有机化合物的污染机理及其修复技术

孙乃聪

（西安航空学院 动力工程系，陕西 西安710077）

1 有机化合物的污染危害

有机污染在国内外受到越来越多的注意， 这是因为其种类多、毒性大、难降解。毒害性的有机污染物通过地表径流、排污和大气干湿沉降等途径进入河流环境，参与河流的各种地球化学循环。 在其迁移过程中，伴随着各种复杂而又规律的物理、化学和生物变化，最终或者被降解，或者进入各种暂时的储存库而成为一种潜在的污染源[1]。

油田开发产生以石油类为主的多种污染物， 且污染源具有分布广、排放复杂、影响的全方位性、综合性与双重性的特点。 在石油开采过程中试油、洗井、油井大修、堵水、松泵、下泵等井下作业和油气集输，均有原油洒落于地面，含油污水外排更是直接将石油污染物排入环境中。石油污染物具有致癌、致畸和致突变的潜在性。石油污染物不仅残留包气带，而且可能造成地下水层污染，对人类健康和环境质量产生威胁[2]。

2 有机化合物污染的基本机理

污染物在土壤中的迁移转化主要是弥散作用[3]，它是由分子扩散和机械弥散两种作用构成。

2.1 分子扩散

当液体中溶质浓度不均匀时，会形成化学势，故溶质会在浓度梯度的作用下由高浓度处向低浓度处运动，使液体中的溶质浓度趋于均匀。 由于分子扩散在土壤介质的整个弥散过程是永远存在的，即使是在土壤中地下水处于静止状态，污染物亦会因分子扩散作用而进入地下水中。在静止的重力水中污染物从高浓度向低浓度的分子扩散可用Fick 定律描述。同样，在多孔介质中，液相中污染物质的分子扩散也可用Fick 定律描述。

2.2 机械弥散

（1）液体具有粘滞性，使土壤介质颗粒表面处的速度为0，距表面越远则速度越大，在孔隙通道轴上达到最大，于是在空隙中产生了速度梯度。

（2）含水层颗粒骨架的阻挡使流动于多孔介质空隙中的水流质点的运动轨迹迂回曲折、运动方向不断变化，流速相对平均流速产生起伏，形成质点运动速度的差异。

宏观上，机械弥散表现为在河渠中横断面上的流速分部存在不均匀，使得污染物将以不同的流速移动，从而以污染物为质点沿河流流动在纵向分离，呈现为纵向的显著的分离和运移速度的不均一。

3 有机化合物污染的修复技术

国内外对有机化合物污染物的研究开始于20 世纪中期[4]。随着近年来学科的不断发展，新的学科从不同角度交叉研究了有机污染物的修复过程，并取得了不少成果。

3.1 流线控制法(flow path management)

Sale 等1995 年提出了流线控制法。

该方法根据大多数有机物密度小 （而石油类污染物密度大于水）而处于地下水面附近的特点，抽取含水层中的地下水，从而把水中的有机污染物带回地表，然后经由地表污水处理技术吸附、净化抽取出的水。同时，为了防止大量抽水导致的地面沉降，或海水、咸水入侵，还得把处理后的水注入地下水中。此方法主要应用与井区开采过程的污染处理。

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

由于土壤残油的组分很复杂，不可能分析微生物对每一种组分的降解机制[5],但根据美国环保局（EPA）以及其他研究报告,一般土壤微生物对残油的降解遵循一级反应关系。

章卫华等人在27℃，一周一次的翻耕供氧条件下，测出胶质、脂肪烃和芳香烃的半衰期分别为385d、289d 和94d。 在实验条件下，胶质的降解速率最慢，其次是脂肪烃，较快的是芳香烃。这主要因为所研究河滩土层中的残油已经过数十年的残积， 残油中的脂肪烃类组分少，芳香烃的组分相对较多。 因而在宏观上表现为脂肪烃的降解速率比芳香烃慢。

3.3 内在生物降解净化法（intrinsic bioremediation）

内在生物降解净化法是依靠天然土著微生物来降解已经排放到地下的污染物。 该法根据土著微生物对环境稳定适应的可靠性，不需要加入外来微生物，在不改变当地生物物种的情况下，通过补充土著菌的营养物质（N 源和P 源）或其他物质（如维生素或盐类以保证电解质的平衡）来激发、增强原位土著微生物的降解性能。

该方法参照了流线控制法的原理，通过地下水的流动为土著微生物提供了未被扰动的自然环境， 有效地保护了土著细菌的生物特性，避免了外来微生物对当地生态环境的二次污染。

3.4 微生物燃料电池降解法（microbial fuel cell,MFC）

微生物燃料电池降解法是近年来发展起来的一项新技术，是学科交叉、相互补充研究环境修复技术的新思路。 它是将微生物降解有机污染物时释放出的电子富集，并通过盐桥连接阴阳两级从而构成闭合的原电池过程。 该方法应用在被有机化合物污染的地区，将电极材料直接埋入污染场地，将阴阳两级用盐桥搭联，通过在原电池的正负两级发生的电极反应，从而达到减少环境中的污染物含量，最终实现修复污染的目的。该方法最大的优点在于通过微生物降解污染物发生电极反应，将生物能转化为电能，变废为宝。

Song Jin 等人通过对降解三氯乙烯（TCE）的研究发现，生物燃料电池法的降解能力达到80%以上；J.M.Morris 等人通过厌氧微生物对柴油的燃料电池降解研究发现：在30℃条件下经过21d 对C8-C20 的有机化合物降解，燃料电池降解法可降解82%同比微生物控制孵育降解法处理效果的31%更为快速高效。

燃料电池电极反应： 阴极：2H20+2e-→H2+2OH-阳极：H20→1/2O2+2H++2e-

4 结论

有机化合物的种类繁多结构复杂，在处理解决各类有机化合物污染的同时，会伴随着新的物理、化学和生物变化。通常使用化学氧化或者中和的方法解决有机化合物污染的同时，可能会产生新的化合产物和各种残留，从而造成二次污染。

随着多学科的交叉和应用，生物修复技术已从最初的、在理想的实验条件的研究， 逐渐建立起考虑实际随机因素影响的原位试验；对于污染机理研究也逐步完善并注重考察污染物迁移的动态过程模型研究；投入产出也从单纯为治理污染而投入能量的消耗模式，逐渐转向为可被再次利用的二次能源的新模式。虽然目前对于有机化合物污染研究仍存在着不足，但对于进一步完善研究多学科交叉领域的热点问题具有现实意义，并对处理突发污染事故有宝贵的借鉴价值。

［1］中国科学院长春分院《松花江流域环境问题研究》编辑委员会.松花江流域环境问题研究[M].北京:科学出版社,1992.

［2］纪学雁.土壤中石油污染物迁移规律实验模拟研究[D].大庆石油学院,2005.

［3］郭东屏,等.渗流理论基础[M].西安:陕西科学技术出版社,1994.

［4］朱利中,陈宝梁.机膨润土在废水处理中的应用及其发展[J].环境科学进展,1998,6(3):53-61.

［5］章卫华,李广贺,邵辉煌,等.包气带土层中石油污染物的微生物降解研究[J].环境科学研究,2002,15(2):60-62.