某煉油廠土壤和地下水污染特征及生物修復技術研究

楊均明

（中山市東鳳鎮生態環境保護局，廣東 中山 528400）

長期生產和使用不同的石油衍生品會對加工和處理設施周圍的土壤造成廣泛的污染，例如，由井噴、儲罐泄漏和傾倒廢棄石油產品引起的石油泄漏，導致土壤中石油碳氫化合物的負荷升高，土壤質量顯著下降，使其不適合農業使用[1]。土壤修復主要涉及風險評估和修復策略，需要從化學成分、毒性和理化性質（揮發性、水溶性、可降解性）方面對土壤污染進行表征[2]。從分析的角度來看，風險評估的質量和土壤修復成功的機會將隨著表征水平的提高而提高。為控制石油產品帶來的環境風險，我國出臺了各種新法規，同時加強了污染土壤的生物修復研究[3]。

生物修復技術是處理總石油烴（TPH）污染土壤的有效方法。這些技術在經濟上和技術上都很有吸引力，在處理受有機化合物，特別是石油碳氫化合物污染的土壤方面顯示出良好的前景[4]。通過這種方法降解碳氫化合物受到生物表面活性劑的影響，因為它們增加了污染物在水相中的溶解度，并通過增加細胞表面疏水性改變了微生物細胞與碳氫化合物之間的親和力[5]。

考慮到這些石油產品泄漏所造成的經濟損失、環境問題、對人體健康的影響、社會弊端等，迫切需要對這些污染源進行修復。本文旨在詳細研究煉油廠對土壤和地下水的污染，并研究當地微生物對高度石油污染場地的生物修復的適用性。

1 材料與方法

1.1 土壤及地下水取樣

本文選擇了17 個可用于地下水采樣和揮發性有機碳（VOC）等參數監測的點進行實驗。測試面積約36 km2，采樣點分布基本覆蓋整個區域，特別是煉油廠所在地。隨后，通過分析土壤和地下水樣來測量污染的程度和類型。

1.2 土壤分析

1.2.1 總石油烴（TPH）測定

本次調查采用土壤取樣孔采集的樣品對土壤含油量進行定量分析。利用索氏儀、分光光度計等儀器，以二氯甲烷（DCM）提取的土壤中TPH（質量分數）計算土壤的油污染程度。

該方法通過在二氯甲烷中制備不同濃度的油溶液，并利用紫外可見光譜測量其在400 nm 處的光吸收度，制備了校準曲線。TPH 質量分數由整個土壤樣品提取測定。采用二氯甲烷溶劑萃取法測定了土壤中油的含量。將DCM（5 mL）加入0.2～2 g 洗凈的土壤（干）中，置于5 mL 有蓋的試管中。試管在振動篩上均勻混合1 min，然后以3 000 r/min 的速度離心5 min，之后將原油/DCM提取物收集到25 mL 容量瓶中，用DCM配制至25 mL。然后將油/DCM提取物離心去除溶液中的土壤顆粒。用分光光度計在25 ℃±1 ℃、波長400 nm 處測定上清液吸光度。土壤中油的濃度由25 ℃±1 ℃時油/DCM 溶液的校準曲線和土壤質量確定。標準曲線方程如式（1）所示：

式中：x 為TPH 質量分數；y 為在400 nm 處讀取的吸光度值。

1.2.2 VOC 測量

由于油的揮發，在地面產生揮發性有機物氣體。因此，可以通過檢查VOCs 密度的分布來估計污染的范圍。本次調查旨在通過VOC-201h 傳感器測量地面VOCs 的濃度，并考察其分布，以估計整個區域的污染范圍和污染源。

1.3 地下水分析

地下水取樣后，進行各種表征測試。用重鉻酸鉀法測量化學需氧量（COD）；用ES-51 電導率儀對樣品進行電導率測試；用OCMA-300 含油量分析儀進行含油量測定，考察地下水污染含量及其指標。

1.4 生物修復實驗

在這部分研究中，基于實驗室凈化實驗，對目標區域的生物修復進行了可行性評估，其中使用從該區域的污染土壤中分離出的組合培養物，對現場土壤中平均污染率的油污染土壤進行生物降解。為了評價該方法的適用性，在design Expert 軟件設計的基礎上，采用TORC 污染的表層土壤樣品制備混合菌培養物，進行了一系列實驗。然后，對該組合培養物對現場污染物的生物降解進行了擬合性評價。

1.4.1 細菌生長和培養條件

采 用 1.0 g/L NaNO3、0.5 g/L KH2PO4、0.5 g/L K2HPO4、0.1 g/L MgSO4、0.01 g/L CaCl2、0.001 g/L FeSO4組成的礦物鹽（MS）培養基進行培養。使用NaOH 溶液將培養基pH 調至7.2。最后，將煉油廠回收井的1 mL 油作為碳源添加到滅菌介質中。

本研究中使用的細菌培養物采用以下程序分離：將1 g 受污染的土壤、100 mL MS 培養基和1%（體積分數）的油（作為唯一的碳和能量來源）混合在250 mL燒瓶中。隨后，將1 mL 的接種菌轉移到另一個250 mL的培養瓶中，其中含有100 mL MS 培養基和1 mL 油，在相同條件下再培養24 h，重復5 次。取100 μL 的培養物鋪于瓊脂培養基板上，30 ℃孵育24 h。營養瓊脂培養基板維持在4 ℃。

1.4.2 實驗設計

使用Design Expert 7 進行實驗設計和所有統計分析。采用方差分析（ANOVA）來確定回歸和因素的顯著性。方差分析也用于評估適當的測量參數之間的差異。設計表如表1 所示。

1.4.3 土壤泥漿

為了模擬該地區土壤的平均污染程度，將10 g被3%油污染的篩分土壤（2 mm）樣品懸浮在37.5 mL去離子水中，置于250 mL 燒瓶中。以生物修復應用推薦的最佳n（C）∶n（N）∶n（P）=100∶10∶1 添加氮和磷，為微生物活性提供營養物質。此外，根據設計表（見表1），從污染土壤和城市活性污泥中分離出2.5 mL 的微生物，MLSS 為12 g/L，用無菌生理鹽水（0.89%NaCl）在600 nm 處將光密度調至1，加入燒瓶中作為接種菌。根據設計表，將SDS 表面活性劑（十二烷基硫酸鈉）、葡萄糖等加入燒瓶（見表1）。同時使用一個無接種瓶作為非生物對照。根據表1，泥漿在25 ℃和30 ℃和140 r/min 下孵育12 d 和24 d。采用紫外光譜法測定TPH 質量分數，并根據校正曲線進行校正。TPHs 的生物耗損百分比（D）由式（2）得到：

式中：TPH對照為對照中TPH 的量；TPH實驗為各處理中TPH 的量；TPH初始為土壤中TPH 的初始量。

2 結果與分析

2.1 地下水污染

2.1.1 COD 分析結果

我國污水排放標準規定，農業用水的COD 值低于200 mg/L，排放到地面或地下的水，COD 值應小于100 mg/L。如表2 所示，在該區域分布的17 個采樣點中，只有2 個樣品的濃度高于標準水平（100 mg/L）。表2 中第4 點的COD 最高，由于該點靠近其中一條管道，可能是由于這條管道泄漏造成了這一范圍的污染。

2.1.2 電導率測量結果

一般情況下，當水中溶解離子較多時，就容易通過電流，電導率就會上升。因此，通過測量電導率，可以大致比較水中溶解離子的總量。石油污染地面的電阻率降低，導電性增大，這是地面油的普遍特性。當地面油飽和時，根據油的電特性，電導率降低（電阻率變高）。但隨著時間的推移，污染油可能被微生物分解，電阻率降低。因此，根據電導率（電阻率）的差異，可以估計出油污區域的范圍。從表2 可以看出，在該區域內，所有樣品的電導率都高于河流平均值（100 μS/cm），說明污染在整個區域是分散的。

2.1.3 含油量結果分析

根據我國污水標準，地表水、地下水和農業用水的廢水含油量上限為10 mg/L。如表2 所示，在該地區，最高檢出300 mg/L 的含油量。從水質分析結果推測，農用水水質超標。此外，污染水平大大超過了調查地區的環境標準。根據樣品的分析結果可以推測，樣品是多種油類的混合物，很難確定污染物質。然而，樣品的主要成分可能是汽油、煤油和柴油。從這些結果可以得出結論，煉油廠內部和整個工業區都有污染源。

2.2 土壤污染

2.2.1 VOCs 在該地區土壤中的分布

基于工業建筑的存在，本文將整個區域分為兩個主要組，包括工業區內的區域和工業區外的區域。工業區域外研究區域附近的VOCs 質量分數約為100×10-6，呈大范圍分散分布。由于在這些分散的區域附近鋪設了管道，除了這些管道之外，這些點周圍沒有看到其他石油污染源，因此認為這些管道在過去甚至現在都有泄漏的可能性。相比之下，工業建筑附近的VOCs 質量分數相當高（超過7 000×10-6）。這些分布主要分布在油罐堆場和工業區管道周圍，說明污染源可能是油罐底板、地下埋管、排水坑等。研究區域VOC 值的頻率分布如圖1 所示。

圖1 不同抽樣點位的VOCs 分布頻率

2.2.2 土壤含油量

根據土壤樣品分析和VOCs 濃度測定結果（圖1），研究區域有一個高污染區域，包含不同的工業公司，而在該邊界以外的其他地區有一個低石油污染區域。此外，研究區域的南部和東部也有污染分布，特別是在VOCs 質量分數超過7 500×10-6，地下水油層較厚的地區。因為這個區域靠近主儲罐，所以這個污染可能是因為這個區域的一些儲罐和管道泄漏的問題。

2.3 生物修復研究的方差分析

通過分析發現，在5 個主要因素中，表面活性劑、培養類型和剩余時間3 個因素對TPH 的生物降解有顯著影響，p 值<0.05（見表3）。這些實驗的主要結果驗證了當地微生物對該地區石油污染的生物降解性。因此，利用本地微生物和工程輔助進行生物修復是一種合適的方法，可用于研究區域的凈化。

表3 生物修復實驗結果表

3 結論

本文證明了凈化工業區內水和土壤污染的重要性。在工業領域的各種凈化方法中，生物修復技術是一種較為合適的處理TPH 污染土壤的方法。這些技術在經濟上、政治上和生態上都很有吸引力，在處理被有機化合物，特別是石油碳氫化合物污染的土壤方面顯示出很好的效果。考慮到現場條件，特別是地面煉油設施的存在和保持其持續運行的必要性，最終去除該地區污染石油的最后階段適用方法是生物修復。因此，為了調查現場天然石油降解微生物的存在情況，還進行了其他實驗。實驗結果表明，該地區的原生微生物可以生物降解土壤和地下水中的石油污染物。