地下水污染生物修复技术研究进展

2012-08-15刘军海

水科学与工程技术 2012年2期

张飒，刘芳，苏敏，刘军海

（陕西理工学院化学与环境科学学院，陕西汉中723001）

随着工业化生产的快速发展，由此带来的工业废水、石油泄漏、农药化肥的超量施用等，使得土壤和地下水的污染日趋严重，有关这方面的问题也受到越来越多的关注。目前，科研人员已开发出多种地下水修复技术，如抽出处理法、水力法、物理法、化学法及生物修复法等。其中，生物修复法具有物理法、化学法和其他方法无可比拟的优点，突出表现在生物修复法可以现场进行、环境影响小和最大限度地降低污染物浓度等，是一种绿色生态方法。本文就地下水生物修复技术的研究进展进行综述，重点讨论各种修复技术优缺点，旨在为地下水生物修复技术研究与开发提供一定的参考。

1 生物修复技术

所谓地下水生物修复技术是指利用天然存在或特别培养的生物通过生物降解作用将有毒污染物转化为无毒物质的处理技术［1］。目前，地下水生物修复技术主要有泥炭生物屏障法、生物注射法、植物修复法、有机粘土法和生物反应器法等。

1.1 泥炭生物屏障法

泥炭，又称为草炭或泥煤，具有螯合结构。可以与其他离子或基团发生快速的络合反应及离子交换作用，从而将污染物从水中转移到固相中，达到去除水中污染物的目的。这种技术能有效地降解地下水污染物中的三氯乙烯（trichloroethylene，TCE），其原理是利用微生物的共代谢作用，因TCE不能作为微生物的生长基质，所以需要为微生物提供另外的碳源，微生物利用提供的碳源生长，然后再去降解TCE［2－3］。如果利用P＆T（Pump and treat）技术处理TCE时，由于地下水的流动导致溶质分散及被土壤等吸附，从而使进入抽提井的TCE的浓度会比污染源头少很多，处理效率也会相应变低，由此可见泥炭生物屏障法的优越性。

衣雪松等［4］进行的泥炭吸附水中Pb2＋的研究，泥炭对Pb2＋有很强的吸附性，实验中泥炭对Pb2＋的最大吸附容量为96.85mg/g，当泥炭量达12g/L时，泥炭对Pb2＋的去除率达96.2%。

黄国鑫等［5］用铁炭联用修复硝酸盐污染地下水，实验结果显示：铁炭联用是一种经济有效去除地下水中硝酸盐的方法，铁炭总量为8.0～10.0g 时介质用量最佳，此时残留NO3－质量浓度为34.23～35.21mg/L－1。活性炭可与铁联用，也可与其他物质联用增强处理效果。

天然泥炭较易得到，但却不便应用。这主要是由于天然泥炭亲水性强，化学稳定性差，较容易收缩与膨胀，吸附能力很差，故应对其进行适当的改性以改善其化学性能［6］。

1.2 生物注射法

生物注射法亦称空气注射法（air sparging，AS），是在传统气提技术的基础上加以改进提升的新技术。其原理是将加压后的空气注射到污染地下水的下部，气体的流动加速了地下水和土壤中有机物的挥发和降解。生物注射法主要是抽提、通气并用，并通过增加及延长停留时间促进生物降解，提高修复效率，主要用于修复非水相液体（non aqueous phase liquids，NAPLs），特别是挥发性有机物（volatile organic compounds，VOCs）［7］。

与传统的抽提法相比，生物注射法在通气的同时予以抽提，使得全部地下水尤其是岩层中的污染物得到有效去除。而且生物注射法为污染地下水中的微生物体提供了充足的氧气，增加了地下水中溶解氧浓度，从而促进生物降解。

金黄梅等［8］研究发现，借助密度差的驱动作用，能较好地实现水—气的相流在多孔介质中的均匀分布，顺利进行曝气原位生物修复去除地下水石油污染的实验研究。而且处理油污染地下水，污染物去除效率极高。经过25d运行，装置出水COD平均去除率均达95%以上，油浓度去除率达80%。

目前，生物注射法只适用于土壤气提技术可行的场所，同时生物注射法的效果也受到岩相学和土层学的影响，空气在进入非饱和带之前应尽可能远离粗孔层，避免影响污染区域；另外它在处理粘土层方面效果不理想。此外，生物注射法应用过程中需考虑的因素较多，在我国几乎没有应用，今后应加强对岩相学与土层学的研究，以及应用场所的考察，以拓展生物注射法的应用。

1.3 生物反应器法

生物反应器是一种特殊反应器，在结构上与常规的生物处理单元类似，既可是活性污泥类反应器，也可是生物膜反应器［9］。同常规废水处理一样，反应器的类型有多种形式，如SBR（sequencing batch reactor）序批式反应器，生物固定生长的生物滴滤池，生物转盘和接触氧化反应器，厌氧菌处理的厌氧消化和厌氧接触反应器，高级处理的流化床反应器和活性炭生物反应器等。

SBR技术具有杜绝短路，澄清效果良好，运行灵活，出水不带浮渣，曝气系统维护简单，生物聚凝吸附等性能。陈荣［10］在造纸法烟草薄片生产废水的处理中用序批式反应器技术对生产废水进行深度处理，序批式反应器技术处理废水的效率高达90%，在一个完整的SBR系统中，每个反应池分序进入一定量的污水，独立完成曝气、沉淀处理并最终排放。

膜吸附生物反应器（membrance adsorption bioreactor，MABR）也是一类非常重要的生物反应器，可有效去除饮用水中的有机物，而且MABR工艺技术简单又相对经济，具有很好的应用前景［11］。

李俊生等［12］进行了曝气生物滤池处理生活污水的实验研究，结果表明，曝气生物滤池对出水COD去除率可达83.7%～90%，对氨氮去除率可达85%以上；曝气生物滤池具有负荷高、占地少、能耗低、出水好、工艺简单、适应性强等优点，处理的生活污水出水COD、氨氮均能达到国家二级出水的标准。

生物反应器法流程复杂，且影响因素较多，目前研究最多的有生物膜反应器法和序批式反应器法。部分生物反应器法处理水质较差，需要高温和补充有机物，微生物生长和浓度维持困难［13］。在以后的研究中，可以从投加营养物、控制温度、维持微生物的生长和浓度等方面入手，探索处理效果更好更完善的新型反应器。

1.4 厌氧处理法

大多数的生物修复方法都是在好氧环境中进行的，事实上在厌氧环境中进行的生物修复也具有极大的潜力。特别是一些厌氧微生物或兼性厌氧微生物对水中有机或无机污染物的吸附降解作用，厌氧处理法的机理是通过发酵作用产生甲烷、二氧化碳和水，从而达到净化水体的目的。

如李昂等［14］人研究的厌氧氨氧化技术，是在缺氧条件下，微生物直接以NO3－或NO2－为电子受体，以NH4＋为电子供体，将两种氮素同时转化为氮气的生物反应过程，厌氧氨氧化工艺以氨取代有机物作厌氧氨氧化技术需氧量低，运行费用低，对碳源要求不高。因此，在低碳源废水的处理中不需要外加碳源。

由于厌氧处理法的化学途径较短，且不需要大量能源，具有广阔的应用前景。但是却需要在严格的条件下进行，而且对厌氧微生物的选择很有限，严重制约了厌氧处理法在工程实践中的应用。

1.5 植物修复法

植物修复法是利用植物体对某些污染物的超强吸附、积累，对某些污染物的植物代谢，转化和矿化，植物根吸收，根分泌物与根际，根系微生物对污染物代谢、转化与矿化，两者的共代谢增强了降解污染物的活性，加速了水体中污染物降解的过程。植物修复法包含了植物提取，植物降解和植物稳定化3种。植物修复技术自诞生以来，在全世界得到了迅速应用和发展。目前发现的重金属超积累植物有700多种，凤眼莲、水芹菜、香蒲、芦苇、苜蓿草、蒲公英、小白酒花香根草等都对重金属具有良好的吸收积累效应。

植物修复法具有投资少，工艺流程简单，植物根部可以渗透到一般技术难以达到的位置，污染物泄漏少并能使土壤得到改良等优点。如马伟楼等［15］综述了植物法除锰的机理和各种影响因素。表明植物具有很强的锰吸收、积累和从根部向上部转移的能力。

然而植物修复法难以去除根部以下更深层的污染物，并且污染物的毒性可能影响到植物的生长，修复过程比较缓慢。此外，植物体对土壤的结构、水分、盐度、气候等条件有一定要求，从而在一定程度上限制了植物修复法的发展。

1.6 其他方法

近年来，更多的地下水生物修复新技术不断被开发出来。如利用人工合成的有机粘土有效去除有毒化合物的有机粘土法。其机理是带正电荷的有机修饰物、阳离子表面活性剂通过化学键键合到带负电荷的粘土表面上合成有机粘土，粘土上的表面活性剂可以将有毒化合物吸附到粘土上，从而去除或进行生物降解。事实上，大多数生物处理方法需在有氧条件下进行，处理浅层地下水中的有机污染物效果较好，采取此法时应因地制宜。

抽提地下水系统和回注系统相结合法主要是将抽提地下水系统和回注系统（注入空气或H2O2、营养物和已驯化的微生物）结合起来，促进有机污染物的生物降解［16］。相比其他方法，抽提地下水系统和回注系统相结合法处理费用低，处理时间短。如张云等［17］就氮污染地下水的原位修复试验研究，回注系统中就加入乙醇、乙酸钠、葡萄糖、白糖作为碳源进行试验比较，结果表明：用乙醇、乙酸钠作碳源的修复效果比葡萄糖和白糖的好，可见碳源的投加是关键。

由于抽提地下水系统与回注系统是同时进行的，导致抽提地下水系统和回注系统相结合法难以实施操作，所以应进行精确的工程力学和水力学计算，否则，只会加剧地下水体的污染程度。

2 结语

地下水与人类生活有着密切的关系，是农业灌溉、工矿企业及城市生活用水的重要水源。有效地保证地下水水源质量，预防地下水污染和及时修复地下水污染是保护地下水环境的重要工作。修复已遭受污染的地下水是比较困难的，且治理费用巨大，所需的时间很长。基于我国的基本国情及考虑国际地下水污染治理技术的发展趋势，在有效的预防和控制地下水污染的前提下，生物修复不失为最好的选择之一。

就目前来看，生物注射法和生物反应器法是研究较多的地下水生物修复技术，但工艺流程复杂且操作条件不易控制，今后应加大这方面的研究。另外，根据具体情况，选择具体方法，把不同生物修复法相结合，或者与其他修复技术结合起来使用，可进一步提高治理效果，此外，增加对微生物的培养，扩大绿色植物的栽种面积，加强对新型微生物及罕见植物品种的探究，可实现大范围的地下水污染治理，而且生物修复较其他方法而言，是比较经济的。但目前这方面的研究见于报道的并不多，这将是今后的研究热点之一。总之，生物修复法以其投资少、运行方便、能耗低、无二次污染等特点受到越来越多的关注，相信随着研究工作的不断深入，有关这方面的研究必将取得更多的研究成果。

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