TW201323350A - 以不同氧化劑結合生物復育法處理受油品污染土壤之方法 - Google Patents

Abstract

一種以不同氧化劑結合生物復育法處理受油品污染土壤之方法，本發明利用化學氧化法結合生物復育法整治受油品污染場址，並藉由分子生物技術評估各種氧化劑對降解污染物之優勢菌種變化，在本發明持續時間內結果顯示，在有氧化劑的條件下，微生物可利用油品及油品降解副產物為生長碳源，因此，油品濃度之下降為化學氧化劑及微生物共同作用所致，又菌相分析結果顯示，約有14株菌與油品降解有關，而在化學整治成效與對現地土壤中之菌相最小擾動之考量下，建議氧化劑的添加劑量為1-3%者。

Description

以不同氧化劑結合生物復育法處理受油品污染土壤之方法

本發明係有關於一種「以不同氧化劑結合生物復育法處理受油品污染土壤之方法」，尤指一種可加快受油品污染土壤降解之處理方法者。

台灣地狹人稠，降水分布不均，以致水資源無法有效利用，故地下水資源維繫著人民的生活命脈。土壤及地下水是地球上重要的環境資源，但由於隱藏於地底下，當污染發生時往往不易察覺，而使得污染源持續擴大與惡化，進而破壞環境與生態系統，危及人類生命財產安全。近年來土壤及地下水油品污染事件頻傳，由於地下儲油槽及管線埋設於地下，易使油槽或管線系統受氧化腐蝕、外力破壞或其他原因造成洩漏污染，而地下儲油槽洩漏的機率與埋設的年代有成正比例的關係。根據美國賓州環境資源部的研究(Pennsylvania Department of Environmental Resources)，埋設十年以上的儲油槽有46%會發生洩漏，而埋設十五年以上者，其洩漏機率更高達71%；我國自76年經濟部能源委員會訂頒「加油站設置管理規則」，開放民間經營加油站以來，已有近25年之久，加油站數量逐年隨汽、機車數量之快速成長而增加，老舊之儲油槽對土壤及地下水環境造成絕對的風險。

在美國有25%之用水(包括飲用水，農業用水，工業用水等)來自地下水，50%之飲用水來自地下水。在台灣也有25%至30%之用水來自地下水(環保署，2011)。近幾年，環保署公告加油站附近土壤地下水檢測結果顯示，土壤及地下水遭受油品污染日益嚴重，是故對地下水資源的保護與地下水污染之整治已到了刻不容緩的地步。

在受油品污染土壤及地下水場址中油品有其含碳數高(C₉-C₂₈)且不易衰減及揮發之特性，因此，若能配合化學氧化前處理進行，先將複雜有機物降解成較簡單之有機物或使其濃度降低，再利用生物復育法進行處理，以有效縮短整治時程，與增加整治效果，乃係本發明人所欲改良之問題所在。

故本發明人有鑑於此，乃思及創作的意念，遂以多年的經驗加以設計，經多方探討並試作樣品試驗，及多次修正改良，乃推出本發明。

解決問題之技術特點：

本發明之以不同氧化劑結合生物復育法處理受油品污染土壤之方法，該方法主要係以受油品污染場址做為去除對象，利用過氧化氫、過錳酸鉀、過硫酸鈉做為氧化劑，在結合添加有營養鹽之現地微生物，將能達到促進污染土壤內油品降解之效果，且該降解係以不同濃度之氧化劑添加而定，當氧化劑濃度達10%時，所有現地微生物皆會死亡，因此在化學整治成效與對現地土壤中之菌相最小擾動之考量下，建議氧化劑的添加劑量為1-3%，又現地微生物數量增加結果顯示，在有氧化劑的條件下，微生物可利用油品及油品降解副產物為生長碳源，所以，油品濃度之下降為化學氧化劑及微生物共同作用所致；藉此，係能構成該以不同氧化劑結合生物復育法處理受油品污染土壤之方法者。

對照先前技術之功效：

本發明之以不同氧化劑結合生物復育法處理受油品污染土壤之方法，利用化學氧化前處理進行，先將複雜有機物降解成較簡單之有機物或使其濃度降低，再利用生物復育法進行處理，將具有縮短受油品污染土壤整治之時程，與提高其整治效果之優點者。

為使　貴審查委員對本發明之目的、特徵及功效能夠有更進一步之瞭解與認識，以下茲請配合【圖式簡單說明】詳述如后：本發明係提供一種以不同氧化劑結合生物復育法處理受油品污染土壤之方法，首先請先由第一圖所示觀之，該方法主要係以受油品(柴油)污染場址做為去除對象(TPH約4,000 mg/kg)，利用過氧化氫、過錳酸鉀、過硫酸鈉做為氧化劑(20)，在結合添加有營養鹽(31)之現地微生物(30)，將能達到促進污染土壤(10)內油品降解之效果，且該降解係以不同濃度之氧化劑(1%、3%、5%、10%)添加而定，當氧化劑(20)濃度達10%時，所有現地微生物(30)皆會死亡，因此在化學整治成效與對現地土壤中之菌相最小擾動之考量下，建議氧化劑(20)的添加劑量為1-3%，又現地微生物(30)數量增加結果顯示，在有氧化劑(20)的條件下，微生物(30)可利用油品及油品降解副產物為生長碳源，所以，油品濃度之下降為化學氧化劑(20)及微生物(30)共同作用所致。

其中，本發明之去除對象土壤採自某受油污染之場址，經風乾、破碎及過篩後，進行基本性質分析，分析結果如下：在土壤質地方面，測得砂粒72%、砏粒19%、黏粒9%，為砂質壤土，含水率約為24%，pH值為7.68，屬於中性土壤。總有機碳TOC含量為0.66%，陽離子交換容量(CEC)含量為11.3 meq/100 g，其中總鐵含量為10,400 mg/kg、亞鐵850 mg/kg，土壤總菌數1.1×10⁴ CFU/g dry soil，油品添加後平均TPH濃度為4,000 mg/L。

本發明以單純化學氧化法及化學氧化結合生物復育法，探討現地受油品污染土壤中添加氧化劑之最適劑量，並比較不同之氧化劑對現地微生物之生長與氧化目標污染物油品之能力做探討。茲將研究結果詳述於下。

(一)受油品污染土壤之自然生物降解潛能：

如第二圖所示係自然生物降解組為本發明之對照組別(無添加氧化劑)，包含對照組(DI水滅菌組)、單獨添加DI水組與添加營養鹽組。由第二圖之研究觀察結果顯示，現地微生物確實具有降解油品之能力，在80天之觀察期間內，添加DI水及營養鹽組別之油品分別被降解20%及40%。由圖可知，添加營養鹽可促進現地土壤中之微生物更有效降解油品，而從滅菌組中可發現，滅菌後之土壤無降解油品之能力。由第二圖可知，以化學氧化法結合生物復育法處理本場址中受油品污染之土壤應為一可行之方式。

(二)化學氧化組與化學氧化結合生物復育組之比較：

由第三圖過氧化氫化學氧化法與化學結合生物復育法組別中可發現，添加過氧化氫組別後期降解油品之能力較為趨緩，其主要原因為雙氧水水解速率較快，對於加藥初期有不錯的成效，故本發明在第12天再次添加過氧化氫，但因為土壤顆粒表面油品濃度已大幅下降，而本發明所添加的氧化劑過氧化氫水解速度極快，再者，過氧化氫與土壤顆粒表面接觸也會發生水解反應，使得在第2次添加過氧化氫，其降解目標污染物油品效果不明顯。本發明所處理之目標污染物為油品，其高碳與頑強的特性致使不易被降解，而從本發明所添加的三種氧化劑當中，過氧化氫本身的水解快速，與土壤顆粒也會發生反應水解，故與其他二者氧化劑相比，因其反應迅速對後期之整治較不適合。

添加過氧化氫化學組與化學結合生物組降解油品之比較可發現，化學組於反應15天雙氧水完全水解後，已無降解油品的能力，在第15天到80天的反應期間內，濃度濃度並無太大變化。探討化學氧化結合生物復育法與單純化學氧化法比較結果顯示，雖然反應第80天仍未降解至管制標準內，但由1%、3%及5%的降解趨勢與第四圖過氧化氫總菌落數之變化可以發現，在反應土壤中總菌落數的生長良好，而油品濃度也在反應期間內維持一穩定的降解趨勢。由第三圖中第120天殘餘濃度可以現，5%過氧化氫劑量之添加已低於管制標準，而1%與3%劑量之添加在第120天殘餘濃度也明顯降低許多，從降解趨勢上與總菌的生長狀態可以推估後期有持續降解的能力，而從10%過氧化氫的添加中可以發現，高劑量的雙氧水使得土壤中之微生物於添加後即全部死亡，故後期的降解並不明顯，由第三圖可發現於反應第80天後TPH殘餘濃度，3%、5%過氧化氫劑量之添加其降解趨勢已經優於10%過氧化氫劑量之添加，故由此結果可以證實土壤中之微生物確實有助於降解油品之能力，而在考慮化學氧化結合生物復育時，氧化劑劑量之添將濃度對土壤中微生物之影響加也須多加評估。

第五圖為添加過錳酸鉀利用化學氧化法與化學結合生物復育法組別之比較。單純化學組5%過錳酸鉀組於第80天油品殘餘濃度約為25%；化學結合生物育法組降解趨勢圖可以發現第120天5%過錳酸鉀組油品殘餘濃度約為15%，且已符合管制標準所規定之1,000 mg/kg以下。從化學組與化學結合生物組降解趨勢圖中可以明顯看出，化學組於初始劑量添加時有明顯的降解效果，但隨著過錳酸鉀逐漸分解為二氧化錳後，油品殘餘濃度開始維持一定值，不再有明顯的降解趨勢。而生物組方面，其降解能力平穩的持續進行，由第四圖過錳酸鉀總菌落數之變化可以發現，添加過錳酸鉀較不會影響土壤中微生物之生長，其生長狀況良好且穩定，故以過錳酸鉀為氧化劑並配合土壤中油品降解菌，隨時間之增加，對後續油品之殘餘濃度仍有穩定降解之能力。

第六圖為過硫酸鈉利用化學氧化法與化學結合生物復育法組別之比較，由圖可發現添加10%高劑量之過硫酸鈉對降解土壤中油品效果十分良好，於45天反應期間內可有效降解污染土壤，使油品濃度低於管制標準1,000 mg/kg以下，但觀察菌落變化發現(第三圖)，10%過硫酸鈉因劑量過高而造成土壤中細菌隨即死亡，故不利於後續生物復育法之應用。1%與3%劑量之添加由圖可知，生物組之降解較化學組穩定，且後期較具降解優勢。而探討5%過硫酸鈉劑量之添加可以發現，生物組後期之降解油品效果明顯比化學組還好，而觀察5%組土壤中之菌落變化(第四圖)，顯示於60天反應期間內土壤中菌落數維持穩定，雖沒明顯增長，但與化學組相比，於反應期間30~45天期間，過硫酸鈉對油品效力減緩後，生物組降解油品趨勢明顯優於化學組，但持續觀察在第60天後生物組降解趨勢卻趨於平緩。觀察菌落數與土壤pH值變化(第四圖及第七圖)可以發現，45天過後5%過硫酸鈉組別pH值逐漸降低，而土壤中菌落數於第80天即無法測得。由此亦可證明，土壤中之微生物確實扮演增進油品降解之角色，而添加5%過硫酸鈉效果明顯，雖於後期造成土壤酸化使微生物死亡，但初期並不會嚴重破壞土壤中菌相，故可以考慮於後期添加適當之pH緩衝劑，維持適合土壤中微生物生長的pH值，對降解受油品污染之土壤應會有良好的效益。

(三)以PCR-DGGE監測受污染土壤整治前後菌相變化

由總菌落數之監測(第四圖)可知，在化學氧化結合生物復育過程中，微生物的生長量均有明顯的增加，因可存活於油品污染土壤中的微生物，並非全部都具有降解油品的能力，且氧化劑添加後會改變地下環境條件，可能造成現地優勢菌種之改變。因此在本發明中，我們利用分子生物技術進行菌相分析，以釐清並確認氧化劑使用後所產生之優勢菌種，提供後續現地生物處理效力及機制評估之參考。

第八圖為添加不同氧化劑DGGE菌相圖(A：過硫酸鈉組；B：過錳酸鉀組；C：過氧化氫；D1：DI水組；D2：營養鹽組)，其中A1、B1及C1組為1%氧化劑之添加；A2、B2及C2組為3%氧化劑之添加；A3、B3及C3組為5%氧化劑之添加。本發明分別於第5、20、40及75天進行土壤採樣，經過PCR-16S rDNA產物之純化與濃縮後進行DGGE變性梯度膠體電泳分析，並針對從序列比對之分析結果做探討。菌相分析結果顯示，約有14株菌與油品之降解有關，包括Strain 1、Strain 2、Strain 3、Strain 4、Strain 5、Strain 6、Strain 7、Strain 8、Strain 9、Strain 12、Strain 15、Strain 16、Strain 19、Strain 20，其中發現Pseudomonas sp.、Achromobacter sp.、Ralstonia sp.、Variovorax sp.、Comamonadaceae sp.、Herbaspirillum sp.這幾株菌在過去國內外學者研究中，皆證實能直接或間接降解油品或相關碳氫化合物，故本發明所採用之現地土壤中確實存在降解油品及相關衍生物之現地微生物。

藉由上述以不同氧化劑結合生物復育法處理受油品污染土壤之方法可知：(一)添加營養鹽組中可得知微生物降解油品污染之土壤能力也明顯優於未添加營養鹽組別，故未來以化學氧化法結合生物復育法在現地整治受油品污染之土壤時，可在後期氧化劑濃度降低或失效後，添加營養鹽，加快現地微生物對油品污壤土壤之降解；(二)未來如要以化學氧化法結合生物復育法對受油品污染土壤進行整治，建議添加長效型氧化劑如過錳酸鉀或過硫酸鈉；(三)未來如應用於現地場址整治，在化學整治成效與對現地土壤中之菌相最小擾動之考量下，建議氧化劑的添加劑量為1-3%；若要縮短污染場址整治時程，建議氧化劑添加5%，惟使用過硫酸鹽時，需考慮pH之控制。如發現現地微生物皆已被毒害，建議可將原土壤中之原始菌種以純菌添加，或混和新土，並監測土壤中之微生物生長狀況。及本發明利用化學氧化前處理進行，先將複雜有機物降解成較簡單之有機物或使其濃度降低，再利用生物復育法進行處理，將具有縮短受油品污染土壤整治之時程，與提高其整治效果之優點者。

唯以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，當不能以之限定本發明實施之範圍；即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本創作專利涵蓋之範圍內。

本發明部分：

(10)．．．污染土壤

(20)．．．氧化劑

(30)．．．微生物

(31)．．．營養鹽

第一圖：係本發明整治法之簡單示意圖。

第二圖：係本發明油品自然生物降解圖。

第三圖：係本發明過氧化氫單純化學氧化法與化學氧化結合生物復育法之比較圖。

第四圖：係本發明之總菌落數變化圖。

第五圖：係本發明過錳酸鉀單純化學氧化法與化學氧化結合生物復育法之比較圖。

第六圖：係本發明過硫酸鈉單純化學氧化法與化學氧化結合生物復育法之比較圖。

第七圖：係本發明化學氧化法結合生物復育法添加不同氧化劑pH變化圖。

第八圖：係本發明批次實驗DGGE菌相圖。

(10)．．．污染土壤

(20)．．．氧化劑

(30)．．．微生物

(31)．．．營養鹽

Claims (6)

1. 一種以不同氧化劑結合生物復育法處理受油品污染土壤之方法，本方法主要係以受油品污染場址做為去除對象，利用氧化劑在結合添加有營養鹽之現地微生物，將能達到促進污染土壤內油品降解之效果，且該降解係以不同濃度之氧化劑添加而定，又現地微生物數量增加結果顯示，在有氧化劑的條件下，微生物可利用油品及油品降解副產物為生長碳源，所以，油品濃度之下降為化學氧化劑及微生物共同作用所致者。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之以不同氧化劑結合生物復育法處理受油品污染土壤之方法，其中，氧化劑為過氧化氫者。
3. 根據申請專利範圍第1項所述之以不同氧化劑結合生物復育法處理受油品污染土壤之方法，其中，氧化劑為過錳酸鉀者。
4. 根據申請專利範圍第1項所述之以不同氧化劑結合生物復育法處理受油品污染土壤之方法，其中，氧化劑為過硫酸鈉者。
5. 根據申請專利範圍第1項所述之以不同氧化劑結合生物復育法處理受油品污染土壤之方法，其中，氧化劑濃度達10%時，所有現地微生物皆會死亡者。
6. 根據申請專利範圍第1項所述之以不同氧化劑結合生物復育法處理受油品污染土壤之方法，其中，在化學整治成效與對現地土壤中之菌相最小擾動之考量下，氧化劑的添加劑量為1-3%為佳者。