生物泥漿技術(shù)修復(fù)多環(huán)芳烴污染土壤研究進(jìn)展

王富加，肖欣欣，孫 靜，王曉偉 ，楊霓云

（1. 中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；2. 齊魯工業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250353）

多環(huán)芳烴（PAHs）是一類由兩個(gè)或多個(gè)苯環(huán)組成的持久性有機(jī)污染物，苯環(huán)的芳香結(jié)構(gòu)使其性質(zhì)穩(wěn)定，在環(huán)境中表現(xiàn)出低降解性和高持久性［1］。PAHs通常由人類活動(dòng)產(chǎn)生，化石燃料的不完全燃燒和有機(jī)物熱分解產(chǎn)生的PAHs通過大氣循環(huán)進(jìn)入環(huán)境系統(tǒng)，最終積累在水體、土壤等環(huán)境介質(zhì)中，并通過皮膚接觸、呼吸作用等過程進(jìn)入生物體，對(duì)環(huán)境與人類健康造成嚴(yán)重危害［2］。PAHs污染土壤的修復(fù)一直是場地修復(fù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一［3］。PAHs污染土壤修復(fù)技術(shù)按其工藝性質(zhì)可分為物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)；按應(yīng)用場景分為原位修復(fù)和異位修復(fù)［4］。其中，物理修復(fù)和化學(xué)修復(fù)成本高、能耗大，且容易產(chǎn)生二次污染。因此，高選擇性、低成本、低能耗、環(huán)境友好的生物修復(fù)技術(shù)逐漸成為有機(jī)污染土壤修復(fù)的熱門技術(shù)［5］。

生物修復(fù)技術(shù)是利用微生物的自身代謝過程將土壤中PAHs降解、礦化為毒性較低或?qū)Νh(huán)境無害的產(chǎn)物的過程［6］。原位生物修復(fù)技術(shù)是在污染場地原地向受污染土壤中加入營養(yǎng)物質(zhì)或外來微生物以激活或幫助本地微生物修復(fù)污染土壤的生物修復(fù)技術(shù)，由于PAHs結(jié)構(gòu)特殊，性質(zhì)穩(wěn)定，原位生物修復(fù)技術(shù)對(duì)PAHs污染土壤的修復(fù)效果并不顯著［7］。

常見的異位生物修復(fù)技術(shù)包括：生物堆技術(shù)［8］、堆肥［9］和生物泥漿技術(shù)［10］等。生物泥漿技術(shù)是將受污染土壤與水混合成泥漿進(jìn)行修復(fù)，其優(yōu)勢(shì)在于：1）生物泥漿修復(fù)設(shè)備可增強(qiáng)氣液或固液傳質(zhì)以提高PAHs的生物利用度；2）調(diào)制泥漿的過程可以稀釋PAHs濃度以減輕微生物壓力；3）可通過調(diào)整生物泥漿反應(yīng)器操作參數(shù)精確控制修復(fù)過程，優(yōu)化微生物修復(fù)工藝參數(shù)［11］。

本文介紹了生物泥漿修復(fù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)與工藝流程，例舉了生物泥漿技術(shù)修復(fù)PAHs污染土壤的典型案例，探討了生物泥漿技術(shù)修復(fù)PAHs污染土壤效果的主要影響因素，展望了生物泥漿技術(shù)未來的發(fā)展方向，以期為其推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 生物泥漿修復(fù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)與工藝流程

生物泥漿修復(fù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)與工藝流程如圖1所示。整套工藝設(shè)備通常包括四個(gè)部分：污染土壤預(yù)處理與調(diào)節(jié)裝置、生物泥漿反應(yīng)器、控制系統(tǒng)和輔助設(shè)備［12］。

生物泥漿修復(fù)對(duì)土壤預(yù)處理過程要求較高。普遍認(rèn)為污染土壤中PAHs集中在土壤細(xì)顆粒中，因此污染土壤經(jīng)過破碎和篩分后，較粗的部分（卵石和沙子，粒徑0.85～4.00 mm）被分離丟棄或另行處理，而較細(xì)的部分（黏土和有機(jī)質(zhì)，粒徑小于0.85 mm）則被保留并裝入生物泥漿反應(yīng)器用于生物泥漿修復(fù)［13］。

生物泥漿修復(fù)過程中通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)污染泥漿的可控、高效修復(fù)。輔助設(shè)備主要包括泥漿沉淀、泥水分離、污水收集、尾氣處理等工藝的設(shè)備［16］。整套生物泥漿修復(fù)工藝流程復(fù)雜，涉及污染土壤挖掘和預(yù)處理，生物泥漿反應(yīng)器的建造與運(yùn)行，相較于簡單的生物修復(fù)技術(shù)成本有所增加，但仍比焚燒、淋洗和熱分解等修復(fù)技術(shù)更具經(jīng)濟(jì)效益［17］。對(duì)于污染濃度高、污染時(shí)間久、污染物成分復(fù)雜、修復(fù)時(shí)間緊迫的土壤，生物泥漿修復(fù)技術(shù)是一種更優(yōu)的選擇。

2 生物泥漿技術(shù)修復(fù)PAHs污染土壤案例

VENKATA等［18］研究了芘污染土壤的生物泥漿修復(fù)過程，結(jié)果表明，生物泥漿反應(yīng)器的性能取決于芘初始濃度和生物強(qiáng)化程度，未經(jīng)生物強(qiáng)化反應(yīng)120 h后，本土微生物對(duì)芘的降解率僅為6%；在生物強(qiáng)化的作用下，低濃度芘污染土壤的芘降解率接近90%，高濃度芘污染土壤的芘降解率接近50%。鞏宗強(qiáng)等［19］在實(shí)驗(yàn)室配制的含芘、苯并蒽的模擬污染土壤中加入3種生物強(qiáng)化降解菌：鐮刀菌、黏菌和青霉菌，進(jìn)行了為期34 d的生物泥漿修復(fù)，結(jié)果表明：鐮刀菌降解了90%的芘和33%的苯并蒽；黏菌降解了82%的芘和49%的苯并蒽；青霉菌降解了52%的芘和46%的苯并蒽。KIM等［20］分別設(shè)計(jì)了好氧、厭氧兩種生物泥漿反應(yīng)器用于處理被菲污染的土壤，好氧生物泥漿反應(yīng)器運(yùn)行60 d后菲降解率達(dá)95%，厭氧生物泥漿反應(yīng)器僅運(yùn)行30 d后就達(dá)到了同樣的降解率，相比于好氧模式，厭氧模式還可節(jié)省攪拌和曝氣的費(fèi)用。COLLINA等［21］將生物強(qiáng)化接種物Pseudomonas putida M8加入實(shí)驗(yàn)室配制的PAHs污染土壤中，僅運(yùn)行6 h萘的降解率就超過了90%。

目前有關(guān)生物泥漿技術(shù)的研究仍處于小試或中試水平，多數(shù)研究的目的在于確定或量化系統(tǒng)變量對(duì)整個(gè)修復(fù)過程的影響，主要包括：投加外源微生物（生物強(qiáng)化）、投加碳源（生物刺激）、攪拌速率、溶解氧濃度、pH、溫度等運(yùn)行參數(shù)。此外，影響PAHs去除效果的因素還包括表面活性劑的使用［22］、土壤自身理化性質(zhì)［23］、污染土壤來源及污染場地周邊環(huán)境［24］。如天然氣廠風(fēng)化土壤基質(zhì)的緊密度限制了PAHs的解吸，絕大多數(shù)高環(huán)和雜環(huán)PAHs幾乎不溶于水，因此生物泥漿修復(fù)效率較低［25］。也有研究表明，用循環(huán)分離后的污水代替泥漿重新加入反應(yīng)器是一種減輕微生物修復(fù)壓力、提高去除率的良好方式［12］。

本土微生物可以在不添加任何外源微生物的情況下高效去除PAHs，通過分析其最佳生長條件，給予合適的營養(yǎng)刺激，可以減少投加外源菌種的費(fèi)用。GENG等［26］從PAHs污染土壤中分離富集出一株本地菌，經(jīng)過40 d的中試生物泥漿修復(fù)，成功去除了80%以上的低分子量PAHs。YU等［27］采用間歇模式運(yùn)行，PAHs去除率甚至可以達(dá)到100%。

由于生物泥漿技術(shù)用于污染土壤修復(fù)的研究仍處于起步階段，研究過程只關(guān)注部分修復(fù)條件對(duì)PAHs最終去除效果的影響，而對(duì)修復(fù)過程中反應(yīng)器內(nèi)部PAHs的微生物去除機(jī)制與降解途徑、微生物種群密度和主導(dǎo)微生物在泥漿條件下代謝活動(dòng)的變化等情況缺乏分析［13］。

3 生物泥漿技術(shù)修復(fù)PAHs污染土壤效果的影響因素

3.1 PAHs對(duì)修復(fù)效果的影響

3.1.1 PAHs理化性質(zhì)

PAHs理化性質(zhì)是影響生物泥漿技術(shù)修復(fù)效果的關(guān)鍵因素。苯環(huán)量少、分子量小的PAHs水溶性更好，更易被生物降解。MOSCOSO等［28］采用兩組平行運(yùn)行的生物泥漿反應(yīng)器分別修復(fù)菲、芘污染土壤，發(fā)現(xiàn)菲更易于被生物降解。FORJáN等［29］向生物泥漿反應(yīng)器中投加外源菌種菱形球菌和假單胞菌，15 d后二環(huán)和三環(huán)PAHs的濃度下降了80%以上，四環(huán)至六環(huán)PAHs的濃度降低了70%左右。隨著環(huán)數(shù)的增加，PAHs的疏水性增加，導(dǎo)致生物利用度、降解率降低。

3.1.2 PAHs濃度

PAHs濃度過高會(huì)使微生物遲緩期延長或破壞生物膜造成微生物死亡。PRASANNA等［30］配制了蒽含量分別為0.1，0.2，0.3 g/kg的三種污染土壤，生物泥漿修復(fù)發(fā)現(xiàn)，0.1 g/kg蒽污染土壤中蒽被快速降解，0.2 g/kg和0.3 g/kg蒽污染土壤中蒽的降解率呈現(xiàn)先緩慢升高后加速升高的趨勢(shì)，說明微生物需要時(shí)間適應(yīng)高底物濃度泥漿。

該方法也可以算是增量分析中的一種，但主要是涉及到增量。增量是指通過自變量的微量變化來構(gòu)成的函數(shù)精準(zhǔn)變化率，這也是當(dāng)前普遍使用到的邊際概念，即主要是通過導(dǎo)數(shù)的形式來呈現(xiàn)。通過分析發(fā)現(xiàn)，該方法最大的優(yōu)勢(shì)在于可以確定生產(chǎn)經(jīng)營的發(fā)展目標(biāo)，同時(shí)也可以用來確定最佳邊際點(diǎn)，從而讓管理部門能夠準(zhǔn)確的掌握其中的變量關(guān)系與基本規(guī)律，從而針對(duì)實(shí)際情況采取相應(yīng)的解決對(duì)策。

3.1.3 PAHs污染時(shí)間

當(dāng)一個(gè)區(qū)域內(nèi)的污染源處于長期失控狀態(tài)，PAHs的沉積會(huì)持續(xù)幾十年甚至上百年，且污染物濃度高，污染成分復(fù)雜，給土壤修復(fù)帶來困難［31］，但通過生物泥漿技術(shù)仍可實(shí)現(xiàn)較高的修復(fù)效率與較好的修復(fù)效果。瑞典一個(gè)運(yùn)行了近80 a的天然氣生產(chǎn)廠區(qū)土壤中存在PAHs、煤焦油、重金屬、氰化物的嚴(yán)重復(fù)合污染，生物泥漿反應(yīng)器運(yùn)行29 d后PAHs去除率達(dá)82%［25］。

3.2 微生物對(duì)修復(fù)效果的影響

3.2.1 生物強(qiáng)化

通常長期污染場地中本土微生物對(duì)PAHs的降解能力較弱，向生物泥漿中加入外源微生物可以提升修復(fù)效率。NASSERI等［32］分別將銅綠假單胞菌、假單胞菌和復(fù)合微生物加入菲污染土壤后，生物泥漿修復(fù)菲降解率分別87.8%、85.5%和92.8%，遠(yuǎn)高于本土微生物的菲降解率（17%）。一種被命名為MZJ-21的外源微生物加入菲污染土壤的泥漿修復(fù)系統(tǒng)，48 h后滅菌土壤中菲的自然降解率僅為8.6%，土壤中本土菌種對(duì)菲的降解率為54.38%，添加MZJ-21的泥漿修復(fù)系統(tǒng)對(duì)菲的降解率為95.41%［33］。

泥漿修復(fù)過程中，外源微生物和本土微生物之間可能存在良性競爭，促進(jìn)各自生長發(fā)育，進(jìn)而提升PAHs修復(fù)效率。選用Pseudomonas stutzeri CECT 930作為外源微生物加入生物泥漿反應(yīng)器中修復(fù)菲、芘、苯丙蒽污染土壤，研究發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)的Pseudomonas stutzeri CECT 930對(duì)菲、芘、苯丙蒽的降解率分別為95%、78%和82%，與本土微生物共代謝作用下對(duì)菲、芘、苯丙蒽的降解率分別為100%、98%和100%［28］。

但是投加的外源微生物也可能會(huì)與本土微生物發(fā)生結(jié)抗作用影響各自存活率，進(jìn)而影響PAHs修復(fù)效率。研究發(fā)現(xiàn)，3種配比（1∶1、1∶2和1∶3）的Bacillus cereus和Pseudomonas putida微生物復(fù)合菌對(duì)萘污染土壤生物泥漿修復(fù)49 d后，1∶1微生物配比的生物泥漿反應(yīng)器中萘的降解率最高，為99.84%［34］。

3.2.2 微生物載體

生物炭、海藻酸鹽等具有蜂窩結(jié)構(gòu)和大量孔隙的材料可以為微生物提供良好的生長環(huán)境，降低初始階段泥漿中高濃度PAHs對(duì)微生物的毒害作用［35］。WANG等［36］將兩株外源微生物Sphingomonas pseudosanguinis和Pseudomonas stutzeri用海藻酸鈣固定化后加入生物泥漿反應(yīng)器中降解處理菲和氟蒽污染土壤，掃描電子顯微鏡觀察微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，海藻酸鈣的蜂窩結(jié)構(gòu)和大量空腔為微生物的黏附和增殖提供了足夠的空間，固定化微生物對(duì)菲和氟蒽的降解率分別為63.16%和56.94%，遠(yuǎn)高于游離微生物的17.79%和13.40%。

3.3 泥漿體系構(gòu)成對(duì)修復(fù)效果的影響

通過調(diào)整水土比改變泥漿體系構(gòu)成，降低PAHs初始濃度，有助于提高PAHs去除率。目前研究還沒有將水土比作為影響因素單獨(dú)分析，多數(shù)研究直接將泥漿體系的水土比設(shè)置為1∶1［37］、2∶1［27］、3∶1［29］甚至更高［22］，雖然更高的水土比有利于微生物培養(yǎng)，但會(huì)降低修復(fù)效率和經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于典型污染土壤的生物泥漿修復(fù)過程，研究泥漿系統(tǒng)初始水土比與降解率之間的平衡關(guān)系，可以有效幫助修復(fù)項(xiàng)目獲得最佳的修復(fù)效率以及最低的經(jīng)濟(jì)投入。

3.4 電子受體對(duì)修復(fù)效果的影響

不同電子受體泥漿修復(fù)過程，PAHs降解途徑不同［38］。好氧生物泥漿修復(fù)芘污染土壤過程中，芘的生物降解是通過芘二氧酶對(duì)苯環(huán)進(jìn)行攻擊，生成順式-4，5-二羥基芘。通過菲-4，5-二羧酸鹽、菲、順式-1，2-二羥基菲、順式-1，2-二羥基萘途徑代謝為兒茶酚，兒茶酚通過內(nèi)裂解進(jìn)一步代謝。另一種可能的途徑中，順式-1，2-二羥基菲通過3，4-二羥基苯甲酸酯、β-已二酸途徑進(jìn)入三羧酸循環(huán)。厭氧生物泥漿反應(yīng)器內(nèi)微生物通常以硫酸鹽、硝酸鹽、CO2等為電子受體，PAHs通過還原性苯環(huán)開裂或硝基還原，轉(zhuǎn)化為低環(huán)數(shù)PAHs或低分子量物質(zhì)，最終氧化為水和CO2［39］。

3.5 傳質(zhì)過程對(duì)修復(fù)效果的影響

生物泥漿修復(fù)過程中可能發(fā)生3類主要傳質(zhì)過程，即固液傳質(zhì)、氣液傳質(zhì)和生物傳質(zhì)［13］。泥漿體系中，污染物固液間傳質(zhì)效率直接影響修復(fù)效果。泥漿系統(tǒng)中PAHs固液解吸速率與PAHs理化性質(zhì)、微生物群落、電子受體的不均勻分布等多個(gè)因素有關(guān)，對(duì)于PAHs類有機(jī)物，即使污染濃度很高，但因其疏水性導(dǎo)致固液傳質(zhì)效率極低。增強(qiáng)攪拌強(qiáng)度可以改善PAHs傳質(zhì)效率［20］。加入生物表面活性劑可以增加大分子PAHs從土壤相的解吸，提升PAHs與微生物的接觸幾率，進(jìn)而提高修復(fù)效率［33］。BEZZA等［22］將生物表面活性劑加入生物泥漿反應(yīng)器運(yùn)行45 d后，PAHs降解率為86.5%，未添加生物表面活性劑的對(duì)照組PAHs降解率僅為57%。

多數(shù)研究的對(duì)照實(shí)驗(yàn)中即使在無菌環(huán)境下仍然可監(jiān)測到PAHs含量下降，這是因?yàn)檩?、菲等低分子量PAHs具有一定的揮發(fā)性，尤其是在好氧生物泥漿修復(fù)過程中，攪拌和曝氣導(dǎo)致少量PAHs在氣液界面揮發(fā)［40］。

Pseudomonas stutzeri CECT 930等部分微生物在降解過程中起到生物表面活性劑的作用［41］，促進(jìn)PAHs從土壤質(zhì)粒的解析或改變細(xì)胞表面疏水性增強(qiáng)PAHs生物利用度［26］。同時(shí)，生物泥漿系統(tǒng)中由于存在微生物絮凝體和生物膜結(jié)構(gòu)中類似胞外聚合物的物質(zhì)，PAHs亦會(huì)被不以其為碳源的微生物捕獲，抑制PAHs固液傳質(zhì)［42］。

4 結(jié)語與展望

生物泥漿技術(shù)作為一種更加高效、可控、經(jīng)濟(jì)、綠色、低碳的土壤修復(fù)技術(shù)，可用于PAHs污染土壤的生物修復(fù)。生物泥漿修復(fù)過程可以通過控制泥漿體系參數(shù)與運(yùn)行條件，如PAHs初始濃度、微生物、電子受體、傳質(zhì)過程等，增強(qiáng)污染土壤修復(fù)效率，達(dá)到優(yōu)于傳統(tǒng)理化修復(fù)技術(shù)的修復(fù)效果，是一種具有巨大推廣潛力的土壤修復(fù)技術(shù)。

生物泥漿技術(shù)已經(jīng)取得了一定的研究成果，但仍需要開展更細(xì)致的研究與實(shí)踐工作。目前對(duì)于泥漿內(nèi)部微生物群落變化的研究較少，隨著分子生物學(xué)工具的發(fā)展，生物修復(fù)領(lǐng)域可通過分子生物學(xué)工具監(jiān)控、調(diào)節(jié)，促進(jìn)泥漿內(nèi)部微生物群落活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)更加細(xì)致的系統(tǒng)管理與實(shí)時(shí)調(diào)控，有針對(duì)性地提高微生物對(duì)PAHs的修復(fù)能力。目前生物泥漿技術(shù)的研究大多局限于實(shí)驗(yàn)室小試階段，亟需開展生物泥漿技術(shù)中試與現(xiàn)場試驗(yàn)研究，以促進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用。