電動強化生物淋濾在重金屬—有機復合污染土壤修復中的研究進展

冉景 李明 安忠義 程寒飛

摘 要：近年來，土壤復合污染問題日益凸顯并引起了人們的廣泛關注。生物淋濾技術已在去除土壤、污泥等介質中重金屬污染方面得到了較多應用，并取得了良好效果。電動修復技術與生物淋濾技術聯用不僅具備各自優勢，還能一定程度上互補劣勢，降低電動修復能耗的同時縮短生物淋濾時間。該文綜述了生物炭等功能材料用于改良生物淋濾和電動修復引起的土壤酸化問題的研究進展，為修復后土壤的資源化利用提供基礎資料。

關鍵詞：生物淋濾；電動修復；復合污染土壤；生物炭

中圖分類號 X53 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2018）03-04-0054-3

Abstract：Co-contamination of soil has aroused a wide attention.As an environmental friendly and cost-effectively heavy metal remediation technology，bioleaching has been widely used in the extraction of heavy metals in contaminated soil and sediment.The combination of electrokinetic technology and bioleaching in the remediation of co-contaminated soil has complementary advantages.In addition，the bioleaching progress has been accelerated with less power consumption.For further utilization，biochar has been used to ameliorate the soil acidification problem caused by remediation.

Key words：Bioleaching；Electrokinetic remediation；Co-contaminated soil；Biochar

1 土壤復合污染現狀

改革開放以來，隨著我國工業化和城市化的快速發展，污染物的大量排放和不當處置導致我國土壤污染問題日益凸顯，引起社會各界的廣泛關注。通常土壤污染過程所涉及的污染物包括幾種或多種，土壤污染的復合特性己成為一種普遍存在的現象[1-2]。土壤中常見的有機污染物包括石油烴、多環芳經（PAHs）、多氯聯苯（PCBs）和有機氯農藥等。無機污染物則主要包括多種重金屬和放射性核素等，如砷（As），鎘（Cd），鉻（Cr），銅（Cu），汞（Hg），鎳（Ni），鉛（Pb）和鋅（Zn）。張強等[3]對無錫某鋼鐵場地進行調查研究時發現，Hg和苯并[b]熒蒽污染嚴重，最高濃度分別達27.5mg·kg-1和75.4μg·kg-1，分別超標17.3和6.85倍。賀心然等[4]對連云港市典型蔬菜基地土壤中重金屬和有機氯污染進行了調查與評價，結果表明，部分點位Pb和滴滴涕等含量超標。近年來，東南沿海一些地區在進行廢舊電器等的拆卸回收過程中釆用露天手工拆卸和焚燒等方式，導致重金屬和有機污染物同時進入到土壤，尤其是銅、鎘、PCBs等[5-6]。土壤中重金屬和有機污染物可以通過顆粒物等形式直接被人體所吸收，或通過食物鏈間接地在人體內蓄積，危害人體健康和生態安全。因此，亟須對復合污染土壤進行有效治理。

治理土壤污染的方法有很多，根據工藝原理不同，可分為物理、化學和生物3種類型[7]。其中，物理法主要包括物理分離法、溶液淋洗法、固化穩定法、凍融法和電動力法；化學法主要包括溶劑萃取法、氧化法、還原法等；生物法可分為微生物修復、植物修復和動物修復。已有工程項目的統計結果表明，固化穩定化技術、土壤淋洗和微生物修復是土壤污染治理的常用方法，但是針對有機（例如PAHs）和無機（例如重金屬）復合污染土壤的修復卻受到了限制。所以尋求新的處理方法或者不同修復方法的優化組合是修復復合污染土壤的實際需求 [1]。

2 生物淋濾技術在污染土壤修復中的應用

生物淋濾（Bioleaching）起源于濕法冶金，是利用自然界中某些微生物與介質中重金屬發生直接或間接作用，通過氧化、還原、絡合等反應將介質中重金屬分離、提取出來的一種技術[8]。20世紀90年代起，一些學者逐漸將這一技術運用到環境領域，用來淋濾礦物廢渣、污泥、飛灰、電子廢棄物和污染土壤中的重金屬[9]。該技術成本低、對環境擾動小、不會造成二次污染，相對于化學淋濾，成本可降低約80%，有較好的規模化應用前景，因此近年來得到研究者的廣泛關注。

生物淋濾過程中的功能微生物按代謝類型可分為自養細菌（Autotrophic bacteria）、異養細菌（Heterotrophic bacteria）和異養真菌（Heterotrophic fungi）。硫桿菌（Thiobacillus）是嚴格好氧的化能自養細菌，是最常見的淋濾菌株，但硫桿菌在生物酸化過程往往受到水溶性有機物、重金屬離子、陰離子等因子的抑制作用[10]。Gu等[11]發現經厭氧消化的污泥會釋放乙酸、丙酸等水溶性低分子有機酸，嗜酸性硫桿菌不能正常對該污泥進行有效酸化及溶出重金屬。“異養淋濾”微生物包括細菌、真菌，其中黑曲霉（Aspergillus niger）是最具優勢的一類真菌。楊潔等[12]等利用黑曲霉淋濾垃圾燃燒飛灰中的重金屬，證明黑曲霉通過在自身代謝過程中產生有機酸使環境體系pH下降，將飛灰中的重金屬溶出，為真菌直接淋濾重金屬指出了方向。Ren等[13]從重金屬污染土壤中分離出一株重金屬耐受性較強的黑曲霉菌并將其運用于土壤重金屬淋濾，結果發現，97.5%的Cu、88.2%的Cd、26%的Pb、14.5%的Zn被成功淋濾出來。與此同時，有文獻指出黑曲霉可以降解多環芳烴、有機農藥等有機污染物[14-16]。劉世亮等[16]研究發現，黑曲霉菌對土壤中添加的苯并[a]芘降解能力很強，在旱地紅壤的降解率達到了58.4%。

目前生物淋濾在污染土壤修復中主要用于重金屬的去除，尚未見用于處理有機污染或者復合污染土壤。土壤酸度是決定污染物去除效率的關鍵，較低的pH不僅有利于土壤中重金屬的解吸和遷移，還有利于有機污染物的遷移和降解[17]。生物淋濾產生的酸性環境以及黑曲霉對有機污染物的降解能力，顯示出生物淋濾具備同時處理重金屬和有機污染物復合污染土壤的潛力。

3 電動強化生物淋濾技術在污染土壤修復中的應用

電動修復技術（Electrokinetic）是20世紀90年代后期逐漸發展起來的一種新型去除土壤中污染物的技術。電動修復技術實質上是由被污染的土壤和插入的電極構成一個完整的電解反應室，來進行土壤原位修復處理[18]。土壤中的污染物在電遷移、電滲析和電泳的共同作用下遷移出體系達到污染土壤的凈化。土壤中重金屬主要通過電遷移方式遷移出土體，而有機污染物則主要通過電滲流機制遷移出土體[17]。電動修復技術是一種環境友好的原位修復技術，能同時去除土壤中的重金屬和有機污染物，而且操作簡單、處理效率高，特別適合污染重、深度大的低滲透性場地污染土壤。

生物淋濾與電動修復技術存在各自的技術優勢和缺陷。生物淋濾可使難溶重金屬硫化物溶解，但淋濾周期長。生物淋濾的效果和速度受到一系列因素的影響，包括土液比、底物種類、起始pH值、溫度、重金屬類型及濃度等等。以土液比為例，土液比越高則土壤修復的經濟效益越高，能夠提供給微生物的養分也越多，然而土液比升高也會提高土壤體系緩沖能力、重金屬離子及DOM濃度，不利于降低淋濾過程中的pH，可能降低淋濾效率[9]。任婉俠等[19]研究認為，生物淋濾的適宜土液比僅為5%～10%（w/v）。電動技術能同時去除土壤中的重金屬和有機污染物，但對于難溶的金屬硫化物處理效果較差，且能耗高。電場強化生物淋濾技術不但具有二者的技術優勢，也具有一定的缺陷互補性，從而縮短修復時間，節約修復成本[20]。在直流電場作用下，重金屬等陽離子和硫酸根等陰離子分別向陰陽兩極定向遷移，可消除底泥中過高的重金屬等陽離子和硫酸根等陰離子對硫桿菌活性的抑制作用，同時還可以解決傳統生物淋濾土液比過低的難題[9]。Maini等[20]采用生物淋濾與電動修復相結合的方法處理銅污染土壤，在相同時間內，與純電動修復達到了相近的修復效率，但節約了66%的電能。劉廣容[21]采用電動方法-生物淋濾聯用處理底泥后，底泥中Cr的存在形態發生了改變，Cr的平均去除率為53.4%，比單純電動修復提高了近21%。

電動修復和生物淋濾聯用易引起土壤酸化，影響修復后土壤的資源化利用。土壤酸化可導致鹽基離子的加速淋失，同時導致土壤中H+、鋁和錳等毒性元素濃度增加，對微生物和植物的生長代謝產生較大的影響[22]。施用石灰等堿性物質改良土壤酸度是酸性土壤地區的一項傳統農業措施，近年來生物炭（Biochar）、粉煤灰、堿渣、磷石膏、造紙廢渣等也用于酸性土壤改良，其中生物炭的應用受到了廣泛關注[23]。生物炭是農林廢棄物等生物質在缺氧條件下熱裂解形成的穩定的富碳產物，主要由芳香烴和單質碳或具有類石墨結構的碳組成，一般含有60%以上的碳元素。Yuan等[24]研究結果表明，生物炭配合肥料施用于南方典型老成土后，土壤pH提高了0.1～0.46。同時生物炭的施入還可以吸附酸性條件下溶出的重金屬與有機污染物，降低土壤中污染物的有效性和生物毒性[25]。此方面的研究可以為更好地優化電動強化生物淋濾技術的修復效果提供支持，具有良好的應用前景。

4 結論與展望

綜上所述，污染物的大量排放和不當處置導致土壤污染嚴重，復合污染問題普遍存在，帶來較為嚴重的環境和人體健康風險。生物淋濾技術對環境友好，成本較低，可以較為徹底的去除重金屬等污染物，但處理周期較長，實際應用于復合污染土壤的修復還不夠成熟。電動修復與生物淋濾技術聯用，不但具有二者的技術優勢，還具有一定的缺陷互補性，且具備同時處理重金屬和有機污染物復合污染土壤的能力。

今后的研究重點：（1）有機污染物和淋濾微生物的相互影響如何？（2）電動技術能否有效解決高土液比條件帶來的酸化緩慢及污染物對微生物毒性問題？（3）施入生物炭等材料，對電動強化生物淋濾處理后的土壤酸性改良效果如何？通過上述復合污染土壤修復的效果和機理研究，可為電動強化生物淋濾技術的實際應用提供理論依據與技術參考。

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（責編：張宏民）