以菌糠為調(diào)理劑的柴油污染土壤堆肥技術(shù)

宋雪英, 梁茹晶, 孫禮奇, 何苗苗, 李玉雙, 胡曉鈞

(沈陽(yáng)大學(xué) 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽(yáng) 110044)

土壤的石油污染已成為世界環(huán)境問(wèn)題之一.當(dāng)今世界石油總產(chǎn)量每年約22億噸,其中17.5億噸是由陸地油田生產(chǎn)的[1].在石油勘探、開(kāi)采、儲(chǔ)運(yùn)、事故及含石油烴污水灌溉等過(guò)程中容易導(dǎo)致土壤的石油污染.據(jù)統(tǒng)計(jì),全世界每年有800萬(wàn)噸石油進(jìn)入環(huán)境,造成土壤污染.以油田為例,建1 500 m深的單井產(chǎn)生的含油泥漿可污染4～10畝土地[2].據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)油井造成的土壤污染面積達(dá)10萬(wàn)多畝,這一數(shù)字每年還在增長(zhǎng).當(dāng)土壤原油含量為3 100 mg/kg時(shí),玉米減產(chǎn)10%,若原油含量達(dá)到500 mg/kg,則苯并[a]芘在玉米中的殘留量超標(biāo),玉米不能食用[3].因此,土壤的石油污染對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康造成了嚴(yán)重威脅[4-6].

目前,石油污染土壤的治理方法包括物理法、化學(xué)法和生物法.其中,堆肥法作為生物修復(fù)方法之一,憑借其操作簡(jiǎn)單、修復(fù)周期短、效率高的特點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用[7-8].石油污染土壤堆肥法是將石油污染土壤與適當(dāng)?shù)牟牧舷嗷旌喜⒍逊?利用微生物降解石油烴類.堆肥法通過(guò)加入土壤調(diào)理劑以提高微生物生長(zhǎng)和石油生物降解的能量.20世紀(jì)80年代后期,石油污染土壤堆肥技術(shù)逐漸獲得多個(gè)國(guó)家的關(guān)注與重視,并得到廣泛的應(yīng)用.

石油土壤、濕度、營(yíng)養(yǎng)和土壤修復(fù)劑的正確混合是滿足能源需求和最優(yōu)化生物降解效率的關(guān)鍵[9].由于石油污染土壤的透氣和透水性差、m(C)/m(N)比較高,因此,在堆肥之前需要使用大量能提高堆體N、P含量的調(diào)理劑,一方面是為了提高土壤的滲透性,增加氧的傳輸,改善土壤質(zhì)地,另一方面是為了調(diào)節(jié)物料,調(diào)配合適的土壤m(xù)(C)/m(N)比,為快速建立一個(gè)大的微生物種群提供能源[10].目前常用的堆肥調(diào)理劑主要有木屑、秸稈、干草、樹(shù)葉、稻殼等.這些調(diào)理劑存在的不足是,它們通常需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能被分解而使堆肥周期延長(zhǎng),另外有些調(diào)理劑還需要事先進(jìn)行粉碎而消耗一定的能源.為此,本研究以菌糠這一食用菌生產(chǎn)廢料作為新型調(diào)理劑,探索其在柴油污染土壤堆肥過(guò)程中的特性與效果,為石油污染土壤堆肥技術(shù)提供新途徑,并為農(nóng)業(yè)廢棄物資源化提供技術(shù)支持.

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

供試土壤:以人工污染經(jīng)老化2年的柴油污染土壤為供試土壤,土壤類型為紅壤.柴油污染土壤的含水量為(13.80±0.40)%.土壤的初始總石油烴含量為(16 239±385)mg/kg.土壤采自南京化學(xué)工業(yè)園內(nèi)四柳河沿岸的表層(0～20 cm)土壤,土壤機(jī)械組成為砂土(>50 μm)25%、壤土(1～50 μm)58%、粘土(<1 μm)17%,其他部分理化性質(zhì)見(jiàn)表1.

表1 供試土壤的部分理化性質(zhì)Table 1 Some physical and chemical properties of the experimental soil

供試外源菌株:以沈陽(yáng)焦化煤氣廠煉焦車間篩選的微生物混合菌為外源優(yōu)勢(shì)降解菌.

供試菌糠:菌糠為杏鮑菇生產(chǎn)廢料,購(gòu)自沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)食用菌生產(chǎn)基地(東陵區(qū)).基質(zhì)的主要成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:木屑23%、棉籽殼23%、麩皮19%、玉米粉5%、豆桿粉28%、碳酸鈣1%、糖1%.菌糠濕度為45.21%,菌糠干物質(zhì)的有機(jī)質(zhì)、總氮和總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為52.3%、2.5%和1.9%.

1.2 儀器與試劑

主要儀器為水浴鍋、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(上海,亞榮)、數(shù)顯電熱恒溫干燥箱、馬弗爐、分樣篩、萬(wàn)分之一電子天平.主要試劑為氯仿、無(wú)水硫酸鈉,均為分析純?cè)噭?

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為考察菌糠調(diào)理劑投加比例對(duì)柴油污染土壤堆肥過(guò)程中總石油烴降解效率的影響,以及堆肥過(guò)程中外源菌群投加對(duì)總石油烴降解效率的影響,本實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)8個(gè)處理,實(shí)驗(yàn)具體設(shè)計(jì)如表2.其中,T1為土壤滅菌并加微生物抑制劑(1%的HgCl2)處理,考察非生物因素對(duì)總石油烴去除的貢獻(xiàn);T2為土壤滅菌但無(wú)微生物抑制劑處理,考察自然條件下存在的微生物對(duì)總石油烴的降解去除;T3、T4和T5為添加菌糠調(diào)理劑處理,V(菌糠)∶V(土壤)=1∶1,不同之處在于T3堆體滅菌,T4堆體滅菌后投加外源混合菌,T5堆體未滅菌投加外源混合菌,考察外源微生物和菌糠中的微生物對(duì)柴油降解的影響;T6、T7和T8為添加菌糠調(diào)理劑處理,均未滅菌,V(菌糠)∶V(土壤)分別為1∶2、1∶1.5和1∶1,考察菌糠投加比例對(duì)柴油降解的影響.實(shí)驗(yàn)期間定期補(bǔ)水調(diào)節(jié)土壤含水率為最大持水量的50%.為了補(bǔ)充堆體中的氧氣,每周翻堆一次.堆體的直徑為10.5 cm,高為15 cm.

1.4 分析測(cè)試方法

土壤基本理化性質(zhì)及菌糠基本理化性質(zhì)的測(cè)定:土壤pH值、土壤及菌糠的有機(jī)質(zhì)含量、總氮和總磷含量等基本理化性質(zhì)的測(cè)定參考文獻(xiàn)[11]的方法進(jìn)行.

土壤樣品的準(zhǔn)備:將土壤樣品混勻后用四分法縮分至約100 g.縮分后的土樣經(jīng)風(fēng)干后,除雜,用瑪瑙研缽研磨,至全部通過(guò)60目(孔徑0.250 mm)尼龍篩,混勻后備用.

土壤總石油烴含量測(cè)定:采用重量法,步驟如下:用萬(wàn)分之一天平準(zhǔn)確稱取10 g試樣于150 mL的磨口三角瓶中,均勻加入2 mL濃硫酸,過(guò)夜.于次日向三角瓶中加入20 mL的三氯甲烷(氯仿),搖勻,加塞,浸入水浴鍋內(nèi),水溫控制在(55±1) ℃,水浴提取1 h,取出,靜置5 min,上清液用裝有無(wú)水硫酸鈉的三角漏斗過(guò)濾至燒杯中.重復(fù)上述操作2遍,合并上清液.將合并的上清液置于水浴鍋上面,調(diào)溫至65 ℃,蒸發(fā)至干.先后用萬(wàn)分之一天平稱取空燒杯質(zhì)量(M0,g)和上清液蒸干后的燒杯質(zhì)量(M1,g),計(jì)算土壤中總石油烴含量.計(jì)算方法為:土壤中總石油烴含量/(g·kg-1)=103×({M1}g-{M0}g)/(10 g).

表2 柴油污染土壤堆肥實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Experimental design of the composting of diesel fuel contaminated soil

土壤中微生物培養(yǎng)計(jì)數(shù):分別于試驗(yàn)進(jìn)行的30、60和90 d對(duì)盆栽各處理土壤中的細(xì)菌和真菌總數(shù)進(jìn)行測(cè)試,采用稀釋平板法,細(xì)菌計(jì)數(shù)采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基,真菌計(jì)數(shù)采用土豆葡萄糖培養(yǎng)基.

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示,利用Excel 2007軟件進(jìn)行畫(huà)圖處理.

2 結(jié)果與分析

2.1 柴油污染土壤堆肥過(guò)程中總石油烴的非生物降解

T1處理的土壤經(jīng)過(guò)滅菌并添加了HgCl2生物抑制劑,考察柴油堆肥過(guò)程中的非生物去除的影響.試驗(yàn)結(jié)果表明:非生物因素(即揮發(fā)、光解等因素)對(duì)柴油去除的貢獻(xiàn)較小,于試驗(yàn)進(jìn)行的第30、60和90 dT1處理中的總石油烴去除率分別為3.26%、5.57%和6.83%(見(jiàn)表3).這一結(jié)果遠(yuǎn)低于宋玉芳等[12]118的以柴油為供試污染物進(jìn)行無(wú)機(jī)鹽液體培養(yǎng)模擬實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)40 d后的柴油非生物去除率(25.2±0.67)%以及Margesin等[13]采用柴油為供試污染物進(jìn)行的土壤低溫修復(fù)模擬實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)20 d后的柴油非生物去除率(16%～23%).這主要是因?yàn)?本實(shí)驗(yàn)用土是經(jīng)人工污染并老化2年的柴油污染土壤,在自然老化過(guò)程中一些揮發(fā)性較強(qiáng)和易光解的成分大部分已被去除.此外,從表3的結(jié)果還可以看出,隨著堆肥時(shí)間的延長(zhǎng),非生物因素對(duì)柴油的去除作用在逐漸減小,即0～30 d、31～60 d、61～90 d土壤柴油非生物去除率分別為3.26%、2.31%和1.26%.

2.2 柴油堆肥過(guò)程中總石油烴的微生物降解

表3中,T2,T3,…,T8處理均為由微生物降解作用占主導(dǎo)的柴油堆肥體系.T2處理為土壤滅菌后不添加微生物抑制劑的處理.與T1相比,T2處理的柴油去除率有顯著的提高.在自然條件下空氣中存在著大量的微生物,在接觸柴油污染土壤后,一些適應(yīng)性較好的微生物即可在此土壤中以柴油污染物為碳源,同時(shí)利用土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素生存繁殖.由T2處理的石油烴去除率結(jié)果(見(jiàn)表3)可見(jiàn),微生物在堆肥初期的30 d內(nèi)微生物的去除能力較弱,扣除非生物因素的影響,石油烴的微生物降解率為8.10%,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),微生物的降解能力顯著提高,31～60 d石油烴的微生物降解率為16.93%,而在61～90 d內(nèi)石油烴的微生物降解率明顯下降僅為2.35%.T3,T4,…,T8處理均為添加杏鮑菇菌糠的堆肥體系.

表3 不同處理土壤中的總石油烴降解率Table 3 Degradation rate of the total petroleum hydrocarbons (TPHs) of soils in different treatments

由表3石油烴降解數(shù)據(jù)可見(jiàn),總石油烴的微生物降解率較T1和T2得到了顯著的提高,這其中包含了菌糠投加以及外源菌添加對(duì)石油烴降解的促進(jìn)效應(yīng),具體分兩個(gè)方面進(jìn)行分析討論.

2.3 菌糠投加對(duì)柴油污染物去除的影響

投加菌糠后,柴油污染物的去除得到了顯著的促進(jìn),例如T3處理與T2處理相比較,在投加菌糠后,T3處理的柴油去除率在30、60和90 d分別比T2提高了22.48%、27.00%和26.72%.在其他調(diào)控因子相同的條件下,菌糠與污染土壤的體積比對(duì)石油烴污染物的降解有顯著的影響(p<0.05),T6、T7和T8處理相比較,當(dāng)菌糠與土壤的體積比由1∶2提高到1∶1.5再到1∶1的過(guò)程中,30 d時(shí)3個(gè)處理中總石油烴的去除率分別由24.75%提高到43.23%再到51.82%,即隨著菌糠投加比例的提高(由1∶2到1∶1)總石油烴的去除率隨之提高,菌糠與土壤的最適比例尚需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)來(lái)確定.本研究中,菌糠中的微生物對(duì)石油烴降解具有顯著貢獻(xiàn),T5(菌糠未滅菌)處理較T3(菌糠滅菌)處理總石油烴降解率在培養(yǎng)30、60和90 d時(shí)分別提高了12.6% 、7.1%和6.7%.鄒德勛等[14]曾利用菌糠和玉米秸稈為調(diào)理劑進(jìn)行餐廚垃圾好氧堆肥對(duì)比試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)菌糠是一種優(yōu)于玉米秸稈的良好調(diào)理劑,餐廚垃圾與菌糠混合堆肥時(shí)堆體升溫速度快,高溫期持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),堆肥過(guò)程中散發(fā)臭氣較少,1次堆肥處理后發(fā)芽指數(shù)較高(55.6%),基本實(shí)現(xiàn)腐熟.可見(jiàn),菌糠在有機(jī)污染物或環(huán)境有機(jī)廢物堆肥治理中具有較好的應(yīng)用前景.

2.4 外源混合菌群投加對(duì)柴油堆肥污染物去除的影響

考察外源混合菌群投加對(duì)柴油堆肥污染物去除的影響,結(jié)果表明:外源混合菌群的投加促進(jìn)了柴油污染物的生物降解,例如,經(jīng)90 d堆肥,在1∶1菌糠投加滅菌處理前提下,投加外源混合菌群處理(T4)較無(wú)外源混合菌群投加處理(T3)中石油烴降解率提高12.1%;在1∶1菌糠投加不滅菌處理前提下,投加混合菌群處理(T8)較無(wú)外源混合菌群投加處理(T5)中總石油烴降解率提高3.6%.

2.5 土壤中的微生物數(shù)量

于試驗(yàn)進(jìn)行的第30、60和90 d測(cè)定不同處理土壤中的微生物數(shù)量(CFU),結(jié)果如圖1所示.不同時(shí)間堆體中微生物的數(shù)量總體上變化較大,30 d時(shí)除T1對(duì)照外,其他處理中微生物的數(shù)量,真菌的數(shù)量級(jí)為107～108,細(xì)菌的數(shù)量級(jí)為109～1012;60 d時(shí)除T1對(duì)照外,其他處理中微生物的數(shù)量,真菌的數(shù)量級(jí)為106～107,細(xì)菌的數(shù)量級(jí)為107～109;90 d時(shí)除T1對(duì)照外,其他處理中微生物的數(shù)量,真菌的數(shù)量級(jí)為106～107,細(xì)菌的數(shù)量級(jí)為107～109.可以看出,60 d較30 d呈現(xiàn)微生物數(shù)量降低的趨勢(shì),90 d時(shí)微生物數(shù)量與60 d相對(duì)差異較小,微生物種群數(shù)量處于穩(wěn)定狀態(tài).宋雪英等[12]116在采用無(wú)機(jī)鹽液體培養(yǎng)基進(jìn)行柴油污染物微生物降解動(dòng)態(tài)研究中也曾發(fā)現(xiàn),在柴油污染物的微生物修復(fù)前期(約30 d),體系中的微生物存在一個(gè)快速增長(zhǎng)期,之后體系中微生物數(shù)量保持著較長(zhǎng)一段時(shí)間的穩(wěn)定期.

圖1 堆肥30、60和90 d后各處理中微生物數(shù)量Fig.1 Number of bacteria and fungi in different treatments on day 30, 60 and 90

比較相同時(shí)間不同處理間的微生物數(shù)量變化情況,可以發(fā)現(xiàn):30 d時(shí),T7處理的微生物數(shù)量最多,數(shù)量級(jí)達(dá)到1012;60 d時(shí),T2處理的微生物數(shù)量為最多,說(shuō)明在自然條件下,環(huán)境中的微生物即可適應(yīng)柴油污染土壤,并逐漸恢復(fù)微生物的種群數(shù)量;與60 d時(shí)相似,90 d時(shí)T2處理的微生物數(shù)量仍為最多.微生物的數(shù)量直接影響堆肥體系中石油烴污染物的降解效率,將總石油烴降解率數(shù)據(jù)(見(jiàn)表3)與微生物數(shù)量監(jiān)測(cè)結(jié)果相結(jié)合進(jìn)行分析,結(jié)果表明:微生物數(shù)量較高的階段對(duì)應(yīng)堆肥體系中的總石油烴去除率較高,即微生物數(shù)量與總石油烴的去除率存在正相關(guān)關(guān)系.

3 結(jié) 論

(1) 利用菌糠進(jìn)行柴油污染土壤堆肥處理是較好的生物修復(fù)柴油污染土壤的方法,本研究中老化柴油污染土壤經(jīng)過(guò)90 d的堆肥處理,其去除率最大可達(dá)到73%.

(2) 菌糠的投加比例對(duì)石油烴降解率影響較大,隨著菌糠投加比例的提高,柴油污染土壤中總石油烴污染物的去除率隨之增加.

(3) 微生物對(duì)柴油污染土壤中污染物的去除占主導(dǎo)作用,外源高效降解菌的添加顯著提高了柴油污染土壤中污染物的去除率.

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