地下水中BTEX自然衰減的研究進展
1 引言
燃油（如汽油）地下儲藏罐（Underground Storage Tanks，USTs）的泄漏是當前全球十分普遍的環境問題。美國在2003 年確認有443 568 處USTs 存在泄漏，相當于USTs總量的1/3[1]；雖然我國缺乏類似的調查數據，但USTs 泄漏以及事故性事件是難以避免的，該類泄漏將構成我國水資源安全利用的潛在威脅。
燃油泄漏帶來的主要問題是，地下水受到水溶性毒性烴的污染，如苯，甲苯，乙苯和二甲苯（Benzene, Toluene, Ethylbenzene, Xylene, BTEX）。由于BTEX在汽油中占有約22 %的體積比例[2]，并且具有相對高的溶解度、遷移能力和致癌毒性，已引起了國際上學術研究的關注。北美與歐洲國家的研究認為，利用含水層土著微生物去除BTEX污染物是一種具有顯著成本效益的含水層修復技術，即內在生物修復作用（Intrinsic bioremediation），該技術被社會普遍接受，并展開了深入研究。
2 自然衰減的定義及分類
基于已有的研究對自然界生物降解作用的認識，美國國家研究委員會（National Research Council，NRC）在1993年首次對內在生物修復和工程生物修復做了界定。內在生物修復是僅依靠自然界內在的微生物作用來修復污染地下水，而工程生物修復是利用人為干涉來促進地下水系統中生物作用[3]。1996年，美國環保總局對自然衰減下的定義為：能夠有效降低污染物的毒性和數量、控制污染物的遷移，以達到保護人類健康和生態環境的生物降解、彌散、稀釋、吸附、揮發、化學和生物化學作用[4]。
根據對污染物的破壞程度，這些自然發生的過程可歸為兩大類[5]：
（1）非破壞性過程：指對流、彌散、稀釋、吸附和揮發等。這些作用雖然可以改變污染物在地下水中的濃度，但對污染物在環境中的總量沒有影響，污染物的危害仍然存在。
（2）破壞性過程：包括生物降解、化學降解。這些作用使污染物不但濃度降低，而且結構破壞。其中化學轉化不能徹底分解有機化合物，其產物的毒性有可能更大；而生物降解是唯一將污染物轉化為無害產物的作用。對于有機污染物的自然衰減，其中最重要的是生物降解作用，因此自然衰減也通常被稱作“內在生物修復或被動生物修復”。
3 國內外研究現狀
上世紀80年代，為了評價和監測地下水中石油烴污染，歐美國家作出了巨大努力。普遍觀察到，地下水中石油烴污染暈隨時間變化而停止了擴展，推測存在一種動力穩定狀態。最有說服力的例子是，位于明尼蘇達州北部Bemidji Town附近的原油泄漏地，1979年，油管破裂導致1670 m3原油被泄漏到地面上，一年之后，油向下遷移并在地下水水面上形成一個漂浮的透鏡體[6]。在這個場地建立了觀測孔，監測工作從80年代到90年代，一個溶解烴的污染暈（主要是BTEX化合物）從透鏡體向下游發展，然而到1985年，BTEX污染暈在距離透鏡體僅150 m的下游停止了擴散。后來的研究表明，溶解烴淋濾進入地下水的速率與生物需氧、厭氧降解烴的速率之間出現了動力穩定（平衡）狀態[7]。1985年以后，BTEX污染暈的位置與體積沒有出現明顯的變化。
Barker等人[8]報道了關于BTX的試驗研究成果，通過往淺層砂質含水層注入1800升BTX 化合物，含有苯（2.4 mg/L ）、甲苯（1.8 mg/L）、對-二甲苯，間-二甲苯和鄰-二甲苯（均為1.1 mg/L ）和氯化物（濃度為1280 mg/L）的地下水，其中氯是示蹤劑，進行了一年半的監測。結果表明：苯和甲苯在擴散相對位置上，具有與氯相似的擴散暈，但是，苯和甲苯暈的范圍逐漸減小，且以甲苯減小速率最快，到108天，苯的擴散與氯相比明顯減少，而甲苯已經消失。試驗還表明含水層顆粒吸附BTX 以及生物降解作用的可能性，且是主要的凈化過程。這個結果在室內模擬試驗上也得到了證實。因此，用“自然衰減”一詞來描述包含彌散、擴散、吸附和生物降解這樣一個混合的、能夠導致污染物濃度下降的過程。類似地，Chiang等人[9]指出一個氣體廠下面的污染含水層在3年時間內，苯的質量出現明顯的損耗，其原因是自然衰減作用的結果。
在加里福利亞州，對一個更大的擁有7167口市政供水井的場地研究表明，場地在汽油泄漏進入地下水系統期間，苯的檢出只有10口井。這項研究得出結論，認為生物降解作用消耗了BTEX化合物，由此保護了加州地下供水水源地免遭石油烴污染。基于地下水系統中土著微生物的作用，自然衰減監測已成為許多石油產品污染地下水場地優先考慮的修復技術。
在我國，針對石油烴污染地下水問題的研究起步于上世紀90年代，由清華大學牽頭，在山東淄博市開展了石油烴污染地下水的大調查，并帶動了該領域研究的進展。然而，現有的針對地下水中苯系物內在生物修復的研究報道不多。李宇華等人[10]提取了地下水中存在自然凈化苯的反硝化菌，為進一步研究苯的自然衰減規律奠定了基礎。
陳余道等人[11]根據現場水文地球化學證據，提出地下水中苯的歸宿與生物降解有關，并提出了反硝化去除地下水中苯的修復建議；通過向實驗室淺層含水層模型投注汽油污染物，陳余道等人[12]根據污染物濃度衰減與電子受體的消耗，認為含水層中存在需氧條件與硝酸鹽還原條件下的BTEX自然衰減過程。
4 結語
采用原位生物修復技術對地下污染物進行處理比采用將污染物提取出來然后再處理的方法耗時少。而且與其它技術相比，該技術所需費用也較低。同時該技術所能處理的區域范圍要比其它方法大，因為微生物可以隨著污染物的移動而移動，從而達到其它方法都無法到達的區域。
不應該將自然衰減誤認為是一種“什么也不用做”就能凈化水土的方法；在利用自然衰減作用修復污染場地時，應該充分了解污染場地中污染物的衰減效率、衰減機理，掌握污染物在污染場地中的自然衰減過程，有效調控，達到去除有機污染物的目的。
參考文獻
[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] 張渤，韓潔. 石油烴類污染物在地下水中自然衰減特性. 重慶環境科學，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] 李宇華，張旭，李廣賀，等. 苯污染地下水系統反硝化菌分布及其凈化過程. 環境污染治理技術與設備，2005，6(6): 12-15.
[11] 陳余道，朱義年，蔣亞萍，等. 汽油污染含水層中芳香烴的自然去除與生物降解特征. 地球化學，2004，33(5): 515-520.
[12] 陳余道，朱學愚，劉建立. 淄博市大武水源地地下水中苯的歸宿與治理建議. 科學通報，1998，43(1): 81-85.
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