土壤有机污染物监测与生物处理措施研究_叶元顺.pdf

第 48 卷第 2 期2023 年 2 月环境科学与管理ENVIONMENTAL SCIENCE AND MANAGEMENTVol.48 No.2Feb 2023收稿日期:2023 02 09作者简介:叶元顺(1984 )，男，硕士，高级工程师，主要从事岩石、土壤、水质中无机元素及有机污染物测试方法研究工作。文章编号:1674 6139(2023)02 0144 06土壤有机污染物监测与生物处理措施研究叶元顺(中国冶金地质总局昆明地质勘查院，云南 昆明 650203)摘要:为了实现污染土壤的微生物修复，研究土壤有机污染物监测与生物处理措施。根据研究区域土壤属性的结构特征优化监测点地理布局，完成土壤有机污染物监测。测定土壤理化性质及有机污染物含量，得到土壤粒级组成、理化性质和石油污染物含量关系;筛选优势微生物菌株，降解土壤中的有机污染物。实验结果表明，真菌在石油有机物污染土壤的生物修复处理中起着重要的降解作用，PH5 的偏酸性条件和 40的温度条件能够加快微生物的降解，提高降解率。生物处理 15 天后，土壤样品中的含油量从 25 1 g/kg 下降到了 1 1 g/kg，较大程度地提高了降解率和二氧化碳累积释放量。关键词:土壤有机污染物监测;土壤样品;优势微生物菌株;生物处理措施;理化性质中图分类号:X833文献标志码:AStudy on Soil Organic Pollutants Monitoring and Biological Treatment MeasuresYe Yuanshun(Kunming Geological Prospecting Institute，China Metallurgical Geological Bureau，Kunming 650203，China)Abstract:In order to realize the microbial remediation of contaminated soil，the monitoring and biological treatment measuresof soil organic pollutants were studied According to the structural characteristics of soil properties in the study area，the study opti-mizes the geographical layout of monitoring points and completes the monitoring of soil organic pollutants It determines the physicaland chemical properties of soil and the content of organic pollutants，and obtains the relationship between the soil particle size com-position，physical and chemical properties and the content of oil pollutants Dominant microbial strains are screened to degrade or-ganic pollutants in soil The experimental results show that fungi play an important role in the bioremediation of soil contaminated bypetroleum organics The slightly acidic condition of PH5 and the temperature of 40 can accelerate the microbial degradation andimprove the degradation rate After 15 days of biological treatment，the oil content in soil samples decreased from 251 g/kg to 1.1g/kg，which greatly improved the degradation rate and the cumulative release of carbon dioxideKey words:soil organic pollutants monitoring;soil samples;dominant microbial strains;biological treatment measures;physi-cochemical properties前言由于人们在过去的很长一段时间内对自然资源有限性的认识程度不够，未对自然资源和环境保护形成重视，向环境中随意排放污染物，在破坏生态平衡的同时对社会经济发展形成了阻碍。因此，如何进行环境保护，维持生态平衡是目前亟待解决的热点问题。土壤在生态环境中有着不可或缺的作用，是农作物生长的根基，若土壤遭到污染，会对农作物造成危害，在人体摄入后不利于身体健康1。除此之外，土壤污染还会引起大气和水环境的二次污染，使生态环境进一步恶化。土壤中的有机污染物是通过人类活动将有机物带入土壤中，其含量远大于土壤的净化和容纳能力，大部分有机污染物降解难度441第 48 卷第 2 期2023 年 2 月叶元顺土壤有机污染物监测与生物处理措施研究Vol.48 No.2Feb 2023大，持续时间久，污染范围广，因此，对土壤中的有机污染物进行生物处理已迫在眉睫2。目前的生物处理技术仍处于研究和发展阶段，生物修复处理效果存在着不稳定性，基于上述问题，文章对土壤有机污染物监测与生物处理措施进行了研究，对促进生物处理技术的发展提供了重要的参考依据，对土壤有机污染的生态系统恢复具有现实意义。1土壤有机污染物监测1 1布设土壤监测点在布设检测点时，首先基于平均最短距离最小化准则，对监测点的地理布局进行优化，并充分考虑研究区域内土壤属性的结构特征，最大程度地运用目前所收集到的相关资料信息，保证监测点均匀分布3。建立监测点地理空间优化的目标函数，具体公式为(1):Dmmsd=1njnji=1d(xi，c(xi)(1)公式中，nj为第 j 个空间分层的监测点数量，xi为第 j 个空间分层内的任意一监测点，c(xi)为与 xi最靠近的监测点，d(xi，c(xi)为 xi与 c(xi)的欧氏距离。监测点的分配采用基于单元面积权重的比例分配法进行，具体计算公式为(2):ni=sis n(2)式中 n 为监测点数量，s 为土壤有机物污染场地采样 2 区的总面积，si为各采样单元分层的总面积，ni为每个采样单元分层分配的监测点个数。结合采样场地的面积，以横向和纵向长度的 1/15 比例作为采样间距，基于分层采样，共设置了 135 个监测点，具体监测点的布设情况见表 1。表 1场地监测点布设情况采样层深度监测点数量0 1 m350 35 m600 5 m40根据表 1 可知文章土壤有机污染物监测点的采样层布设情况，除此之外，监测点的空间位置还包括化验层，通过 studio 编译平台对监测点地理空间进行模拟，得到采样层和化验层的监测点布设的地理布局，并利用 ArcGIS 空间分析模块的识别工具建立采样层深度和化验层深度属性，保证监测点兼顾地理空间和特征空间数据，使监测点布设均匀，并具有代表性4。1 2采集与处理土壤样品本次土壤样品采集所采用的设备包括水平定向取样钻机 1 台，水平钻进导向仪 1 个，水平取样钻具1 套，直推式取样钻机 1 台，垂直取样钻具 1 套，拧卸工具 1 套，若干 PVC 取样管和一捆橡皮管5。钻机经过调试和初步钻进试验，确保运行稳定后进行钻进。将取土钻具钻入土层中，打开外层套管上部推进帽，取出内部钻杆，连接取样内衬管和内部取样钻杆，将其置于套管内，并与外部套管部件和推进缓冲器连接，继续推进钻柱，在阻力不大的条件下通过直推不回转的方式钻进，在阻力较大时调整为回转方式钻进，重复上述操作，获取土壤样品6。采集到的样品用牛皮纸袋包装，并记录采样地点、时间和重量，放置在阴凉处自然风干后再称重，利用 100 目不锈钢网研磨后，将这些样品分别存储在玻璃容器中，并放置于环境温度为 3的冰箱中，便于进行后续的有机污染物含量测定。2生物处理措施2 1测定土壤理化性质及有机污染物含量文章以土壤有机污染物中的石油污染物为测定对象，利用重量法进行含量测定，称取 15 g 土样到烧杯中，并用三氯甲烷进行土壤的热浸处理，其温度为 60，重复 3 次后将滤液过滤到烧杯中，并用水浴锅进行三氯甲烷的蒸熏提取，在土壤样品近干后，将其放入烘干箱，在烘干 1 小时后，放入干燥器中干燥，待冷却后恒重7。土壤中石油污染物含量的计算公式为(3):541第 48 卷第 2 期2023 年 2 月叶元顺土壤有机污染物监测与生物处理措施研究Vol.48 No.2Feb 2023F(mk/kg)=(w1 w2)106V(3)式中w1为烧杯加石油总重量，w2为烧杯重量，V为土样重量。接着进一步测定土壤呼吸强度，判定土壤中二氧化碳累积释放量。在广口瓶中加入一定量的氢氧化钾，再称取 5 g 土壤样品，用纱布进行包装后用绳子系紧，悬挂于瓶中后密闭，一天后取出土壤样品，并向广口瓶中加入过量氯化钡和酚酞指示剂，最后用盐酸滴定，在无色后实现测定8。土壤强度的计算公式为(4):C CO2(g/kg)=(V1 V2)C6MT(4)其中，V1和 V2分别为样品与空白滴定所用的盐酸体积，C 为盐酸浓度，M 为样品重量，T 为天数。接着将土壤样品筛成不同粒级，包括 0.25 mm，0.50 1.00 mm 和 1.00 mm，测定土壤的 pH 值，有机质含量以及水分，最后用二氯甲烷索氏抽提 72 小时，抽提液浓缩干燥后恒重。得到土壤粒级组成、理化性质和石油污染物含量相关系数见表 2。表 2土壤粒级组成、理化性质和石油污染物含量相关系数土壤石油污染物含量(mg/kg)全体土壤样本样本数量135水分(%)0.587*有机质(%)0.831*pH0.0230.250.349粒级组成(%)0.5 1.00.3271.00.412表 2 中，*显著性水平0.01 时，表示标记的相关系数是显著的，土壤粒级不同，石油污染物含量不同，土壤粒级越大，土壤中的石油污染物含量越高。2 2筛选优势微生物菌株将土壤样品根据不同的污染程度分成四级，1级为未被污染土壤、2 级为轻度污染土壤、3 级为中度污染土壤、4 级为重度污染土壤。四种土壤样本的含油量分别为 0%(w/w)、0.55%(w/w)、2 91%(w/w)和 7 89%(w/w)。根据不同污染程度的土壤样品含油量，制定优势微生物菌株筛选的富集分离培养基配方并进行优势菌株的富集分离和鉴定，并筛选降解活性菌株。在无机盐培养基中加入 1%(w/v)污染土壤样品，在摇床中培养，其温度设定为 30，待 3 小时后完成培养。取 1 ml 富集液，重复上述操作 5 次后，分离纯化培养基。纯化后的菌株培养后，制备成菌悬液。在三角瓶中盛放 50 ml 降解用液体培养基，向瓶中加入 1 ml 菌悬液，置于摇床中培养，14 小时后测定含油量，完成对降解活性菌株的筛选。2 3投加微生物制剂生物修复土壤文章采用微生物菌剂、生物营养素、生物表面活性剂和土壤活化剂 4 种物质，制备成生物修复制剂，对含有石油有机污染物的土壤进行生物修复。通过温水对固定在麦麸载体上的菌种进行激活，温度设定为 25左右，菌种与水的比例为 110，经 1 小时浸泡后，将麦麸载体去除，将溶液放置待用。将 4 种物质用清水稀释，稀释比例为 51，在文章生物修复制剂的制备中，设定 4 种物质的不同投加比例，微生物菌剂:生物营养素:生物表面活性剂:土壤活化剂的比例为 157520。根据研究区域内的生物处理面积以及土壤中石油有机污染物的含量确定生物修复制剂的剂量，若含油率低于 10%(w/w)，100 m2的处理面积则需投放4 种物质的剂量分别为1 kg5 kg75 kg20 kg。若含油率高于 10%(w/w)，则按照含油率提高倍数增量相应物质，若含油率高于 15%(w/w)，则需要进行降低土壤含油率的处理。在土壤生物修复处理过程中，初次投加生物修复制剂时一次性将菌种和生物表面活性剂全部投加，其余两种物质的首次投加量分别为总量的 20%(w/w)，混合后完成接种。接下来，每周进行 1 次喷洒，保证土壤的含水率大于 30%，翻耕曝养，待含油率下降到 1%(w/w)后，喷洒频率改成两周一次，直641第 48 卷第 2 期2023 年 2 月叶元顺土壤有机污染物监测与生物处理措施研究Vol.48 No.2Feb 2023到土壤中的石油有机污染物含量下降到要求的指标后结束投加，完成土壤的生物修复处理。3实验结果与分析3 1实验准备及过程为验证文章生物处理措施对含有有机污染物的土壤的生物修复处理的效果，文章进行了土壤有机污染物生物修复处理的室内实验，以土壤有机污染物中的石油为研究对象，土样均来源于研究区域场地，先对加入生物修复制剂接种的土壤降解期间的生物量变化进行考察，取 100 g 土样，待风干后放入烧杯中。并分别在第 3、6、9、12 和第 15 天进行取样，每次取样 10 g，测定土壤石油含量，再称取 5 g土样测定土壤呼吸强度。为进一步分析文章方法对土壤生物修复处理的有效性，设定未经生物处理的土壤样品作为对照组。在正常条件下土壤接种 7 天后的微生物对石油的降解率进行测定，筛选优势微生物菌株，具体降解结果见表 3。表 3微生物对石油的降解率菌株降解率/%真菌No 1 135215No 1 219224No 2 177259No 2 596296No 3 290323No 4 003392细菌No 1298No 24146No 28198No 32234No 45269No 60325放线菌No156279No298281No325299No40830.4从表 3 中可以看出，文章共选取了真菌、细菌和放线菌各 6 株，其中真菌的降解活性最高，放线菌的降解活性低于细菌和真菌，由此可见，在石油有机物污染土壤的生物修复处理中，真菌起着最主要的降解作用，因此选择真菌菌株作为有机污染物降解的主要菌种。3 2不同因素对生物恢复效果的影响在研究 pH 值对石油污染土壤生物修复处理的影响中，以含有率为 15%的土壤样品为研究对象，根据不同的取样时间，得到的生物降解曲线见图 1。图 1不同 pH 值微生物降解曲线由图 1 可知，pH=5 的偏酸性条件下比 pH=11的碱性条件下的降解速率更高，说明在微生物降解反应中存在着一个适宜的 pH 范围，通常情况下，pH值在 6 10 范围内变化，因此将该范围作为 pH 值条件不会对整个降解过程带来过大的影响。经 15天降解后，pH=5 条件下的残余含油量最低，为1.6%，pH=11 条件下的残余含油量为 3 5%，由此可见，微生物在偏酸性条件下的降解效率更快。根据设定的采样时间进行取样，分析不同温度下土壤菌群修复处理的影响，具体见表 4。表 4 中清晰地展示了不同温度条件对生物修复处理的影响，随着温度的不断升高，生物降解速率不断提高，且上升幅度较大，低温条件对生物的生长具741第 48 卷第 2 期2023 年 2 月叶元顺土壤有机污染物监测与生物处理措施研究Vol.48 No.2Feb 2023有抑制作用，因此在该条件下进行翻土不会起到明显的作用。而在温度较高条件下，翻土对石油污染物的降解作用明显，当温度在 40 时，翻土能够使降解率达到 79 6%，比不翻土时的降解率高了7.4%。说明温度升高可以增加土壤中微生物的活性，从而加快微生物的降解。表 4温度对土壤菌群修复处理的影响g/kg时间组别203040降解率%呼吸强度降解率%呼吸强度降解率%呼吸强度3翻土12 33 7195412395 2不翻土11 53 11793920.85 16翻土20.65 52665430.56 8不翻土18 25 2259512836 29翻土30.46 836768412119不翻土29 16 33526638611612翻土40.313348995588185不翻土38 810.244 58 454717315翻土51 718 7682182796246不翻土46 615 36511697222293 3生物修复处理效果文章将室内实验环境温度设定为 40，pH=11的条件下对石油污染土壤进行生物修复处理，并以未进行生物修复处理的土壤样品作为对照，将土壤样品放置在自然条件中，取样时间与上文设置相同，分别测定土壤中的含油率和土壤呼吸强度，分析石油降解期间的生物量变化，分析文章生物修复处理的效果，具体见图 2。从图 2(a)中可以看出，经过文章微生物修复制剂的投加以及相应的生物处理措施的实施，土壤样品的含油量具有较快的下降速度，经过 15 天的降解，土壤样品中的含油量从 25 1 g/kg 下降到了11 g/kg，而对照土壤样品在未经文章方法处理的情况下，降解速度较为缓慢，含油量仅从251 g/kg 下降到195 g/kg。图 2(b)中，由于降解菌回归土壤需要一定时间适应环境，因此在前 3 天内，对照组的土壤呼吸强度更高，3 天后，经生物处理的土壤呼吸强度始终高于对照组，且差距越来越大，说明土壤中的二氧化碳累积释放量更多。图 2石油降解期间生物量变化841第 48 卷第 2 期2023 年 2 月叶元顺土壤有机污染物监测与生物处理措施研究Vol.48 No.2Feb 20234结语由于污染场地土壤监测点的布设难以兼顾特征空间和地理空间结构属性，不利于土壤污染的管控与治理，为了消除有机污染，文章提出了土壤有机污染物监测与生物处理措施研究。文章通过布设土壤监测点，采集与处理土壤样品，并通过土壤理化性质及有机污染物含量的测定，筛选优势微生物菌株，投加微生物制剂生物修复土壤，提出了生物处理措施，完成了此次理论研究。以土壤有机污染物中的石油为研究对象进行了修复效果验证。实验结果表明，真菌在生物修复处理过程中具有较好的降解效果，在 pH=5 的偏酸性和40的温度条件下，可以更快速地完成降解。采用文章方法生物处理 15 天后，土壤样品中的含油量明显降低，由此可见，文章方法能够有效降解土壤中的有机污染物，具有较好的生物修复处理效果，是可行的。参考文献:1 代朝猛，朱晏立，段艳平，等 生物表面活性剂强化降解土壤中 PAHs 研究进展 J 水处理技术，2020，46(2):1 7 2 吴敏，施柯廷，陈全，等 有机污染土壤生物修复效果的限制因素及提升措施 J 农业环境科学学报，2022，41(5):919 932 3 刘国强，顾轩竹，胡哲伟，等 农业土壤有机污染生物修复技术研究进展 J 江苏农业科学，2022，50(1):27 33 4 邢力，张玉铭，胡春胜，等 长期不同养分循环再利用途径对农田土壤养分演替规律与培肥效果的影响研究 J 中国生态农业学报(中英文)，2022，30(6):937 951 5 陈乐，詹思维，刘梦洁，等 生物炭对不同酸化水平稻田土壤性质和重金属 Cu、Cd 有效性影响 J 水土保持学报，2020，34(1):358 364 6 段靖禹，周长志，曹柳，等 生物炭复合青霉菌修复砷污染土壤对其微生物群落功能多样性的影响 J 环境科学研究，2020，33(4):1037 1044 7 张兆鑫，李家科，蒋春博 土壤典型持久性有机污染物界面行为及调控技术研究进展 J 应用基础与工程科学学报，2021，29(3):517 532 8 周培诚 遥感测绘技术在土壤有机污染监测中的应用研究 J 环境科学与管理，2020，45(10):154 158(上接第 143 页)参考文献:1 刘珂珂，霍现宽，褚艳红，等 超声辅助 王水提取法在测定土壤中重金属元素的应用J 冶金分析，2019，39(1):48 53 2 胡芳，黄慧敏，禹颖，等 王水水浴消解法测定土壤重金属含量的方法研究J 湖南农业科学，2020(7):86 88 3 黄晶 王水提取 电感耦合等离子体质谱法(ICP MS)测定土壤和底泥中 7 种重金属元素J 环保科技，2021，27(1):54 58 4 梁云燕 不同消解体系 ICP MS 法测定土壤中 As、Cd、Pb 元素 J 福建分析测试，2022，31(2):28 33 5 马珊，刁振凤，梁景波 王水提取 ICP MS 法测定土壤重金属方法探讨 J 环境与发展，2020，32(7):82;84 6 潘伟超 超声辅助王水消解 原子荧光光谱法同时测定土壤中砷和汞 J 江西化工，2021，37(4):71 74 7 刘景龙 王水消解 冷原子吸收光谱法测定土壤中汞 J 中国无机分析化学，2020，10(1):32 37 8 HJ 803 2016 土壤和沉积物 12 种金属元素的测定王水提取 电感耦合等离子体质谱法 S 2016 9 HJ 832 2017 土壤和沉积物金属元素总量的消解微波消解法 S 2017941