秸稈和菇渣應(yīng)用于生物堆修復(fù)有機污染土壤的現(xiàn)場試驗研究展

漫軍　張磊　李婧等

摘要：以某搬遷有機化工廠的污染土壤為研究對象，以氯苯類、硝基苯類等為模型污染物，開展生物堆技術(shù)修復(fù)有機污染土壤的現(xiàn)場試驗研究，考察不同工藝條件下污染物降解情況。結(jié)果表明：（1）生物堆現(xiàn)場試驗運行69 d污染物降解率為82.8%～99.0%，對照組為25.2%～46.2%；（2）加入1.0%（質(zhì)量百分比）秸稈和2.0%（質(zhì)量百分比）菇渣作為土壤結(jié)構(gòu)改良劑能有效改善生物堆通氣性和持水性，有利于堆體升溫和微生物增殖，提高有機污染物降解速率；（3）本現(xiàn)場試驗的最優(yōu)工藝條件“1.0%秸稈+2.0%菇渣+主動曝氣+底部被動曝氣+翻堆”具有最佳環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，技術(shù)成本 673元/m3；（4）采用投加高濃度菌劑的生物強化未能顯著提高污染物降解效率。

關(guān)鍵詞：生物修復(fù)；生物堆；曝氣；秸稈；菇渣；生物強化；有機污染

中圖分類號： X53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）03-0300-05

近年來，城市工業(yè)布局調(diào)整要求污染較重企業(yè)搬遷出主城，遺留大量被污染的土地，在城市土地置換中改變其用地性質(zhì)后進(jìn)行再開發(fā)利用。我國有關(guān)法規(guī)要求工業(yè)污染土壤須經(jīng)過治理和修復(fù)，符合未來用地標(biāo)準(zhǔn)后方能開發(fā)建設(shè)。土壤修復(fù)是使遭受污染的土壤恢復(fù)正常功能的技術(shù)措施，常用方法有物理法、化學(xué)法和生物法[1-6]。生物修復(fù)是利用微生物的新陳代謝過程，直接以有機污染物作為代謝底物，或者利用共代謝途徑將有機污染物降解為CO2、H2O或其他無毒、低毒產(chǎn)物，從而實現(xiàn)有機污染土壤的修復(fù)[7-9]。生物堆法是傳統(tǒng)堆肥和生物治理技術(shù)的結(jié)合，近年來國內(nèi)外普遍采用生物堆法處理工業(yè)污染土壤[10-29]。Jorgensen等的試驗表明，石油污染土壤經(jīng)過生物堆置后可減少石油含量71%[30]。姜林等在北京某焦化廠建立處理能力為450 m3的生物堆，對多環(huán)芳烴污染土壤進(jìn)行8個月的修復(fù)，16種多環(huán)芳烴的平均去除率均大于65%[31]。生物堆法在工程應(yīng)用上一般通過生物刺激和生物強化2種方式來提高有機污染物降解率。生物刺激即通過一定工程措施優(yōu)化土壤微生態(tài)環(huán)境，主要包括提供電子受體、調(diào)節(jié)土壤含水率及pH值、投加適量的營養(yǎng)物質(zhì)等，促進(jìn)微生物繁殖。生物強化即向土壤中投加菌劑以增加具有特定降解能力菌類的種群數(shù)量，增強微生物的活性從而達(dá)到降解污染物的目的。

本研究供試土壤為南京地區(qū)常見的粉質(zhì)黏土，黏粒含量高，堆置后密實、孔隙度小，不利于堆體內(nèi)部土壤的通氣充氧，嚴(yán)重影響好氧微生物的新陳代謝，需要加入土壤結(jié)構(gòu)改良劑以改善堆體的疏松度和通氣性，避免堆體內(nèi)出現(xiàn)厭氧區(qū)域。秸稈是成熟農(nóng)作物莖葉（穗）部分的總稱，含有大量的有機質(zhì)、氮、磷、鉀和微量元素，粗纖維含量高達(dá)30%～40%[32-34]。菇渣是食用菌菇生產(chǎn)余下的廢料，含有豐富的粗蛋白、菌體蛋白、氮磷以及有機質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)，還含有鈣、鉀、硅等礦物質(zhì)，是安全的有機肥料[35-37]。秸稈和菇渣具有疏松多孔的物理性質(zhì)和一定的物理強度，是良好的土壤結(jié)構(gòu)改良劑。本研究將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的廢棄物秸稈和菇渣作為土壤結(jié)構(gòu)改良劑應(yīng)用于生物堆修復(fù)有機污染土壤，在南京市某搬遷有機化工廠內(nèi)構(gòu)建處理規(guī)模 100 m3 的生物堆現(xiàn)場試驗工程，對氯苯類及硝基苯類污染土壤進(jìn)行69 d的修復(fù)，研究了3種運行工藝下主要污染物降解情況，并通過經(jīng)濟(jì)成本分析，探討最優(yōu)工藝路線。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究供試土壤取自南京某搬遷有機化工廠的生產(chǎn)車間地下2～5 m。原土理化性質(zhì)如下：粉質(zhì)黏土的黏粒含量約25%，孔隙度0.43，垂直滲透系數(shù)2.88×10-7cm/s，pH值 7.9～8.3，含水率25%～28%，有機碳1.9%，堿解氮38 mg/kg，速效磷15 mg/kg，微生物菌群數(shù)量2.1×103～1.6×104個/g。秸稈、菇渣、氮肥以及磷肥購自南京寧糧生物肥料公司。微生物菌劑由江蘇麥可博生物環(huán)保工程技術(shù)有限公司對原土的微生物進(jìn)行馴化和擴(kuò)大培養(yǎng)制成。主動曝氣管為直徑 10 cm 的PVC管，鉆孔密度20～50 個/m。被動曝氣系統(tǒng)由軟式透水管構(gòu)成。立體被動曝氣系統(tǒng)獲得專利授權(quán)（專利號：ZL201320568574.X）。

1.2 室內(nèi)土柱試驗

供試土壤用錘子敲碎后過2 mm篩網(wǎng)；秸稈剪切至長度 1 cm；菇渣破碎打散；PVC管（長度20 cm，內(nèi)徑4.5 cm）用紗布封底。天平稱取180 g原土，按照試驗設(shè)計比例添加秸稈和菇渣，混勻后填入PVC管，填充時保持壓實程度與土柱體積一致。將土柱固定在鐵架臺上，自上方緩緩加入100 mL水，土柱滲出水流入下方燒杯，用天平稱量燒杯質(zhì)量。

1.3 生物堆構(gòu)建

在南京市某搬遷化工廠內(nèi)構(gòu)建4個生物堆（長8 m，寬 3 m，高2 m），分別稱為1～4號堆?，F(xiàn)場試驗運行69 d，處理污染土壤約100 m3。1號堆（對照組）由原土堆置；2～4號堆在建堆時充分灑水，添加適量氮肥、磷肥，使土壤C ∶N ∶P約為（100～120） ∶10 ∶1，同時摻混1%（質(zhì)量百分比）秸稈和2%（質(zhì)量百分比）菇渣。4號堆在建堆時和第47天投加50 L微生物菌劑。2～4號堆體中間埋設(shè)數(shù)根主動曝氣管，兩端開口伸出堆體外與大氣連通。2號堆體內(nèi)部埋設(shè)立體被動曝氣系統(tǒng)，可以通氣、通水。3號堆及4號堆僅底部鋪設(shè)被動曝氣管。各生物堆運行工藝條件見表1。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 室內(nèi)土柱試驗 記錄土柱第1滴水滲出時間，每隔 1 min 檢測土柱滲出水總質(zhì)量。稱量加水前和試驗結(jié)束時土柱質(zhì)量，二者差值即為土柱涵養(yǎng)水分質(zhì)量，代表了土柱最終持水能力。

1.4.2 生物堆現(xiàn)場試驗 堆心距地面約1 m處插入溫度計測定土壤溫度并記錄。定期采集距地面約1 m處的堆心土壤，每次采集3個樣品，數(shù)據(jù)處理時取平均濃度。1，4-二氯苯檢測方法為USEPA 8260C；硝基苯、對/鄰硝基氯苯的檢測方法為USEPA 8270D；微生物菌落數(shù)測定方法為平板計數(shù)法，微生物菌劑培養(yǎng)方法參照文獻(xiàn)[38]。endprint

2 結(jié)果與分析

2.1 確定秸稈和菇渣的最佳配料比

2.1.1 不同比例秸稈的土柱滲水性及持水性 考察秸稈添加比例為0.5%、1.0%、2.0%（質(zhì)量百分比）時土柱的滲水性及持水性。不同土柱滲水量與時間的關(guān)系見圖1；不同土柱最終持水能力見圖2。

2.2 生物堆修復(fù)有機污染土壤現(xiàn)場試驗結(jié)果

2.2.1 溫度變化

生物堆堆心溫度高低可大致反映土壤微生物的活性。各堆心溫度變化如圖5所示?，F(xiàn)場試驗運行69 d期間，氣溫變化范圍19～35 ℃，1號堆（對照組）是原土堆置，溫度范圍18～27 ℃，與氣溫接近。2號堆經(jīng)歷了2個“升溫—降溫”周期，分別在建堆后、第20天。2號堆采用 “主動曝氣+立體被動曝氣+不翻堆” 工藝。建堆時按照表1中各項工藝方案為土著微生物提供良好的生態(tài)環(huán)境條件，菇渣可增加土壤有機碳含量，為微生物的新陳代謝提供充足的碳源，微生物菌群迅速增殖、消耗有機碳并散發(fā)熱量使得堆心溫度快速上升。我們認(rèn)為，在溫度較低的秋、冬季節(jié)構(gòu)建生物堆時，適量加入秸稈和菇渣能有效刺激微生物新陳代謝，提高堆體溫度，有利于微生物分解有機污染物。3號堆經(jīng)歷了3個“升溫—降溫”周期，分別在建堆后、第23天（第1次翻堆）、第47天（第2次翻堆）。3號堆運行工藝是“主動曝氣+底部被動曝氣+翻堆”。翻動土壤一方面起到充氧作用，另一方面也使堆料均勻混合，堆體內(nèi)部各處微生物菌群均能獲得良好的生長環(huán)境，加之補充水分，每次翻堆后都能引發(fā)新一輪的微生物增殖。因此，定期翻堆能改善堆體內(nèi)部微生態(tài)環(huán)境，有利于提高微生物活性，促進(jìn)對有機污染物的降解。4號堆經(jīng)歷3個“升溫-降溫”周期，分別在建堆后、第23天（第1次翻堆）、第47天（第2次翻堆）。4號堆的溫度、每次升溫幅度和峰值都沒有超過2號堆和3號堆，說明微生物新陳代謝及活性并非期望的“被強化”。將培養(yǎng)基上馴化和擴(kuò)大培養(yǎng)的高濃度微生物菌劑投加到土壤中不能完全適應(yīng)自然環(huán)境，使得微生物增殖不顯著（如表3中微生物菌群數(shù)量）。因此，采用生物堆技術(shù)修復(fù)高濃度和難降解有機污染土壤時，需要有針對性地篩選和馴化優(yōu)勢菌種，并充分考慮其在自然環(huán)境中的適應(yīng)性，方能體現(xiàn)生物強化的優(yōu)勢。

表2顯示，現(xiàn)場試驗運行69 d期間，2～4號堆的微生物菌落數(shù)均比1號堆高1～3個數(shù)量級。2號堆的微生物菌落數(shù)保持在106數(shù)量級。3號堆保持在107數(shù)量級，其增殖速度最快數(shù)量最多，表明3號堆的工藝條件最適宜微生物生長，其新陳代謝活躍，圖5顯示3號堆體溫度最高也可證實。4號堆在建堆時投加了微生物菌劑，但是運行前期新陳代謝水平并未迅速提高，圖5顯示4號堆溫度未超過2號堆、3號堆可證實。結(jié)合堆體溫度、微生物數(shù)量和污染物降解速率，4號堆投加高濃度微生物菌劑的生物強化作用未達(dá)到預(yù)期效果。

2.2.3 有機污染物降解情況

以原土中檢出率和濃度較高的1，4-二氯苯、硝基苯及鄰/對硝基氯化苯為模型污染物說明生物堆的降解效率（表3）。降解率=（建堆時濃度值-運行結(jié)束時濃度值）/建堆時濃度值×100%。表3顯示，1，4-二氯苯、硝基苯及鄰/對硝基氯化苯在2～4號堆的降解率均顯著高于1號堆。運行結(jié)束時，2～4號堆的降解率區(qū)間是82.8%～99.2%，1號堆是25.2%～462%。運行30 d時3號堆的降解率幾乎與69 d時相同，而此時2、4號堆的降解率則遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于運行69 d水平。

3 討論

3.1 不同運行工藝對降解有機污染物的影響

3.1.1 生物刺激對修復(fù)效果的影響

1號堆是原土堆置，堆體平均溫度21 ℃，與氣溫接近，其微生物菌落數(shù)比3號堆低了2個數(shù)量級，3種有機污染物的自然降解效率低。2號堆和3號堆采用生物刺激方式，表1中的各種強化措施如土壤結(jié)構(gòu)改良劑秸稈和菇渣、主動曝氣及被動曝氣系統(tǒng)的持續(xù)供氧等，均為好氧微生物提供了良好的生長繁殖條件，增強其新陳代謝水平和活性，從而提高微生物分解有機污染物的速度。

運行期堆體溫度范圍35～62 ℃，處于微生物新陳代謝最佳溫度范圍內(nèi)。菇渣在生物刺激機制中起到重要作用：第一，菇渣是良好的土壤結(jié)構(gòu)改良劑，建堆時與秸稈一起摻混提高了土壤的通氣性和持水性，有利于堆體通氣供氧和涵養(yǎng)水分；第二，菇渣增加了易降解有機質(zhì)含量[6]，微生物菌群利用有機碳時散發(fā)的熱量有助于提高堆體溫度，以達(dá)到適宜微生物生長繁殖的溫度范圍45～65°C[24]。第三，菇渣富含大量微生物菌群，在適宜條件下可產(chǎn)生真菌（現(xiàn)場試驗觀察到堆體表層有白色的真菌子實體），形成更長的食物鏈和更復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，其共代謝作用也有利于提高修復(fù)效果。

3.1.2 不同運行方式對修復(fù)效果的影響

2號堆和3號堆運行工藝分別是：“立體被動曝氣+不翻堆”、 “底部曝氣+翻堆2次”。表4顯示，雖然運行結(jié)束時2個堆的污染物降解率相近，但2號堆在運行30 d時的降解率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于69 d水平，而此時3號堆幾乎與69 d水平相同。由此可見，3號堆的污染物降解速率最快。分析原因，翻動土壤能改善堆體內(nèi)部土壤均質(zhì)性，利于均勻曝氣供氧、微生物密度均勻。2號堆的“不翻堆”工藝存在不足：粉質(zhì)黏土堆置時破碎程度不一，秸稈和菇渣摻混時無法保證均質(zhì)。這種堆料分布不均，一方面使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)分布不均勻，微生物生長不均衡；另一方面會導(dǎo)致曝氣不均勻，空氣會向堆體內(nèi)部空隙大的地方流動，形成“優(yōu)先通道”，這部分土壤周圍干燥，而其他區(qū)域土壤則供氧不足，導(dǎo)致微生物生長繁殖受限制，從而影響污染物的降解效率。從經(jīng)濟(jì)角度分析，定期翻堆增加了人工費，但是在大規(guī)模工程應(yīng)用時，此費用可以攤薄，對該技術(shù)成本影響不大。

3.1.3 生物強化作用對修復(fù)效果的影響

4號堆與3號堆工藝的區(qū)別是增加了投加高濃度微生物菌劑的生物強化方式。試驗設(shè)計時預(yù)期達(dá)到更快降解速率。但是表4顯示運行30 d時4號堆的降解率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于3號堆；圖5顯示，4號堆溫度低于2號堆、3號堆；表3顯示，4號堆的微生物菌落數(shù)普遍比3號堆低1個數(shù)量級。本現(xiàn)場試驗的生物強化對提高有機物降解效率作用不顯著。分析原因，微生物菌劑是采用原土在實驗室中馴化、培養(yǎng)的混合菌種，并非針對某些難降解有機物篩選出來的優(yōu)勢降解菌種。在培養(yǎng)基中擴(kuò)大培養(yǎng)時自然淘汰了一部分優(yōu)勢降解菌，存留下來的既有降解菌種，也有其他菌種。投加到生物堆中后一部分降解菌株因不能適應(yīng)自然環(huán)境而死亡，一部分其他菌種因競爭營養(yǎng)源而抑制了土著優(yōu)勢降解菌株的生長，導(dǎo)致微生物菌群數(shù)量和活性提高不明顯、污染物降解速率不高。從經(jīng)濟(jì)角度分析，制作高濃度微生物菌劑的費用很高，馴化、篩選針對某些有機污染物的優(yōu)勢菌種的技術(shù)成本更高。如果實際工程處理對象不是此類高濃度、有毒、難降解有機物，在修復(fù)工期足夠，并且生物刺激工藝能達(dá)到良好修復(fù)效果的前提下，出于經(jīng)濟(jì)性考慮，則沒有必要采用生物強化。endprint

3.2 技術(shù)成本分析

本次生物堆現(xiàn)場試驗的技術(shù)成本包括基礎(chǔ)設(shè)施成本、管理成本和運行成本。基礎(chǔ)設(shè)施成本包括試驗場地平整及防滲費用、水電路改造費、土壤挖掘及短途運輸費、鼓風(fēng)機房建設(shè)費和建堆人工輔助費等。管理成本即現(xiàn)場試驗運行期間值班監(jiān)管人員勞務(wù)費及交通費等。生物堆運行成本包括堆料費（秸稈、菇渣及肥料）、設(shè)備費（曝氣管材及安裝費）、水電費、翻堆2次的機械租賃費、微生物菌劑定制費和樣品檢測費等。前2項均攤到每個生物堆，第3項中翻堆費用和微生物制劑費用按照各堆實際消耗情況計算，其余的均攤。各生物堆的成本分別是：2號堆597元/m3、3號堆673元/m3以及4號堆786元/m3。

3.3 最優(yōu)工藝條件

從不同運行工藝的污染物降解速率、技術(shù)成本及工程實施的可操作性角度，綜合環(huán)境效益、技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益3方面因素考慮，本現(xiàn)場試驗的最優(yōu)工藝方案是3號堆的 “1.0%秸稈+2.0%菇渣+主動曝氣+底部被動曝氣+翻堆”，其次是2號堆的“1.0%秸稈+2.0%菇渣+主動曝氣+立體被動曝氣+不翻堆”。

4 結(jié)論

添加1.0%秸稈和2.0%菇渣作為土壤結(jié)構(gòu)改良劑改善生物堆孔隙度，有利于堆內(nèi)部通氣供氧。菇渣提高生物堆初始有機質(zhì)含量，刺激微生物增殖，提升堆體溫度，對于提高有機污染物降解率具有積極意義。

進(jìn)行主動曝氣和被動曝氣改善土壤內(nèi)部好氧環(huán)境，為微生物新陳代謝提供充足的氧氣。定期翻堆利于整個堆體內(nèi)部環(huán)境的均質(zhì)性，促使微生物菌群密度均勻，提高有機污染物降解效率。立體被動曝氣系統(tǒng)能實現(xiàn)持續(xù)曝氣和通水，利于有機物的降解。

本研究的生物強化作用未能大幅度提高有機污染物降解速率。若非處理高濃度、生態(tài)毒性大、難降解的有機物，且無修復(fù)工期的限制，采用生物刺激方式即可大幅提高微生物降解有機污染物的效率，具有成本低、易于實施的優(yōu)點。

本現(xiàn)場試驗的最優(yōu)工藝條件是“1.0%秸稈+2.0%菇渣+主動曝氣+底部被動曝氣+翻堆”，技術(shù)成本673元/m3；其次是“1.0%秸稈+2.0%菇渣+主動曝氣+立體被動曝氣+不翻堆”，技術(shù)成本597元/m3。

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