原油的生物修復(fù)策略研究

王紅燕

摘要：隨著對液體石油需求的增加，人們對可靠且高效的溢油清理技術(shù)的需要也是不可避免的。生物修復(fù)一直被認(rèn)為是最符合可持續(xù)發(fā)展理念的清理技術(shù)之一，文章主要介紹原油生物修復(fù)的相關(guān)策略及優(yōu)缺點(diǎn)，旨在促進(jìn)更多綜合性的生物整治技術(shù)的研發(fā)，來改善全球石油泄漏形勢，減緩其造成的危害。

關(guān)鍵詞：原油；生物修復(fù)；海上溢油控制；生物反應(yīng)器；生物曝氣

1 石油研究概述

1.1 研究背景

人類活動導(dǎo)致液態(tài)石油烴釋放到環(huán)境中，造成海洋、沿海水域、海岸線和土地等地的污染。液態(tài)石油碳?xì)浠衔锸且环N天然存在的化石燃料，是由地球地殼中死去形成的有機(jī)物質(zhì)組成的。它們用于合成塑料、化肥、農(nóng)藥和其他石化以及人類生活產(chǎn)品，這大大增加了對這些液體烴的需求。

而液態(tài)石油的運(yùn)輸和全球的使用已經(jīng)增加了其污染環(huán)境的趨勢。大量的石油泄漏威脅陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)，因此，人們把目光聚焦到對生態(tài)友好且具有成本效益的清理方法上。

1.2研究的正當(dāng)性

必須注意的是，隨著對液體石油需求的增加并不會減少漏油事件的發(fā)生。雖然已經(jīng)建立了幾種用于凈化海洋環(huán)境的溢油修復(fù)技術(shù)。但它們中的大多數(shù)被證明是不具有成本效益的，對環(huán)境不友好的，因此是不可持續(xù)的。所以，一個(gè)迅速、高效和可持續(xù)發(fā)展控制措施的出現(xiàn)是必要的。

生物修復(fù)是使用親油性微生物清理漏油的方法之一。生物修復(fù)利用活的有機(jī)體，例如用細(xì)菌和真菌將復(fù)雜的化合物降解為簡單的化合物。

自然發(fā)生的生物修復(fù)也被稱為自然衰減，但它通常太慢以至于難以滿足石油泄漏后環(huán)境的即時(shí)需求。因此，已經(jīng)通過嘗試各種增強(qiáng)技術(shù)來提高這個(gè)過程的效率。其中包括生物反應(yīng)器、生物曝氣、生物啜食、生物刺激和生物強(qiáng)化。

2 原油的生物修復(fù)策略

目前正在探索一些生物修復(fù)策略，將簡要描述這些策略，也將詳細(xì)討論它們的應(yīng)用和潛在成功的細(xì)節(jié)。

2.1 生物反應(yīng)器

生物反應(yīng)器是具有混合裝置的反應(yīng)室。它是一種易地生物修復(fù)技術(shù)，提供了直接控制環(huán)境生物降解的營養(yǎng)因子（如氧氣、水分、養(yǎng)分、pH甚至微生物種群）。通過將被烴類污染的土壤添加到生物反應(yīng)器室中，并周期性混入氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)，以加速生物的降解。

生物反應(yīng)器大約有6種，即流化床，塞流式，淹沒式固定片，序批式、液相式、氣相反應(yīng)器。后兩種是最常見的類型。

生物反應(yīng)器作為一種高效生物修復(fù)策略，它的發(fā)展前景在一些研究中得到了證實(shí)，但生物反應(yīng)器的使用也存在相關(guān)的問題，如污染土壤的開挖或在地下水處理場地抽取污染物，它們的效益都極其低下，而生產(chǎn)有毒污泥作為生物反應(yīng)器的副產(chǎn)品，需要進(jìn)一步的處理，從而會增加運(yùn)營成本。

2.2生物曝氣

生物通風(fēng)是一種專為凈化土壤滲流或非飽和區(qū)設(shè)計(jì)的原位生物修復(fù)技術(shù)。該技術(shù)完全依賴于本土親油性微生物，通過占據(jù)非飽和帶對泄漏在土壤中的石油進(jìn)行好氧分解。

生物通風(fēng)分為兩種類型：主動型和被動型。在被動通風(fēng)中，注入式井中的氧氣是通過大氣壓力提供的，而在主動通風(fēng)中，氧氣通過風(fēng)機(jī)或泵是被迫加入的。生物通風(fēng)技術(shù)并不會凈化位于飽和區(qū)的毛細(xì)管邊緣和地下水，這就是生物注氣法的重要性。

生物曝氣法也是一種直接針對飽和區(qū)（地下水位以下的區(qū)域）而設(shè)計(jì)的原位生物修復(fù)策略。飽和區(qū)的土著親油性微生物同樣需要營養(yǎng)和氧氣去促進(jìn)地下水位的好氧生物降解。

如果揮發(fā)性碳?xì)浠衔锎嬖谟谕寥乐校瑑煞N生物修復(fù)技術(shù)有時(shí)是可以與SVE結(jié)合的。這些策略的主要優(yōu)點(diǎn)是，它們可以很容易設(shè)置并且具有成本效益。然而，即使當(dāng)氧氣和營養(yǎng)同時(shí)供給時(shí)，它們對重質(zhì)石油烴的降解還是太慢了。

2.3 生物啜食

生物啜食技術(shù)是一種相對較新的原位生物修復(fù)策略，它結(jié)合了生物通風(fēng)使用的免費(fèi)產(chǎn)品回收系統(tǒng)。該方法實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)目標(biāo)的同時(shí)修復(fù)一通過空氣噴射和SVE進(jìn)行包氣帶好氧微生物降解，以及通過雙泵來移除從毛細(xì)管邊緣和地下水位浸透到輕質(zhì)非水相液體中。

使用真空增強(qiáng)泵（也稱吸食管）以及摻入的生物通風(fēng)土壤氣相抽提（Soil Vapor Extraction，SVE）系統(tǒng)取代雙泵，這有助于從包氣帶和地下水位增加氣相和游離相石油產(chǎn)品的回收率。吸食管中的混合料（氣相油產(chǎn)品，游離相油產(chǎn)品和一些地下水）是由地上生物啜食系統(tǒng)中的油水艙和汽液艙分開的。由于生物啜食技術(shù)并不直接處理飽和區(qū)，所以地下水中部分殘留的石油并未被回收。

2.4 生物刺激

生物刺激是一種原位生物修復(fù)策略，為了“刺激”土著微生物去分解更多的原油，它給烴類污染場地供給營養(yǎng)（主要是氮和磷）之所以使用這種生物修復(fù)策略，是因?yàn)闊N類物質(zhì)的代謝受限于養(yǎng)分供應(yīng)的有效性；因此通過提供所需的營養(yǎng)物，微生物降解烴的速率有望增加。

在降解烷烴、苯系物和多環(huán)芳烴上，生物刺激效應(yīng)己被廣泛接受，并且是具有成本效益的技術(shù)，因?yàn)樗恍枰_挖受污染的土壤或?qū)⑽廴镜乃D(zhuǎn)移到處理設(shè)施中。但是，在水生環(huán)境中，高濃度的營養(yǎng)環(huán)境中可能會導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化。

此外，生物刺激的成功在很大程度上取決于地理、水體和其他被污染的場地環(huán)境的特異性。因此，在實(shí)驗(yàn)室的生物調(diào)查可能沒有在污染場地調(diào)查那么可靠。

2.5生物強(qiáng)化

生物刺激是一種原位生物修復(fù)技術(shù)，為了增強(qiáng)微生物在現(xiàn)場的降解，包括對土著微生物或在污染場地培養(yǎng)外源性親油微生物。它是一種用于土壤和水面溢油清理的技術(shù)。

然而，由于現(xiàn)場條件和污染區(qū)域生態(tài)的特異性，外源微生物在污染場地常常無法與當(dāng)?shù)氐奈⑸锔偁帯＠?，?jù)Bento等報(bào)道，向被柴油污染的土壤中添加微生物菌群（長灘土樣），每周降解58%的污染物，但在香港的土樣中，可能是由于土壤的性質(zhì)不同，自然衰減很成功但所引入微生物的適應(yīng)性卻很差。

3 清理地表溢油建議

3.1 生物刺激處理石油烴類生物

通過在石油污染場地應(yīng)用表面活性劑和營養(yǎng)物質(zhì)（生物刺激），可實(shí)現(xiàn)對重質(zhì)多環(huán)芳烴的快速生物降解，因?yàn)槟抢镉写罅康挠H油微生物。生物表面活性劑會增加碳?xì)浠衔锏纳锢枚龋臓I養(yǎng)也會鼓勵(lì)肆虐性的生物降解。

處理石油烴類的生物表面活性劑被認(rèn)為是最有效的，并且與大多數(shù)生物修復(fù)策略都是兼容的。因此，應(yīng)進(jìn)行更多的現(xiàn)場試驗(yàn)以及調(diào)查方式，研究怎樣在工業(yè)上以最低成本去生產(chǎn)。還應(yīng)該調(diào)查的是超高產(chǎn)微生物菌株的生物技術(shù)并且研究這種遺傳方法的成本，實(shí)用性和安全性。

3.2 生物啜食法和生物注氣法清理好氧生物

生物啜食法和生物注氣法是專門設(shè)計(jì)于獨(dú)立清理飽和（地下水）和不飽和（滲流）區(qū)的生物修復(fù)技術(shù)。為了同時(shí)提高滲透性土壤中非飽和帶的生物降解能力，就有了把這兩種策略結(jié)合起來的一種新的方法，被稱為“生物啜食”。

該組合工藝具有提取不溶性輕質(zhì)烴的潛力，通過從地下水面上分離出來的吸食管向SVE處理室輸送氣相烴類，將含有三元產(chǎn)品（氧氣、生物表面活性劑和營養(yǎng)素）的注入管道插入地下水，來促進(jìn)飽和區(qū)重質(zhì)烴化合物的好氧生物降解。

生物啜食是一個(gè)不太復(fù)雜的策略，與使用生物反應(yīng)器相比，建立起來可能相對便宜。然而，生物啜食技術(shù)只是種理論性的假設(shè)，因此，需要成本分析和現(xiàn)場試驗(yàn)來證明它的有效性和可持續(xù)性。

3.3 生物強(qiáng)化技術(shù)清理石油污染物

不透水的土壤如黏土，其土壤表面保留有石油污染物。生物強(qiáng)化技術(shù)可能是清理地表溢油的有效途徑。這種新的策略是在污染土地表面進(jìn)行機(jī)械攪拌，為提高原油生物利用度，通過加入親油的營養(yǎng)成分和生物表面活性劑，促進(jìn)原油成分快速生物降解。盡管不透水的土壤很可能阻止污染物向地下水區(qū)滲濾，但在污染場地上可以建造溫室，以防止揮發(fā)性有機(jī)化合物污染大氣。

4 結(jié)語

生物修復(fù)方法的應(yīng)用有很多潛在的優(yōu)勢，但單一的生物修復(fù)方法可能無法分解所有原油成分（飽和烴、芳烴、膠質(zhì)和Asphalthenes）。因此，有必要不斷探究綜合性生物整治技術(shù)，來促進(jìn)原油各組分的生物降解。然而，綜合性生物整治技術(shù)還面臨著很多嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，需要政府以及社會各級力量的大力經(jīng)濟(jì)支持與政策幫助，來改善全球石油泄漏污染的不利形勢。