电动强化生物淋滤在重金属—有机复合污染土壤修复中的研究进展

冉景 李明 安忠义 程寒飞

摘 要：近年来，土壤复合污染问题日益凸显并引起了人们的广泛关注。生物淋滤技术已在去除土壤、污泥等介质中重金属污染方面得到了较多应用，并取得了良好效果。电动修复技术与生物淋滤技术联用不仅具备各自优势，还能一定程度上互补劣势，降低电动修复能耗的同时缩短生物淋滤时间。该文综述了生物炭等功能材料用于改良生物淋滤和电动修复引起的土壤酸化问题的研究进展，为修复后土壤的资源化利用提供基础资料。

关键词：生物淋滤；电动修复；復合污染土壤；生物炭

中图分类号 X53 文献标识码 A 文章编号 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 土壤复合污染现状

改革开放以来，随着我国工业化和城市化的快速发展，污染物的大量排放和不当处置导致我国土壤污染问题日益凸显，引起社会各界的广泛关注。通常土壤污染过程所涉及的污染物包括几种或多种，土壤污染的复合特性己成为一种普遍存在的现象[1-2]。土壤中常见的有机污染物包括石油烃、多环芳经（PAHs）、多氯联苯（PCBs）和有机氯农药等。无机污染物则主要包括多种重金属和放射性核素等，如砷（As），镉（Cd），铬（Cr），铜（Cu），汞（Hg），镍（Ni），铅（Pb）和锌（Zn）。张强等[3]对无锡某钢铁场地进行调查研究时发现，Hg和苯并[b]荧蒽污染严重，最高浓度分别达27.5mg·kg-1和75.4μg·kg-1，分别超标17.3和6.85倍。贺心然等[4]对连云港市典型蔬菜基地土壤中重金属和有机氯污染进行了调查与评价，结果表明，部分点位Pb和滴滴涕等含量超标。近年来，东南沿海一些地区在进行废旧电器等的拆卸回收过程中釆用露天手工拆卸和焚烧等方式，导致重金属和有机污染物同时进入到土壤，尤其是铜、镉、PCBs等[5-6]。土壤中重金属和有机污染物可以通过颗粒物等形式直接被人体所吸收，或通过食物链间接地在人体内蓄积，危害人体健康和生态安全。因此，亟须对复合污染土壤进行有效治理。

治理土壤污染的方法有很多，根据工艺原理不同，可分为物理、化学和生物3种类型[7]。其中，物理法主要包括物理分离法、溶液淋洗法、固化稳定法、冻融法和电动力法；化学法主要包括溶剂萃取法、氧化法、还原法等；生物法可分为微生物修复、植物修复和动物修复。已有工程项目的统计结果表明，固化稳定化技术、土壤淋洗和微生物修复是土壤污染治理的常用方法，但是针对有机（例如PAHs）和无机（例如重金属）复合污染土壤的修复却受到了限制。所以寻求新的处理方法或者不同修复方法的优化组合是修复复合污染土壤的实际需求 [1]。

2 生物淋滤技术在污染土壤修复中的应用

生物淋滤（Bioleaching）起源于湿法冶金，是利用自然界中某些微生物与介质中重金属发生直接或间接作用，通过氧化、还原、络合等反应将介质中重金属分离、提取出来的一种技术[8]。20世纪90年代起，一些学者逐渐将这一技术运用到环境领域，用来淋滤矿物废渣、污泥、飞灰、电子废弃物和污染土壤中的重金属[9]。该技术成本低、对环境扰动小、不会造成二次污染，相对于化学淋滤，成本可降低约80%，有较好的规模化应用前景，因此近年来得到研究者的广泛关注。

生物淋滤过程中的功能微生物按代谢类型可分为自养细菌（Autotrophic bacteria）、异养细菌（Heterotrophic bacteria）和异养真菌（Heterotrophic fungi）。硫杆菌（Thiobacillus）是严格好氧的化能自养细菌，是最常见的淋滤菌株，但硫杆菌在生物酸化过程往往受到水溶性有机物、重金属离子、阴离子等因子的抑制作用[10]。Gu等[11]发现经厌氧消化的污泥会释放乙酸、丙酸等水溶性低分子有机酸，嗜酸性硫杆菌不能正常对该污泥进行有效酸化及溶出重金属。“异养淋滤”微生物包括细菌、真菌，其中黑曲霉（Aspergillus niger）是最具优势的一类真菌。杨洁等[12]等利用黑曲霉淋滤垃圾燃烧飞灰中的重金属，证明黑曲霉通过在自身代谢过程中产生有机酸使环境体系pH下降，将飞灰中的重金属溶出，为真菌直接淋滤重金属指出了方向。Ren等[13]从重金属污染土壤中分离出一株重金属耐受性较强的黑曲霉菌并将其运用于土壤重金属淋滤，结果发现，97.5%的Cu、88.2%的Cd、26%的Pb、14.5%的Zn被成功淋滤出来。与此同时，有文献指出黑曲霉可以降解多环芳烃、有机农药等有机污染物[14-16]。刘世亮等[16]研究发现，黑曲霉菌对土壤中添加的苯并[a]芘降解能力很强，在旱地红壤的降解率达到了58.4%。

目前生物淋滤在污染土壤修复中主要用于重金属的去除，尚未见用于处理有机污染或者复合污染土壤。土壤酸度是决定污染物去除效率的关键，较低的pH不仅有利于土壤中重金属的解吸和迁移，还有利于有机污染物的迁移和降解[17]。生物淋滤产生的酸性环境以及黑曲霉对有机污染物的降解能力，显示出生物淋滤具备同时处理重金属和有机污染物复合污染土壤的潜力。

3 电动强化生物淋滤技术在污染土壤修复中的应用

电动修復技术（Electrokinetic）是20世纪90年代后期逐渐发展起来的一种新型去除土壤中污染物的技术。电动修复技术实质上是由被污染的土壤和插入的电极构成一个完整的电解反应室，来进行土壤原位修复处理[18]。土壤中的污染物在电迁移、电渗析和电泳的共同作用下迁移出体系达到污染土壤的净化。土壤中重金属主要通过电迁移方式迁移出土体，而有机污染物则主要通过电渗流机制迁移出土体[17]。电动修复技术是一种环境友好的原位修复技术，能同时去除土壤中的重金属和有机污染物，而且操作简单、处理效率高，特别适合污染重、深度大的低渗透性场地污染土壤。

生物淋滤与电动修复技术存在各自的技术优势和缺陷。生物淋滤可使难溶重金属硫化物溶解，但淋滤周期长。生物淋滤的效果和速度受到一系列因素的影响，包括土液比、底物种类、起始pH值、温度、重金属类型及浓度等等。以土液比为例，土液比越高则土壤修复的经济效益越高，能够提供给微生物的养分也越多，然而土液比升高也会提高土壤体系缓冲能力、重金属离子及DOM浓度，不利于降低淋滤过程中的pH，可能降低淋滤效率[9]。任婉侠等[19]研究认为，生物淋滤的适宜土液比仅为5%～10%（w/v）。电动技术能同时去除土壤中的重金属和有机污染物，但对于难溶的金属硫化物处理效果较差，且能耗高。电场强化生物淋滤技术不但具有二者的技术优势，也具有一定的缺陷互补性，从而缩短修复时间，节约修复成本[20]。在直流电场作用下，重金属等阳离子和硫酸根等阴离子分别向阴阳两极定向迁移，可消除底泥中过高的重金属等阳离子和硫酸根等阴离子对硫杆菌活性的抑制作用，同时还可以解决传统生物淋滤土液比过低的难题[9]。Maini等[20]采用生物淋滤与电动修复相结合的方法处理铜污染土壤，在相同时间内，与纯电动修复达到了相近的修复效率，但节约了66%的电能。刘广容[21]采用电动方法-生物淋滤联用处理底泥后，底泥中Cr的存在形态发生了改变，Cr的平均去除率为53.4%，比单纯电动修复提高了近21%。

电动修复和生物淋滤联用易引起土壤酸化，影响修复后土壤的资源化利用。土壤酸化可导致盐基离子的加速淋失，同时导致土壤中H+、铝和锰等毒性元素浓度增加，对微生物和植物的生长代谢产生较大的影响[22]。施用石灰等碱性物质改良土壤酸度是酸性土壤地区的一项传统农业措施，近年来生物炭（Biochar）、粉煤灰、碱渣、磷石膏、造纸废渣等也用于酸性土壤改良，其中生物炭的应用受到了广泛关注[23]。生物炭是农林废弃物等生物质在缺氧条件下热裂解形成的稳定的富碳产物，主要由芳香烃和单质碳或具有类石墨结构的碳组成，一般含有60%以上的碳元素。Yuan等[24]研究结果表明，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。同时生物炭的施入还可以吸附酸性条件下溶出的重金属与有机污染物，降低土壤中污染物的有效性和生物毒性[25]。此方面的研究可以为更好地优化电动强化生物淋滤技术的修复效果提供支持，具有良好的应用前景。

4 结论与展望

综上所述，污染物的大量排放和不当处置导致土壤污染严重，复合污染问题普遍存在，带来较为严重的环境和人体健康风险。生物淋滤技术对环境友好，成本较低，可以较为彻底的去除重金属等污染物，但处理周期较长，实际应用于复合污染土壤的修复还不够成熟。电动修复与生物淋滤技术联用，不但具有二者的技术优势，还具有一定的缺陷互补性，且具备同时处理重金属和有机污染物复合污染土壤的能力。

今后的研究重点：（1）有机污染物和淋滤微生物的相互影响如何？（2）电动技术能否有效解决高土液比条件带来的酸化缓慢及污染物对微生物毒性问题？（3）施入生物炭等材料，对电动强化生物淋滤处理后的土壤酸性改良效果如何？通过上述复合污染土壤修复的效果和机理研究，可为电动强化生物淋滤技术的实际应用提供理论依据与技术参考。

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（責编：张宏民）