石油污染土壤生物通风修复及其强化技术
沈铁孟1　黄国强1　李　凌1　李鑫钢1,2　徐世民2
(1.天津大学化工学院,天津300072; 2.天津大学精馏技术国家工程研究中心,天津300072)
摘　要　处理石油污染土壤的诸多方法中,生物通风法是一种很有效的治理方法。本文通过对生物通风法的技术、经
济分析,得出该方法的可行性。另外,还介绍了生物通风的强化技术。
关键词　生物通风　污染土壤　修复　强化技术
Remediation and enhanced technology of bioventing
in petroleum contaminated soils
Shen Tiemeng1　Huang Guoqiang1　Li Ling1　Li Xingang1,2　Xu Shimin2
(1. School of Chemical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072;
2. National Engineering Research Center of Distillation Technology, Tianjin University, Tianjin 300072)
Abstract　The bioventing is one of the most effective methods of cleaning petroleum contaminated soils
The technological and economic analyses of bioventing are discussed in the paper and the result shows biovent-
ing is feasible in remediation of contaminated soils. In addition, enhanced technology of bioventing is intro-
duced in the paper.
Key words　bioventing; contaminated soil; remediation; enhanced technology
　　随着石油工业的迅速发展,在石油化工生产区、
加油站等地,由于落地油、含油生产污水排放和输油
管道渗漏等原因,使大量石油类污染物进入土层,导
致石油污染物成为全球性的一大环境问题。土壤污
染不仅破坏了土壤本身的生态系统,而且也对地下
水资源构成威胁。据美国联邦水利局调查,美国现
已有1%—3%的地下水受到石油污染物的侵袭和
污染,50个州中有几千口公用和私用的水井被迫停
用。因此,治理石油污染土壤已成为一项迫切的
任务。
治理土壤污染通常有异位修复和原位修复两种
形式。异位修复涉及挖土和运土,成本较高,且不宜
治理深度污染及建筑物下面的污染。近十几年来,
发达国家发展了多种原位修复技术,其中应用最广
的是土壤气相抽提(soil vapor extraciton, SVE)及其
衍生技术———生物通风(bioventing)[1,2]。
1　生物通风概述
SVE技术是一种通过强制新鲜空气流经污染
区域,将挥发性有机污染物从土壤中解吸至空气流
并引至地面上处理的原位技术,该技术被认为是一
个“革命性”的环境修复技术[3]。生物通风是继
SVE后土壤修复的又一“革命性”技术,它实际是生
物增强式SVE技术,该技术结合了原位气相抽提与
原位生物降解的特点(见图1)。生物降解治理有机
物污染土壤是利用微生物的代谢作用,将土壤中的
污染物逐步降解,使其最终无害化,具有费用低、降
解彻底、不造成二次污染的特点,是恢复污染土层功
能的最有前途的方法[4]。生物通风是把SVE和生
物降解结合起来,是一种强迫氧化降解方法。在待
治理的土壤中打至少两口井,安装鼓风机和抽真空
机,将空气(空气中加入氮、磷等营养元素,为土壤的
降解菌提供营养物质)强行排入土壤中,然后抽出
土壤中的挥发性毒物也随之去除。大部分低沸点、
易挥发的有机物直接随空气一起抽出,而那些高沸
点的重组分主要是在微生物的作用下,被彻底矿化
为CO2和H2O。在抽提过程中不断加入的新鲜氧
有助于降解残余的有机污染物,如原油中沸点高、分
子量大的组分。因此,生物通风法处理对象的范围
较传统的SVE法大,不仅适用于处理小分子石油组
分,而且适用于修复原油中重组分对土壤的污染,该
技术还可以大大降低抽提过程中尾气的处理成本。
第3卷第7期环境污染治理技术与设备Vol.3,No.7
2 0 0 2年7月Techniques and Equipment for Environmental Pollution Control Jul . 2 0 0 2
图1　生物通风修复系统示意图
　　第一个生物通风技术用于1988年底,在美国犹
他州的空军基地[5],是为了处理约90 t航空燃料油
的泄漏污染。在修复过程的前9个月,一直用SVE
技术进行操作,共去除62.6 t污染物。经检测和研
究,发现在去除的污染物中部分是由于微生物的降
解完成的,大约占所去除污染物的15%—20%。可
见,土壤中的微生物具有很大的降解活性。随后改
变SVE系统,增加气流路径和气体在土壤中的停留
时间,结果尾气的量明显减少,由原来的90—180
kg/d降到9 kg/d,处理的石油污染物的量也随之增
加,从32 kg/d增加到45 kg/d。若改变其他条件,
如提高土壤湿度、增加营养物等均能促进生物降解
速度,Lee等[6]报道,加入无机营养元素(N、P等),
将土壤湿度从6%增加到18%,生物降解增加50%
,由微生物降解除去的污染物占全部的40%。由于
生物通风技术巨大的应用前景,美国投入了大量的
人力、物力来对该技术进行研究。同时,加拿大、欧
洲、澳大利亚、日本、南非、以色列、印度等先后进行
了与生物通风修复相关的研究和应用。
2　生物通风的可行性
生物通风作为改进的SVE技术,具有应用广、
效率高、费用低的特点。下面从技术和经济两方面
考虑生物通风法修复石油污染土壤的可行性。
2.1　技术可行性
在生物通风系统中,注射井和抽提井的位置及
气体的流速是决定生物通风效率的重要因素[7]。
与一般的SVE系统相反,生物通风操作中,注射井
和抽提井安装在相反的位置,但都在污染土壤的边
缘。气体的流速较低,这有利于土壤的微生物对石
油污染物的降解、减少需处理的尾气量。
土壤中可降解石油微生物是好氧细菌,而土壤
中的氧通常是有限的,因此,需对污染土壤进行曝
气,使土壤中的氧气浓度增加,从而促进好氧微生物
的活性。营养物质对生物降解速度也有显著影响
Enning等[8]研究了降解石油烃所需的氮素,他们发
现,当C∶N分别为50∶1、18∶1和8∶1时,降解速
度明显不同。当污染物浓度为1700 mg/L, C∶N为
18∶1时,完成降解需耗时70 d,补充氮后,降解时间
缩短为20 d,但氮量补充太多(如1.8∶1)则几乎阻
止了生物降解。另外,在受污染的土壤中加入一定
量适当的表面活性剂,可以增加微生物与污染物之
间的接触,从而改善了生物降解的效果,这一点已
被Deitsch等[9]通过实验证实。
2.2　经济可行性
在加利福尼亚某空军基地,Zwick等[10]对渗油
污染达2000 mg/kg的土壤进行了生物通风的成本
分析,结果表明修复过程中(包括通风系统、增加微
生物活性的灌溉系统、分析污染物浓度系统和维
护),总的花费为450 000美元,平均每kg污染物为
11.5美元。
Ramiz等[11]比较了生物通风系统和SVE系统
的花费,数据是从南卡罗莱纳州的大草原河得到,那
里的污染物主要是挥发性有机物(VOCs )。生物通
风系统(包括一对注射井和抽提井)总的费用大约为
354 000美元,SVE系统(包括四个抽提井和一个氧
化抽出尾气的催化转炉)总的费用为380 000美元。
SVE系统的平均成本为14美元/kg污染物,而生物
通风系统则为12.25美元/kg污染物,可见,生物通
风系统的费用低于SVE系统。当然,单位质量污染
68环境污染治理技术与设备3卷
物的处理费用与多种因素有关,特别是土壤的性质
(温度、湿度、气体的渗透性等)、需添加的营养物、污
染物的种类及降解机理等。
Downey等[12]通过对三个空军基地的石油污染
区进行研究,对生物通风和传统SVE费用进行比
较,得出生物通风的费用最低。在SVE操作中,抽
出的气体由于含有较多的污染物必须进行处理,其
中最常用的方法是焚烧,因此,SVE的操作成本要
比生物通风高。然而,如果污染物主要是可挥发性
的有机物,用SVE技术治理要比生物通风快,但在
修复含有非挥发性或沸点较高的有机物的土壤时,
生物通风具有明显的优势。
3　生物通风技术的强化
3.1　热通风
热通风可以增加生物降解的活性并提高石油组
分的挥发度,对石油污染土壤修复中微生物降解和
物理脱除具有双重强化效果。热通风通常是寒冷地
带石油污染土壤修复的必要手段。在污染土壤修复
的现场操作中,热通风至少可以采用以下三种方式:
热空气注射、蒸汽注射和电加热。热空气注射对微
生物影响比较温和,但由于空气热容较小而使传热
效率不高。蒸汽注射潜在的热量大,但也容易杀伤
土壤中的微生物,其应用受到很大的限制。电加热
通常在土壤中填埋电极,通入高频电流对介质进行
均匀加热,是一种有较好应用前景的强化技术,目前
在加拿大具有较成熟的应用[13]。
3.2　提供氧源
在土壤中,特别是石油污染浓度较高时,氧的供
应就成为生物降解的控制因素。对石油污染土壤的
治理,除了采用注入空气来提供氧气外,还可用
H2O2作为氧源。H2O2可提供47.1%的氧,可满足
污染环境中已存在的降解菌生长的需要,以便使土
壤中的降解菌能通过代谢将污染物彻底矿化成CO2
和H2O。Kaempfer[14]向石油污染的土壤中连续注
入适量的氮、磷营养物质和H2O2等电子受体,经过
2 d的运转后,对土壤的样品进行微生物和化学分
析,随着实验时间的延长,采集到的样品中的菌量有
所增加,分离到的细菌多于70种,其中大多数为烃
降解细菌。
3.3　添加高效降解菌
土壤中石油污染物的生物降解与土壤中可降解
油细菌的含量有密切关系。在土壤中加入石油降解
菌能大大提高生物降解的速度,如白腐真菌对许多有
机物污染都有很好的降解效果[15]。Gruiz等[16]将生
物通风与应用高效降解菌相结合,运转二个月后,土
壤中的污染物明显下降,土壤中的细菌数量增加了
10倍以上。同时,观察到在实验运转期间,CO2产生
量提高了10倍以上,表明污染物矿化作用相当活跃
实验停止一个月后,CO2产生量才逐步下降。
4　生物通风技术在我国的应用前景
我国是经济飞速发展的国家,随着石油运输不
断发展及加油站的广泛设立,输油管线和贮油罐的
泄漏事故、油槽车和油轮的泄漏事故不断增加,这使
土壤石油污染不断扩大。石油进入土壤后,会破坏
土壤结构,分散土粒,使土壤的透水性降低。其富含
的反应基能与无机氮、磷结合并限制硝化作用和脱
磷酸作用,从而使土壤的有效氮、磷的含量减少。另
外,由于社会对环境保护的要求日益严格,不但新的
污染要治理,对过去遗留下来的污染也要治理,而生
物通风作为一种高效、低费用的治理技术,正适应我
国基本国情,应大力加以推广。同时,应强化生物通
风技术,以扩大此技术的应用范围并不断降低其成
本。这可寄希望于潜力极大的遗传工程,通过降解
质粒或基因螯合来获得降解能力更强、清除极毒和
极难降解有机污染物的基因工程菌。另外,还可借
助于一些辅助技术[17],如利用计算机作为辅助工具
来设计最佳的修复环境。
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697期沈铁孟等:石油污染土壤生物通风修复及其强化技术
3　结　论
(1)用煤灰渣人工土壤填充的垂直流人工湿地
柱对化粪池出水中总磷的去除率达到75%—92%,
其中4根土柱处理出水中总磷的浓度低于1 mg/L,
达到了城市污水二级生化处理厂的二级排放标准。
另外4根土柱处理出水中总磷的平均浓度也低于
1.5 mg/L。
(2)垂直流煤灰渣人工湿地系统对污水中无机
磷也有较高的去除效果,其去除率达到73%—
92%,其中5根土柱处理出水中无机磷浓度低于1
mg/L,另外3根土柱处理出水中无机磷浓度也低于
1.3 mg/L。
(3)垂直流煤灰渣人工湿地系统对磷的去除作
用主要有:物理作用、化学吸附与沉淀作用和微生物
同化作用以及植物摄取等作用,它们对化粪池出水
中总磷的去除率分别为22. 8%、50%—65%和
1%—3%。
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(责任编辑:郑晓梅)
177期崔理华等:垂直流人工湿地系统对污水磷的净化效果