泥漿生物反應器在土壤修復中的應用

陳水生

（廣西綠投環(huán)保科技發(fā)展有限公司，廣西 河池 547000）

泥漿生物反應器是以活性污泥為載體，采用活性污泥作為微生物固定化載體，在一定的條件下將微生物固定在其載體上，形成具有一定生物量和穩(wěn)定性的微生物群落，使微生物能在其中生長、代謝和積累污染物，以達到處理污染土壤的目的。目前泥漿生物反應器在土壤修復中主要有3 種應用方式，通過對泥漿生物反應器在土壤修復中的應用分析可知，作為生物炭吸附材料用于土壤重金屬固定，具有以下優(yōu)點：通過微生物對重金屬離子的吸附作用，可減少土壤重金屬離子的浸出，有效降低環(huán)境風險；通過污泥中有機物的吸附作用，可有效降低土壤有機污染；由于污泥中含有大量可利用的物質(zhì)，可提高微生物對有機污染物的降解能力。泥漿生物反應器在土壤修復中應用已有一段時間，但由于該技術(shù)存在成本高、操作復雜等問題，導致其推廣應用受到限制。因此，本文認為有必要對泥漿生物反應器在土壤修復中的應用進行研究，并根據(jù)其機理和特點進行合理改進，使其在土壤修復中得到更好的應用。

1 土壤中有機污染物的去除

土壤中有機污染物的去除，是指有機污染物被土壤微生物降解的過程。目前，土壤中有機污染物主要包括多氯聯(lián)苯、二氯甲烷、氯代烴和農(nóng)藥等。泥漿生物反應器技術(shù)通過添加微生物，使微生物在污染土壤中快速生長，加速了有機污染物的降解。

泥漿生物反應器是一種新型的污染土壤修復技術(shù)，其利用添加泥漿的方式，通過添加微生物促進土壤中有機污染物的降解。泥漿生物反應器采用厭氧污泥作為培養(yǎng)基，這種污泥可以產(chǎn)生大量的腐殖質(zhì)，腐殖質(zhì)具有促進有機物降解、加速有機物礦化和增強土壤緩沖能力等作用。通過向土壤中添加泥漿，可以有效地將有機污染物降解并轉(zhuǎn)化為更容易被植物吸收的形態(tài)。因此，泥漿生物反應器可有效提高污染土壤修復效率。利用泥漿生物反應器處理污染土壤后，可有效減少或消除土壤中的污染物，其降解效率一般在90%以上。此外，在泥漿生物反應器處理污染土壤時還可以產(chǎn)生污泥。

有研究表明，污泥生物反應器對多氯聯(lián)苯和二氯甲烷的去除率分別為70%和90%以上。但是在實際應用中，泥漿生物反應器還存在以下問題：首先，泥漿生物反應器的成本較高；其次，污泥的產(chǎn)量較低；再次，當污泥中含有大量腐殖質(zhì)時，污泥中的有機污染物容易發(fā)生沉降和沉積；最后，由于泥漿顆粒較大，其容易堵塞管道。

隨著泥漿生物反應器技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，將泥漿與生物修復技術(shù)相結(jié)合也將是未來發(fā)展的重要方向。目前已經(jīng)有相關(guān)研究報道稱，利用泥漿生物反應器處理有機污染物時需要添加微生物菌或酶等物質(zhì)來加快降解速率。

1.1 微生物菌的種類

微生物的種類較多，但主要可分為兩類：好氧菌和厭氧菌。好氧菌主要包括細菌和真菌，其能夠在水體中進行有氧呼吸，對有機物具有較高的降解能力；而厭氧菌則主要包括了產(chǎn)氣菌和產(chǎn)酸菌。污泥中的微生物菌群大部分為好氧菌，其中多數(shù)為兼性厭氧或兼性好氧菌。通過研究發(fā)現(xiàn)，污泥中的好氧微生物可以有效降解石油烴、多氯聯(lián)苯等有機污染物。

在泥漿生物反應器中，微生物的種類也有很多，其中包括了芽孢桿菌、假單胞菌、克雷伯氏菌、硫桿菌屬、產(chǎn)甲烷細菌等。這些微生物主要是通過消耗土壤中的有機物和營養(yǎng)物質(zhì)來完成有機污染物的降解，而不需要經(jīng)過發(fā)酵過程。芽孢桿菌屬于需氧性微生物，能夠通過消耗氧氣來降解土壤中的有機物；假單胞菌屬于兼性厭氧微生物，能夠?qū)⒂袡C物進行分解；克雷伯氏菌屬于好氧性微生物，能夠利用空氣中的氧氣進行生長和代謝。除此之外，還有一些微生物不需要利用空氣中的氧氣進行生長代謝，它們屬于厭氧型微生物。這些微生物不僅可以降解有機物，還可以將細菌進行分解。

1.2 酶的種類

酶是具有催化功能的蛋白質(zhì)或多肽類物質(zhì)，它能催化各種化學反應，在催化反應中起重要作用。酶作為一種生物催化劑，廣泛地存在于生物體中。大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)，但也有一些是RNA、DNA 或其他RNA 及DNA 衍生物。大多數(shù)酶屬于專一性酶，只在一定的條件下才能發(fā)揮作用，但也有一些酶不受限制，可以催化多種反應。從不同的角度看，酶可分為兩大類：一類是有機反應酶（Organic reactions enzyme）；另一類是無機反應酶（Inorganic reactions enzyme）。

有機反應酶是指那些能在沒有催化劑的情況下催化有機物降解的酶；無機反應酶指那些在有機或無機溶液中都能催化有機物降解的酶。常用的有機反應酶有糖苷水解酶、羧肽酶、脂肪水解因子等。常用的無機反應酶有甲苯氧化酶、多環(huán)芳烴過氧化物合成酶等。微生物產(chǎn)生的多種具有催化作用的胞外酶類是降解有機污染物的關(guān)鍵因素。通過對微生物產(chǎn)生的胞外酶類進行研究，可為微生物降解有機污染物提供理論依據(jù)。

2 重金屬污染土壤的修復

重金屬污染土壤的修復主要是通過植物或微生物的作用，使土壤中重金屬轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，從而降低重金屬的毒性和生物有效性。重金屬污染土壤的修復，主要包括植物修復、物理修復、化學修復和生物修復等幾種方法。

植物修復是指利用植物吸收土壤中的重金屬元素，來降低重金屬污染。但其受外界環(huán)境條件影響較大，而且植物對土壤中重金屬的生物有效性低，所以該方法具有局限性。

物理修復主要是利用物理方法來去除土壤中的污染物，但這種方法易造成二次污染[1]。

化學修復主要是利用化學藥劑來改變土壤性質(zhì)，達到降低其污染的目的。但這種方法會造成大量的二次污染。

生物修復是利用微生物及其代謝產(chǎn)物來減少環(huán)境中重金屬污染物質(zhì)的一種方法。因為其對環(huán)境無二次污染，且成本低廉，所以在實際應用中受到人們廣泛關(guān)注。

3 難降解有機污染物的去除

有機污染物在土壤中的含量較高，生物降解速率較慢，降解難度較大，傳統(tǒng)的土壤修復技術(shù)很難將其完全去除。泥漿生物反應器在一定程度上解決了難降解有機物的去除問題。由于泥漿中含有大量的活性污泥和微生物，因而能在一定程度上促進有機物的降解。通過與其他技術(shù)相結(jié)合，可以使有機污染物在較短時間內(nèi)得到有效去除，且可獲得較高的去除率[2]。

研究表明，泥漿生物反應器在處理苯酚和抗生素類有機污染物時效果較好。對于苯酚來說，在添加了3%的污泥時，經(jīng)過24h 處理后，其去除率達到了99%；而對于抗生素類有機污染物來說，在經(jīng)過15h 處理后，其去除率可達90%以上。此外，通過添加污泥還可以有效增加土壤中微生物的數(shù)量和活性。

3.1 苯酚

苯酚是一種非常常見的有機污染物，在水和土壤中都存在，對環(huán)境具有一定的危害。近年來，隨著有機污染物的大量排放，苯酚的污染問題也日益嚴重。而苯酚能夠被生物降解的一個重要條件就是其濃度較低。在進行泥漿生物反應器修復土壤時，苯酚濃度一般要達到500～5000mg/kg 以上才能有較好的效果[3]。

因此，在泥漿中添加一定量的污泥可以有效促進苯酚的生物降解。在實際應用過程中，往往會加入一定量的污泥，從而有效地提高泥漿中苯酚的含量，而污泥又能進一步促進泥漿生物反應器對苯酚的去除。例如，在將污泥加入泥漿中后，污泥中的微生物可以快速地吸附苯酚，并且在苯酚與污泥發(fā)生反應的同時將其快速去除。當污泥的濃度為100g/L 時，泥漿中苯酚的去除率可達90%以上。因此，污泥在一定程度上能提高泥漿中苯酚的去除率。

研究表明，將污泥加入泥漿中后，其在24h 內(nèi)對苯酚的去除率可達99%以上。此外，為了提高苯酚的去除率，可以通過向泥漿中加入其他物質(zhì)來提高其降解效率。例如，在泥漿中加入鐵離子、過氧化氫、葡萄糖等物質(zhì)能有效提高其降解效率。

3.2 抗生素類

抗生素類物質(zhì)對人類健康和環(huán)境安全具有嚴重危害。尤其是隨著抗生素類藥物在醫(yī)藥、養(yǎng)殖業(yè)中的廣泛應用，其污染問題已成為全球環(huán)境關(guān)注的熱點。目前，常用的抗生素去除方法有吸附法、光降解法和生物降解法等。而泥漿生物反應器是一種新型的微生物固定化技術(shù)，其將污泥固定在反應器內(nèi)部，能夠使污泥更好地發(fā)揮自身的作用。與傳統(tǒng)的活性污泥相比，泥漿生物反應器具有操作簡便、運行成本低、微生物生長良好等優(yōu)點。而在利用泥漿生物反應器去除抗生素類污染物時，可通過添加污泥或添加少量活性污泥等方式來提高處理效果[4]。

一般情況下，對抗生素類物質(zhì)的去除效果會隨著污泥投加量和曝氣量的增加而增加。在利用泥漿生物反應器處理抗生素類污染物時，通常將污泥投加量控制在200～800mg/L，曝氣量為5～20L/min。在投加污泥時，應控制污泥的投加量，因為過多的污泥投加量會使反應器內(nèi)的微生物活性受到抑制，進而影響反應器對抗生素類污染物的去除效果。此外，污泥的投加量也應控制在一定范圍內(nèi)，否則會對微生物造成抑制。

研究表明，在使用泥漿生物反應器處理抗生素類有機污染物時，若以污泥作為投加污泥，污泥的投加量為50mg/L，曝氣量為10L/min 時，在經(jīng)過15h 處理后，其對磺胺類藥物的去除率可達90%以上。但若以活性污泥作為投加污泥時，活性污泥的投加量應控制在500mg/L 以下。

3.3 微生物活性

泥漿生物反應器的使用，提高了微生物的活性，使微生物更好地利用其內(nèi)部提供的能量，更有效地降解污染物。研究發(fā)現(xiàn)，微生物的活性與泥漿生物反應器中污泥濃度、污泥齡、pH 和溫度等因素密切相關(guān)，且不同因素對其影響程度不同。由于污泥齡、pH 和溫度是泥漿生物反應器運行過程中重要的影響因素，所以在實際應用過程中，可通過調(diào)節(jié)污泥齡和溫度等因素來提高微生物的活性[5]。在污泥生物反應器運行過程中，污泥濃度與污泥齡、溫度和pH 均有一定的關(guān)系[6]。

泥漿生物反應器中污泥濃度增加會導致污泥中有機物的積累和微生物活性的提高，而污泥齡和溫度對污泥濃度的影響較小，且溫度對污泥濃度影響較小。因此，將泥漿生物反應器中的污泥濃度增加至飽和狀態(tài)時，隨著污泥齡和溫度的增加，反應器內(nèi)微生物活性明顯提高[7]。因此，在實際應用過程中應結(jié)合具體情況選擇合適的泥漿生物反應器運行條件。在實際應用過程中，由于不同類型的污染物其性質(zhì)和污染物的性質(zhì)不同，所需要的泥漿生物反應器也會有所不同，因此在實際應用過程中應結(jié)合具體情況選擇合適的泥漿生物反應器類型和運行條件，以提高泥漿生物反應器對污染物的降解效果[8]。

4 結(jié)語

泥漿生物反應器由于其運行費用低、對微生物的活性影響小、對環(huán)境友好等特點，在土壤污染物去除方面具有廣泛的應用前景。但由于其對于污染物去除的選擇性、固液分離性能、微生物固定效果和污染物去除效率等方面的限制，目前還沒有在我國進行大規(guī)模工業(yè)化應用。因此，應加強泥漿生物反應器的基礎(chǔ)研究，提高其固液分離性能和固液分離效率；對固定化微生物進行篩選、馴化和遺傳改良，提高其降解污染物的能力；研究泥漿生物反應器的固液分離性能與固液分離效率之間的關(guān)系，降低固液分離效率；加強固液分離性能與固液分離效率之間的關(guān)系研究，實現(xiàn)固液分離效率與固液分離效果的同步提高；開發(fā)新型固液分離材料和新型固液分離技術(shù)，提高固液分離效率和固液分離效果。此外，在泥漿生物反應器中構(gòu)建高效微生物降解體系、通過控制條件，建立系統(tǒng)的動力學模型，實現(xiàn)系統(tǒng)自動控制等也是未來需要重點研究的內(nèi)容。這些工作對于我國土壤修復工程技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。