泥浆生物反应器在土壤修复中的应用

玉正红

摘要：近年来生物修复技术因具有处理费用低、不产生二次污染且处理效果可靠有效的特点被认为是最具生命力的一种土壤处理手段。总结了生物泥浆反应器这种高效生物修复技术的原理,工艺流程、运行方式、应用范围和运行费用,并重点介绍了其强化手段。已有的土壤生物修复技术受环境条件限制较大,很难在短时间内达到修复目的,生物泥浆反应器作为一种高效的土壤生物修复技术在高浓度、难降解有机物污染土壤的快速修复处理中具有良好的研究开发价值和广阔的应用前景。

关键词：土壤修复；生物泥浆反应器；修复强化

引言

微生物修复是指利用天然存在的或所培养的功能微生物群，在适宜环境条件下，促进或强化微生物代谢功能，从而达到降低有毒污染物活性或降解成无毒物质的生物修复技术。

1反应器类型

泥浆生物反应器按生物降解途径主要分为好氧、厌氧两种类型，其中好氧型泥浆生物反应器研究较多。按运行方式又可分为连续流搅拌式反应器（ContinuousStirredTankReactor，CSTR）和序批式反应器（SequencingBatchReactor，SBR）。CSTR在处理过程不加入新鲜物料，待上一批物料反应完成后再出料，过程中物料成分随时间变化。SBR以进泥-反应-排泥的模式运行，且反应器中物料比随时间保持稳定，以保证污染物与微生物间的充分反应[。但在实际操作中，通常采用半连续操作，间歇性给料和出料，减少反应器内环境条件的波动。目前，泥浆生物反应器主要用于处理有机污染土壤。使用7.5L序批式好氧泥浆反应器，在温度20～30℃，水土比2:1，空气流量60L/h，微生物接种量为50g/kg条件下，处理13天后，菲和芘的降解率分别达到90%和60%。这与菲、芘的分子结构和自身的理化性质有关，且反应器中剩余低浓度污染物较难被微生物利用，需提供其他条件强化降解。利用筛选出的4种混合降解菌搭建15L序批式好氧泥浆生物反应器，在最适条件下（水土比2:1，通气量200L/h，盐度15‰，pH=7），20天后苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽、苯并[a]芘的降解效率分别为78.60％、80.37％、82.43％。后续开展中试时，处理量为3m3/d，在4个月的运行周期内，苯并(a)蒽、苯并(b)&(k)荧蒽、茚并(1,2,3-cd)芘、苯并(a)芘、苯的平均降解率为81.4%，估算处理成本为370元/吨。通气量、水土比和pH是影响好氧降解的关键因素，且较小的水土比有利于微生物获得充足的氧气，提高污染物的生物降解性。基于厌氧-好氧生物泥浆工艺，通过添加多氯联苯（Polychlorinatedbiphenyls,PCBs）好氧降解菌及增溶剂，实现高氯代PCBs的厌氧脱氯及低氯代PCBs的好氧降解，运行30天后，三、四氯代PCBs的去除率分别为59.1%和14.1%。增溶剂通过形成稳定的胶束促进疏水性有机物的溶解，但高氯代PCBs、高环PAHs由于分子体积太大难以被包裹，导致其增溶解吸程度难以被提高。为进一步提高土壤泥浆生物反应器的处理效率、缩短修复周期，将好氧泥浆生物反应器与高级氧化技术结合，搭建了电芬顿泥浆反应器，由于修复过程加入适量电解质可生成大量的·OH，从而促进了有机污染物的削减，9h内污染物芘浓度从100mg/kg迅速降至48mg/kg。

2生物泥浆反应器修复炸药污染土壤的影响因素

2.1营养物

炸药污染土壤中有些污染物如TNT不能直接作为碳源和磷源，需要外加营养物，调节泥浆的C∶N∶P，促进微生物的生长繁殖和提高其活性。为了使炸药类物质快速降解转化，适当添加营养物比接种特殊微生物更为重要。PARK（2003）发现，泥浆反应器中玉米浸渍液和糖蜜的添加可显著提高TNT转化效率。另外有报道称，微生物对营养元素的需要量同它们的细胞组成基本相同,不同的C∶N∶P会明显影响微生物的降解速率，若以恒定的营养物比例投加，会使反应器内的生物菌群发生更换,从而改变降解速率。C∶N∶P的投加比例虽然可在理论上计算出，但因炸药类物质降解速率的影响因素较多，与实际值会有较大差别，为此在选择营养盐浓度和比例时通常要通过实验来确定。

2.2提供电子受体

生物氧化还原反应中有许多最终电子受体,它们的种类和浓度对污染物降解的速度和程度有很大的影响。总体上,电子受体可分为三大类,即溶解氧、有机物分解的中间产物和无机酸根(如硝酸根、硫酸根和碳酸根等)。溶解氧是好氧生物修复中的关键因子。生物泥浆反应器通常采用导人氧气、压缩空气、或投加H2O2来实现充氧。研究了曝气量对菲和芘降解速率的影响:当曝气量为0时,菲和芘的降解率分别为79.5%和15.6%,而曝气量增为0.06m3/h时,菲和芘的降解率分别为89.5%和38.3%,说明充氧可明显提高菲和芘的降解速率。但许多污染物在好氧条件下不能被降解(如苯、甲苯、二甲苯、多氯芳烃等）,但在厌氧条件下通过添加硝酸盐、硫酸盐和铁离子等电子受体可以完全降解为CO

₂和水。如在厌氧条件下,微生物可将60%的环三亚甲基三硝基胺(RDX)矿化，而在好氧条件下微生物的降解活动就会被抑制。厌氧好氧交替的运行方式在实际中也常被采用,德国一家公司应用这种厌氧/好氧两段式的生物泥浆反应器技术处理TNT(2,4,6-三硝基甲苯)和RDX污染的土壤,污染物的去除效率可达99%以上,且能使生态毒性降至检测线以下。

2.3厌氧/缺氧降解

厌氧微生物如硝酸盐还原菌、硫酸盐还原菌、铁还原菌、产甲烷菌等，通常以硫酸盐、硝酸盐、铁、锰、CO₂等作为电子受体，首先通过还原性脱氯或硝基还原，有机污染物氧化成低分子量物质，最终再降解为CO₂和CH₄。通过加入混合电子受体（SO₄^2-,NO^3-,CO₂），土壤中石油烃含量在290天内下降了80.5%。甲苯、间二甲苯利用硝酸盐作为电子受体可被快速矿化，当氧化亚氮取代硝酸盐作为电子受体时，也会发生底物降解，但在分子氧的存在下或硝酸盐被亚硝酸盐取代后，底物降解受到抑制。采用缺氧-好氧-缺氧序批处理毒死蜱（TCDD）污染土壤时，当毒死蜱浓度从3000μg/g上升到12000μg/g时，降解率从91%下降至14.5%，说明高浓度底物对厌氧微生物代谢活动产生抑制作用。在毒死蜱降解过程中，限速步骤可能与土壤或液相中底物的浓度有关。

结语

目前，国内对于泥浆生物反应器的研究还处在实验室和中试阶段，未来需进一步提高反应器生物处理效果，降低其应用成本，以推动反应器技术在国内的产业化应用。建议基于国外的工程经验，深入研究在低水土比条件下，增加污染物在固-液-微生物间的传质效果，同时开发废液净化-回用技术，增加废水的回用次数，降低处理成本。开发高疏水表面、高矿化性能的微生物菌群，研究其对不同污染物的代谢机制及强化手段，进一步提升生物反应器的修复效率。还可结合土壤淋洗技术，开发适用于有机-重金属复合污染的泥浆生物反应器技术。

参考文献

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[2]李秀敏，张利平，张巧枝.TNT生物整治研究进展［J］.河北师范大学学报（自然科学版），2003，27（6）：627-629.