CN102771221B - 一种多手段联合修复盐碱地石油污染土壤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多手段联合修复盐碱地石油污染土壤的方法，包括：（1）在盐碱地石油污染土壤表面撒施充分腐熟的农家肥和过磷酸钙，并喷洒质量浓度为0.3%的生物表面活性剂鼠李糖脂；（2）对盐碱地石油污染土壤进行耕翻、平整和灌水；（3）在紫花苜蓿种子上包覆含有石油降解菌和苜蓿根瘤菌的菌剂；（4）对包覆有菌剂的紫花苜蓿种子进行包衣；（5）对羊草种子进行低温处理；（6）将包衣的紫花苜蓿种子和低温处理后的羊草种子混合，将混合后的种子播种到盐碱地石油污染土壤中；（7）出苗后进行田间管理。可有效进行盐碱地石油污染土壤中石油污染物的分解、降解和吸附，具有修复速度快、效果好、操作简单、处理量大、易于人工掌握等特点。

Description

一种多手段联合修复盐碱地石油污染土壤的方法

技术领域

本发明涉及生态环保领域，具体是一种多手段联合修复盐碱地石油污染土壤的方法。

背景技术

石油已成为人类最主要的能源之一，但随着石油的开采、冶炼、使用和运输过程的泄露、含油废水的排放以及各种石油制品的挥发、不完全燃烧物飘落等已引起了一系列的土壤石油污染问题，特别是石油开采过程产生的落地原油已成为土壤污染的重要来源，给生物和人类健康带来了严重危害。我国石油企业每年产生落地原油约700万吨，单井落地原油污染面积平均可达0.5-2.1m²，落地泥浆大约20m²，一次井喷造成的原油覆盖面积达3000-4000m²。我国大庆、辽河等油田的重污染区的土壤表层（0-20cm）含油量达30%-50%。石油在土壤中与土粒粘连，引起土壤理化性质的变化，如堵塞土壤孔隙，影响土壤通透性等，而土壤表层常常是农作物根系最发达的区域，石油粘着在植物的根表面形成枯膜，阻碍根系的呼吸与吸收，引起根系腐烂，造成植物死亡，所以石油对土壤的污染程度直接影响到农作物的生长情况。石油中的多环芳烃类等成分在作物体及果实部分中积累，这些多环芳烃类物质对人及动物的毒性极大，尤其是以双环和三环为代表的多环芳烃毒性更大，严重影响肝、肾等器官的正常功能，甚至引起癌变。此外，石油类物质还通过地下水的污染以及污染的转移构成对人类生存环境多个层面上的不良胁迫。

对石油污染土壤进行有效修复和综合治理成为人们关注的热点。石油污染土壤的修复方法可以按照其原理分为物理方法、化学方法和生物方法。20世纪80年代以前多使用物理和化学方法进行土壤污染治理，焚烧、气相抽提、土壤洗涤和化学氧化等方法被运用于这一时期的土壤修复中。物理和化学修复方法一般需要特定的场地（如焚烧法）或相应的专业设备（如气相抽提法）或使用大量的化学试剂（如土壤洗涤法和化学氧化法），因而此类方法具有修复成本高及产生二次污染的缺点。生物修复技术包括微生物降解、植物修复和生物通风等方法，生物方法因其成本低、无二次污染和环境扰动小等优点，逐渐发展成熟并成为修复技术的重要组成部分。

微生物修复是利用微生物去除环境中污染物的技术。微生物种类丰富，代谢途径多样，因此在转化、降解、分解各类有毒污染化合物方面潜力巨大。微生物对石油的作用方式可分为两大类：一类是微生物直接作用于石油，通过酶促反应降解石油，常说的石油微生物降解多属于此类，降解方式主要有氧化、脱氢、还原、水解、合成等几种反应类型；另一类是通过微生物的活动改变化学和物理的环境而间接作用于石油。

植物修复是利用根系的吸收作用和体内发达的酶系统对污染进行治理的一种修复方式。植物以太阳能作为驱动力，在修复土壤的同时还能净化空气和水体、美化环境、防止水土流失，无二次污染，特别适用于大面积污染区域的治理。由于植物新陈代谢的差异，所以植物修复的作用机理也不尽相同，但总体上可分为5种：(1)植物挥发：利用植物将一些挥发性污染物吸收到植物体内，然后将其转化为气态物质释放到大气中；(2)植物提取：植物直接吸收一种或几种污染物并在植物体内蓄积，之后将植物收获进行处理；(3)植物降解：植物利用本身产生的各种酶的作用，将吸收到植物体内的污染物进行转化和降解的一种方式；(4)植物根际作用：利用植物根际微生物及根释放的各种酶的降解作用来转化有机污染物；(5)植物稳定：又称植物钝化，通过植物与土壤的共同作用,将污染物吸附于根系及土壤表面，从而降低污染物的有效形态。

紫花苜蓿(Medicago sativa L.)为豆科蝶形花亚科苜蓿属植物，因其产草量高、富含蛋白质、适口性好、适应性强等特点而被称为“牧草之王”。紫花苜蓿是多年生植物，一般生长年限可达到10年左右，根系发达，茎叶繁茂。夏季它的茂密枝叶可以阻挡雨水对土壤的物理冲刷和地面径流，秋冬季地表覆盖度高，不会使表土受到大风的侵蚀，减少空气中风沙含量。在水土流失严重的黄土高原区被誉为“水保先锋”。紫花苜蓿根系发达入土深，一般可达到3-5米，最长可以达到10米以上，因此能吸收土壤深层的水分，抗旱能力自然就很高，而且庞大的根系上着生的大量根瘤，会进行生物固氮，每亩约固氮32.9公斤，相当于2460kg的硫酸铵，这样大大提高了土壤肥力，这一特性对草田轮作非常有利，可显著提高后茬作物的产量和品质，并减少了肥料的投入，降低了因大量的肥料投入而引起的环境污染。羊草（Aneurolepidium chinensis)是一种多年生根茎型禾本科牧草，具有优良的耐寒、耐旱、耐湿、耐土壤瘠薄和一定的耐盐碱能力，适口性良好，耐践踏，枯草期迟，是我国东部和黑龙江省、吉林省作为人工草地栽培的品种。

然而，目前国内外对盐碱地石油污染土壤实施多种手段联合修复的有效案例还很少，尤其在土壤处理、植物种类选择、微生物种类选择及生物修复机制研究上还缺乏深入系统的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种修复盐碱地石油污染土壤的有效方法。

具体而言，本发明的方法是一种多手段联合修复盐碱地石油污染土壤的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

（1）在盐碱地石油污染土壤表面撒施充分腐熟的农家肥和过磷酸钙，并喷洒质量浓度为0.3%的生物表面活性剂鼠李糖脂；

（2）对盐碱地石油污染土壤进行耕翻、平整和灌水；

（3）在紫花苜蓿种子上包覆含有石油降解菌和苜蓿根瘤菌的菌剂；

（4）对包覆有菌剂的紫花苜蓿种子进行包衣；

（5）对羊草种子进行低温处理；

（6）将包衣的紫花苜蓿种子和低温处理后的羊草种子混合，将混合后的种子播种到盐碱地石油污染土壤中；

（7）出苗后进行田间管理。

步骤（1）中，充分腐熟的农家肥用量优选为1500公斤/亩，过磷酸钙用量优选为50公斤/亩，并优选在实施步骤（1）24h以内实施步骤（2）。

步骤（3）中，所述紫花苜蓿种子优选成熟、饱满、无虫蛀的种子，所述石油降解菌优选假单胞菌（Pseudomonas），所述苜蓿根瘤菌优选苜蓿中华根瘤菌（Sinorhizobium meliloti）。

步骤（3）的工艺流程优选如下：把含有石油降解菌和苜蓿根瘤菌的菌剂加入到粘着剂中，搅拌均匀后，再加入紫花苜蓿种子，反复搅拌，使每一粒种子上都粘有菌剂，种子与菌剂的质量比为1:7-10。其中，使用的粘着剂优选为选自羟甲基纤维素钠、羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、淀粉、明胶、阿拉伯树胶中的1种或2种以上。

步骤（4）的工艺流程优选如下：把由步骤（3）得到的紫花苜蓿种子放入包衣机中，经过包衣机反复震荡混合，使每一粒种子都裹上一层包衣材料，最后将种子放于通风处，阴干待用。其中，所述包衣材料优选为选自滑石粉、云母粉、陶土粉中的1种或2种以上。

步骤（5）中，所述羊草种子优选成熟、饱满、无虫蛀的种子，所述低温处理优选-20℃下处理8-10h。

步骤（6）中，优选将包衣的紫花苜蓿种子与低温处理后的羊草种子按照1:1等量混合，优选的播种条件如下：播种方式为条播，播种量为1.5-2公斤/亩，播种深度为2-3厘米。

本发明的方法能够有效进行盐碱地石油污染土壤中石油的分解、降解和吸附，减少土壤中石油残留，具有修复速度快、效果好、操作简单、处理量大、易于人工掌握等特点，为大面积修复盐碱地石油污染土壤提供了有效方法。

附图说明

图1是表示本发明实施例具体步骤的流程图。

具体实施方式

本发明是一种多手段联合修复盐碱地石油污染土壤的方法，具体而言，是一种利用土壤改良措施（农家肥+过磷酸钙+生物表面活性剂）-植物修复措施（豆科牧草紫花苜蓿+禾本科牧草羊草）—石油降解微生物修复措施（假单胞菌）联合修复盐碱地石油污染土壤的方法，包括如下步骤：

（1）在盐碱地石油污染土壤表面撒施充分腐熟的农家肥和过磷酸钙，并喷洒质量浓度为0.3%的生物表面活性剂鼠李糖脂；

（2）对盐碱地石油污染土壤进行耕翻、平整和灌水；

（3）在紫花苜蓿种子上包覆含有石油降解菌和苜蓿根瘤菌的菌剂；

（4）对包覆有菌剂的紫花苜蓿种子进行包衣；

（5）对羊草种子进行低温处理；

（6）将包衣的紫花苜蓿种子和低温处理后的羊草种子混合，将混合后的种子播种到盐碱地石油污染土壤中；

（7）出苗后进行田间管理。

本发明修复盐碱地石油污染土壤是基于如下机制进行的：（1）充分腐熟的农家肥、过磷酸钙可以改善盐碱地石油污染土壤的物理结构，增加土壤肥力（增加土壤有机质的含量和氧含量）并调节土壤pH（降低土壤pH值），喷施生物表面活性剂鼠李糖脂可以促进石油污染物的微生物降解过程，大幅度提高微生物的除油效果；（2）利用紫花苜蓿多年生、根系发达、可生物固氮以及可对石油污染土壤进行修复等生物特性并结合石油降解微生物修复技术进行盐碱地石油污染土壤的生物修复，具体而言，含有石油降解菌的菌剂通过包覆在紫花苜蓿种子上并通过包衣材料进一步的包裹作用，牢固地结合在紫花苜蓿种子上，当种子播入土壤中后，菌剂中包括石油降解菌在内的微生物就会随着种子的发芽、根系的生长和延伸，沿着紫花苜蓿的根系进行分布、繁殖，从而可通过石油降解菌的微生物降解作用和紫花苜蓿的植物修复的双重作用，有效分解、降解和吸附土壤表层乃至土壤深层污染的石油污染物；（3）利用羊草多年生、根茎型禾草、繁殖力强以及可对石油污染土壤进行修复等生物特性进行盐碱地石油污染土壤的生物修复。

综上所述，本发明在土壤改良、石油降解菌的微生物修复和紫花苜蓿与羊草的植物修复的三重作用下，可有效分解、降解和吸附土壤表层乃至土壤深层污染的石油，从而有效减少土壤中石油残留。本发明的方法具有修复速度快、效果好、操作简单、处理量大、易于人工掌握等特点，是一种用于大面积修复盐碱地石油污染土壤的有效方法。

本发明的步骤（1）是通过土壤改良促进生物修复所采取的一项强化措施。

土壤性质如有机质含量、氧含量、物理结构、pH值及N、P储量等能改变生物降解速率，因此改善土壤条件可以提高石油烃类的生物修复效果。盐碱地石油污染土壤pH值呈碱性、含盐量较高、通透性差，撒施充分腐熟的农家肥能够增加土壤的腐殖质，提高土壤肥力（提高土壤有机质含量、氧含量等），腐殖质分解后产生的有机酸还能中和土壤的碱性，与过磷酸钙并用有利于土壤团粒结构的形成，改良土壤的通气、透水状况。充分腐熟的农家肥用量一般为1000-2000公斤/亩，优选为1500公斤/亩；过磷酸钙用量一般为30-70公斤/亩，优选为50公斤/亩。

此外，在石油污染土壤系统中，由于石油的疏水性和土壤胶体对石油的吸附性等原因，微生物不能与之充分接触，影响了降解效果。一些研究表明，对土壤中石油烃最终降解起主要影响的是烃类污染物从土壤颗粒表面的解吸附过程和烃类污染物从颗粒聚集体的扩散过程，特别是含有较多粘土和有机物的土壤中的烃类污染物不能被有效降解，可能主要是受石油的解吸附与扩散这两个因素的限制。生物表面活性剂鼠李糖脂能够促进微生物与石油污染物充分接触并具有无毒、易生物降解等环境友好性，在石油污染土壤表面喷施生物表面活性剂鼠李糖脂可以促进石油污染物的微生物降解过程，大幅度提高微生物的除油效果。

优选在实施步骤（1）24小时以内对土壤进行耕翻、平整和灌水。耕翻深度一般为15-30厘米，优选为20厘米。

在上述步骤（3）中，紫花苜蓿种子优选成熟、饱满、无虫蛀的种子。使用这样的种子，可以得到更好的土壤修复效果。另外，为了避免灰尘等对菌剂包覆的影响，优选将种子在常温的清水中进行清洗，之后自然条件下干燥。

苜蓿根瘤菌是与苜蓿共生形成根瘤并将空气中的氮还原成氨供植物营养的一类革兰氏阴性菌。通过在菌剂中加入苜蓿根瘤菌，可促进紫花苜蓿根系的生长和固氮，从而提高土壤的修复效果。作为苜蓿根瘤菌，优选苜蓿中华根瘤菌（Sinorhizobium meliloti）。

对使用的石油降解菌没有特别限制，可以列举：枯草芽孢杆菌（Bacillusubtilis）、假单胞菌（Pseudomonas）、粪链球菌（Streptococcus faecalis）和热带假丝酵母菌（Canlida tropicalis）等，但从适应石油能力以及易诱发突变的角度来讲，优选假单胞菌。假单胞菌降解石油的主要机理是能够降解和转化石油中的化学物质，从而对石油进行降解。

作为菌剂，例如可以分别将苜蓿中华根瘤菌在YMA液体培养基中、假单胞菌在LB液体培养基中进行培养，收集各菌后进行混合，得到复合菌剂。各菌的混合比（质量比）优选为，苜蓿中华根瘤菌：假单胞菌=1：5~8，更优选为1：8。

对步骤（3）的具体工艺没有特别限制，但优选使用如下方法：把含有石油降解菌和苜蓿根瘤菌的菌剂加入到粘着剂中，搅拌均匀后，再加入紫花苜蓿种子，反复搅拌，使每一粒种子上都粘有菌剂。通过使用该方法，菌剂可通过粘着剂的作用牢固地粘附于种子上，菌剂在播种过程中不易从种子上脱落，播种后菌剂中的微生物可有效地沿着紫花苜蓿的根系进行分布、繁殖，从而提高了土壤的生物修复效果。

在上述方法中，种子与菌剂的质量比优选为1:7-10，更优选为1：8。

对使用的粘着剂没有特别限制，但从防止土壤污染的角度来讲，优选来源于植物或动物的粘着剂或者对这些粘着剂进行改性得到的粘着剂。作为这样的粘着剂，可以列举羟甲基纤维素钠、羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、淀粉、明胶、阿拉伯树胶等。这些粘着剂可单独使用或两种以上混合使用。

对步骤（4）的具体工艺没有特别限制，但优选使用如下方法：把由步骤（3）得到的紫花苜蓿种子放入包衣机中，经过包衣机反复震荡混合，使每一粒种子都裹上一层包衣材料，最后将种子放于通风处，阴干待用。通过使用该方法，可以使包衣材料均匀地包裹在种子外粘附的菌剂上，从而更有效地改善了菌剂与种子之间的复合作用，提高土壤的生物修复效果。

对使用的包衣材料没有特别限制，但从防止土壤污染的角度来讲，优选天然的矿物质材料。作为这样的包衣材料，可以列举滑石粉、云母粉、陶土粉等。这些包衣材料可单独使用或两种以上混合使用。从材料来源广泛、价格便宜的角度来讲，优选滑石粉。

步骤（5）中，所述羊草种子优选成熟、饱满、无虫蛀的种子，使用这样的种子，可以得到更好的土壤修复效果。此外，所述低温处理的温度优选为-20℃，处理时间优选为8-10h，更优选为10h。通过低温处理，可以提高养草种子的发芽率。

步骤（6）中，紫花苜蓿种子与羊草种子优选按照1:1等量混合，播种条件优选如下：播种方式为条播，播种量为1.5-2公斤/亩，播种深度为2-3厘米。

紫花苜蓿与羊草混播种植不但可以很快形成草地，而且紫花苜蓿的直根系与羊草的根茎型根系能够快速有效地进行盐碱地石油污染土壤的生物修复，也有利于牧草营养物质更丰富。

步骤（7）中的田间管理是指及时的灌水、杂草防除和病虫害防治等。

实施例

下面的实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实验分析方法采用《表面活性剂清洗处理重度石油污染土壤》（环境工程学报，2009年3卷第8期，1483-1487页）。

具体步骤如下（如图1所示）：

①盐碱地石油污染土壤处理：实验地选择在盘锦辽河油田一口废弃油井旁，该土壤的pH为8.7，被石油污染，实验地面积约500平方米，2011年6月17日撒施充分腐熟的农家肥1500公斤/亩，过磷酸钙50公斤/亩，喷洒质量浓度为0.3%的生物表面活性剂鼠李糖脂。

②盐碱地石油污染土壤耕作：20厘米耕翻、平整和灌水。随机取5个土样进行总石油烃含量分析。

③紫花苜蓿种子的筛选、清洗和干燥：筛选成熟、饱满、无虫蛀的中苜一号紫花苜蓿（Medicago sativa L.cv.Zhongmu NO.1）种子0.63公斤（购自甘肃酒泉大业种业有限责任公司），在常温的清水中清洗后，自然条件下干燥。

④菌株培养和菌剂制作：取苜蓿中华根瘤菌（Sinorhizobium meliloti）（购自上海艾研生物科技有限公司）和假单胞菌（Pseudomonas）（购自上海抚生实业有限公司），分别在28℃的条件下于液体培养基中摇床培养48h后，收集各菌，混合各菌得到复合菌剂。所用菌株和使用的培养基为：苜蓿中华根瘤菌-YMA液体培养基（560ml）、假单胞菌-LB液体培养基（4480ml）；苜蓿中华根瘤菌：假单胞菌（质量比）=1：8。

⑤包覆菌剂：粘着剂使用羟甲基纤维素钠，取上述复合菌剂（约5040克）加入到质量浓度为5%的羟甲基纤维素钠水溶液（4000ml）中，搅拌均匀后，再加入种子，反复搅拌，使每一粒种子都粘有复合菌剂。

⑥种子包衣：包衣材料为滑石粉，把上述粘附有复合菌剂的种子放入到装有滑石粉的包衣机中，经过包衣机反复震荡混合包衣，使每一粒种子都裹上一层包衣材料，最后将种子放于通风处，阴干待用。

⑦羊草种子的筛选、清洗和干燥及低温处理：筛选成熟、饱满、无虫蛀的吉生一号羊草（Aneurolepidium chinensis cv.Ji sheng NO.1）种子0.63公斤（购自吉林省吉生羊草良种站），在常温的清水中清洗后，自然条件下干燥，之后在-20℃的条件下放置10h。

⑧播种：2011年6月19日将包衣的紫花苜蓿种子和低温处理的羊草种子充分混合，条形播种，播种量1.5-2公斤/亩，播种深度2-3厘米。

⑨田间管理：出苗后及时进行灌水、杂草防除和病虫害防治。

检测分析结果如下：

2011年11月10日随机取5个土样进行总石油烃含量的去除率分析，土壤中总石油烃含量的去除率达到33.5%；2012年6月25日随机取5个土样进行总石油烃含量去除率分析，土壤中总石油烃含量的去除率达到52.3%；说明本发明的方法能够有效修复盐碱地石油污染土壤。

Claims (8)

1.一种多手段联合修复盐碱地石油污染土壤的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)在盐碱地石油污染土壤表面撒施充分腐熟的农家肥和过磷酸钙，并喷洒质量浓度为0.3％的生物表面活性剂鼠李糖脂；

(2)对盐碱地石油污染土壤进行耕翻、平整和灌水；

(3)在紫花苜蓿种子上包覆含有石油降解菌和苜蓿根瘤菌的菌剂；

(4)对包覆有菌剂的紫花苜蓿种子进行包衣；

(5)对羊草种子进行低温处理；

(6)将包衣的紫花苜蓿种子和低温处理后的羊草种子混合，将混合后的种子播种到盐碱地石油污染土壤中；

(7)出苗后进行田间管理；

步骤(3)中，所述石油降解菌为假单胞菌；

步骤(3)中，所述苜蓿根瘤菌为苜蓿中华根瘤菌；

步骤(3)的工艺流程如下：把含有石油降解菌和苜蓿根瘤菌的菌剂加入到粘着剂中，搅拌均匀后，再加入紫花苜蓿种子，反复搅拌，使每一粒种子上都粘有菌剂，种子与菌剂的质量比为1:7-10；

步骤(6)中，紫花苜蓿种子与羊草种子按照1:1等量混合，播种方式为条播，播种量为1.5-2公斤/亩，播种深度为2-3厘米。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，充分腐熟的农家肥用量为1500公斤/亩，过磷酸钙用量为50公斤/亩。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在实施步骤(1)24h以内实施步骤(2)。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述紫花苜蓿种子为成熟、饱满、无虫蛀的种子。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粘着剂为选自羟甲基纤维素钠、羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、淀粉、明胶、阿拉伯树胶中的1种或2种以上。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)的工艺流程如下：把由步骤(3)得到的紫花苜蓿种子放入包衣机中，经过包衣机反复震荡混合，使每一粒种子都裹上一层包衣材料，最后将种子放于通风处，阴干待用。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述包衣材料为选自滑石粉、云母粉、陶土粉中的1种或2种以上。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)中，所述羊草种子为成熟、饱满、无虫蛀的种子，所述低温处理为-20℃下处理8-10h。