馬會強,張?zhí)m英,張洪林,李 爽

(1.遼寧石油化工大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院,遼寧撫順 113001;2.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,長春 130026)

泥炭生物反應(yīng)墻構(gòu)建及修復(fù)地下水中石油烴

馬會強1,張?zhí)m英2,張洪林1,李 爽1

(1.遼寧石油化工大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院,遼寧撫順 113001;2.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,長春 130026)

為有效修復(fù)地下水中溶解態(tài)石油烴污染物,在研究填充介質(zhì)配比基礎(chǔ)上,分別利用低溫石油烴降解菌-泥炭-粗砂和泥炭-粗砂構(gòu)建了泥炭生物反應(yīng)墻和泥炭反應(yīng)墻,考察了反應(yīng)墻對地下水中BTEX、PAH s的修復(fù)效果。結(jié)果表明,泥炭與粗砂最適體積比為20：80,此時墻體滲透系數(shù)為1.17×10-4m/s,有效空隙率為7.5%;泥炭反應(yīng)墻對BTEX去除率為32.63%～79.15%,吸附壽命為50～55 d,吸附能力大小為二甲苯＞乙苯≈甲苯＞苯,出水萘、α-甲基萘、β-甲基萘和菲濃度均低于2.85μg/L;泥炭生物反應(yīng)墻對BTEX、PAH s修復(fù)效果良好,去除率分別為83.6%～97.83%、97.48%～99.85%,微生物降解作用明顯,BTEX降解率為75.66%～90.16%。研究表明,泥炭生物反應(yīng)墻內(nèi)污染物去除過程為泥炭吸附和微生物降解,泥炭對石油烴特別是多環(huán)芳烴具有很強的吸附能力,生物降解能有效延長泥炭對污染物的吸附壽命。

泥炭;微生物;反應(yīng)墻;地下水;石油烴

隨著國民經(jīng)濟對石油工業(yè)依賴程度的日趨增加,在石油開采、儲存、運輸、加工及制品使用等過程中,頻繁出現(xiàn)石油烴污染地下水事件,部分地下水源亦受到影響[1-2]。因溶解能力不同,芳香烴往往是石油烴在地下水中的主要存在形式,而此類物質(zhì)又具有或可疑“致癌、致畸、致突變”效應(yīng)[3],因此有必要對其進行有效的控制與治理。在眾多USEPA推薦的石油烴污染地下水修復(fù)方法中,滲透反應(yīng)墻(PRB)技術(shù)因修復(fù)費用相對節(jié)省、對周圍環(huán)境擾動少等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于污染場地[4-6];因反應(yīng)介質(zhì)不同,PRB已發(fā)展成不同的吸附和生物式反應(yīng)墻。沸石、活性炭、共代謝物質(zhì)、釋氧化物常用作PRB反應(yīng)介質(zhì)[7-8];但近年來,價格相對低廉的土壤有機材料和有機覆蓋物常用于生物滯留系統(tǒng)中,來提高反應(yīng)屏障的修復(fù)效率[9-11]。泥炭就是其中的代表,它是一種含有不同分解度有機物的復(fù)雜土壤材料,主要含有木質(zhì)素、纖維素、半-纖維素、腐植酸、溶解性醚醇、丙酸鹽和含氮化合物等,因廉價、容易獲得、生態(tài)安全被認為是一種處理污染水的有效材料[12-14]。前期測試表明泥炭可有效吸附苯、甲苯、乙苯、五氯酚等疏水性污染物,其含有的豐富碳、氮源可為微生物代謝生長供給營養(yǎng)[15]。此外,許多芳香烴(BTEX、PAHs)可以在地下環(huán)境中被降解成二氧化碳和水等無害物質(zhì)[16],以上為泥炭聯(lián)合低溫石油烴降解微生物進行原位生物強化修復(fù)地下水中石油烴污染物提供了新思路。

為此,設(shè)計了好氧生物滲透模擬系統(tǒng),并在研究填充介質(zhì)配比基礎(chǔ)上,分別利用低溫石油烴降解菌-泥炭-粗砂和泥炭-粗砂構(gòu)建泥炭生物反應(yīng)墻和泥炭反應(yīng)墻,考察反應(yīng)墻對地下水中溶解態(tài)石油烴：BTEX、PAHs的修復(fù)效果,并探討泥炭和微生物的修復(fù)作用,力求建立一種行之有效的石油烴污染地下水修復(fù)方法,旨為項目后期工程化提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

0#柴油購于中國石油天然氣公司。苯系物(苯,甲苯,乙苯,o、m、p-二甲苯)、萘系物(萘,α、β-甲基萘)和菲標(biāo)準(zhǔn)樣品貯備液購于中國國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心。

低溫石油烴降解菌群源自吉林油田某長期受石油烴污染場地,經(jīng)長期低溫自然強化富集構(gòu)建而成,具有低溫(10℃)石油烴降解能力。

草本泥炭購于吉林省泥炭土基地,經(jīng)低溫陰干后,140℃熱處理3 h;取粒徑0.25～5 mm,超純水浸泡24 h后制備成漿體。粗砂取自場地含水層,清洗后陰干;取粒徑0.5～2mm,超純水沖洗、浸泡24 h,陰干備用。介質(zhì)相關(guān)特性見表1。

供試地下水采自東北某地下含水層,pH為7.53,電導(dǎo)率為390μs/cm。地下水中金屬元素含量見表2。

表2 地下水中金屬元素含量 /(μg?L-1)

1.2 實驗裝置

設(shè)計了如圖1所示的生物滲透模擬系統(tǒng),包括：供氧系統(tǒng),供水系統(tǒng)及“L”型滲流柱,供氧系統(tǒng)采用電磁式空壓機對地下水進行曝氣充氧;供水系統(tǒng)采用蠕動式計量泵供水。“L”型滲流柱為樹脂玻璃材料,長50 cm,高20 cm,內(nèi)徑10 cm,橡膠墊法蘭密封;分為3區(qū)：Ⅰ區(qū)模擬污染源,10 cm厚,右側(cè)為多孔布水板,區(qū)內(nèi)投加輕非水相液體(LNAPL);Ⅱ區(qū)模擬反應(yīng)墻,34 cm厚,裝填泥炭、微生物及粗砂介質(zhì);Ⅲ區(qū)為承托層,6 cm厚,裝填石英砂;末端為高度可調(diào)式出水口,調(diào)節(jié)反應(yīng)墻水力坡度。P.1、P.2、P.3為取樣口,分別代表反應(yīng)墻進水、中間和末端出水。

圖1 實驗裝置示意圖

1.3 實驗方法

1.3.1 反應(yīng)墻介質(zhì)配比 泥炭漿與粗砂的體積比分別設(shè)定為0：100、10：90、20：80、30：70、40：60、50：50,在滲流柱內(nèi)裝填上述配比介質(zhì),分層裝填,保持相同壓實度;測定配比介質(zhì)的滲透系數(shù)、有效孔隙率及容積密度。

1.3.2 反應(yīng)墻構(gòu)建 采用分層裝填方法,每次稱取240 g,鋪平,均勻夯實,高度保持2 cm左右,取樣管頂端置于柱中心位置,以防邊際流效應(yīng);Ⅱ區(qū)裝填介質(zhì)3 600 g(干重),容積密度1.36×103kg/m3,有效孔隙率7.5%,總孔隙率37.1%;Ⅲ區(qū)裝填粗砂3 164 g(干重),容積密度1.55×103kg/m3,有效孔隙率14.8%,總孔隙率40.2%。

實驗裝填2套模擬系統(tǒng),標(biāo)記為A、B。A代表泥炭生物反應(yīng)墻,Ⅱ區(qū)裝填一定比例粗砂、泥炭及功能微生物(已固定化于泥炭上);B代表泥炭反應(yīng)墻,Ⅱ區(qū)裝填一定比例已滅菌的粗砂和泥炭。

1.3.3 反應(yīng)墻調(diào)試與運行 向馬氏瓶中加入超純水,開啟蠕動泵,控制流量200 m L/h,升流式對反應(yīng)墻飽水,每升高4 cm,停止供水,穩(wěn)定30 min,重復(fù)以上過程直至飽水完全,穩(wěn)定24 h后泄水,調(diào)整水位。然后向馬氏瓶中加入地下水,此時B系統(tǒng)馬氏瓶中加入疊氮化鈉(1 g/L)作為抑菌劑。向Ⅰ區(qū)注入30m L 0#柴油模擬污染源,調(diào)節(jié)地下水流量380m L/d,反應(yīng)墻開始運行,墻體水力坡度5‰～6‰(接近場地情況),水力停留時間約2 d,運行溫度9～12℃,共運行80 d。定期取樣測定污染物濃度,并補充地下水及疊氮化鈉。

1.3.4 反應(yīng)墻示蹤 反應(yīng)墻開始運行起,每隔一定時間從B系統(tǒng)的P.2、P.3點采集地下水樣品,測定電導(dǎo)率。

1.3.5 污染物濃度測定 地下水中苯、甲苯、乙苯、二甲苯、萘、α-甲基萘、β-甲基萘測試參照EPA 5035、8260B方法,采用吹掃捕集濃縮儀-氣相色譜質(zhì)譜分析;菲測試參照EPA 8270C方法,采用液-液萃取-氣相色譜質(zhì)譜分析。

1.3.6 其它參數(shù)測定 滲透系數(shù)采用常水頭試驗確定;介質(zhì)總孔隙率、有效孔隙率采用樹脂玻璃滲流柱試驗確定;電導(dǎo)率采用帶溫度校正的便攜式電導(dǎo)率儀測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)墻介質(zhì)配比

泥炭在一定壓實密度下,滲透性很差,不利于實際工程應(yīng)用。為使反應(yīng)墻獲得較高的水力傳導(dǎo)能力,以及減少微生物生長時所造成的缺氧區(qū)域,實驗采用滲透性相對較高且易獲得的含水層介質(zhì)——粗砂和泥炭進行配比,測試結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 介質(zhì)配比對滲透系數(shù)、容積密度的影響

圖3 介質(zhì)配比對有效空隙率的影響

由圖2可知,泥炭與粗砂的配比比例對混合介質(zhì)滲透系數(shù)k影響很大,隨著泥炭比例的增加,滲透系數(shù)逐漸降低,泥炭比例≤20：80時,k值大于10-4m/s,當(dāng)比例≥30：70,k值小于10-5m/s。在相同壓實條件下,隨著泥炭比例增加,容積密度也呈現(xiàn)遞減的趨勢。

由圖3可知,隨著泥炭比例增加,介質(zhì)有效空隙率逐漸降低。泥炭比例≥30：70時,有效空隙率降低迅速,均小于5.5%,當(dāng)比例為10：90,20：80時,變化不大且均大于7%。

實際污染場地的上更新統(tǒng)孔隙潛水含水層結(jié)構(gòu)為：上部黃土狀亞砂土,夾粉細砂透鏡體,下部砂層為淺黃色,以細砂為主,局部為粉細砂或中細砂,含水層顆粒細,透水性差,滲透系數(shù)在10-6～10-5m/s之間;因此在衡量場地含水層的滲透性和泥炭的吸附性能后,確定反應(yīng)墻介質(zhì)為：泥炭：粗砂體積配比為20：80,此時墻體滲透系數(shù)1.17×10-4m/s,容積密度1.36×103kg/m3,有效空隙率7.5%,總孔隙率37.1%。

2.2 反應(yīng)墻示蹤

圖4為反應(yīng)墻P.2、P.3點地下水的電導(dǎo)率穿透曲線。調(diào)試階段反應(yīng)墻使用超純水飽水,出水電導(dǎo)率相對較低;而運行時使用地下水,其電導(dǎo)率相對較高,因此可通過地下水樣品的電導(dǎo)率穿透曲線推算墻體水力停留時間。

由圖4可知,P.2、P.3點地下水電導(dǎo)率完全穿透時間分別為37 h和60 h,間隔23 h,根據(jù)兩點距離,推算反應(yīng)墻水力停留時間為46 h。根據(jù)反應(yīng)墻長度,滲透量及達西定律,求得地下水實際流速17.74 cm/d,滲流速度 4.84 cm/d,介質(zhì)滲透系數(shù)9.68 m/d,有效滲透體積比為27.3%。

2.3 反應(yīng)墻修復(fù)BTEX效果

因泥炭反應(yīng)墻所用填充介質(zhì)在墻體構(gòu)建前均已滅菌,且運行時地下水中加入抑菌劑,因此,運行期該反應(yīng)墻為無菌狀態(tài),其運行結(jié)果反映泥炭對污染物的吸附去除效果。泥炭生物反應(yīng)墻中已固定化具有10℃低溫降解石油烴功能的微生物(由耶氏酵母菌屬、紅球菌屬、不動桿菌屬、假單胞菌屬、新鞘氨醇桿菌屬等組成),則運行結(jié)果反映泥炭和功能微生物對污染物的吸附-生物降解效果;2個反應(yīng)墻運行效果差異代表功能微生物的降解效果。圖5為運行期泥炭及泥炭生物反應(yīng)墻對地下水中苯系物：苯、甲苯、乙苯和二甲苯(間、對、鄰)的修復(fù)效果。

圖4 P.2、P.3點地下水電導(dǎo)率穿透曲線

由圖5可知,污染源中BTEX以甲苯、二甲苯為主,運行期地下水的稀釋、沖淡作用使得污染物進水濃度發(fā)生衰減,其中苯最為明顯。

泥炭反應(yīng)墻對苯的去除效果較差,泥炭吸附去除率約為32.63%,且出水在第12 d達到峰值22.12μg/ L,隨后完全穿透并解吸。這說明泥炭對苯的吸附容量較小或苯濃度過低不能達到泥炭吸附閾值或穩(wěn)定吸附;可判定墻體對苯的吸附壽命約為15 d。

泥炭生物反應(yīng)墻出水苯濃度穩(wěn)定于0.3～1.2μg/L,低于進水和泥炭反應(yīng)墻出水,苯去除率約為83.6%;表明墻體已吸附苯的生物降解效果明顯,降解率約為75.66%。

泥炭反應(yīng)墻對甲苯、乙苯和二甲苯具有一定去除效果,去除率分別約為69.14%、79.15%、77.85%;且出水濃度變化相似,在第35、45和55 d達到峰值163.24、45.65和334.20μg/L,接近進水污染物濃度;其中甲苯、二甲苯濃度分別從55 d和60 d開始明顯高于進水,發(fā)生解吸。以上表明泥炭墻體對甲苯、乙苯和二甲苯具有一定的吸附能力,判定其墻體吸附壽命分別約為35、45和55 d。

泥炭生物反應(yīng)墻對地下水中甲苯、乙苯和二甲苯的處理效果良好,去除率約為93.90%、97.83%、96.81%,出水濃度均遠低于進水和泥炭反應(yīng)墻出水, 80 d內(nèi)未發(fā)生穿透現(xiàn)象。以上表明功能微生物降解作用明顯,墻體已吸附3種污染物的生物降解率分別約為81.27%、90.16%和85.63%。

圖6為運行期泥炭/泥炭生物反應(yīng)墻對地下水中苯系物的分段修復(fù)效果,BTEX為苯、甲苯、乙苯和二甲苯濃度之和。

圖6 泥炭/泥炭生物反應(yīng)墻對苯系物的分段修復(fù)效果

由圖6可知,泥炭反應(yīng)墻P.2第6 d檢出BTEX,35 d達到最高值714.19μg/L;P.3第18 d檢出BTEX,55 d達到最高值507.67μg/L;2點出水污染物濃度均在峰值后與進水相近,并在60 d時大于進水。以上表明泥炭介質(zhì)對BTEX具有一定吸附性能,吸附能力大小為二甲苯＞乙苯≈甲苯＞苯(圖5);污染物達到飽和吸附容量后出現(xiàn)解吸,判定泥炭墻對BTEX的吸附壽命約為50～55 d。泥炭中含有較多甲氧基、羧基、醇、酚、酮及醌型羥基官能團及一定量芳香碳基結(jié)構(gòu)的木質(zhì)素、單糖,這樣的分子結(jié)構(gòu)利于外部和內(nèi)部的表面吸附及固定有機化合物;此外泥炭中含有鄰甲氧苯基木質(zhì)素和呋喃官能團,其芳香特性結(jié)構(gòu)與該研究 BTEX化合物相似,所以BTEX的吸附情況主要決定于BTEX在水和泥炭有機質(zhì)之間的分配比例。前期測試表明[15]：一定濃度下,BTEX的泥炭-水標(biāo)化分配系數(shù)K oc分別為83.18～165.96 L/kg、100.00～213.80 L/kg、117.49～239.88 L/kg、213.80～354.81 L/kg,說明BTEX在泥炭上的分配能力大小為二甲苯＞乙苯＞甲苯＞苯,因此泥炭反應(yīng)墻運行期表現(xiàn)出對BTEX吸附去除效果的差異。

泥炭生物反應(yīng)墻P.2第9 d檢出BTEX,30 d達到最高值241.56μg/L,但濃度遠低于進水;P.3運行期內(nèi)BTEX濃度一直較低;2點出水濃度均從55 d起穩(wěn)定于50～60μg/L。以上表明泥炭生物反應(yīng)墻對苯系物修復(fù)效果較好,生物降解作用明顯,且功能微生物的使用可有效延長泥炭介質(zhì)墻體對苯系物的吸附壽命。泥炭生物反應(yīng)墻中已固定化具有降解石油烴功能的微生物,當(dāng)?shù)叵滤形廴疚镂接谀嗵拷橘|(zhì)后,部分BTEX會被微生物降解,但由于BTEX在泥炭介質(zhì)上吸附能力、吸附濃度的差異以及微生物代謝活性的不同,導(dǎo)致BTEX在泥炭生物反應(yīng)墻中的降解效率有所不同。

泥炭/泥炭生物反應(yīng)墻出水中BTEX濃度具有相似的變化趨勢;以P.2點為例：泥炭反應(yīng)墻第9 d檢出污染物,隨后濃度逐漸升高,35 d完全穿透;泥炭生物反應(yīng)墻出水也具有開始檢出、峰值趨勢,但出水濃度較低。這表明泥炭生物反應(yīng)墻在不同運行期污染物的修復(fù)機理可能不同,運行初期(0～20 d)以泥炭吸附為主,中期(20～50 d)為泥炭吸附和生物降解共同作用,后期(50～80 d)以生物降解作用為主;此外,地下水中污染物濃度的急劇降低可能影響生物降解穩(wěn)定性,導(dǎo)致出現(xiàn)一段適應(yīng)過渡期。

2.4 反應(yīng)墻修復(fù)PAHs效果

圖7為運行期泥炭/泥炭生物反應(yīng)墻對地下水中多環(huán)芳烴：萘、α-甲基萘、β-甲基萘及菲的修復(fù)效果。

由圖7可知,污染源中多環(huán)芳烴以萘、α、β-甲基萘為主;運行期存在相似的衰減現(xiàn)象。泥炭/泥炭生物反應(yīng)墻對多環(huán)芳烴的修復(fù)效果良好,萘、α、β-甲基萘及菲的去除率分別約為99.85%、99.59%、99.18%、97.48%,出水中污染物濃度變化一致且均較低,萘、α、β-甲基萘低于2.85μg/L,菲低于0.46μg/L;此外反應(yīng)墻P.2出水未檢出大量污染物;以上表明,泥炭介質(zhì)對多環(huán)芳烴具有很強的吸附能力,這與前期試驗結(jié)果一致[15];運行期未發(fā)現(xiàn)污染物穿透和解吸現(xiàn)象,表明80 d未達到泥炭介質(zhì)對多環(huán)芳烴的吸附壽命,但從上圖中未顯示出功能微生物的降解效果。

3 結(jié) 論

1)泥炭與粗砂的比例對混合介質(zhì)的滲透能力、有效空隙率影響較大;結(jié)合場地潛水含水層結(jié)構(gòu),確定反應(yīng)墻中泥炭與粗砂體積比為20：80,此時墻體滲透系數(shù)1.17×10-4m/s,容積密度1.36×103kg/m3,有效空隙率7.5%,總孔隙率37.1%。

2)泥炭反應(yīng)墻對地下水中的BTEX具有一定修復(fù)效果,泥炭吸附去除率約為 32.63%～79.15%,吸附壽命約為50～55 d,吸附能力大小為二甲苯＞乙苯≈甲苯＞苯;泥炭對多環(huán)芳烴具有很強的吸附去除能力,反應(yīng)墻出水中萘、α-甲基萘、β-甲基萘和菲濃度均低于2.85μg/L。

3)泥炭生物反應(yīng)墻對地下水中的BTEX、PAH s修復(fù)效果良好,去除率分別為83.6%～97.83%、97.48%～99.85%,去除機理主要為泥炭吸附和微生物降解;墻體內(nèi)微生物降解作用明顯,BTEX降解率約為75.66%～90.16%,生物降解作用能有效延長泥炭對污染物的吸附壽命。

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(編輯 胡英奎)

Construction of Peat Biobarrier to Remediate Petroleum Hydrocarbon Contam inated Groundwater

MAHui-qiang1,ZHANGLan-ying2,ZHANGHong-lin1,LIShuang1

(1.School of Environmental and Biological Engineering,Liaoning Shihua University,Fushun 113001,Liaoning,P.R.China; 2.Co llege of Environment and Resources,Jilin University,Changchun 130026,P.R.China)

In order to effectively remediate the dissolved petroleum hyd rocarbon contam inants in aquifer, low temperature hydrocarbon degrading bacteria-peat-coarse sand and peat-coarse sand were adopted respectively to construct peat biobarrier and peat barrier.And the ratio of packing media,the removal efficiency of BTEX and PAH s were investigated through barriers in remediation of petroleum hydrocarbon contaminated groundw ater.It is found that the hydraulic conductivity and availableporosity ofmixedmedia were 1.17×10-4m/s,7.5%respectively when peat and coarse sand at the op timum volume ratio of 20：80. For peat barrier,the removal rates of BTEX were 32.63%-79.15%,sorption life was 50-55d,sorption capacity of peat barrier to BTEX was xy lene＞ethy lbenzene≈toluene＞benzene,effluent concentration of naphthalene,α-methy lnaphthalene,β-methy lnaphthalene and phenanthrenewere all below 2.85μg/L.The removal efficiency for BTEX,PAHswere83.6%-97.83%,97.48%-99.85%through rem ediation by peat biobarrier,and have an obviously effect on contaminants biodegradation,the degrading rates of BTEX were 75.66%-90.16%.The study indicated that removalmechanism s of hydrocarbon contam inants were peat sorption and biodegradation for peat biobarrier,peat had strong sorption capacity to petroleum hydrocarbon contaminants,especially for PAHs,contam inants biodegradation could efficiently prolong the sorption life of peat barrier.

peat;m icroorganism s;permeab le reactive barrier;groundwater;petro leum hyd rocarbon

X 523

A

1674-4764(2011)03-0129-07

2010-11-11

國家“863”計劃項目(2007AA06Z343);國家自然科學(xué)基金資助項目(50879029)

馬會強(1982-),男,博士,主要從事環(huán)境生物技術(shù)及地下水污染控制與修復(fù)研究,(E-mail)mahuiqiang0921 @126.com。

張?zhí)m英(通訊作者),女,教授,博士生導(dǎo)師,(E-mail)zhangly@jlu.edu.cn。