地下水中BTEX自然衰减的研究进展
1 引言
燃油（如汽油）地下储藏罐（Underground Storage Tanks，USTs）的泄漏是当前全球十分普遍的环境问题。美国在2003 年确认有443 568 处USTs 存在泄漏，相当于USTs总量的1/3[1]；虽然我国缺乏类似的调查数据，但USTs 泄漏以及事故性事件是难以避免的，该类泄漏将构成我国水资源安全利用的潜在威胁。
燃油泄漏带来的主要问题是，地下水受到水溶性毒性烃的污染，如苯，甲苯，乙苯和二甲苯（Benzene, Toluene, Ethylbenzene, Xylene, BTEX）。由于BTEX在汽油中占有约22 %的体积比例[2]，并且具有相对高的溶解度、迁移能力和致癌毒性，已引起了国际上学术研究的关注。北美与欧洲国家的研究认为，利用含水层土著微生物去除BTEX污染物是一种具有显著成本效益的含水层修复技术，即内在生物修复作用（Intrinsic bioremediation），该技术被社会普遍接受，并展开了深入研究。
2 自然衰减的定义及分类
基于已有的研究对自然界生物降解作用的认识，美国国家研究委员会（National Research Council，NRC）在1993年首次对内在生物修复和工程生物修复做了界定。内在生物修复是仅依靠自然界内在的微生物作用来修复污染地下水，而工程生物修复是利用人为干涉来促进地下水系统中生物作用[3]。1996年，美国环保总局对自然衰减下的定义为：能够有效降低污染物的毒性和数量、控制污染物的迁移，以达到保护人类健康和生态环境的生物降解、弥散、稀释、吸附、挥发、化学和生物化学作用[4]。
根据对污染物的破坏程度，这些自然发生的过程可归为两大类[5]：
（1）非破坏性过程：指对流、弥散、稀释、吸附和挥发等。这些作用虽然可以改变污染物在地下水中的浓度，但对污染物在环境中的总量没有影响，污染物的危害仍然存在。
（2）破坏性过程：包括生物降解、化学降解。这些作用使污染物不但浓度降低，而且结构破坏。其中化学转化不能彻底分解有机化合物，其产物的毒性有可能更大；而生物降解是唯一将污染物转化为无害产物的作用。对于有机污染物的自然衰减，其中最重要的是生物降解作用，因此自然衰减也通常被称作“内在生物修复或被动生物修复”。
3 国内外研究现状
上世纪80年代，为了评价和监测地下水中石油烃污染，欧美国家作出了巨大努力。普遍观察到，地下水中石油烃污染晕随时间变化而停止了扩展，推测存在一种动力稳定状态。最有说服力的例子是，位于明尼苏达州北部Bemidji Town附近的原油泄漏地，1979年，油管破裂导致1670 m3原油被泄漏到地面上，一年之后，油向下迁移并在地下水水面上形成一个漂浮的透镜体[6]。在这个场地建立了观测孔，监测工作从80年代到90年代，一个溶解烃的污染晕（主要是BTEX化合物）从透镜体向下游发展，然而到1985年，BTEX污染晕在距离透镜体仅150 m的下游停止了扩散。后来的研究表明，溶解烃淋滤进入地下水的速率与生物需氧、厌氧降解烃的速率之间出现了动力稳定（平衡）状态[7]。1985年以后，BTEX污染晕的位置与体积没有出现明显的变化。
Barker等人[8]报道了关于BTX的试验研究成果，通过往浅层砂质含水层注入1800升BTX 化合物，含有苯（2.4 mg/L ）、甲苯（1.8 mg/L）、对-二甲苯，间-二甲苯和邻-二甲苯（均为1.1 mg/L ）和氯化物（浓度为1280 mg/L）的地下水，其中氯是示踪剂，进行了一年半的监测。结果表明：苯和甲苯在扩散相对位置上，具有与氯相似的扩散晕，但是，苯和甲苯晕的范围逐渐减小，且以甲苯减小速率最快，到108天，苯的扩散与氯相比明显减少，而甲苯已经消失。试验还表明含水层颗粒吸附BTX 以及生物降解作用的可能性，且是主要的净化过程。这个结果在室内模拟试验上也得到了证实。因此，用“自然衰减”一词来描述包含弥散、扩散、吸附和生物降解这样一个混合的、能够导致污染物浓度下降的过程。类似地，Chiang等人[9]指出一个气体厂下面的污染含水层在3年时间内，苯的质量出现明显的损耗，其原因是自然衰减作用的结果。
在加里福利亚州，对一个更大的拥有7167口市政供水井的场地研究表明，场地在汽油泄漏进入地下水系统期间，苯的检出只有10口井。这项研究得出结论，认为生物降解作用消耗了BTEX化合物，由此保护了加州地下供水水源地免遭石油烃污染。基于地下水系统中土著微生物的作用，自然衰减监测已成为许多石油产品污染地下水场地优先考虑的修复技术。
在我国，针对石油烃污染地下水问题的研究起步于上世纪90年代，由清华大学牵头，在山东淄博市开展了石油烃污染地下水的大调查，并带动了该领域研究的进展。然而，现有的针对地下水中苯系物内在生物修复的研究报道不多。李宇华等人[10]提取了地下水中存在自然净化苯的反硝化菌，为进一步研究苯的自然衰减规律奠定了基础。
陈余道等人[11]根据现场水文地球化学证据，提出地下水中苯的归宿与生物降解有关，并提出了反硝化去除地下水中苯的修复建议；通过向实验室浅层含水层模型投注汽油污染物，陈余道等人[12]根据污染物浓度衰减与电子受体的消耗，认为含水层中存在需氧条件与硝酸盐还原条件下的BTEX自然衰减过程。
4 结语
采用原位生物修复技术对地下污染物进行处理比采用将污染物提取出来然后再处理的方法耗时少。而且与其它技术相比，该技术所需费用也较低。同时该技术所能处理的区域范围要比其它方法大，因为微生物可以随着污染物的移动而移动，从而达到其它方法都无法到达的区域。
不应该将自然衰减误认为是一种“什么也不用做”就能净化水土的方法；在利用自然衰减作用修复污染场地时，应该充分了解污染场地中污染物的衰减效率、衰减机理，掌握污染物在污染场地中的自然衰减过程，有效调控，达到去除有机污染物的目的。
参考文献
[1] United States Environmental protection. Washington, DC 20460 Mail Code 5401 G. 2004.
（http://www.abuse.com/environment/swerust1/pubs/ustfacts.pdf）.
[2] Barbaro, J.R., Barker, J.F., Lemon, L.A., Mayfield, C.I. Biotransformation of BTEX under anaerobic, denitrifying conditions: Field and laboratory observations. Journal of Contaminant Hydrology, 1992, 11: 245-272.
[3] National Research Council, In situ bioremediation: When does it work? Washington, D.C.: National Academy Press, 1993.
[4] Flynn, R.M., Rossi, P., Hunkeler, D. Invertigation of virus attenuation mechanisms in a fluvioglacial sand using column experiments. Microbiology Ecology, 2004, 49: 83-95.
[5] 张渤，韩洁. 石油烃类污染物在地下水中自然衰减特性. 重庆环境科学，2002，10: 35-37(54).
[6] Baedecker, M.J., Siegel, D.I., Bennett, P.C., et al. The fate and effects of crude oil in a shallow aquifer: I. The distribution of chemical species and geochemical facies, In, G.E. Mallard, and S.E. Ragone, editors, U.S. Geological Survey Toxic Substances Hydrology Program, Proceedings of the Technical Meeting, Phoenix, Arizona, September 26-30, 1988: U.S. Geological Survey Water-Resources Investigations Report 88-42320, p. 13-20.
[7] Lovley, D.R., Baedecker, M.J., Lonergan, D.J., et al. Oxidation of aromatic contaminants coupled to microbial iron reduction: Nature, 1989, (339): 297-299.
[8] Barker, J.F., Patrick, G.C., Major, D. Natural attenuation of aromatic hydrocarbons in a shallow sand aquifer. Ground Water Monitor. Rev, 1987, 7, 64-71.
[9] Chiang, C.Y., Salanitro, J.P., Chai, E.Y., et al. Aerobic biodegradation of benzene, toluene, and xylene in a sandy aquifer-data analysis and computer modeling. Ground Water, 1989, 27(6): 823-834.
[10] 李宇华，张旭，李广贺，等. 苯污染地下水系统反硝化菌分布及其净化过程. 环境污染治理技术与设备，2005，6(6): 12-15.
[11] 陈余道，朱义年，蒋亚萍，等. 汽油污染含水层中芳香烃的自然去除与生物降解特征. 地球化学，2004，33(5): 515-520.
[12] 陈余道，朱学愚，刘建立. 淄博市大武水源地地下水中苯的归宿与治理建议. 科学通报，1998，43(1): 81-85.
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
