泥浆生物反应器在土壤修复中的应用

陈水生

（广西绿投环保科技发展有限公司，广西 河池 547000）

泥浆生物反应器是以活性污泥为载体，采用活性污泥作为微生物固定化载体，在一定的条件下将微生物固定在其载体上，形成具有一定生物量和稳定性的微生物群落，使微生物能在其中生长、代谢和积累污染物，以达到处理污染土壤的目的。目前泥浆生物反应器在土壤修复中主要有3 种应用方式，通过对泥浆生物反应器在土壤修复中的应用分析可知，作为生物炭吸附材料用于土壤重金属固定，具有以下优点：通过微生物对重金属离子的吸附作用，可减少土壤重金属离子的浸出，有效降低环境风险；通过污泥中有机物的吸附作用，可有效降低土壤有机污染；由于污泥中含有大量可利用的物质，可提高微生物对有机污染物的降解能力。泥浆生物反应器在土壤修复中应用已有一段时间，但由于该技术存在成本高、操作复杂等问题，导致其推广应用受到限制。因此，本文认为有必要对泥浆生物反应器在土壤修复中的应用进行研究，并根据其机理和特点进行合理改进，使其在土壤修复中得到更好的应用。

1 土壤中有机污染物的去除

土壤中有机污染物的去除，是指有机污染物被土壤微生物降解的过程。目前，土壤中有机污染物主要包括多氯联苯、二氯甲烷、氯代烃和农药等。泥浆生物反应器技术通过添加微生物，使微生物在污染土壤中快速生长，加速了有机污染物的降解。

泥浆生物反应器是一种新型的污染土壤修复技术，其利用添加泥浆的方式，通过添加微生物促进土壤中有机污染物的降解。泥浆生物反应器采用厌氧污泥作为培养基，这种污泥可以产生大量的腐殖质，腐殖质具有促进有机物降解、加速有机物矿化和增强土壤缓冲能力等作用。通过向土壤中添加泥浆，可以有效地将有机污染物降解并转化为更容易被植物吸收的形态。因此，泥浆生物反应器可有效提高污染土壤修复效率。利用泥浆生物反应器处理污染土壤后，可有效减少或消除土壤中的污染物，其降解效率一般在90%以上。此外，在泥浆生物反应器处理污染土壤时还可以产生污泥。

有研究表明，污泥生物反应器对多氯联苯和二氯甲烷的去除率分别为70%和90%以上。但是在实际应用中，泥浆生物反应器还存在以下问题：首先，泥浆生物反应器的成本较高；其次，污泥的产量较低；再次，当污泥中含有大量腐殖质时，污泥中的有机污染物容易发生沉降和沉积；最后，由于泥浆颗粒较大，其容易堵塞管道。

随着泥浆生物反应器技术的不断发展和完善，将泥浆与生物修复技术相结合也将是未来发展的重要方向。目前已经有相关研究报道称，利用泥浆生物反应器处理有机污染物时需要添加微生物菌或酶等物质来加快降解速率。

1.1 微生物菌的种类

微生物的种类较多，但主要可分为两类：好氧菌和厌氧菌。好氧菌主要包括细菌和真菌，其能够在水体中进行有氧呼吸，对有机物具有较高的降解能力；而厌氧菌则主要包括了产气菌和产酸菌。污泥中的微生物菌群大部分为好氧菌，其中多数为兼性厌氧或兼性好氧菌。通过研究发现，污泥中的好氧微生物可以有效降解石油烃、多氯联苯等有机污染物。

在泥浆生物反应器中，微生物的种类也有很多，其中包括了芽孢杆菌、假单胞菌、克雷伯氏菌、硫杆菌属、产甲烷细菌等。这些微生物主要是通过消耗土壤中的有机物和营养物质来完成有机污染物的降解，而不需要经过发酵过程。芽孢杆菌属于需氧性微生物，能够通过消耗氧气来降解土壤中的有机物；假单胞菌属于兼性厌氧微生物，能够将有机物进行分解；克雷伯氏菌属于好氧性微生物，能够利用空气中的氧气进行生长和代谢。除此之外，还有一些微生物不需要利用空气中的氧气进行生长代谢，它们属于厌氧型微生物。这些微生物不仅可以降解有机物，还可以将细菌进行分解。

1.2 酶的种类

酶是具有催化功能的蛋白质或多肽类物质，它能催化各种化学反应，在催化反应中起重要作用。酶作为一种生物催化剂，广泛地存在于生物体中。大多数酶是蛋白质，但也有一些是RNA、DNA 或其他RNA 及DNA 衍生物。大多数酶属于专一性酶，只在一定的条件下才能发挥作用，但也有一些酶不受限制，可以催化多种反应。从不同的角度看，酶可分为两大类：一类是有机反应酶（Organic reactions enzyme）；另一类是无机反应酶（Inorganic reactions enzyme）。

有机反应酶是指那些能在没有催化剂的情况下催化有机物降解的酶；无机反应酶指那些在有机或无机溶液中都能催化有机物降解的酶。常用的有机反应酶有糖苷水解酶、羧肽酶、脂肪水解因子等。常用的无机反应酶有甲苯氧化酶、多环芳烃过氧化物合成酶等。微生物产生的多种具有催化作用的胞外酶类是降解有机污染物的关键因素。通过对微生物产生的胞外酶类进行研究，可为微生物降解有机污染物提供理论依据。

2 重金属污染土壤的修复

重金属污染土壤的修复主要是通过植物或微生物的作用，使土壤中重金属转化为无害物质，从而降低重金属的毒性和生物有效性。重金属污染土壤的修复，主要包括植物修复、物理修复、化学修复和生物修复等几种方法。

植物修复是指利用植物吸收土壤中的重金属元素，来降低重金属污染。但其受外界环境条件影响较大，而且植物对土壤中重金属的生物有效性低，所以该方法具有局限性。

物理修复主要是利用物理方法来去除土壤中的污染物，但这种方法易造成二次污染[1]。

化学修复主要是利用化学药剂来改变土壤性质，达到降低其污染的目的。但这种方法会造成大量的二次污染。

生物修复是利用微生物及其代谢产物来减少环境中重金属污染物质的一种方法。因为其对环境无二次污染，且成本低廉，所以在实际应用中受到人们广泛关注。

3 难降解有机污染物的去除

有机污染物在土壤中的含量较高，生物降解速率较慢，降解难度较大，传统的土壤修复技术很难将其完全去除。泥浆生物反应器在一定程度上解决了难降解有机物的去除问题。由于泥浆中含有大量的活性污泥和微生物，因而能在一定程度上促进有机物的降解。通过与其他技术相结合，可以使有机污染物在较短时间内得到有效去除，且可获得较高的去除率[2]。

研究表明，泥浆生物反应器在处理苯酚和抗生素类有机污染物时效果较好。对于苯酚来说，在添加了3%的污泥时，经过24h 处理后，其去除率达到了99%；而对于抗生素类有机污染物来说，在经过15h 处理后，其去除率可达90%以上。此外，通过添加污泥还可以有效增加土壤中微生物的数量和活性。

3.1 苯酚

苯酚是一种非常常见的有机污染物，在水和土壤中都存在，对环境具有一定的危害。近年来，随着有机污染物的大量排放，苯酚的污染问题也日益严重。而苯酚能够被生物降解的一个重要条件就是其浓度较低。在进行泥浆生物反应器修复土壤时，苯酚浓度一般要达到500～5000mg/kg 以上才能有较好的效果[3]。

因此，在泥浆中添加一定量的污泥可以有效促进苯酚的生物降解。在实际应用过程中，往往会加入一定量的污泥，从而有效地提高泥浆中苯酚的含量，而污泥又能进一步促进泥浆生物反应器对苯酚的去除。例如，在将污泥加入泥浆中后，污泥中的微生物可以快速地吸附苯酚，并且在苯酚与污泥发生反应的同时将其快速去除。当污泥的浓度为100g/L 时，泥浆中苯酚的去除率可达90%以上。因此，污泥在一定程度上能提高泥浆中苯酚的去除率。

研究表明，将污泥加入泥浆中后，其在24h 内对苯酚的去除率可达99%以上。此外，为了提高苯酚的去除率，可以通过向泥浆中加入其他物质来提高其降解效率。例如，在泥浆中加入铁离子、过氧化氢、葡萄糖等物质能有效提高其降解效率。

3.2 抗生素类

抗生素类物质对人类健康和环境安全具有严重危害。尤其是随着抗生素类药物在医药、养殖业中的广泛应用，其污染问题已成为全球环境关注的热点。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。而泥浆生物反应器是一种新型的微生物固定化技术，其将污泥固定在反应器内部，能够使污泥更好地发挥自身的作用。与传统的活性污泥相比，泥浆生物反应器具有操作简便、运行成本低、微生物生长良好等优点。而在利用泥浆生物反应器去除抗生素类污染物时，可通过添加污泥或添加少量活性污泥等方式来提高处理效果[4]。

一般情况下，对抗生素类物质的去除效果会随着污泥投加量和曝气量的增加而增加。在利用泥浆生物反应器处理抗生素类污染物时，通常将污泥投加量控制在200～800mg/L，曝气量为5～20L/min。在投加污泥时，应控制污泥的投加量，因为过多的污泥投加量会使反应器内的微生物活性受到抑制，进而影响反应器对抗生素类污染物的去除效果。此外，污泥的投加量也应控制在一定范围内，否则会对微生物造成抑制。

研究表明，在使用泥浆生物反应器处理抗生素类有机污染物时，若以污泥作为投加污泥，污泥的投加量为50mg/L，曝气量为10L/min 时，在经过15h 处理后，其对磺胺类药物的去除率可达90%以上。但若以活性污泥作为投加污泥时，活性污泥的投加量应控制在500mg/L 以下。

3.3 微生物活性

泥浆生物反应器的使用，提高了微生物的活性，使微生物更好地利用其内部提供的能量，更有效地降解污染物。研究发现，微生物的活性与泥浆生物反应器中污泥浓度、污泥龄、pH 和温度等因素密切相关，且不同因素对其影响程度不同。由于污泥龄、pH 和温度是泥浆生物反应器运行过程中重要的影响因素，所以在实际应用过程中，可通过调节污泥龄和温度等因素来提高微生物的活性[5]。在污泥生物反应器运行过程中，污泥浓度与污泥龄、温度和pH 均有一定的关系[6]。

泥浆生物反应器中污泥浓度增加会导致污泥中有机物的积累和微生物活性的提高，而污泥龄和温度对污泥浓度的影响较小，且温度对污泥浓度影响较小。因此，将泥浆生物反应器中的污泥浓度增加至饱和状态时，随着污泥龄和温度的增加，反应器内微生物活性明显提高[7]。因此，在实际应用过程中应结合具体情况选择合适的泥浆生物反应器运行条件。在实际应用过程中，由于不同类型的污染物其性质和污染物的性质不同，所需要的泥浆生物反应器也会有所不同，因此在实际应用过程中应结合具体情况选择合适的泥浆生物反应器类型和运行条件，以提高泥浆生物反应器对污染物的降解效果[8]。

4 结语

泥浆生物反应器由于其运行费用低、对微生物的活性影响小、对环境友好等特点，在土壤污染物去除方面具有广泛的应用前景。但由于其对于污染物去除的选择性、固液分离性能、微生物固定效果和污染物去除效率等方面的限制，目前还没有在我国进行大规模工业化应用。因此，应加强泥浆生物反应器的基础研究，提高其固液分离性能和固液分离效率；对固定化微生物进行筛选、驯化和遗传改良，提高其降解污染物的能力；研究泥浆生物反应器的固液分离性能与固液分离效率之间的关系，降低固液分离效率；加强固液分离性能与固液分离效率之间的关系研究，实现固液分离效率与固液分离效果的同步提高；开发新型固液分离材料和新型固液分离技术，提高固液分离效率和固液分离效果。此外，在泥浆生物反应器中构建高效微生物降解体系、通过控制条件，建立系统的动力学模型，实现系统自动控制等也是未来需要重点研究的内容。这些工作对于我国土壤修复工程技术的发展具有重要意义。