表面活性劑對(duì)焦化廠土壤強(qiáng)化修復(fù)的效應(yīng)研究

葉毓婧

（廣東省深圳生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站 廣東深圳 518000）

引言

在焦化廠的生產(chǎn)過程中，由于化石燃料的不完全燃燒，加之焦油、煤氣等產(chǎn)品的加工，在各個(gè)生產(chǎn)車間內(nèi)都有可能產(chǎn)生多環(huán)芳烴（PAHs）等有機(jī)物質(zhì)，對(duì)周邊土壤、大氣、水體環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。據(jù)調(diào)查，我國幾乎所有的焦化廠及其周邊土壤均受到了一定程度的有機(jī)污染，部分土壤中有機(jī)物含量高達(dá)470μg/g[1]。PAHs 具有強(qiáng)致癌性、致突變性和致畸性的“三致”效應(yīng)，對(duì)微生物的生長繁殖有著很強(qiáng)的抑制作用[2]。同時(shí)，PAHs 類物質(zhì)因具有水溶性差，辛醇-水分配系數(shù)高等特性，極易吸附或殘留于土壤環(huán)境中，而且在水中的溶解度很低，只能非常緩慢地解析或微溶于水中，加上PAHs 類物質(zhì)的生物有效性比較低，很難通過淋溶、揮發(fā)等作用或通過土壤中的植物吸收及微生物降解過程而被去除[3]。因此，更加有效且具有專一性的土壤PAHs 污染修復(fù)方法亟須開發(fā)。

向土壤中添加表面活性劑實(shí)現(xiàn)對(duì)微生物的增效進(jìn)而處理土壤中PAHs 的方法，是當(dāng)前處理土壤PAHs 污染最有潛力的修復(fù)方法之一。表面活性劑因其具有特殊的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，可對(duì)PAHs 污染的土壤進(jìn)行增溶洗脫，促進(jìn)PAHs 從土相遷移至水相的傳質(zhì)過程，使土壤中的PAHs 易于被微生物所降解，提高有機(jī)物的生物有效性[4]。本研究通過考查添加不同類型表面活性劑對(duì)土壤中有機(jī)物含量、微生物總數(shù)和微生物活性的影響，挑選出最合適的表面活性劑，為焦化廠污染土壤的修復(fù)提供一定理論依據(jù)[5]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)樣品的采集與分析

實(shí)驗(yàn)分析所采用的土樣是廣東某焦化廠表層0～20cm 深的土壤，取樣過程中所采用的樣品袋、樣品鏟等工具均需進(jìn)行消毒滅菌，樣品經(jīng)過自然風(fēng)干、研碎以及2mm 篩篩分備用[6]。調(diào)節(jié)土壤含水率至15%左右并適時(shí)翻土通氣以恢復(fù)其微生物活性，經(jīng)過10d 后測定土壤中有機(jī)物總量、堿解氮含量、速效磷含量、微生物總數(shù)及微生物活性，具體性質(zhì)如表1 所示。從表1 可知，所取土樣中有機(jī)物含量很高，而微生物總數(shù)及微生物活性相對(duì)比較低。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

1.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

DL-CJ-2NDII-雙人單面垂直流凈化工作臺(tái)，上海杰晟科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)；WFZUV-2100紫外可見分光光度計(jì)，上海雙旭電子有限公司生產(chǎn)；LRH-250DL 生化低溫培養(yǎng)箱，上海葉拓科技有限公司生產(chǎn)；TGL-16M 臺(tái)式高速冷凍離心機(jī)，上海趙迪生物科技有限公司生產(chǎn)；LSB50L-II 立式蒸汽滅菌鍋，上海滬粵明科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)；WY-SXT-02 索氏提取器，山東伍躍儀器有限公司生產(chǎn)；氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀7890A-5975CMSD，安捷倫生產(chǎn)。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)試劑

十二烷基苯磺酸鈉（LAS）、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）、吐溫（Tween 80），均為分析純。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

按照表2 方法對(duì)土樣進(jìn)行氮（N）、磷（P）的調(diào)節(jié)，并投加表面活性劑。分析表1 數(shù)據(jù)并按微生物生長所需的營養(yǎng)元素C:N:P＝100:10:1 的比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，發(fā)現(xiàn)原土中N 的含量已經(jīng)可以滿足微生物生長所需，只需對(duì)P 元素進(jìn)行投加，投加量如表2 所示。

表2 土樣條件設(shè)計(jì) （單位：g）

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)分3 組，每組均設(shè)計(jì)3 個(gè)平行樣品，實(shí)驗(yàn)共分5 個(gè)周期進(jìn)行，每個(gè)周期為7d。實(shí)驗(yàn)土樣在培養(yǎng)過程中定期澆水，并翻土通氣，同時(shí)按周期對(duì)土樣中的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測。主要監(jiān)測指標(biāo)為土壤有機(jī)物總量、微生物總數(shù)及微生物活性，將原土土樣和經(jīng)5 個(gè)周期培養(yǎng)后的土樣進(jìn)行GC-MS 分析，評(píng)價(jià)土樣中有機(jī)物種類的變化[7]。

土壤有機(jī)物總量測定采用索氏提取法，堿解氮含量測定采用堿解擴(kuò)散法，速效磷含量測定采用碳酸氫鈉法，微生物總數(shù)測定采用MPN 法，微生物活性測定采用FDA 活性法。實(shí)驗(yàn)所用GC-MS 測定儀進(jìn)樣口溫度為300℃，分析使用柱號(hào)為Agilent190912-436 的色譜柱，毛細(xì)管柱規(guī) 格 為60cm×250μm×0.25μm， 每 次 進(jìn) 樣1μL。GC 爐溫采用程序升溫，40℃保持2min 后，以5℃/min 升溫至290℃，保持10 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 土樣有機(jī)污染物總?cè)コ?/h3>

測定土壤中的有機(jī)物含量可以直觀地表征表面活性劑修復(fù)污染土壤的效果，評(píng)價(jià)修復(fù)方法的有效性。實(shí)驗(yàn)過程中5 種土樣所含有的有機(jī)污染物總量與去除效果如表3 所示。

表3 土樣有機(jī)污染物總量與去除效果

依據(jù)表3，分析各階段數(shù)據(jù)，顯示3 份添加了表面活性劑的土樣中有機(jī)物含量均有不同程度的下降。其中，添加了CTAB 和Tween 80的土樣中有機(jī)物含量下降顯著，分別達(dá)到了1.5mg/g 和1.41mg/g，降解量分別為40.28%和39.47%，強(qiáng)化修復(fù)的效果十分明顯。然而，在同等情況下，添加了LAS 的土樣中有機(jī)污染物含量降解的程度相對(duì)較低，只下降了1.299mg/g，但降解量仍達(dá)到了33.65%，修復(fù)效果也很明顯。對(duì)于有機(jī)污染物含量的測定說明，向土樣中添加表面活性劑可明顯強(qiáng)化有機(jī)物污染土壤中的降解效果，其中添加了CTAB 和Tween 80 的效果更加明顯。

2.2 GC-MS 測定土樣多環(huán)芳烴組分的變化

分析土壤中所含PAHs 各組分含量的變化，可以直接表征各種表面活性劑對(duì)焦化土壤中有機(jī)污染物的降解過程。在升溫過程中，不同保留時(shí)間所檢測的物質(zhì)就代表不同的有機(jī)物，積分得到的峰面積可以表征相應(yīng)的有機(jī)污染物。不同處理方法土樣中的多環(huán)芳烴種類及含量如表4所示。

表4 不同處理方法強(qiáng)化修復(fù)后土樣中PAHs 組分變化

從表4 中可以看出，表面活性劑的添加會(huì)改變土樣中PAHs 組分的含量，減少熒蒽和芘的含量，除陽離子表面活性劑中的苯并[a]蒽含量有所升高外，陰離子和非離子表面活性劑中的苯并[a]蒽都完全轉(zhuǎn)化了，土樣中開始產(chǎn)生三聯(lián)苯和苯并[a]芘，且含量可觀。調(diào)查文獻(xiàn)顯示，土壤所含的多種多環(huán)芳烴中，最容易被降解的分別為蒽、芘和苯并[a]蒽，與實(shí)驗(yàn)分析中優(yōu)先降解蒽和苯并[a]蒽的結(jié)果相吻合。

2.3 土樣中有機(jī)物總量與微生物特性的關(guān)系

文獻(xiàn)顯示，表面活性劑的添加可以對(duì)土壤中的有機(jī)污染物進(jìn)行增溶洗脫，從而促進(jìn)有機(jī)物從表層向水相的傳質(zhì)過程，改善有機(jī)物的生物有效性，進(jìn)而促進(jìn)微生物的降解過程，提高受污染土壤的修復(fù)效率。因此，探究表面活性劑對(duì)土壤有機(jī)污染物修復(fù)的強(qiáng)化過程，應(yīng)從其對(duì)微生物的生長與增殖方面的影響進(jìn)行考慮。微生物自身的生長需要從土壤中有機(jī)物里獲取能量，因此促進(jìn)微生物生長的效果可以表現(xiàn)為其活性的增加，而促進(jìn)其增殖則應(yīng)用土壤中的微生物總數(shù)來進(jìn)行評(píng)價(jià)。

添加3 種表面活性劑后土樣的有機(jī)物含量、微生物總數(shù)和FDA 活性的關(guān)系如表5 所示。隨著土壤中有機(jī)污染物含量的降低，在第一個(gè)周期即前7d 時(shí)間內(nèi)，添加Tween 80 的土樣中對(duì)微生物FDA 活性的提高效果最為明顯，F(xiàn)DA 活性從3.9μg 熒光素/（g·min）提高至13.8μg熒光素/（g·min），提高量高達(dá)9.9μg 熒光素/（g·min），而添加CTAB 和LAS 的土樣中對(duì)微生物FDA 活性的促進(jìn)效果稍差，F(xiàn)DA 活性提高量分別為2.5μg 熒光素/（g·min）和5.6μg 熒光素/（g·min），對(duì)微生物生長的促進(jìn)效果并不顯著。表面活性劑添加前期可能促進(jìn)了微生物的生長，從而達(dá)到強(qiáng)化微生物修復(fù)的效果。

表5 添加表面活性劑的土樣有機(jī)物總量與微生物特性關(guān)系

7d 以后，隨著土壤中有機(jī)物含量的降低，F(xiàn)DA 活性均有所下降，但微生物總數(shù)表現(xiàn)為顯著增加，尤其是在14d 以后，微生物總數(shù)呈現(xiàn)為大幅度增長趨勢(shì)，經(jīng)過了4 個(gè)周期（28d）的處理，添加了LAS 的土樣中微生物總數(shù)提高最為明顯，達(dá)到了16.7×104個(gè)·g-1干土左右，與0d 土樣中的數(shù)值對(duì)比有將近10 倍的提高，效果非常明顯。添加了Tween 80 的土樣中微生物總數(shù)的提高量相對(duì)較少，但也達(dá)到了8.1×104個(gè)/g 干土左右，呈現(xiàn)良好的促進(jìn)微生物生長的作用。相比較，添加了CTAB 的土樣中微生物數(shù)量的提高量則非常少。綜合考慮，表面活性劑添加后期可能主要促進(jìn)了微生物的增殖，從而強(qiáng)化微生物修復(fù)效果。

結(jié)論

在添加表面活性劑促進(jìn)微生物對(duì)土壤有機(jī)污染物降解的實(shí)驗(yàn)中，添加CTAB 的土樣修復(fù)效果最為明顯，添加Tween 80 的土樣修復(fù)效果次之，而添加LAS 的土樣修復(fù)效果較差。表面活性劑的添加均能對(duì)土樣產(chǎn)生很好的修復(fù)效果。

向土壤中添加表面活性劑對(duì)微生物的生長和增殖過程表現(xiàn)為階段性的促進(jìn)作用，其中添加CTAB 的土樣主要通過促進(jìn)微生物增殖過程強(qiáng)化修復(fù)，而添加Tween 80 的土樣主要通過促進(jìn)微生物生長過程強(qiáng)化修復(fù)。表面活性劑強(qiáng)化修復(fù)效果通過促進(jìn)土壤中微生物的生長增殖而實(shí)現(xiàn)。

向土壤中添加表面活性劑有助于強(qiáng)化土樣中有機(jī)污染物的生物降解，土樣中PAHs 的種類及含量有明顯變化，其中大量的蒽和苯并[a]蒽被優(yōu)先降解。