有機(jī)化合物的污染機(jī)理及其修復(fù)技術(shù)

孫乃聰

（西安航空學(xué)院 動力工程系，陜西 西安710077）

1 有機(jī)化合物的污染危害

有機(jī)污染在國內(nèi)外受到越來越多的注意， 這是因?yàn)槠浞N類多、毒性大、難降解。毒害性的有機(jī)污染物通過地表徑流、排污和大氣干濕沉降等途徑進(jìn)入河流環(huán)境，參與河流的各種地球化學(xué)循環(huán)。 在其遷移過程中，伴隨著各種復(fù)雜而又規(guī)律的物理、化學(xué)和生物變化，最終或者被降解，或者進(jìn)入各種暫時(shí)的儲存庫而成為一種潛在的污染源[1]。

油田開發(fā)產(chǎn)生以石油類為主的多種污染物， 且污染源具有分布廣、排放復(fù)雜、影響的全方位性、綜合性與雙重性的特點(diǎn)。 在石油開采過程中試油、洗井、油井大修、堵水、松泵、下泵等井下作業(yè)和油氣集輸，均有原油灑落于地面，含油污水外排更是直接將石油污染物排入環(huán)境中。石油污染物具有致癌、致畸和致突變的潛在性。石油污染物不僅殘留包氣帶，而且可能造成地下水層污染，對人類健康和環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生威脅[2]。

2 有機(jī)化合物污染的基本機(jī)理

污染物在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化主要是彌散作用[3]，它是由分子擴(kuò)散和機(jī)械彌散兩種作用構(gòu)成。

2.1 分子擴(kuò)散

當(dāng)液體中溶質(zhì)濃度不均勻時(shí)，會形成化學(xué)勢，故溶質(zhì)會在濃度梯度的作用下由高濃度處向低濃度處運(yùn)動，使液體中的溶質(zhì)濃度趨于均勻。 由于分子擴(kuò)散在土壤介質(zhì)的整個(gè)彌散過程是永遠(yuǎn)存在的，即使是在土壤中地下水處于靜止?fàn)顟B(tài)，污染物亦會因分子擴(kuò)散作用而進(jìn)入地下水中。在靜止的重力水中污染物從高濃度向低濃度的分子擴(kuò)散可用Fick 定律描述。同樣，在多孔介質(zhì)中，液相中污染物質(zhì)的分子擴(kuò)散也可用Fick 定律描述。

2.2 機(jī)械彌散

（1）液體具有粘滯性，使土壤介質(zhì)顆粒表面處的速度為0，距表面越遠(yuǎn)則速度越大，在孔隙通道軸上達(dá)到最大，于是在空隙中產(chǎn)生了速度梯度。

（2）含水層顆粒骨架的阻擋使流動于多孔介質(zhì)空隙中的水流質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡迂回曲折、運(yùn)動方向不斷變化，流速相對平均流速產(chǎn)生起伏，形成質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動速度的差異。

宏觀上，機(jī)械彌散表現(xiàn)為在河渠中橫斷面上的流速分部存在不均勻，使得污染物將以不同的流速移動，從而以污染物為質(zhì)點(diǎn)沿河流流動在縱向分離，呈現(xiàn)為縱向的顯著的分離和運(yùn)移速度的不均一。

3 有機(jī)化合物污染的修復(fù)技術(shù)

國內(nèi)外對有機(jī)化合物污染物的研究開始于20 世紀(jì)中期[4]。隨著近年來學(xué)科的不斷發(fā)展，新的學(xué)科從不同角度交叉研究了有機(jī)污染物的修復(fù)過程，并取得了不少成果。

3.1 流線控制法(flow path management)

Sale 等1995 年提出了流線控制法。

該方法根據(jù)大多數(shù)有機(jī)物密度小 （而石油類污染物密度大于水）而處于地下水面附近的特點(diǎn)，抽取含水層中的地下水，從而把水中的有機(jī)污染物帶回地表，然后經(jīng)由地表污水處理技術(shù)吸附、凈化抽取出的水。同時(shí)，為了防止大量抽水導(dǎo)致的地面沉降，或海水、咸水入侵，還得把處理后的水注入地下水中。此方法主要應(yīng)用與井區(qū)開采過程的污染處理。

3.2 微生物孵育控制降解法（microbial incubated control cell）

由于土壤殘油的組分很復(fù)雜，不可能分析微生物對每一種組分的降解機(jī)制[5],但根據(jù)美國環(huán)保局（EPA）以及其他研究報(bào)告,一般土壤微生物對殘油的降解遵循一級反應(yīng)關(guān)系。

章衛(wèi)華等人在27℃，一周一次的翻耕供氧條件下，測出膠質(zhì)、脂肪烴和芳香烴的半衰期分別為385d、289d 和94d。 在實(shí)驗(yàn)條件下，膠質(zhì)的降解速率最慢，其次是脂肪烴，較快的是芳香烴。這主要因?yàn)樗芯亢訛┩翆又械臍堄鸵呀?jīng)過數(shù)十年的殘積， 殘油中的脂肪烴類組分少，芳香烴的組分相對較多。 因而在宏觀上表現(xiàn)為脂肪烴的降解速率比芳香烴慢。

3.3 內(nèi)在生物降解凈化法（intrinsic bioremediation）

內(nèi)在生物降解凈化法是依靠天然土著微生物來降解已經(jīng)排放到地下的污染物。 該法根據(jù)土著微生物對環(huán)境穩(wěn)定適應(yīng)的可靠性，不需要加入外來微生物，在不改變當(dāng)?shù)厣镂锓N的情況下，通過補(bǔ)充土著菌的營養(yǎng)物質(zhì)（N 源和P 源）或其他物質(zhì)（如維生素或鹽類以保證電解質(zhì)的平衡）來激發(fā)、增強(qiáng)原位土著微生物的降解性能。

該方法參照了流線控制法的原理，通過地下水的流動為土著微生物提供了未被擾動的自然環(huán)境， 有效地保護(hù)了土著細(xì)菌的生物特性，避免了外來微生物對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的二次污染。

3.4 微生物燃料電池降解法（microbial fuel cell,MFC）

微生物燃料電池降解法是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，是學(xué)科交叉、相互補(bǔ)充研究環(huán)境修復(fù)技術(shù)的新思路。 它是將微生物降解有機(jī)污染物時(shí)釋放出的電子富集，并通過鹽橋連接陰陽兩級從而構(gòu)成閉合的原電池過程。 該方法應(yīng)用在被有機(jī)化合物污染的地區(qū)，將電極材料直接埋入污染場地，將陰陽兩級用鹽橋搭聯(lián)，通過在原電池的正負(fù)兩級發(fā)生的電極反應(yīng)，從而達(dá)到減少環(huán)境中的污染物含量，最終實(shí)現(xiàn)修復(fù)污染的目的。該方法最大的優(yōu)點(diǎn)在于通過微生物降解污染物發(fā)生電極反應(yīng)，將生物能轉(zhuǎn)化為電能，變廢為寶。

Song Jin 等人通過對降解三氯乙烯（TCE）的研究發(fā)現(xiàn)，生物燃料電池法的降解能力達(dá)到80%以上；J.M.Morris 等人通過厭氧微生物對柴油的燃料電池降解研究發(fā)現(xiàn)：在30℃條件下經(jīng)過21d 對C8-C20 的有機(jī)化合物降解，燃料電池降解法可降解82%同比微生物控制孵育降解法處理效果的31%更為快速高效。

燃料電池電極反應(yīng)： 陰極：2H20+2e-→H2+2OH-陽極：H20→1/2O2+2H++2e-

4 結(jié)論

有機(jī)化合物的種類繁多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在處理解決各類有機(jī)化合物污染的同時(shí)，會伴隨著新的物理、化學(xué)和生物變化。通常使用化學(xué)氧化或者中和的方法解決有機(jī)化合物污染的同時(shí)，可能會產(chǎn)生新的化合產(chǎn)物和各種殘留，從而造成二次污染。

隨著多學(xué)科的交叉和應(yīng)用，生物修復(fù)技術(shù)已從最初的、在理想的實(shí)驗(yàn)條件的研究， 逐漸建立起考慮實(shí)際隨機(jī)因素影響的原位試驗(yàn)；對于污染機(jī)理研究也逐步完善并注重考察污染物遷移的動態(tài)過程模型研究；投入產(chǎn)出也從單純?yōu)橹卫砦廴径度肽芰康南哪Ｊ?，逐漸轉(zhuǎn)向?yàn)榭杀辉俅卫玫亩文茉吹男履Ｊ?。雖然目前對于有機(jī)化合物污染研究仍存在著不足，但對于進(jìn)一步完善研究多學(xué)科交叉領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題具有現(xiàn)實(shí)意義，并對處理突發(fā)污染事故有寶貴的借鑒價(jià)值。

［1］中國科學(xué)院長春分院《松花江流域環(huán)境問題研究》編輯委員會.松花江流域環(huán)境問題研究[M].北京:科學(xué)出版社,1992.

［2］紀(jì)學(xué)雁.土壤中石油污染物遷移規(guī)律實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究[D].大慶石油學(xué)院,2005.

［3］郭東屏,等.滲流理論基礎(chǔ)[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,1994.

［4］朱利中,陳寶梁.機(jī)膨潤土在廢水處理中的應(yīng)用及其發(fā)展[J].環(huán)境科學(xué)進(jìn)展,1998,6(3):53-61.

［5］章衛(wèi)華,李廣賀,邵輝煌,等.包氣帶土層中石油污染物的微生物降解研究[J].環(huán)境科學(xué)研究,2002,15(2):60-62.