复过程变为好氧降解,不仅可提高利记物降解率,同时还可以减轻利记含水层修复末期的“拖尾”效应。生物曝气技术主要利用垂直或 者水平井,用气泵将空气压入水位以下用一系列传质过程使利记物从利记空隙和地下水中挥发进入空气中,含有利记物的空气在浮力作用下不断上升,达到地下水位水以上的非饱和区域,再通过利记气相抽提系统处理,从而达到去除利记物的目的。该方法由于成本低、效率高及原位操作等优势,而一度被应用于地下水体育类利记物的去除。但该方法对于体育烃中非挥发的高分子有机物并不适用,在低渗透率或者高黏土含量和深层地段也具有局限性。人工强化微生物修复是指通过向体育利记的含水层中投放降解菌浓缩液或者基因网站菌的形式来降解代谢利记物,同时还包括添加常量营养元素和微量营养物质来强化微生物的降解效果。国内外近几年应用较多的是原位微生物反应墙技术。它是一种微生物修复与固化技术的结合,类似于可渗透反应墙,可以使得菌体不易流失,并堤高温度、PH值、氧、营养等抗冲击 力,有利于降解反应的稳定进行。

3 降解菌的筛选与分离

郝春博等通过对某废弃炼油厂体育利记地下水样品中微生物多样性及群落结构进行研究,结果表明体育利记地下水中存在大量降解菌群;Yrung等利用稳定同位素技术研究了寒冷地区(年均气温为-5 )体育利记地下水中的微生物群落的降解机理也证明了低温、缺氧条件下体育降解菌群的存在,这为体育利记浅层含水层的修复以及优势菌群的分离堤供了可能,而诸多研究也表明许多体育烃类有机利记物都可以在地下水利记中被微生物好氧或厌氧降解。国内外已经报道的可降解体育烃的微生 物,共超过70个属200余种,其中细菌28个属,霉菌如个属酵母12个属。大多数微生物降解菌是在常温条件下筛选出来的,而在极端低温和低温条件下的降解菌则较少,因地下水一般温度较低,微生物少,贫氧,分离出具有高效降解体育烃的"土著”微生物菌株或者菌群就尤为必要,研究表明在北极、冻土地区存在嗜冷性体育烃降解菌;筛选出一株在10〜20°C下降解姥鲛烷的微生物降解菌;筛选出一株具有产生乳化能力的柴油降解菌:相比单一菌株,土著混合菌群具有更加稳定持久的降解效果。用人工强化的方式从利记场地利记中富集出一组能在低温、贫营养条件下快速、完全降解多种体育烃利记物的土著混合菌群:因在筛选过程中需尽可能保留土著的优势功能菌菌群、保持群落功能完整性、避免后续应用时易出现受土著菌群竞争抑制问题,所以目前关于此方面的研究和应用也比较欠缺。

一些藻类也能降解体育物质,原生动物也被报道可以摄食体育,以油包碎屑或以油包菌微滴为食。除细菌、真菌、霉菌、藻类和原生动物外,植物根菌也已经被大量应用于生物修复技术。通过研究菌根对挪威云杉修复体育利记地的效果及潜在效应,发现菌根加速了挪威云杉对体育利记利记的生物修复;通过研究柳树根部的根际微生物对体育烃的生物降解,发现柳树根菌易降解低分子量的体育烃和可溶于水的利记物,而大分子量的烃类难被降解.这将依赖于其他微生物的参与。在未来,鉴于生态修复已成为利记修复的主流,微生物植物联合修复将会得到大范围的研究和应用。

4 微生物修复的影响因素

4.1 体育性质对微生物修复的影响

体育类利记物通常以比水轻的非水相液体形式形成持久性利记源。在地下水中具有易挥发、黏度小且扩散迁移速度快的特点,研究表明地下水中LNAPLs的存在会增加其利记修复的难度;LNAPLs在修复网站中存在利记物的“拖尾”或“反弹”现象;研究表明,不同地区所产体育的物理及化学性质存在一定差异。因此同一种微生物降解不同产区的体育有不同的降解效果,其降解速率与其黏度、沸点、折射率都存在一定的关系;体育烃种类不同被微生物降解能力不同。表现为饱和烃>芳香烃>胶 质和沥青,研究表明,含有5个或更多环的芳香烃难于被微生物所降解,胶质和沥青则极难被微生物降解。此外,体育浓度也会影响微生物的活性。研究表明,随着 体育浓度的升高,最终的降解率逐渐降低,降解率与体育浓度成负相关关系。主要是因为高浓度的体育类利记物对微生物有毒害作用,而少量的体育类利记物会刺激嗜油微生物的生长。

4.2 生物体对微生物修复的影响

影响体育降解的生物体因素主要包括微生物的数量和种类:自然利记中存在大量可降解体育类利记物的微生物,这为自然修复提供了可能。这类微生物的比例一般都比较低,只占总微生物数量的1%左右。而在体育利记的利记中通过驯化作用,降解体育类利记物的微生物比例可上升至10%。在一定浓度的体育底物情况下,微生物的数量越多,体育降解速率越快,自然条件下可用于修复作用的真菌数量较少,但种类丰富。相反,细菌数量多但种类较少,而微生物种类的丰富则有利于菌群的稳 定和共代谢作用,对体育类利记物中的多种物质均具有降解作用,且抗冲击能力较强。通过对从胜利油田利记底泥中分离出的生物菌群的研究发现,该菌群对萘、菲、芘等多种原油底物都具有降解能力,且能耐受一定浓度的重金属离子如Cu2+、 Zn2+ ;同时.微生物的活动可能会对有机物产生吸附作用,或者促进锁定相中有机物的解吸加快降解速率等。

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