表面活性剂强化电动-生物PRB对土壤石油烃的协同降解及机制

Electro-bioremediation (EK-Bio) has been shown to be a promising method to remove petroleum hydrocarbons in contaminated soil. However, a series of problems, such as the low bioavailability of petroleum, removal efficiency of spatial heterogeneity, have remain unresolved. It restricts the application of this method. In this study, a new method of surfactant enhanced electrokinetic-biological permeable reactive barriers (EK-Bio-PRB) is proposed for the treatment of petroleum hydrocarbon contaminated soil. Firstly, suitable surfactants are selected and Bio-PRB with high degradation capability for petroleum is established. Then, a design of electrodes matrix with cylindrical configuration is used for the EK-Bio-PRB remediation. The mechanism of the synergistic degradation of petroleum hydrocarbons is also investigated. To reveal the migration dynamics of petroleum hydrocarbon in the electric field, we analysis the inter relation between the surfactant transformation behavior and the electric field intensity distribution and petroleum hydrocarbon migration. To clarify the mechanism of synergistic degradation of petroleum hydrocarbons by EK-Bio-PRB, we study the cooperative responses between electro-process and contents of petroleum hydrocarbon and microorganism as well. The results of this project will provide the theoretical and scientific basis for the application and technical innovation of the EK-Bioremediation of petroleum contaminated soil.

电动-生物修复是去除土壤中石油烃的有效手段，但石油烃生物可利用性低、修复效率空间差异大等问题制约了该技术的应用。本项目以石油烃污染土壤为研究对象，提出了阴极传输表面活性剂强化电动-生物可渗透反应墙 (EK-Bio-PRB)联合修复的工艺模式，开展了联合修复对石油烃协同降解机理的研究。在筛选表面活性剂、构建生物PRB的基础上，采用圆筒形电极矩阵构型，建立阴极传输 表面活性剂强化电动-生物PRB联合修复工艺；深入分析表面活性剂电动传输和场强分布与石油烃迁移的关系，揭示石油烃的迁移转化规律；研究场强-石油烃浓度-生物PRB内微生物群落结构的响应关系，阐明联合修复工艺对土壤石油烃的协同降解机理，为石油烃污染土壤电动-生物修复技术创新与应用提供科学依据和理论基础。

针对石油污染土壤电动-生物联合修复中存在的石油烃生物利用性低、修复效率空间差异大、总体修复效率低等问题，本项目以石油污染土壤为研究对象，开展了创新型修复方法及其降解机理的研究。获得以下重要结果：（1）筛选了适用于电场条件的用于石油烃解吸的表面活性剂SDBS，以SDBS为阴极电解液，12d可使土壤中81.23%总石油烃（TPH）迁移去除，较单一电动修复TPH去除率提高68.73%，结果表明通过阴极传输表面活性剂进入土壤，可有效促进土壤中石油烃的解吸，解决了石油烃生物利用性低的瓶颈问题，实现了电场运行使石油烃向目标区域迁移富集，为下一步石油烃的集中生物降解提供了可能性；（2）以生物炭为载体固定化石油降解菌，比较了游离降解菌（TB）、降解菌-生物炭（TB-BC）和生物炭固定化降解菌（CTB）等不同的菌剂加入方式对含油土壤的修复效果，CTB组的石油烃去除率、微生物数量、脱氢酶活性和土壤呼吸强度显著高于其他组，表明生物炭固定化复合菌对石油烃的去除具有生物强化和生物刺激协同的作用机制，解决了传统电动-生物修复中外界因素对外源降解菌的不利影响，为石油烃的高效生物降解提供了可能；（3）以上述研究结果为依据构建了生物PRB，设计了联合修复电动装置，在此基础上首次提出并建立了阴极传输表面活性剂强化石油烃污染土壤电动-生物PRB联合修复模式；（4）分析了修复过程中表面活性剂、石油烃及其组分的时空动态变化，阐明了石油烃在土壤中的迁移转化规律；（5）解析了降解菌群落结构变化与石油烃时空动态分布的响应关系，指出电场引起的土壤微环境和营养底物变化可引起降解菌群落结构变化，从而导致石油烃降解速率及石油烃不同组分在不同阶段出现降解差异。阐明了联合修复对土壤石油烃的去除机理为电化学降解、电场迁移以及微生物降解三者的协同作用，指出联合修复中土壤TPH的去除依赖于前期的定向迁移和后期在PRB内的生物降解。本项目的研究结果可为石油烃污染土壤电动-生物修复技术创新与应用提供科学依据和理论基础。