生物堆修復多環芳烴類污染土壤研究進展及工業化應用初試

蔣慕賢　葛宇翔　黃曉峰

摘要：土壤的多環芳烴污染日益受到社會關注，經濟有效的生物修復技術逐漸成為研究熱點，生物堆即其中新興的技術之一。本文先結合國內外運用生物堆技術修復多環芳烴污染土壤的案例，從生物堆技術簡介、修復過程影響因子、修復過程機理簡析等三個方面進行綜合闡述。在此基礎上于某工業污染場地現場建立處理能力為500m3的生物堆進行為期6個月的工業化應用初試。運行結束后，各采樣點最終濃度均低于風險評估中所確定的修復目標值，土壤中2環至6 環的PAHs 降解率依次分別為78%，55%，45%，43%和22%。最后對該技術在“土十條”出臺后的研究應用進行展望。

關鍵詞：生物堆；多環芳烴；土壤修復；工業化應用

中圖分類號：X53 文獻標識碼：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

多環芳烴（PAHs）是分子結構中兩個或兩個以上苯環稠合在一起的碳氫化合物，來源既包括工業過程中的石油開采、煤炭氣化和鋼鐵冶煉等，也有自然事件中的火山爆發和森林大火等[1，2]。作為一類典型的持久性有機污染物，因具有致癌、致畸和致突變的“三致”效應[3]，對人群健康構成嚴重威脅，美國環境保護署（USEPA）于20世紀80年代就將16種PAHs列入優先控制有機污染物[4]。我國每年PAHs排放量據估算超過25000噸[5]，由于其本身的疏水性，PAHs更易于分配至土壤環境中[6]。我國城市工業場地和農村種植土壤中普遍存在PAHs，局部地區含量達到上千μg/kg[7]。PAHs土壤污染問題日益引起社會關注[8]。

生物修復方法處理被PAHs污染的土壤，相較于物理和化學修復方法，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的場地選擇生物修復方法 [11]。生物堆技術作為生物修復方法的一種，自20世紀90年代開始，國外已開始嘗試利用其對城市有機污染土壤進行現場修復[12]。國內對于生物堆處理有機污染土壤的研究起步較晚[13，14]，工業化規模應用的案例報道則更少[15，16]。

本文結合國內外已報道的研究及應用案例，對生物堆技術修復多環芳烴類污染土壤展開論述，并在此基礎上進行工業化應用初試，進一步驗證處理效果。

1 生物堆技術簡介

生物堆技術是將污染土壤集中堆置并借由強制通風及添加營養元素和水分等來促進生物降解作用，達到消除或減少堆體土壤中污染物質的目的。常見生物堆裝置如圖1所示 [17]。

生物堆底部必須鋪設防滲膜以防止污染物下滲擴散。表面覆蓋HDPE土工膜以避免風吹雨淋和揮發性污染物的逸散。管路系統主要分三類，一類投加氮磷等無機營養鹽來支持細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管進行曝氣，加速好氧生物降解過程。

和傳統的土耕法等生物修復技術相比，生物堆技術更類似于模塊化的單元工藝系統，占地相對較小，工藝參數設計方便且易于實施，可以設計成一個封閉體系。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制曝氣，從而縮短處理周期。

2 修復過程影響因子

影響生物堆中生物降解反應的因子很多，如土壤環境參數，通風控制，營養物質和降解微生物的類型等均會影響修復效果。對關鍵參數進行針對性得研究及優化，能有效提高生物堆的修復效率。同時考慮到生物堆內各參數會隨著生物降解的進程持續變化，是一個動態的過程，反應期內需做好監測并不斷進行調整。

2.1 土壤環境參數

2.1.1 土壤pH值

為了支持生物堆中細菌生長，土壤pH值應維持在6-8范圍，7為最佳。超出這個范圍則需要調整。在這個范圍內可以通過添加石灰性物質如熟石灰、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而影響細菌代謝過程[18]。有研究表明理想濕度范圍為土壤持水量的60-80%[19]。建堆時即應將水分調整到合適范圍，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，后續仍需持續調整。

2.1.3 土壤溫度

細菌生長速率是溫度的函數。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，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 通風控制

2.2.1 通風條件

生物堆通過管路對堆體內進行強制曝氣，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降解正交實驗進行級差分析得出通風時間是影響生物堆降解PAHs的主導因素。通風時間越長，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節劑，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含量分別為18%和14%[16]。

2.3 營養物質

微生物需要如氮磷等無機營養鹽來支持細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鹽來維持細菌種群。但是過多的某些營養物質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

生物堆堆內微生物的引入主要有幾個途徑，一是添加營養物質馴化土著微生物群，二是從特定環境中篩選分離出高效降解菌株經擴大培養后投放堆體，三是利用基因工程技術，通過轉移具有降解目標污染物信息的質粒構造超級降解菌等。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PAHs的降解率分別為26.82%、35.36%和33.9%、11.0%，而兩者結合的降解率則高達43.9%和55.0%，表明引入足夠的高效降解菌株和補充適當的營業物質可以有效提高污染土壤中的生物降解 [22]。S. Lladó等通過加入木質纖維素底物和硫酸錳等方式對土著微生物進行馴化，對一個運行180天的生物堆中殘留的總石油烴進行降解，降解率提高了25% [23]。另外真菌的使用（特別是白腐真菌）也被認為是能夠降解多種有機污染物質的修復技術[20]。

3 修復過程機理簡析

PAHs的分子化學結構，包括環的數目，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的機理不盡相同。目前對萘、菲等分子結構式比較簡單的PAHs類化合物的代謝途徑已有一定了解，4環及以上環數的PAHs的生物降解過程機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的誘導下， 微生物分泌加氧酶，在酶的催化作用下，苯環加氧形成C-O鍵， 再經過加氫、脫水等作用使C-C鍵斷裂，苯環數減少。其中細菌產生雙加氧酶，后續反應形成過氧化物，然后生成順式二醇和酚。真菌產生單加氧酶，后續形成環氧化物，然后生成反式二醇和酚。不同的代謝途徑，中間產物不完全相同。鄰苯二酚是常見的中間產物，其后又有鄰位和間位2種代謝途徑[25]。降解過程中產生如丁二酸、丙酮酸與乙醛等分子結構較為簡單的化合物，這些化合物能被微生物利用并合成細胞蛋白， 最后產物是二氧化碳和水。

另一種途徑則是共代謝作用，其機理是微生物通過酶來降解某些維持自身生長必需物質的同時將PAHs類化合物一起降解[26]。共代謝一般發生在微生物降解多環的PAHs類化合物過程中[27]。目前共代謝的降解機制尚不完全清楚，可能的原因為：缺少進一步降解反應的酶系；降解過程中間產物的抑制作用；需要其他的基質誘導代謝酶以及需要提供細胞反應中短缺的物質等。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素降解酶系轉化途徑[28]。通常通過在土壤中拌入木屑的方式提供其他碳源。在降解木質素的過程中，白腐真菌分泌一系列胞外酶來降解有機污染物，最主要的有木質素過氧化物酶（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PAHs先轉化為醌類，再進一步降解至完全礦化[30]。

4 工業化應用初試

4.1 系統設計

于無錫某工業污染場地現場建立一個處理規模約為500m3的生物堆處理系統。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。經前期檢測分析污染物以多環芳烴類為主。經篩分去除大塊非土壤物質后，調節土壤C：N：P約為100：10：1，pH約為7～8，含水量約為15%。生物堆底部鋪設防滲膜，表面覆蓋HDPE土工膜，通過管路系統進行氧氣、水分和營養物質的調節。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行擴大培養，再投加于生物堆中。

4.2 系統運行與檢測取樣

生物堆系統于2015年4月開始運行至2015年9月結束，周期為6個月。運行時定期打開鼓風機對生物堆處理系統進行通風，以維持堆體內的氧氣含量。

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險評估中所確定的修復目標值，達到了工業化應用初試的目的，為后續規模化修復提供了依據。對比國內外之前已有報道[16，31-34]，絕大多數PAHs修復前初始濃度均至成百甚至上千ppm，只有孟梁所做現場實驗污染土壤初始濃度與本實驗接近，且修復效果一致。實驗表明生物堆修復技術，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效果，擴大了生物堆技術的適用范圍。同時在綜合之前實驗室小試的基礎上，將規模上升至工業級，進一步驗證了其處理效果，為后續大范圍場地規模化應用提供依據。

（2）將PAHs按照環數進行分類，2環至6環的平均降解率依次分別為78%，55%，45%，43%和22%。環數越多，降解率越低。這和之前姜林等所做研究結論一致[15]。這主要是因為環數越多，一方面其疏水性更強，更易吸附在土壤有機質中，不易被微生物利用；另一方面其分子結構更穩定[35]。對于實際工程而言，有必要根據前期場地調查結果，針對場地特征污染物，如PAHs中的某幾類有重點得進行實驗室馴化和擴大培養，進一步提高降解效果。戶曉霞和鞏宗強等均已各自開始了實驗室的先期研究工作[36，37]。

5 結論與展望

以無錫某工業場地PAHs污染土壤為例，現場建立500m3的生物堆進行工業化應用初試，驗證土壤修復效果。經過6個月的運行，PAHs類污染物最終濃度均低于風險評估中所確定的修復目標值，達到實驗效果。2環至6環的平均降解率依次分別為78%，55%，45%，43%和22%。

國務院于日前印發了《土壤污染防治行動計劃》，明確“加大適用技術推廣力度。……比選形成一批易推廣、成本低、效果好的適用技術。”在目前土壤修復項目資金來源仍以政府專項補貼為主，PPP模式仍未完全成熟的實際情況下，經濟有效的生物堆技術值得深入研究并有針對性得推廣應用。

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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，從事污染土壤修復工程.