生物通风恢复土壤试验研究

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本文作者：杨金凤1,3陈鸿汉2王春艳2杨正礼3作者单位：1.北京市农林科学院植物营养与资源研究所2.中国地质大学(北京)水资源与环境工程3.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所

生物通风技术适用于处理石油产品中轻组分和重组分对土壤的污染，高效且处理费用低，抽提过程中尾气的处理成本也可以大大降低［1］。该技术对于治理地下储油罐泄漏引起的土壤污染问题具有广阔的应用前景，国外已有很多的实地应用实例［2-7］，但国内的代表研究成果较少［8，9］。只有掌握该技术对土壤修复过程中柴油的衰减规律，才能有效控制土壤中的柴油污染，并最终考虑生物通风技术修复过程的强化。为此，本文通过生物通风修复过程中不同历时各土柱中的残余TPH的平衡分布曲线及相应的柴油积分面积变化图考察各土柱中的重力、挥发和生物降解作用的过程，为合理控制和修复实际污染场地提供理论基础。

1实验材料及方法

1．1实验材料

土壤取自北京市通州水利科学研究所实验场实地细砂(砂粒占98.39%，粘粒占1.61%)。土壤基本理化性质为:土壤密度2.64g/cm3，孔隙度0.47～0.5，土壤pH值8.72，土壤含水率0.305%，最大持水率24.4%，有机质含量0.342‰，有效N和可溶P含量分别为0.062%和0.059%。实验所用柴油为市售0#柴油。实验油污土配制:先将称量好的实验用砂放置在一容器内，再将0#柴油溶于二氯甲烷中按所需比例倒入容器，搅拌使其混合均匀，待二氯甲烷挥发完毕备用。

1．2实验装置

整个实验装置由有机玻璃柱(内径80mm，高500mm，内壁打毛)、充气泵(或无油真空泵)、气体流量计、装有NaOH溶液的CO2去除瓶、装有NaOH溶液的CO2收集瓶、活性炭管等组成，柱侧壁设置6个取样口(直径均为10mm，分别距柱底60、110、195、285、370和415mm，且最底端A取样口和最顶端F取样口处初始为干净砂)，各取样口要用硅胶垫密封，并对装置各连接处做密封处理和气密性测试。注气时，将气体流量计、充气泵调于2mol/LNaOH溶液前(见图1)。

1．3实验土柱装填

油污土按各柱初始油浓度要求称取相应量的细砂和0#柴油，配制油污土;为均匀布气以及避免布气板的筛孔被细小颗粒堵塞，在柱底布气板铺一层不锈钢丝网;然后分层装入6cm厚干净砂、32cm厚油污土、3cm厚干净砂，在其上覆盖不锈钢丝网(以保证活性炭管的吸附性能)，柱顶部预留约2cm的空间起缓冲作用;最后投加水和营养物。

1．4土壤中残余TPH测定

取0.5g土样装入10mL顶空瓶中，用移液管移入5mL二氯甲烷，压盖器压紧密封，置于恒温水浴振荡器中，20℃，150r/min下振荡30min后，静置，直接移取上清液或取一定量在比色管中稀释至10mL，以紫外分光光度计在229nm处测定吸光度，从而根据标准曲线确定土壤中TPH含量(mg/g)。

2实验设计

实验中为了分析强化生物通风修复柴油污染土壤过程中的柴油衰减规律和影响柴油污染土壤强化生物通风技术修复效果的主要因素，采用正交表L12(21×45)进行实验设计，主要因素分别为:初始柴油浓度、抽提方式、通风的孔隙体积数、C∶N∶P和土壤含水率(表1，其中柱13为对照柱)，实验过程中温度保持在(25±2．5)℃。

3结果分析与讨论

3.1不同历时各柱土壤中残余TPH沿深度的平衡分布

装柱完成后静置，在重力、静态挥发作用下，土柱中原均匀混合的柴油污土中的油、气重新分布，形成新的平衡剖面。通风后，由于各柱初始油浓度、通方式和营养等影响因素不同，修复过程中各柱土壤中残余TPH的剖面分布有所差异。本文以残余TPH的平衡分布曲线为双峰型(包括类“S”型及类“”型)的土柱为例，说明土柱中的重力、挥发和生物降解作用对土壤中TPH的去除过程。

(1)残余TPH的平衡分布曲线呈类“S”型

柱1、2、3、4和柱13的残余TPH平衡分布曲线上均存在2个浓度峰值，分别位于土柱中部(C点)和上部(E点)，其残余TPH的平衡分布曲线呈类“S”型，见图2。通风之前，柱内TPH的分布主要受重力分异作用、静态挥发作用以及柱的装填情况影响。由图2

可见，通风之前各柱初始的TPH含量分布为:(1)各柱在靠近柱底的原干净砂区的TPH含量均最小;(2)对于初始油浓度较高的柱4(10mg/g)，重力作用对其的影响要强于静态挥发作用，加之柱4的初始土壤含水率很大，表现为油在柱下部富集，TPH含量较高;而对于初始油浓度相对较低的柱2和柱3，仅为5mg油/g土，而且初始装填时的土壤含水率较小，静态挥发作用更为主要，以致于柱上部TPH含量较高;(3)另外，由于柱1在装填时，所添加的水分和营养物均最少，同样的初始油浓度下，重力分异作用更突出，因此，仍表现为油在柱下部富集;柱13(10mg/g)由于只添加了水分而未添加营养物，减少了其静态挥发的阻力，呈现出与柱4不同的平衡分布，柱顶部TPH含量高于土柱剖面的其他位置。

通风之后，重力分异作用始终存在，间歇通风促进了柱内柴油轻组分的挥发，待后期微生物繁殖并具有一定的降解能力时，还存在生物降解作用影响着柱内残余TPH的剖面分布，各柱的残余TPH含量均有不同程度降低，但柱4土壤初始含水率很大，静态挥发受阻程度较严重，生物降解的能力较弱，总体的去除效果较差。

(2)残余TPH的平衡分布曲线类“”型

图3为柱8和柱11的残余TPH平衡分布曲线，其曲线呈类“”型。由图3可见，此2柱在实验前期均有2个明显的柴油浓度峰，分别位于土柱中下部(B点)与中上部(D点)，之后均变为1个。不同的是，在实验中后期，柱8的柴油浓度峰为中上部(D点)，而柱11则在中下部(B点)，这可能与土柱的初始油浓度的差异有关。

通风之前，各柱TPH含量分布为:(1)各柱在靠近柱底的原干净砂区的TPH含量均最小;(2)此2柱由于初始油浓度均较高，重力作用对其的影响要强于静态挥发作用，加之2柱初始添加的水分和营养较少，表现为油在柱下部富集，TPH含量升高。通风之后，土壤中的TPH含量总体降低，从图3也可看出，随着修复过程的进行，残余TPH平衡分布曲线逐渐向低浓度方向推移，只是由于各柱通风方式、所添加水分、营养等的差异，TPH去除的快慢有所不同。

3．2不同深度土壤中残余TPH浓度沿深度的积分变化

因各柱的截面面积相同，可通过残余TPH浓度沿深度的积分来衡量各柱不同深度的柴油量的变化、总的柴油量的变化及重力、挥发及生物降解作用对土壤中TPH的去除过程。图4为柱2的残余TPH沿深度的积分面积变化图，其余土柱同理分析。对于整根土柱来说，只有挥发作用和生物降解作用才可使得总的柴油量降低，而重力作用只影响TPH在土柱中的空间分布，对总量的变化无影响。从图4(a)可以看出，柱2总的柴油积分面积随着通风过程的进行一直在减小，且下降幅度较大，说明柱2总的柴油量是大幅降低，也就是说，存在挥发作用和生物降解作用，重力作用的影响可从各深度柴油积分面积随时间的变化图分析，见图4(b)。由图可见，柱上部(D-E)的柴油积分面积基本为4个深度范围内最大的，即这一区域的柴油量最大，其次为柱中部(C-D)，说明对于柱2来说，柱内残余TPH的变化同时受重力作用和挥发作用影响，但挥发作用对其影响的程度较大;另外，各深度柴油积分面积基本上随时间减小，说明存在挥发作用与生物降解作用共同作用，且二者共同作用的程度较大。

4结论

本文通过分析各柱不同历时的残余TPH平衡分布规律以及土壤中不同深度柴油量、总柴油量的变化，得出:(1)各柱的残余TPH平衡分布曲线呈现的类型说明，各柱残余TPH剖面分布差异的原因受土柱的初始装填情况影响较大;(2)残余TPH平衡分布曲线呈双峰型的土柱，土壤中TPH的去除主要以挥发作用及生物降解作用为主;(3)挥发作用主要是由通风孔隙体积数及土壤含水率来影响的;重力作用则主要是由初始油浓度、土壤含水率、C∶N∶P影响的;除通风方式外，其余4个因素都对生物降解作用有影响;(4)生物通风技术修复初始油浓度较高，土壤含水率较小的柴油污染土柱8和11，生物降解作用最明显，柴油去除效果最好。