不同生物质炭对辽河油田石油污染土壤总烃及各组分修复效果研究

2019-02-26石丽芳李法云王艳杰陈佳勃

生态环境学报 2019年1期

石丽芳，李法云, ，王艳杰, ，陈佳勃

1. 辽宁石油化工大学生态环境研究院，辽宁抚顺 113001；2. 湖南农业大学资源环境学院，湖南长沙 410128

当今世界原油年产量高达40亿吨，2017年中国原油产量为1.915亿吨（萧芦，2018）。在开采、运输、储存等过程中，原油及其制品进入土壤，造成环境污染（王林昌，2009）。据2014年环境保护部发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，所调查的 13个采油区的 494个点位，超标率高达23.6%，主要污染物为石油烃。中国陆地产油约占76%，东北地区主要分布有大庆油田和辽河油田，已有研究表明，大庆油田采油厂近井口区域土壤中总石油烃质量分数高达246.17 g·kg-1，辽河油田采油厂附近土壤中总石油烃质量分数为9.62 g·kg-1。中国油田土壤在不同程度上都存在石油污染，包括存有300多万吨遗留油泥的新疆油田、受污染面积高达7.2万平方米的中石化西北油田分公司阿克苏地区，多家石油企业已被列入国家重点污染监控名单。石油是一种组成复杂的混合物，落地破坏土壤生态系统，渗透污染地下水体，挥发降低空气质量（詹研，2008），其组分可通过食物链进入人体，威胁身体健康（Alebeleve et al.，2017），石油污染土壤的修复与治理已经引起极大关注。

石油污染土壤修复主要有物理、化学和生物方法，其中生物修复技术以其绿色环保、无二次污染且投入较低等多种优势受到环境科学工作者的广泛关注（卢桂兰等，2011；杨茜等，2015；Xie et al.，2018）。近年来，生物炭作为一种新型功能性材料在国内外石油污染土壤修复研究中得到较好应用（刘亮，2015；Karppinen et al.，2017）。生物炭对石油污染土壤的修复机理主要为两个方面：施用生物炭可改善土壤理化性质（房彬等，2014），促进石油污染物质自然降解；优化微生物生长环境，调控土壤营养元素，滋养土著微生物，从而促进石油烃的微生物降解（张又弛等，2015）。目前，生物炭在石油污染土壤修复中的应用大多集中在生物炭对土壤有机质和土壤结构参数的改善，微生物活性、群落结构变化（Wu et al.，2017；卜晓莉等，2014），多种酶活性变化（陈心想等，2014），以及生物炭对有机污染物质的吸附机制研究（Ni et al.，2018；姜媛，2017）等方面，本研究则对土壤中总石油烃及各组分的去除效果进行研究，以期丰富生物炭在石油污染土壤中的应用研究。

中国东北地区农林生物质资源丰富，秸秆年可利用量高达1.59亿吨，大量秸秆未得到合理利用而被焚烧（张崇尚等，2017）。2017年环境保护部卫星监测显示，东北地区焚烧火点持续增加，造成环境污染、资源浪费，存在安全隐患。玉米（Zea mays）秸秆、芦苇（Phragmites australis）秸秆以及松针（Pinus armandi）均为东北地区常见农林废弃物（马骁轩等，2016）。

本研究对比不同生物质炭的物理化学性质差异，通过修复试验体现不同种类生物炭对土壤总石油烃及各个组分烃类的去除效果，为生物质材料的筛选提供可靠依据，对东北地区辽河油田石油污染土壤修复具有实际意义。

1 材料与方法

1.1 土样采集与处理

土壤样品采自辽宁省盘锦市辽河油田采油井区，将采集后的土壤样品置于阴暗处自然风干，研磨后过 10目筛，收集于保鲜盒中密封储存。土壤孔隙度为39.507%，持水量为12.137%（王艳杰等，2018）。土壤样品的总石油烃含量测定采取超声-萃取重量法（朱文英等，2014）；将总石油烃用正己烷溶解后过层析柱，测定各组分含量，测定结果如表1所示。

表1 土壤总烃及各组分含量Table1 Total petroleum hydrocarbons and main components in the sample soil g·kg-1

1.2 生物炭的制备

生物质材料：玉米秸秆采自辽宁省盘锦市辽河油田附近农田，芦苇采自辽宁省盘锦湿地，松针采自辽宁省抚顺市新宾县林区。生物质材料去杂质，用离子水洗去粘附物质，自然风干后切成3－5 cm段状，于60 ℃烘箱内烘干3 h，粉碎后过60目筛，密封储存。

生物炭制备：采用高温裂解氧化法（房彬等，2014），将生物质材料装入陶瓷坩埚，压实，加盖并置于气氛炉（KBF11Q，南京南大仪器有限公司）中，炉内抽真空，通水泵，以5 ℃·min-1的速率升温至300 ℃，恒温热解3 h，而后自然冷却至室温。取出所制得的生物炭，称量，计算生物炭产率。将生物炭研磨后过 60目筛，装入自封袋中，置于干燥器中储存。用松针和芦苇、玉米秸秆生物质材料制得的生物炭分别记为S300、L300和Y300。

1.3 修复试验设计

试验共设置 4个处理组（见表 2），CK为对照处理组，即石油烃及各组分在适宜条件下的自然降解。在土壤样本中添加玉米秸秆（T1）、芦苇秸秆（T2）、松针生物炭（T3），生物炭比例为风干土重的5%。生物炭和石油污染土壤搅拌均匀后装入培养盆，放入培养箱内，昼夜切换，保持土壤水分含量为50%，给予光照，定期翻土。设置4期修复试验，每10天为1期，称取10 g风干土样测定其中总石油烃及各组分含量，每处理组做 3次重复。

表2 不同处理组设置Table2 Different treatment groups

1.4 生物炭性质测定与表征

生物炭产率计算：

式中，W 为生物炭产率（%）；m1为制得生物炭质量（g），m2为生物质材料质量（g）。

生物炭pH值测定：取2.50 g生物炭置于含有50 mL超纯水的100 mL锥形瓶中充分混合，密闭缓和煮沸10 min，将过滤后的余液冷却至室温后用pH计测定pH值；

生物炭灰分测定：参照《GB/T12496.3—1999木质活性炭试验方法——灰分含量的测定》。

测定生物炭比表面积（BET），使用电镜扫描观察生物炭表面形态特征，傅立叶红外光谱仪（FTIR）测定分析表面官能团，EDS能谱分析生物炭中C、N、H、O元素组成。

1.5 总石油烃及各组分含量测定

土壤总石油烃含量测定：采用超声-萃取重量法（朱文英等，2014），取10 g风干土样装入50 mL离心管中，加入20 mL二氯甲烷溶剂，在60 W、30 ℃条件下超声萃取 15 min，4000 r·min-1、30 ℃离心10 min，将上清液倒入100 mL已恒重锥形瓶，此步骤重复3次。将锥形瓶中总石油烃溶液于54 ℃下水浴蒸发，54 ℃烘至溶剂全部挥发，称质量，计算总石油烃含量。

石油烃中饱和烃、芳香烃及非烃类物质组分含量测定（朱文英等，2014）：将上述总石油烃用正己烷溶解，硅胶氧化铝层析柱分离，规格为 10 mm×60 mm，填充物活化后湿法装柱，柱内填充物质由下而上依次装入无水硫酸钠、活性硅胶、活性氧化铝和无水硫酸钠，厚度分别为1、12、6、1 cm。其中饱和烃、芳香烃和非烃类物质分别用20 mL正己烷、50 mL 1∶1体积的正己烷/二氯甲烷和50 mL甲醇洗脱，采用质量法计算含量。

2 结果与分析

2.1 生物炭理化性质分析

相同热解温度和制备时间条件下玉米、芦苇秸秆生物炭和松针生物炭的基本理化性质见表 3。生物炭产率：L300＞S300＞Y300，其中芦苇秸秆生物炭的灰分含量最低，为 6.7%，表明在 300 ℃条件下芦苇秸秆转化为气体和灰分的损失最少。3种生物炭均呈碱性，其中芦苇秸秆生物炭的pH值明显高于另外两种生物炭。

表3 不同生物质炭的产率、灰分、pH值Table3 Productivity, ash and pH of different biochars

表4 不同生物质炭的比表面积及元素组成Table4 BET and elemental compositions of different biochars

由表3可知，芦苇秸秆生物炭比表面积是松针生物炭比表面积的9倍，玉米秸秆生物炭比表面积也较高，松针生物炭未能检测出 TPV（孔隙度），这对生物炭的吸附能力有重要影响。生物炭富含多种元素，其中C、H、N、O构成了其基本骨架结构（Lehmann et al.，2015）。由表4可知，芦苇秸秆生物炭的C含量高达66.37%，玉米秸秆生物炭C含量最低（64.29%），3种生物炭C含量均大于60%。研究表明将生物炭添加到作物土壤中可显著增加土壤有机碳和总氮含量（Wang et al.，2015)，其碳组分极少参与C循环，具有较高的抗分解性和热稳定性，可作为土壤长期碳库（Woolf et al.，2010）。其对土壤酶、微生物活性的影响是高度可变的，在土壤中添加生物炭可作为提高土壤质量和作物产量的有效策略（Nelissen et al.，2014）。通过计算原子比H/C、O/C和(O+N)/C，分别表征生物炭的芳香性、亲水性和极性（张峥嵘，2014）。芦苇秸秆生物炭较低的O/C和(O+N)/C表明其亲水性和极性较弱，与其他两种生物炭相比较熟化程度较高。H/C表现为芦苇秸秆生物炭＞松针生物炭＞玉米秸秆生物炭，表明芦苇秸秆生物炭性质最为稳定。

2.2 生物炭扫描电镜观察

生物炭电镜扫描结果如图1所示，芦苇秸秆生物炭具备明显的管状结构，截断面孔隙结构呈蜂窝状，排列紧密无规则，大小各异且具有一定的深度。其中大孔为限氧裂解过程中碳骨架相互交错而成，较小孔隙则多为有机分子的释放。玉米秸秆生物炭也可见孔隙轮廓，部分孔隙内部覆有碎片，但在大小、数量及排列上与芦苇秸秆生物炭差异显著。松针生物炭呈规则层状，未能体现孔隙结构，这与孔隙度检测结果相符。

2.3 生物炭红外光谱分析

利用FTIR对生物炭表面官能团进行分析，结果表明，3种生物炭的特征吸收峰基本相同，但松针生物炭与玉米和芦苇秸秆生物炭存在明显差异。3种生物炭在3410 cm-1附近出现的较宽吸收峰由羟基-OH伸缩振动产生，L300和Y300在此处峰强较弱，说明其炭化较完全；指纹区 1085、899和779 cm-1附近的吸收峰由酯基上C-O和苯环上C-H振动产生，L300和Y300在此处吸收峰较强，即芳香性结构较多。玉米秸秆生物炭Y300和芦苇秸秆生物炭L300均在2935 cm-1处存在明显有机质脂肪性-CH2的伸缩振动；松针生物炭在 1710 cm-1附近的吸收峰说明可能有羧基-COOH和羰基C=O等含氧官能团的存在，在 1605 cm-1处出现较强C=C吸收峰，且在1432 cm-1、1242 cm-1附近出现脂肪族C-O-C和酚类C-O的吸收峰。相比之下，玉米秸秆生物炭和芦苇生物炭在1800－1100 cm-1之间官能团的种类和数量较少，说明这两种生物炭具有较少高化学活性的含氧官能团，稳定性更强，与生物炭元素组成结果分析一致。

图1 不同生物炭的扫描电镜Fig.1 SEM images of different biochars

图2 不同生物炭红外图谱Fig.2 FTIR spectra of the different biochars

图3 不同修复时期总石油烃去除率Fig.3 Removal rate of TPH in soil during different period

2.4 石油污染土壤生物炭修复后总石油烃及各组分含量变化

在整个修复试验过程中，CK处理组总石油烃质量分数由初始值 9.62 g·kg-1降低到 7.08 g·kg-1，总石油烃去除率为 23.03%，其中包括石油烃的氧化、挥发和生物降解等。由图3可知，在修复初期，CK处理组总石油烃去除率提升较缓慢，此时微生物生长处于适应阶段，微生物需要在繁殖、变异等过程中通过逐渐适应环境变化来提高自身活性，最终形成以有机污染物质为碳源的吸收和代谢过程，将石油烃转化为无毒害的无机物。经过 40 d的修复，在添加了不同生物炭的3个处理组（T1、T2、T3）中，总石油烃浓度由初始值9.62 g·kg-1降到5.62－6.92 g·kg-1，总石油烃去除率为28.15%－41.58%，与CK处理组相比均有所提高。当修复进行到第10天，芦苇秸秆生物炭处理组的去除率分别较玉米秸秆生物炭、松针生物体内处理组高出6.9%和10.2%，并且随着修复时间延长，差距逐渐增大。

由图4可知，修复第10天左右，T2处理组饱和烃去除率上升趋势最明显，质量分数由初始值5.27 g·kg-1降至 4.16 g·kg-1，去除率达到 21.07%，T1和T3处理组饱和烃浓度具有相同变化趋势。在修复第20天左右，各处理组饱和烃去除率差值达到最大，其中芦苇秸秆生物炭处理组与对照组去除率差值达到26.89%。在修复进行到第30－40天，各处理组去除率增长趋于平缓，饱和烃与石油烃中其他物质相比更易被微生物分解利用，在修复前期被微生物优先分解，故修复前期降解速率高于修复后期。由图5可知，经40 d修复试验，芳香烃质量分数由初始值 1.62 g·kg-1降低至 1.23 g·kg-1。芦苇秸秆生物炭处理组修复效果最佳，去除率达到24.07%，玉米秸秆生物炭、松针生物炭处理组去除率分别为 10.49%和 8.02%，是对照处理组的 2倍左右。芳香烃类物质分子结构较复杂，需经降解才能被微生物直接利用，其浓度降低主要是高度芳香化的生物炭对芳香烃的吸附作用。由图6可知，非烃类物质在不同处理组的整个修复过程中，去除率均保持最低状态，其中T2处理组效果最好，非烃类物质质量分数由初始值 2.62 g·kg-1降至 2.21 g·kg-1，去除率为16.29%。非烃类物质作为石油污染物质中最难降解的组成部分，易造成大量残留，影响微生物生长与群落构建，添加生物炭有利于疏松土壤结构，流通氧气，促进非烃类物质的去除，降低残留。

图4 不同修复时期饱和烃类去除率Fig.4 Removal rate of saturated hydrocarbon in soil during different period

图5 不同修复时期芳香烃类去除率Fig.5 Removal rate of aromatic hydrocarbon in soil during different period

图6 不同修复时期非烃类物质去除率Fig.6 Removal rate of non-hydrocarbon in soil during different period

3 讨论

在限氧裂解过程中，3种生物炭表面形成大量孔隙结构，比表面积增大，芦苇秸秆生物炭性质突出。生物质材料是影响生物炭结构、性质的重要因素（Zhao et al.，2017）。各生物质炭具有不同的孔隙大小及分布规律，这决定了其在改善土壤孔隙结构、氧气疏通及保水保肥的性能中存在差异（张峥嵘，2014）。同时，在土壤中添加生物炭可持续降低土壤养分淋洗量（Laird et al.，2010；王萌萌等，2013）。Chen et al.（2017）在实验室开展小型堆肥试验研究不同生物质生物炭减少堆肥气体排放的能力和机制，表明生物炭比表面积、孔隙体积与其吸附能力显著相关。

石油污染土壤中总石油烃是由多种烃类组成的复杂混合物质，土壤对石油烃的有限吸附致使过量的石油烃仍滞留于土壤孔隙中，经过长时间在土壤中的扩散运动和沉淀，已经形成较稳定状态。本试验结果显示，在总石油烃的不同组分中，饱和烃类物质的去除率最高，芳香烃去除率仅低于饱和烃，非烃类物质由于其自身难降解的特性，去除率最低。石油污染物质破坏微生物生长环境、限制其生长繁殖，导致微生物活性降低、多样性减少（甄丽莎等，2015）。研究表明生物炭可有效改善土壤理化性质（Deng et al.，2017），间接影响土壤生物性质（张又弛等，2015）。王艳杰等（2018）研究发现，在辽河油田石油污染土壤中添加生物炭60 d后，土壤容重降低、孔隙度明显增加、田间持水量增加9.903%，土壤总氮和总磷含量均有所提高，土壤中微生物数量为修复前原土壤样品的2倍左右。微生物是土壤有机物质转化与分解的重要参与者，生物炭对土壤理化性质的改善具有长期性（姚钦，2017）。

对照组的修复效率主要来源于在修复过程中给予石油污染土壤良好的外在条件，包括温度、光照和水分，增强了土壤土著微生物活性。定期的土壤翻耕有助于氧气疏通，同时重新分布石油烃类物质，为微生物与石油烃类物质提供更多的接触机会（孔露露等，2016），从而促进石油烃的微生物降解。在T1、T2、T3中，总石油烃及各组分降解效果均有所提高。各石油烃组分呈现出不同降解规律，通常情况下，结构简单、分子量小的有机物最先降解，直链烃比环烃易降解。其中添加芦苇秸秆生物炭的T2处理组修复效果最好，这与芦苇秸秆生物炭紧密排列的孔隙结构、较大的比表面积、C/O和高芳香化等性质密切相关。