生物堆修复多环芳烃类污染土壤研究进展及工业化应用初试

蒋慕贤　葛宇翔　黄晓峰

摘要：土壤的多环芳烃污染日益受到社会关注，经济有效的生物修复技术逐渐成为研究热点，生物堆即其中新兴的技术之一。本文先结合国内外运用生物堆技术修复多环芳烃污染土壤的案例，从生物堆技术简介、修复过程影响因子、修复过程机理简析等三个方面进行综合阐述。在此基础上于某工业污染场地现场建立处理能力为500m3的生物堆进行为期6个月的工业化应用初试。运行结束后，各采样点最终浓度均低于风险评估中所确定的修复目标值，土壤中2环至6 环的PAHs 降解率依次分别为78%，55%，45%，43%和22%。最后对该技术在“土十条”出台后的研究应用进行展望。

关键词：生物堆；多环芳烃；土壤修复；工业化应用

中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：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

多环芳烃（PAHs）是分子结构中两个或两个以上苯环稠合在一起的碳氢化合物，来源既包括工业过程中的石油开采、煤炭气化和钢铁冶炼等，也有自然事件中的火山爆发和森林大火等[1，2]。作为一类典型的持久性有机污染物，因具有致癌、致畸和致突变的“三致”效应[3]，对人群健康构成严重威胁，美国环境保护署（USEPA）于20世纪80年代就将16种PAHs列入优先控制有机污染物[4]。我国每年PAHs排放量据估算超过25000吨[5]，由于其本身的疏水性，PAHs更易于分配至土壤环境中[6]。我国城市工业场地和农村种植土壤中普遍存在PAHs，局部地区含量达到上千μg/kg[7]。PAHs土壤污染问题日益引起社会关注[8]。

生物修复方法处理被PAHs污染的土壤，相较于物理和化学修复方法，成本更低，无二次污染，且能大面积使用[9，10]。在美国有超过50%的使用超级基金修复的场地选择生物修复方法 [11]。生物堆技术作为生物修复方法的一种，自20世纪90年代开始，国外已开始尝试利用其对城市有机污染土壤进行现场修复[12]。国内对于生物堆处理有机污染土壤的研究起步较晚[13，14]，工业化规模应用的案例报道则更少[15，16]。

本文结合国内外已报道的研究及应用案例，对生物堆技术修复多环芳烃类污染土壤展开论述，并在此基础上进行工业化应用初试，进一步验证处理效果。

1 生物堆技术简介

生物堆技术是将污染土壤集中堆置并借由强制通风及添加营养元素和水分等来促进生物降解作用，达到消除或减少堆体土壤中污染物质的目的。常见生物堆装置如图1所示 [17]。

生物堆底部必须铺设防渗膜以防止污染物下渗扩散。表面覆盖HDPE土工膜以避免风吹雨淋和挥发性污染物的逸散。管路系统主要分三类，一类投加氮磷等无机营养盐来支持细胞生长和维持生物降解过程，另一类是添加水分来维持合适的土壤湿度，最后一类即利用通风管进行曝气，加速好氧生物降解过程。

和传统的土耕法等生物修复技术相比，生物堆技术更类似于模块化的单元工艺系统，占地相对较小，工艺参数设计方便且易于实施，可以设计成一个封闭体系。和土耕法利用耕作曝气不同，生物堆更多依靠堆土中加入穿孔管道来强制曝气，从而缩短处理周期。

2 修复过程影响因子

影响生物堆中生物降解反应的因子很多，如土壤环境参数，通风控制，营养物质和降解微生物的类型等均会影响修复效果。对关键参数进行针对性得研究及优化，能有效提高生物堆的修复效率。同时考虑到生物堆内各参数会随着生物降解的进程持续变化，是一个动态的过程，反应期内需做好监测并不断进行调整。

2.1 土壤环境参数

2.1.1 土壤pH值

为了支持生物堆中细菌生长，土壤pH值应维持在6-8范围，7为最佳。超出这个范围则需要调整。在这个范围内可以通过添加石灰性物质如熟石灰、碳酸钙等来提高pH值或添加硫化物如硫磺粉、硫酸铵等来降低pH值。在往土壤中添加上述改良剂时需注意尽可能得混合均匀以提高改良效果。

2.1.2 土壤湿度

生物堆中微生物的生长需要湿润的土壤条件。然而过多的土壤水分会限制空气的流通，以至于微生物利用氧气受限并进而影响细菌代谢过程[18]。有研究表明理想湿度范围为土壤持水量的60-80%[19]。建堆时即应将水分调整到合适范围，同时通过堆表面覆盖防渗膜等减少降水渗透及潜在的侵蚀，后续仍需持续调整。

2.1.3 土壤温度

细菌生长速率是温度的函数。已证明在温度低于10℃时微生物活动显著降低，低于5℃时基本停止。在10～45℃范围内，每上升10℃微生物活动速率就提高一倍[20]。因为土壤温度随着大气温度变化，所以实际操作中通常选择气温较高的季节实施，若运行周期较长跨越冬季，需做好堆体保温措施。

2.2 通风控制

2.2.1 通风条件

生物堆通过管路对堆体内进行强制曝气，增加生物降解所需的电子受体即氧气的浓度，从而提高降解速率。张从等人通过研究确定对于PAHs降解，堆体内氧气含量10%～40%为适宜范围[21]。孟梁通过对PAHs降解正交实验进行级差分析得出通风时间是影响生物堆降解PAHs的主导因素。通风时间越长，氧气含量越高，PAHs降解越明显。最佳运行条件为每天运行3小时（具体堆体2小时完成1次换气）[16]。

2.2.2 辅助条件

除直接通过管路曝气以外，还可以通过添加疏松剂等方式辅助改善土壤通风条件，提高曝气效率。展漫军等通过研究得出菇渣是一种有效的土壤调节剂，2%的添加量可有效改善土壤通气状况[14]。孟梁在降解PAHs的试验中选用包含稻壳、麦麸、锯末在内的混合疏松剂，通过试验得出表层和深层土壤中疏松剂的最优含量分别为18%和14%[16]。

2.3 营养物质

微生物需要如氮磷等无机营养盐来支持细胞生长和维持生物降解过程。通常需要往生物堆中添加营养盐来维持细菌种群。但是过多的某些营养物质则会抑制微生物代谢。典型的C：N：P比范围介于100：10：1至 100：1：0.5，取决于目标化合物及生物降解过程中涉及的微生物[20]。

2.4 降解微生物

生物堆堆内微生物的引入主要有几个途径，一是添加营养物质驯化土著微生物群，二是从特定环境中筛选分离出高效降解菌株经扩大培养后投放堆体，三是利用基因工程技术，通过转移具有降解目标污染物信息的质粒构造超级降解菌等。Sun等通过比较本地驯化土著微生物和投放高效降解菌株以及两者结合的方式来探索对PAHs的降解效果，实验显示本地驯化土著微生物和高效降解菌株对于总PAHs和4-6环PAHs的降解率分别为26.82%、35.36%和33.9%、11.0%，而两者结合的降解率则高达43.9%和55.0%，表明引入足够的高效降解菌株和补充适当的营业物质可以有效提高污染土壤中的生物降解 [22]。S. Lladó等通过加入木质纤维素底物和硫酸锰等方式对土著微生物进行驯化，对一个运行180天的生物堆中残留的总石油烃进行降解，降解率提高了25% [23]。另外真菌的使用（特别是白腐真菌）也被认为是能够降解多种有机污染物质的修复技术[20]。

3 修复过程机理简析

PAHs的分子化学结构，包括环的数目，取代基种类，取代基位置以及选用的微生物种类等决定了降解的难易程度。不同种类的微生物降解PAHs的机理不尽相同。目前对萘、菲等分子结构式比较简单的PAHs类化合物的代谢途径已有一定了解，4环及以上环数的PAHs的生物降解过程机理仍处于不断探索中[24]。

已知的PAHs代谢过程一般有2种途径： 一种是以PAHs为唯一碳源和能源。在PAHs的诱导下， 微生物分泌加氧酶，在酶的催化作用下，苯环加氧形成C-O键， 再经过加氢、脱水等作用使C-C键断裂，苯环数减少。其中细菌产生双加氧酶，后续反应形成过氧化物，然后生成顺式二醇和酚。真菌产生单加氧酶，后续形成环氧化物，然后生成反式二醇和酚。不同的代谢途径，中间产物不完全相同。邻苯二酚是常见的中间产物，其后又有邻位和间位2种代谢途径[25]。降解过程中产生如丁二酸、丙酮酸与乙醛等分子结构较为简单的化合物，这些化合物能被微生物利用并合成细胞蛋白， 最后产物是二氧化碳和水。

另一种途径则是共代谢作用，其机理是微生物通过酶来降解某些维持自身生长必需物质的同时将PAHs类化合物一起降解[26]。共代谢一般发生在微生物降解多环的PAHs类化合物过程中[27]。目前共代谢的降解机制尚不完全清楚，可能的原因为：缺少进一步降解反应的酶系；降解过程中间产物的抑制作用；需要其他的基质诱导代谢酶以及需要提供细胞反应中短缺的物质等。实验室研究使用较为普遍的一类微生物即白腐真菌，其主要降解途径为木质素降解酶系转化途径[28]。通常通过在土壤中拌入木屑的方式提供其他碳源。在降解木质素的过程中，白腐真菌分泌一系列胞外酶来降解有机污染物，最主要的有木质素过氧化物酶（LiP）、锰过氧化物酶（MnP）和漆酶（Lac） [29]。通过这些酶将难降解的多环PAHs先转化为醌类，再进一步降解至完全矿化[30]。

4 工业化应用初试

4.1 系统设计

于无锡某工业污染场地现场建立一个处理规模约为500m3的生物堆处理系统。堆高1.5m，底面长30m，宽12m，顶面长25m，宽8m，整个生物堆呈梯形台形状。供试土壤选择现场原有污染土壤中土方量较大，污染程度中等至轻度的部分代表性土壤。经前期检测分析污染物以多环芳烃类为主。经筛分去除大块非土壤物质后，调节土壤C：N：P约为100：10：1，pH约为7～8，含水量约为15%。生物堆底部铺设防渗膜，表面覆盖HDPE土工膜，通过管路系统进行氧气、水分和营养物质的调节。降解微生物选择白腐真菌，在实验室驯化筛选出高效降解菌株后进行扩大培养，再投加于生物堆中。

4.2 系统运行与检测取样

生物堆系统于2015年4月开始运行至2015年9月结束，周期为6个月。运行时定期打开鼓风机对生物堆处理系统进行通风，以维持堆体内的氧气含量。

运行完毕于堆顶表面均匀布置4个采样点，用取样铲挖1m深坑，于坑深约80cm的侧壁刮取土样，避开碎石、砖块等杂物，装入棕色玻璃取样瓶中，编号登记送检。

4.3 结果与讨论

（1）4个采样点PAHs初始浓度和最终浓度如图2所示。各采样点最终浓度均低于风险评估中所确定的修复目标值，达到了工业化应用初试的目的，为后续规模化修复提供了依据。对比国内外之前已有报道[16，31-34]，绝大多数PAHs修复前初始浓度均至成百甚至上千ppm，只有孟梁所做现场实验污染土壤初始浓度与本实验接近，且修复效果一致。实验表明生物堆修复技术，不仅可以用来处理高浓度PAHs污染土壤，同样对于中低浓度PAHs污染的土壤也有良好的修复效果，扩大了生物堆技术的适用范围。同时在综合之前实验室小试的基础上，将规模上升至工业级，进一步验证了其处理效果，为后续大范围场地规模化应用提供依据。

（2）将PAHs按照环数进行分类，2环至6环的平均降解率依次分别为78%，55%，45%，43%和22%。环数越多，降解率越低。这和之前姜林等所做研究结论一致[15]。这主要是因为环数越多，一方面其疏水性更强，更易吸附在土壤有机质中，不易被微生物利用；另一方面其分子结构更稳定[35]。对于实际工程而言，有必要根据前期场地调查结果，针对场地特征污染物，如PAHs中的某几类有重点得进行实验室驯化和扩大培养，进一步提高降解效果。户晓霞和巩宗强等均已各自开始了实验室的先期研究工作[36，37]。

5 结论与展望

以无锡某工业场地PAHs污染土壤为例，现场建立500m3的生物堆进行工业化应用初试，验证土壤修复效果。经过6个月的运行，PAHs类污染物最终浓度均低于风险评估中所确定的修复目标值，达到实验效果。2环至6环的平均降解率依次分别为78%，55%，45%，43%和22%。

国务院于日前印发了《土壤污染防治行动计划》，明确“加大适用技术推广力度。……比选形成一批易推广、成本低、效果好的适用技术。”在目前土壤修复项目资金来源仍以政府专项补贴为主，PPP模式仍未完全成熟的实际情况下，经济有效的生物堆技术值得深入研究并有针对性得推广应用。

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收稿日期：2016-6-30

作者简介：蒋慕贤（1985-），男，硕士研究生，工程师，从事污染土壤修复工程.