原油的生物修复策略研究

王红燕

摘要：随着对液体石油需求的增加，人们对可靠且高效的溢油清理技术的需要也是不可避免的。生物修复一直被认为是最符合可持续发展理念的清理技术之一，文章主要介绍原油生物修复的相关策略及优缺点，旨在促进更多综合性的生物整治技术的研发，来改善全球石油泄漏形势，减缓其造成的危害。

关键词：原油；生物修复；海上溢油控制；生物反应器；生物曝气

1 石油研究概述

1.1 研究背景

人类活动导致液态石油烃释放到环境中，造成海洋、沿海水域、海岸线和土地等地的污染。液态石油碳氢化合物是一种天然存在的化石燃料，是由地球地壳中死去形成的有机物质组成的。它们用于合成塑料、化肥、农药和其他石化以及人类生活产品，这大大增加了对这些液体烃的需求。

而液态石油的运输和全球的使用已经增加了其污染环境的趋势。大量的石油泄漏威胁陆地和海洋生态系统，因此，人们把目光聚焦到对生态友好且具有成本效益的清理方法上。

1.2研究的正当性

必须注意的是，随着对液体石油需求的增加并不会减少漏油事件的发生。虽然已经建立了几种用于净化海洋环境的溢油修复技术。但它们中的大多数被证明是不具有成本效益的，对环境不友好的，因此是不可持续的。所以，一个迅速、高效和可持续发展控制措施的出现是必要的。

生物修复是使用亲油性微生物清理漏油的方法之一。生物修复利用活的有机体，例如用细菌和真菌将复杂的化合物降解为简单的化合物。

自然发生的生物修复也被称为自然衰减，但它通常太慢以至于难以满足石油泄漏后环境的即时需求。因此，已经通过尝试各种增强技术来提高这个过程的效率。其中包括生物反应器、生物曝气、生物啜食、生物刺激和生物强化。

2 原油的生物修复策略

目前正在探索一些生物修复策略，将简要描述这些策略，也将详细讨论它们的应用和潜在成功的细节。

2.1 生物反应器

生物反应器是具有混合装置的反应室。它是一种易地生物修复技术，提供了直接控制环境生物降解的营养因子（如氧气、水分、养分、pH甚至微生物种群）。通过将被烃类污染的土壤添加到生物反应器室中，并周期性混入氧气和营养物质，以加速生物的降解。

生物反应器大约有6种，即流化床，塞流式，淹没式固定片，序批式、液相式、气相反应器。后两种是最常见的类型。

生物反应器作为一种高效生物修复策略，它的发展前景在一些研究中得到了证实，但生物反应器的使用也存在相关的问题，如污染土壤的开挖或在地下水处理场地抽取污染物，它们的效益都极其低下，而生产有毒污泥作为生物反应器的副产品，需要进一步的处理，从而会增加运营成本。

2.2生物曝气

生物通风是一种专为净化土壤渗流或非饱和区设计的原位生物修复技术。该技术完全依赖于本土亲油性微生物，通过占据非饱和带对泄漏在土壤中的石油进行好氧分解。

生物通风分为两种类型：主动型和被动型。在被动通风中，注入式井中的氧气是通过大气压力提供的，而在主动通风中，氧气通过风机或泵是被迫加入的。生物通风技术并不会净化位于饱和区的毛细管边缘和地下水，这就是生物注气法的重要性。

生物曝气法也是一种直接针对饱和区（地下水位以下的区域）而设计的原位生物修复策略。饱和区的土著亲油性微生物同样需要营养和氧气去促进地下水位的好氧生物降解。

如果挥发性碳氢化合物存在于土壤中，两种生物修复技术有时是可以与SVE结合的。这些策略的主要优点是，它们可以很容易设置并且具有成本效益。然而，即使当氧气和营养同时供给时，它们对重质石油烃的降解还是太慢了。

2.3 生物啜食

生物啜食技术是一种相对较新的原位生物修复策略，它结合了生物通风使用的免费产品回收系统。该方法实现了两个目标的同时修复一通过空气喷射和SVE进行包气带好氧微生物降解，以及通过双泵来移除从毛细管边缘和地下水位浸透到轻质非水相液体中。

使用真空增强泵（也称吸食管）以及掺入的生物通风土壤气相抽提（Soil Vapor Extraction，SVE）系统取代双泵，这有助于从包气带和地下水位增加气相和游离相石油产品的回收率。吸食管中的混合料（气相油产品，游离相油产品和一些地下水）是由地上生物啜食系统中的油水舱和汽液舱分开的。由于生物啜食技术并不直接处理饱和区，所以地下水中部分残留的石油并未被回收。

2.4 生物刺激

生物刺激是一种原位生物修复策略，为了“刺激”土著微生物去分解更多的原油，它给烃类污染场地供给营养（主要是氮和磷）之所以使用這种生物修复策略，是因为烃类物质的代谢受限于养分供应的有效性；因此通过提供所需的营养物，微生物降解烃的速率有望增加。

在降解烷烃、苯系物和多环芳烃上，生物刺激效应己被广泛接受，并且是具有成本效益的技术，因为它不需要开挖受污染的土壤或将污染的水转移到处理设施中。但是，在水生环境中，高浓度的营养环境中可能会导致水体富营养化。

此外，生物刺激的成功在很大程度上取决于地理、水体和其他被污染的场地环境的特异性。因此，在实验室的生物调查可能没有在污染场地调查那么可靠。

2.5生物强化

生物刺激是一种原位生物修复技术，为了增强微生物在现场的降解，包括对土著微生物或在污染场地培养外源性亲油微生物。它是一种用于土壤和水面溢油清理的技术。

然而，由于现场条件和污染区域生态的特异性，外源微生物在污染场地常常无法与当地的微生物竞争。例如，据Bento等报道，向被柴油污染的土壤中添加微生物菌群（长滩土样），每周降解58%的污染物，但在香港的土样中，可能是由于土壤的性质不同，自然衰减很成功但所引入微生物的适应性却很差。

3 清理地表溢油建议

3.1 生物刺激处理石油烃类生物

通过在石油污染场地应用表面活性剂和营养物质（生物刺激），可实现对重质多环芳烃的快速生物降解，因为那里有大量的亲油微生物。生物表面活性剂会增加碳氢化合物的生物利用度，它的营养也会鼓励肆虐性的生物降解。

处理石油烃类的生物表面活性剂被认为是最有效的，并且与大多数生物修复策略都是兼容的。因此，应进行更多的现场试验以及调查方式，研究怎样在工业上以最低成本去生产。还应该调查的是超高产微生物菌株的生物技术并且研究这种遗传方法的成本，实用性和安全性。

3.2 生物啜食法和生物注气法清理好氧生物

生物啜食法和生物注气法是专门设计于独立清理饱和（地下水）和不饱和（渗流）区的生物修复技术。为了同时提高渗透性土壤中非饱和带的生物降解能力，就有了把这两种策略结合起来的一种新的方法，被称为“生物啜食”。

该组合工艺具有提取不溶性轻质烃的潜力，通过从地下水面上分离出来的吸食管向SVE处理室输送气相烃类，将含有三元产品（氧气、生物表面活性剂和营养素）的注入管道插入地下水，来促进饱和区重质烃化合物的好氧生物降解。

生物啜食是一个不太复杂的策略，与使用生物反应器相比，建立起来可能相对便宜。然而，生物啜食技术只是种理论性的假设，因此，需要成本分析和现场试验来证明它的有效性和可持续性。

3.3 生物强化技术清理石油污染物

不透水的土壤如黏土，其土壤表面保留有石油污染物。生物强化技术可能是清理地表溢油的有效途径。这种新的策略是在污染土地表面进行机械搅拌，为提高原油生物利用度，通过加入亲油的营养成分和生物表面活性剂，促进原油成分快速生物降解。尽管不透水的土壤很可能阻止污染物向地下水区渗滤，但在污染场地上可以建造温室，以防止挥发性有机化合物污染大气。

4 结语

生物修复方法的应用有很多潜在的优势，但单一的生物修复方法可能无法分解所有原油成分（饱和烃、芳烃、胶质和Asphalthenes）。因此，有必要不断探究综合性生物整治技术，来促进原油各组分的生物降解。然而，综合性生物整治技术还面临着很多严峻的挑战，需要政府以及社会各级力量的大力经济支持与政策帮助，来改善全球石油泄漏污染的不利形势。