地下水污染生物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

張 颯，劉 芳，蘇 敏，劉軍海

（陜西理工學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西 漢中723001）

隨著工業(yè)化生產(chǎn)的快速發(fā)展，由此帶來(lái)的工業(yè)廢水、石油泄漏、農(nóng)藥化肥的超量施用等，使得土壤和地下水的污染日趨嚴(yán)重，有關(guān)這方面的問(wèn)題也受到越來(lái)越多的關(guān)注。目前，科研人員已開(kāi)發(fā)出多種地下水修復(fù)技術(shù)，如抽出處理法、水力法、物理法、化學(xué)法及生物修復(fù)法等。其中，生物修復(fù)法具有物理法、化學(xué)法和其他方法無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，突出表現(xiàn)在生物修復(fù)法可以現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行、環(huán)境影響小和最大限度地降低污染物濃度等，是一種綠色生態(tài)方法。本文就地下水生物修復(fù)技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，重點(diǎn)討論各種修復(fù)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)，旨在為地下水生物修復(fù)技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)提供一定的參考。

1 生物修復(fù)技術(shù)

所謂地下水生物修復(fù)技術(shù)是指利用天然存在或特別培養(yǎng)的生物通過(guò)生物降解作用將有毒污染物轉(zhuǎn)化為無(wú)毒物質(zhì)的處理技術(shù)［1］。目前，地下水生物修復(fù)技術(shù)主要有泥炭生物屏障法、生物注射法、植物修復(fù)法、有機(jī)粘土法和生物反應(yīng)器法等。

1.1 泥炭生物屏障法

泥炭，又稱(chēng)為草炭或泥煤，具有螯合結(jié)構(gòu)。可以與其他離子或基團(tuán)發(fā)生快速的絡(luò)合反應(yīng)及離子交換作用，從而將污染物從水中轉(zhuǎn)移到固相中，達(dá)到去除水中污染物的目的。這種技術(shù)能有效地降解地下水污染物中的三氯乙烯（trichloroethylene，TCE），其原理是利用微生物的共代謝作用，因TCE不能作為微生物的生長(zhǎng)基質(zhì)，所以需要為微生物提供另外的碳源，微生物利用提供的碳源生長(zhǎng)，然后再去降解TCE［2－3］。如果利用P＆T（Pump and treat）技術(shù)處理TCE時(shí)，由于地下水的流動(dòng)導(dǎo)致溶質(zhì)分散及被土壤等吸附，從而使進(jìn)入抽提井的TCE的濃度會(huì)比污染源頭少很多，處理效率也會(huì)相應(yīng)變低，由此可見(jiàn)泥炭生物屏障法的優(yōu)越性。

衣雪松等［4］進(jìn)行的泥炭吸附水中Pb2＋的研究，泥炭對(duì)Pb2＋有很強(qiáng)的吸附性，實(shí)驗(yàn)中泥炭對(duì)Pb2＋的最大吸附容量為96.85mg/g，當(dāng)泥炭量達(dá)12g/L時(shí)，泥炭對(duì)Pb2＋的去除率達(dá)96.2%。

黃國(guó)鑫等［5］用鐵炭聯(lián)用修復(fù)硝酸鹽污染地下水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：鐵炭聯(lián)用是一種經(jīng)濟(jì)有效去除地下水中硝酸鹽的方法，鐵炭總量為8.0～10.0g 時(shí)介質(zhì)用量最佳，此時(shí)殘留NO3－質(zhì)量濃度為34.23～35.21mg/L－1。 活性炭可與鐵聯(lián)用，也可與其他物質(zhì)聯(lián)用增強(qiáng)處理效果。

天然泥炭較易得到，但卻不便應(yīng)用。這主要是由于天然泥炭親水性強(qiáng)，化學(xué)穩(wěn)定性差，較容易收縮與膨脹，吸附能力很差，故應(yīng)對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男砸愿纳破浠瘜W(xué)性能［6］。

1.2 生物注射法

生物注射法亦稱(chēng)空氣注射法（air sparging，AS），是在傳統(tǒng)氣提技術(shù)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)提升的新技術(shù)。其原理是將加壓后的空氣注射到污染地下水的下部，氣體的流動(dòng)加速了地下水和土壤中有機(jī)物的揮發(fā)和降解。生物注射法主要是抽提、通氣并用，并通過(guò)增加及延長(zhǎng)停留時(shí)間促進(jìn)生物降解，提高修復(fù)效率，主要用于修復(fù)非水相液體 （non aqueous phase liquids，NAPLs）， 特別是揮發(fā)性有機(jī)物 （volatile organic compounds，VOCs）［7］。

與傳統(tǒng)的抽提法相比，生物注射法在通氣的同時(shí)予以抽提，使得全部地下水尤其是巖層中的污染物得到有效去除。而且生物注射法為污染地下水中的微生物體提供了充足的氧氣，增加了地下水中溶解氧濃度，從而促進(jìn)生物降解。

金黃梅等［8］研究發(fā)現(xiàn)，借助密度差的驅(qū)動(dòng)作用，能較好地實(shí)現(xiàn)水—?dú)獾南嗔髟诙嗫捉橘|(zhì)中的均勻分布，順利進(jìn)行曝氣原位生物修復(fù)去除地下水石油污染的實(shí)驗(yàn)研究。而且處理油污染地下水，污染物去除效率極高。經(jīng)過(guò)25d運(yùn)行，裝置出水COD平均去除率均達(dá)95%以上，油濃度去除率達(dá)80%。

目前，生物注射法只適用于土壤氣提技術(shù)可行的場(chǎng)所，同時(shí)生物注射法的效果也受到巖相學(xué)和土層學(xué)的影響，空氣在進(jìn)入非飽和帶之前應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離粗孔層，避免影響污染區(qū)域；另外它在處理粘土層方面效果不理想。此外，生物注射法應(yīng)用過(guò)程中需考慮的因素較多，在我國(guó)幾乎沒(méi)有應(yīng)用，今后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)巖相學(xué)與土層學(xué)的研究，以及應(yīng)用場(chǎng)所的考察，以拓展生物注射法的應(yīng)用。

1.3 生物反應(yīng)器法

生物反應(yīng)器是一種特殊反應(yīng)器，在結(jié)構(gòu)上與常規(guī)的生物處理單元類(lèi)似，既可是活性污泥類(lèi)反應(yīng)器，也可是生物膜反應(yīng)器［9］。同常規(guī)廢水處理一樣，反應(yīng)器的類(lèi)型有多種形式，如SBR（sequencing batch reactor）序批式反應(yīng)器，生物固定生長(zhǎng)的生物滴濾池，生物轉(zhuǎn)盤(pán)和接觸氧化反應(yīng)器，厭氧菌處理的厭氧消化和厭氧接觸反應(yīng)器，高級(jí)處理的流化床反應(yīng)器和活性炭生物反應(yīng)器等。

SBR技術(shù)具有杜絕短路，澄清效果良好，運(yùn)行靈活，出水不帶浮渣，曝氣系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)單，生物聚凝吸附等性能。陳榮［10］在造紙法煙草薄片生產(chǎn)廢水的處理中用序批式反應(yīng)器技術(shù)對(duì)生產(chǎn)廢水進(jìn)行深度處理，序批式反應(yīng)器技術(shù)處理廢水的效率高達(dá)90%，在一個(gè)完整的SBR系統(tǒng)中，每個(gè)反應(yīng)池分序進(jìn)入一定量的污水，獨(dú)立完成曝氣、沉淀處理并最終排放。

膜吸附生物反應(yīng)器 （membrance adsorption bioreactor，MABR）也是一類(lèi)非常重要的生物反應(yīng)器，可有效去除飲用水中的有機(jī)物，而且MABR工藝技術(shù)簡(jiǎn)單又相對(duì)經(jīng)濟(jì)，具有很好的應(yīng)用前景［11］。

李俊生等［12］進(jìn)行了曝氣生物濾池處理生活污水的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，曝氣生物濾池對(duì)出水COD去除率可達(dá)83.7%～90%，對(duì)氨氮去除率可達(dá)85%以上；曝氣生物濾池具有負(fù)荷高、占地少、能耗低、出水好、工藝簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，處理的生活污水出水COD、氨氮均能達(dá)到國(guó)家二級(jí)出水的標(biāo)準(zhǔn)。

生物反應(yīng)器法流程復(fù)雜，且影響因素較多，目前研究最多的有生物膜反應(yīng)器法和序批式反應(yīng)器法。部分生物反應(yīng)器法處理水質(zhì)較差，需要高溫和補(bǔ)充有機(jī)物，微生物生長(zhǎng)和濃度維持困難［13］。在以后的研究中，可以從投加營(yíng)養(yǎng)物、控制溫度、維持微生物的生長(zhǎng)和濃度等方面入手，探索處理效果更好更完善的新型反應(yīng)器。

1.4 厭氧處理法

大多數(shù)的生物修復(fù)方法都是在好氧環(huán)境中進(jìn)行的，事實(shí)上在厭氧環(huán)境中進(jìn)行的生物修復(fù)也具有極大的潛力。特別是一些厭氧微生物或兼性厭氧微生物對(duì)水中有機(jī)或無(wú)機(jī)污染物的吸附降解作用，厭氧處理法的機(jī)理是通過(guò)發(fā)酵作用產(chǎn)生甲烷、二氧化碳和水，從而達(dá)到凈化水體的目的。

如李昂等［14］人研究的厭氧氨氧化技術(shù)，是在缺氧條件下，微生物直接以NO3－或NO2－為電子受體， 以NH4＋為電子供體，將兩種氮素同時(shí)轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾纳锓磻?yīng)過(guò)程，厭氧氨氧化工藝以氨取代有機(jī)物作厭氧氨氧化技術(shù)需氧量低，運(yùn)行費(fèi)用低，對(duì)碳源要求不高。因此，在低碳源廢水的處理中不需要外加碳源。

由于厭氧處理法的化學(xué)途徑較短，且不需要大量能源，具有廣闊的應(yīng)用前景。但是卻需要在嚴(yán)格的條件下進(jìn)行，而且對(duì)厭氧微生物的選擇很有限，嚴(yán)重制約了厭氧處理法在工程實(shí)踐中的應(yīng)用。

1.5 植物修復(fù)法

植物修復(fù)法是利用植物體對(duì)某些污染物的超強(qiáng)吸附、積累，對(duì)某些污染物的植物代謝，轉(zhuǎn)化和礦化，植物根吸收，根分泌物與根際，根系微生物對(duì)污染物代謝、轉(zhuǎn)化與礦化，兩者的共代謝增強(qiáng)了降解污染物的活性，加速了水體中污染物降解的過(guò)程。植物修復(fù)法包含了植物提取，植物降解和植物穩(wěn)定化3種。植物修復(fù)技術(shù)自誕生以來(lái)，在全世界得到了迅速應(yīng)用和發(fā)展。目前發(fā)現(xiàn)的重金屬超積累植物有700多種，鳳眼蓮、水芹菜、香蒲、蘆葦、苜蓿草、蒲公英、小白酒花香根草等都對(duì)重金屬具有良好的吸收積累效應(yīng)。

植物修復(fù)法具有投資少，工藝流程簡(jiǎn)單，植物根部可以滲透到一般技術(shù)難以達(dá)到的位置，污染物泄漏少并能使土壤得到改良等優(yōu)點(diǎn)。如馬偉樓等［15］綜述了植物法除錳的機(jī)理和各種影響因素。表明植物具有很強(qiáng)的錳吸收、積累和從根部向上部轉(zhuǎn)移的能力。

然而植物修復(fù)法難以去除根部以下更深層的污染物，并且污染物的毒性可能影響到植物的生長(zhǎng)，修復(fù)過(guò)程比較緩慢。此外，植物體對(duì)土壤的結(jié)構(gòu)、水分、鹽度、氣候等條件有一定要求，從而在一定程度上限制了植物修復(fù)法的發(fā)展。

1.6 其他方法

近年來(lái)，更多的地下水生物修復(fù)新技術(shù)不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)。如利用人工合成的有機(jī)粘土有效去除有毒化合物的有機(jī)粘土法。其機(jī)理是帶正電荷的有機(jī)修飾物、陽(yáng)離子表面活性劑通過(guò)化學(xué)鍵鍵合到帶負(fù)電荷的粘土表面上合成有機(jī)粘土，粘土上的表面活性劑可以將有毒化合物吸附到粘土上，從而去除或進(jìn)行生物降解。事實(shí)上，大多數(shù)生物處理方法需在有氧條件下進(jìn)行，處理淺層地下水中的有機(jī)污染物效果較好，采取此法時(shí)應(yīng)因地制宜。

抽提地下水系統(tǒng)和回注系統(tǒng)相結(jié)合法主要是將抽提地下水系統(tǒng)和回注系統(tǒng)（注入空氣或H2O2、營(yíng)養(yǎng)物和已馴化的微生物）結(jié)合起來(lái)，促進(jìn)有機(jī)污染物的生物降解［16］。相比其他方法，抽提地下水系統(tǒng)和回注系統(tǒng)相結(jié)合法處理費(fèi)用低，處理時(shí)間短。如張?jiān)频龋?7］就氮污染地下水的原位修復(fù)試驗(yàn)研究，回注系統(tǒng)中就加入乙醇、乙酸鈉、葡萄糖、白糖作為碳源進(jìn)行試驗(yàn)比較，結(jié)果表明：用乙醇、乙酸鈉作碳源的修復(fù)效果比葡萄糖和白糖的好，可見(jiàn)碳源的投加是關(guān)鍵。

由于抽提地下水系統(tǒng)與回注系統(tǒng)是同時(shí)進(jìn)行的，導(dǎo)致抽提地下水系統(tǒng)和回注系統(tǒng)相結(jié)合法難以實(shí)施操作，所以應(yīng)進(jìn)行精確的工程力學(xué)和水力學(xué)計(jì)算，否則，只會(huì)加劇地下水體的污染程度。

2 結(jié)語(yǔ)

地下水與人類(lèi)生活有著密切的關(guān)系，是農(nóng)業(yè)灌溉、工礦企業(yè)及城市生活用水的重要水源。有效地保證地下水水源質(zhì)量，預(yù)防地下水污染和及時(shí)修復(fù)地下水污染是保護(hù)地下水環(huán)境的重要工作。修復(fù)已遭受污染的地下水是比較困難的，且治理費(fèi)用巨大，所需的時(shí)間很長(zhǎng)?；谖覈?guó)的基本國(guó)情及考慮國(guó)際地下水污染治理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，在有效的預(yù)防和控制地下水污染的前提下，生物修復(fù)不失為最好的選擇之一。

就目前來(lái)看，生物注射法和生物反應(yīng)器法是研究較多的地下水生物修復(fù)技術(shù)，但工藝流程復(fù)雜且操作條件不易控制，今后應(yīng)加大這方面的研究。另外，根據(jù)具體情況，選擇具體方法，把不同生物修復(fù)法相結(jié)合，或者與其他修復(fù)技術(shù)結(jié)合起來(lái)使用，可進(jìn)一步提高治理效果，此外，增加對(duì)微生物的培養(yǎng)，擴(kuò)大綠色植物的栽種面積，加強(qiáng)對(duì)新型微生物及罕見(jiàn)植物品種的探究，可實(shí)現(xiàn)大范圍的地下水污染治理，而且生物修復(fù)較其他方法而言，是比較經(jīng)濟(jì)的。但目前這方面的研究見(jiàn)于報(bào)道的并不多，這將是今后的研究熱點(diǎn)之一。總之，生物修復(fù)法以其投資少、運(yùn)行方便、能耗低、無(wú)二次污染等特點(diǎn)受到越來(lái)越多的關(guān)注，相信隨著研究工作的不斷深入，有關(guān)這方面的研究必將取得更多的研究成果。

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