生物堆修復(fù)多環(huán)芳烴類污染土壤研究進(jìn)展及工業(yè)化應(yīng)用初試

蔣慕賢　葛宇翔　黃曉峰

摘要：土壤的多環(huán)芳烴污染日益受到社會關(guān)注，經(jīng)濟(jì)有效的生物修復(fù)技術(shù)逐漸成為研究熱點，生物堆即其中新興的技術(shù)之一。本文先結(jié)合國內(nèi)外運用生物堆技術(shù)修復(fù)多環(huán)芳烴污染土壤的案例，從生物堆技術(shù)簡介、修復(fù)過程影響因子、修復(fù)過程機(jī)理簡析等三個方面進(jìn)行綜合闡述。在此基礎(chǔ)上于某工業(yè)污染場地現(xiàn)場建立處理能力為500m3的生物堆進(jìn)行為期6個月的工業(yè)化應(yīng)用初試。運行結(jié)束后，各采樣點最終濃度均低于風(fēng)險評估中所確定的修復(fù)目標(biāo)值，土壤中2環(huán)至6 環(huán)的PAHs 降解率依次分別為78%，55%，45%，43%和22%。最后對該技術(shù)在“土十條”出臺后的研究應(yīng)用進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：生物堆；多環(huán)芳烴；土壤修復(fù)；工業(yè)化應(yīng)用

中圖分類號：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2016）04-0058-06

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2016.04.014

Abstract：This paper presents an analysis of the biopile technology employed in the PAHs contaminated soil remediation. Cases at home and abroad are studied and three aspects are summarized including brief introduction， influencing factors and reaction mechanism.Based that， a biopile with 500m3 was constructed on cite for six months to test the effectiveness for remediating PAHs contaminated soil. After the operation， the average degradation rates for PAHs with 2 to 6 benzene rings were 78%，55%，45%，43% and 22%， respectively， reaching the risk assessment requirements.

Keywords：Biopile；PAHs；Soil remediation；Industrialized-scale

多環(huán)芳烴（PAHs）是分子結(jié)構(gòu)中兩個或兩個以上苯環(huán)稠合在一起的碳?xì)浠衔?，來源既包括工業(yè)過程中的石油開采、煤炭氣化和鋼鐵冶煉等，也有自然事件中的火山爆發(fā)和森林大火等[1，2]。作為一類典型的持久性有機(jī)污染物，因具有致癌、致畸和致突變的“三致”效應(yīng)[3]，對人群健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅，美國環(huán)境保護(hù)署（USEPA）于20世紀(jì)80年代就將16種PAHs列入優(yōu)先控制有機(jī)污染物[4]。我國每年P(guān)AHs排放量據(jù)估算超過25000噸[5]，由于其本身的疏水性，PAHs更易于分配至土壤環(huán)境中[6]。我國城市工業(yè)場地和農(nóng)村種植土壤中普遍存在PAHs，局部地區(qū)含量達(dá)到上千μg/kg[7]。PAHs土壤污染問題日益引起社會關(guān)注[8]。

生物修復(fù)方法處理被PAHs污染的土壤，相較于物理和化學(xué)修復(fù)方法，成本更低，無二次污染，且能大面積使用[9，10]。在美國有超過50%的使用超級基金修復(fù)的場地選擇生物修復(fù)方法 [11]。生物堆技術(shù)作為生物修復(fù)方法的一種，自20世紀(jì)90年代開始，國外已開始嘗試?yán)闷鋵Τ鞘杏袡C(jī)污染土壤進(jìn)行現(xiàn)場修復(fù)[12]。國內(nèi)對于生物堆處理有機(jī)污染土壤的研究起步較晚[13，14]，工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的案例報道則更少[15，16]。

本文結(jié)合國內(nèi)外已報道的研究及應(yīng)用案例，對生物堆技術(shù)修復(fù)多環(huán)芳烴類污染土壤展開論述，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行工業(yè)化應(yīng)用初試，進(jìn)一步驗證處理效果。

1 生物堆技術(shù)簡介

生物堆技術(shù)是將污染土壤集中堆置并借由強(qiáng)制通風(fēng)及添加營養(yǎng)元素和水分等來促進(jìn)生物降解作用，達(dá)到消除或減少堆體土壤中污染物質(zhì)的目的。常見生物堆裝置如圖1所示 [17]。

生物堆底部必須鋪設(shè)防滲膜以防止污染物下滲擴(kuò)散。表面覆蓋HDPE土工膜以避免風(fēng)吹雨淋和揮發(fā)性污染物的逸散。管路系統(tǒng)主要分三類，一類投加氮磷等無機(jī)營養(yǎng)鹽來支持細(xì)胞生長和維持生物降解過程，另一類是添加水分來維持合適的土壤濕度，最后一類即利用通風(fēng)管進(jìn)行曝氣，加速好氧生物降解過程。

和傳統(tǒng)的土耕法等生物修復(fù)技術(shù)相比，生物堆技術(shù)更類似于模塊化的單元工藝系統(tǒng)，占地相對較小，工藝參數(shù)設(shè)計方便且易于實施，可以設(shè)計成一個封閉體系。和土耕法利用耕作曝氣不同，生物堆更多依靠堆土中加入穿孔管道來強(qiáng)制曝氣，從而縮短處理周期。

2 修復(fù)過程影響因子

影響生物堆中生物降解反應(yīng)的因子很多，如土壤環(huán)境參數(shù)，通風(fēng)控制，營養(yǎng)物質(zhì)和降解微生物的類型等均會影響修復(fù)效果。對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行針對性得研究及優(yōu)化，能有效提高生物堆的修復(fù)效率。同時考慮到生物堆內(nèi)各參數(shù)會隨著生物降解的進(jìn)程持續(xù)變化，是一個動態(tài)的過程，反應(yīng)期內(nèi)需做好監(jiān)測并不斷進(jìn)行調(diào)整。

2.1 土壤環(huán)境參數(shù)

2.1.1 土壤pH值

為了支持生物堆中細(xì)菌生長，土壤pH值應(yīng)維持在6-8范圍，7為最佳。超出這個范圍則需要調(diào)整。在這個范圍內(nèi)可以通過添加石灰性物質(zhì)如熟石灰、碳酸鈣等來提高pH值或添加硫化物如硫磺粉、硫酸銨等來降低pH值。在往土壤中添加上述改良劑時需注意盡可能得混合均勻以提高改良效果。

2.1.2 土壤濕度

生物堆中微生物的生長需要濕潤的土壤條件。然而過多的土壤水分會限制空氣的流通，以至于微生物利用氧氣受限并進(jìn)而影響細(xì)菌代謝過程[18]。有研究表明理想濕度范圍為土壤持水量的60-80%[19]。建堆時即應(yīng)將水分調(diào)整到合適范圍，同時通過堆表面覆蓋防滲膜等減少降水滲透及潛在的侵蝕，后續(xù)仍需持續(xù)調(diào)整。

2.1.3 土壤溫度

細(xì)菌生長速率是溫度的函數(shù)。已證明在溫度低于10℃時微生物活動顯著降低，低于5℃時基本停止。在10～45℃范圍內(nèi)，每上升10℃微生物活動速率就提高一倍[20]。因為土壤溫度隨著大氣溫度變化，所以實際操作中通常選擇氣溫較高的季節(jié)實施，若運行周期較長跨越冬季，需做好堆體保溫措施。

2.2 通風(fēng)控制

2.2.1 通風(fēng)條件

生物堆通過管路對堆體內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)制曝氣，增加生物降解所需的電子受體即氧氣的濃度，從而提高降解速率。張從等人通過研究確定對于PAHs降解，堆體內(nèi)氧氣含量10%～40%為適宜范圍[21]。孟梁通過對PAHs降解正交實驗進(jìn)行級差分析得出通風(fēng)時間是影響生物堆降解PAHs的主導(dǎo)因素。通風(fēng)時間越長，氧氣含量越高，PAHs降解越明顯。最佳運行條件為每天運行3小時（具體堆體2小時完成1次換氣）[16]。

2.2.2 輔助條件

除直接通過管路曝氣以外，還可以通過添加疏松劑等方式輔助改善土壤通風(fēng)條件，提高曝氣效率。展漫軍等通過研究得出菇渣是一種有效的土壤調(diào)節(jié)劑，2%的添加量可有效改善土壤通氣狀況[14]。孟梁在降解PAHs的試驗中選用包含稻殼、麥麩、鋸末在內(nèi)的混合疏松劑，通過試驗得出表層和深層土壤中疏松劑的最優(yōu)含量分別為18%和14%[16]。

2.3 營養(yǎng)物質(zhì)

微生物需要如氮磷等無機(jī)營養(yǎng)鹽來支持細(xì)胞生長和維持生物降解過程。通常需要往生物堆中添加營養(yǎng)鹽來維持細(xì)菌種群。但是過多的某些營養(yǎng)物質(zhì)則會抑制微生物代謝。典型的C：N：P比范圍介于100：10：1至 100：1：0.5，取決于目標(biāo)化合物及生物降解過程中涉及的微生物[20]。

2.4 降解微生物

生物堆堆內(nèi)微生物的引入主要有幾個途徑，一是添加營養(yǎng)物質(zhì)馴化土著微生物群，二是從特定環(huán)境中篩選分離出高效降解菌株經(jīng)擴(kuò)大培養(yǎng)后投放堆體，三是利用基因工程技術(shù)，通過轉(zhuǎn)移具有降解目標(biāo)污染物信息的質(zhì)粒構(gòu)造超級降解菌等。Sun等通過比較本地馴化土著微生物和投放高效降解菌株以及兩者結(jié)合的方式來探索對PAHs的降解效果，實驗顯示本地馴化土著微生物和高效降解菌株對于總PAHs和4-6環(huán)PAHs的降解率分別為26.82%、35.36%和33.9%、11.0%，而兩者結(jié)合的降解率則高達(dá)43.9%和55.0%，表明引入足夠的高效降解菌株和補(bǔ)充適當(dāng)?shù)臓I業(yè)物質(zhì)可以有效提高污染土壤中的生物降解 [22]。S. Lladó等通過加入木質(zhì)纖維素底物和硫酸錳等方式對土著微生物進(jìn)行馴化，對一個運行180天的生物堆中殘留的總石油烴進(jìn)行降解，降解率提高了25% [23]。另外真菌的使用（特別是白腐真菌）也被認(rèn)為是能夠降解多種有機(jī)污染物質(zhì)的修復(fù)技術(shù)[20]。

3 修復(fù)過程機(jī)理簡析

PAHs的分子化學(xué)結(jié)構(gòu)，包括環(huán)的數(shù)目，取代基種類，取代基位置以及選用的微生物種類等決定了降解的難易程度。不同種類的微生物降解PAHs的機(jī)理不盡相同。目前對萘、菲等分子結(jié)構(gòu)式比較簡單的PAHs類化合物的代謝途徑已有一定了解，4環(huán)及以上環(huán)數(shù)的PAHs的生物降解過程機(jī)理仍處于不斷探索中[24]。

已知的PAHs代謝過程一般有2種途徑： 一種是以PAHs為唯一碳源和能源。在PAHs的誘導(dǎo)下， 微生物分泌加氧酶，在酶的催化作用下，苯環(huán)加氧形成C-O鍵， 再經(jīng)過加氫、脫水等作用使C-C鍵斷裂，苯環(huán)數(shù)減少。其中細(xì)菌產(chǎn)生雙加氧酶，后續(xù)反應(yīng)形成過氧化物，然后生成順式二醇和酚。真菌產(chǎn)生單加氧酶，后續(xù)形成環(huán)氧化物，然后生成反式二醇和酚。不同的代謝途徑，中間產(chǎn)物不完全相同。鄰苯二酚是常見的中間產(chǎn)物，其后又有鄰位和間位2種代謝途徑[25]。降解過程中產(chǎn)生如丁二酸、丙酮酸與乙醛等分子結(jié)構(gòu)較為簡單的化合物，這些化合物能被微生物利用并合成細(xì)胞蛋白， 最后產(chǎn)物是二氧化碳和水。

另一種途徑則是共代謝作用，其機(jī)理是微生物通過酶來降解某些維持自身生長必需物質(zhì)的同時將PAHs類化合物一起降解[26]。共代謝一般發(fā)生在微生物降解多環(huán)的PAHs類化合物過程中[27]。目前共代謝的降解機(jī)制尚不完全清楚，可能的原因為：缺少進(jìn)一步降解反應(yīng)的酶系；降解過程中間產(chǎn)物的抑制作用；需要其他的基質(zhì)誘導(dǎo)代謝酶以及需要提供細(xì)胞反應(yīng)中短缺的物質(zhì)等。實驗室研究使用較為普遍的一類微生物即白腐真菌，其主要降解途徑為木質(zhì)素降解酶系轉(zhuǎn)化途徑[28]。通常通過在土壤中拌入木屑的方式提供其他碳源。在降解木質(zhì)素的過程中，白腐真菌分泌一系列胞外酶來降解有機(jī)污染物，最主要的有木質(zhì)素過氧化物酶（LiP）、錳過氧化物酶（MnP）和漆酶（Lac） [29]。通過這些酶將難降解的多環(huán)PAHs先轉(zhuǎn)化為醌類，再進(jìn)一步降解至完全礦化[30]。

4 工業(yè)化應(yīng)用初試

4.1 系統(tǒng)設(shè)計

于無錫某工業(yè)污染場地現(xiàn)場建立一個處理規(guī)模約為500m3的生物堆處理系統(tǒng)。堆高1.5m，底面長30m，寬12m，頂面長25m，寬8m，整個生物堆呈梯形臺形狀。供試土壤選擇現(xiàn)場原有污染土壤中土方量較大，污染程度中等至輕度的部分代表性土壤。經(jīng)前期檢測分析污染物以多環(huán)芳烴類為主。經(jīng)篩分去除大塊非土壤物質(zhì)后，調(diào)節(jié)土壤C：N：P約為100：10：1，pH約為7～8，含水量約為15%。生物堆底部鋪設(shè)防滲膜，表面覆蓋HDPE土工膜，通過管路系統(tǒng)進(jìn)行氧氣、水分和營養(yǎng)物質(zhì)的調(diào)節(jié)。降解微生物選擇白腐真菌，在實驗室馴化篩選出高效降解菌株后進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)，再投加于生物堆中。

4.2 系統(tǒng)運行與檢測取樣

生物堆系統(tǒng)于2015年4月開始運行至2015年9月結(jié)束，周期為6個月。運行時定期打開鼓風(fēng)機(jī)對生物堆處理系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)，以維持堆體內(nèi)的氧氣含量。

運行完畢于堆頂表面均勻布置4個采樣點，用取樣鏟挖1m深坑，于坑深約80cm的側(cè)壁刮取土樣，避開碎石、磚塊等雜物，裝入棕色玻璃取樣瓶中，編號登記送檢。

4.3 結(jié)果與討論

（1）4個采樣點PAHs初始濃度和最終濃度如圖2所示。各采樣點最終濃度均低于風(fēng)險評估中所確定的修復(fù)目標(biāo)值，達(dá)到了工業(yè)化應(yīng)用初試的目的，為后續(xù)規(guī)?；迯?fù)提供了依據(jù)。對比國內(nèi)外之前已有報道[16，31-34]，絕大多數(shù)PAHs修復(fù)前初始濃度均至成百甚至上千ppm，只有孟梁所做現(xiàn)場實驗污染土壤初始濃度與本實驗接近，且修復(fù)效果一致。實驗表明生物堆修復(fù)技術(shù)，不僅可以用來處理高濃度PAHs污染土壤，同樣對于中低濃度PAHs污染的土壤也有良好的修復(fù)效果，擴(kuò)大了生物堆技術(shù)的適用范圍。同時在綜合之前實驗室小試的基礎(chǔ)上，將規(guī)模上升至工業(yè)級，進(jìn)一步驗證了其處理效果，為后續(xù)大范圍場地規(guī)?；瘧?yīng)用提供依據(jù)。

（2）將PAHs按照環(huán)數(shù)進(jìn)行分類，2環(huán)至6環(huán)的平均降解率依次分別為78%，55%，45%，43%和22%。環(huán)數(shù)越多，降解率越低。這和之前姜林等所做研究結(jié)論一致[15]。這主要是因為環(huán)數(shù)越多，一方面其疏水性更強(qiáng)，更易吸附在土壤有機(jī)質(zhì)中，不易被微生物利用；另一方面其分子結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定[35]。對于實際工程而言，有必要根據(jù)前期場地調(diào)查結(jié)果，針對場地特征污染物，如PAHs中的某幾類有重點得進(jìn)行實驗室馴化和擴(kuò)大培養(yǎng)，進(jìn)一步提高降解效果。戶曉霞和鞏宗強(qiáng)等均已各自開始了實驗室的先期研究工作[36，37]。

5 結(jié)論與展望

以無錫某工業(yè)場地PAHs污染土壤為例，現(xiàn)場建立500m3的生物堆進(jìn)行工業(yè)化應(yīng)用初試，驗證土壤修復(fù)效果。經(jīng)過6個月的運行，PAHs類污染物最終濃度均低于風(fēng)險評估中所確定的修復(fù)目標(biāo)值，達(dá)到實驗效果。2環(huán)至6環(huán)的平均降解率依次分別為78%，55%，45%，43%和22%。

國務(wù)院于日前印發(fā)了《土壤污染防治行動計劃》，明確“加大適用技術(shù)推廣力度。……比選形成一批易推廣、成本低、效果好的適用技術(shù)?！痹谀壳巴寥佬迯?fù)項目資金來源仍以政府專項補(bǔ)貼為主，PPP模式仍未完全成熟的實際情況下，經(jīng)濟(jì)有效的生物堆技術(shù)值得深入研究并有針對性得推廣應(yīng)用。

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收稿日期：2016-6-30

作者簡介：蔣慕賢（1985-），男，碩士研究生，工程師，從事污染土壤修復(fù)工程.