張茜，溫玉娟，楊悅鎖,2，杜新強(qiáng)，郭輝

（1 吉林大學(xué)地下水資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130021；2 沈陽大學(xué)區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110044）

引 言

硝基芳香族化合物（如硝基酚、硝基苯、硝基苯甲酸鹽）是工業(yè)生產(chǎn)中十分常見的芳香族有機(jī)化合物，是制造染料、炸藥、醫(yī)藥、農(nóng)藥的主要原材料[1]。對(duì)硝基酚（p-nitrophenol，簡(jiǎn)稱PNP）是生產(chǎn)醫(yī)藥（如撲熱息痛）、對(duì)硫磷和甲基對(duì)硫磷等農(nóng)藥、染料、皮革、炸藥的中間產(chǎn)物，廣泛出現(xiàn)于工業(yè)污水二級(jí)出水中[2]。因其使用數(shù)量多、應(yīng)用廣、對(duì)環(huán)境具有潛在污染風(fēng)險(xiǎn)，所以是一種值得重點(diǎn)研究的硝基芳香族化合物。對(duì)硝基酚為有毒且難降解有機(jī)物，會(huì)在食物鏈中不斷積累，危害人體健康，被美國(guó)EPA 列為優(yōu)先控制的有機(jī)污染物[3]。對(duì)硝基酚可通過殺蟲劑、除草劑的水解，伴隨降雨、灌溉，穿過包氣帶進(jìn)入地下，并污染地下水[4-5]。若是不嚴(yán)加處理后就排放含對(duì)硝基酚的污染水，不僅會(huì)對(duì)人類及環(huán)境構(gòu)成威脅，而且會(huì)破壞生態(tài)平衡。

隨著對(duì)硝基酚對(duì)土壤和水體的污染范圍不斷擴(kuò)大，尤其是寶貴的地下水資源也受到了污染，它在環(huán)境中的命運(yùn)已經(jīng)引起公眾的高度關(guān)注，并得到了廣泛研究。世界各國(guó)都在積極研究去除對(duì)硝基酚的技術(shù)，總體可歸納為3 種：物理法、化學(xué)法和生物法[6-13]。物理法（如吸附、萃取、離子交換）不能從根本上消除污染物；化學(xué)法（如化學(xué)氧化、化學(xué)沉淀）費(fèi)用高，僅適用于小范圍少量污染物的處理；生物法（如生物膜法、活性污泥法）馴化時(shí)間長(zhǎng)，工藝敏感脆弱且毒性大。目前，關(guān)于在地下環(huán)境中去除對(duì)硝基酚方法的研究較少。土壤含水層處理（soil aquifer treatment,SAT）方法既是一種低耗高效、操作簡(jiǎn)單的污水處理技術(shù)，也是地下水人工回灌中水質(zhì)處理的基本手段。

SAT 系統(tǒng)對(duì)污水的凈化原理是：在土壤和水文地質(zhì)條件有利于進(jìn)行人工回灌的地方，經(jīng)預(yù)處理的污水滲透通過包氣帶，到達(dá)地下含水層，期間發(fā)生物理、化學(xué)和生物作用，污水在地下水補(bǔ)給途徑遷移一段距離后得到凈化[14]。具體作用過程如圖1所示。

SAT 技術(shù)由于前述優(yōu)點(diǎn)，近年來備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。SAT 機(jī)理研究方面，楊文濤等[15]介紹了SAT系統(tǒng)的來源，概述了污水土地處理系統(tǒng)的凈化機(jī)理。林春野等[16]研究了SAT 系統(tǒng)運(yùn)行過程中發(fā)生的生物降解、吸附/解吸以及氧化還原等地球化學(xué)過程，詳細(xì)闡述了 SAT 系統(tǒng)對(duì)污染物的凈化機(jī)理。Onesios[17]研究了14 種藥物及個(gè)人護(hù)理品（PPCP）在SAT 系統(tǒng)中的去除規(guī)律，結(jié)果表明SAT 系統(tǒng)中形成的生物膜有利于去除PPCP，去除率高達(dá)95%。Zhao 等[18]通過室內(nèi)土柱模擬SAT 系統(tǒng)研究對(duì)二級(jí)出水中溶解性有機(jī)物（DOM）及三鹵甲烷前體物的去除，去除效果理想。Essandoh 等[19]研究了雌激素在SAT 系統(tǒng)中的去除，得出了在淤泥和黏土介質(zhì)中低水流速度可提高雌激素去除效率的結(jié)論。在SAT優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，Cha 和Kim[20]分別將天然土壤、與鋼渣混合的土壤裝入柱子中來模擬SAT 系統(tǒng)，研究有機(jī)物和無機(jī)物的運(yùn)移，得出了在飽和與非飽和條件下物理改良的SAT 系統(tǒng)均可以有效提高DOC 以及難溶有機(jī)物的去除量的結(jié)論。謝春媚[21]將SAT 系統(tǒng)與混凝沉淀、砂濾、粒狀活性炭過濾等技術(shù)相結(jié)合，大大提高了SAT 系統(tǒng)對(duì)有機(jī)污染物的去除效果，二級(jí)出水經(jīng)上述工藝流程處理后達(dá)到了推薦的回灌水水質(zhì)要求。污染物的遷移轉(zhuǎn)化會(huì)受到有機(jī)物影響，Rauch 等[22]、魏亮亮[23]對(duì)溶解性有機(jī)物DOM的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律做了詳細(xì)研究。迄今為止，國(guó)內(nèi)外還沒有利用SAT 方法去除對(duì)硝基酚污染的相關(guān)研究。

圖1 SAT 系統(tǒng)處理污水的物理、化學(xué)、生物過程Fig.1 Physichemical and biological processes in typial SAT treatment

對(duì)硝基酚具有微生物毒性，天然土壤中土著微生物數(shù)量較少，降解對(duì)硝基酚能力較低。常規(guī)SAT處理過程包含物理、化學(xué)、生物作用，對(duì)于某些諸如對(duì)硝基酚的有毒性難降解有機(jī)物，雖有去除效果但并非最佳，原因是缺乏專門針對(duì)該種污染物的強(qiáng)烈連續(xù)性降解反應(yīng)。因此，許多研究提出了對(duì)SAT技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化這一概念[20-21]，多數(shù)優(yōu)化方式通過加強(qiáng)物理吸附作用來實(shí)現(xiàn)SAT 技術(shù)的改良，但是吸附材料成本較高。迄今為止，國(guó)內(nèi)外尚沒有關(guān)于生物強(qiáng)化手段改良SAT 技術(shù)的研究。本研究目的是通過建立室內(nèi)一維土柱模擬SAT 系統(tǒng)，探討SAT 系統(tǒng)去除對(duì)硝基酚的效果和影響因素，包括土壤類型、土壤層厚度、水動(dòng)力條件等對(duì)污染物遷移、降解規(guī)律及去除機(jī)理的影響，進(jìn)一步利用生物強(qiáng)化方式改良SAT 技術(shù)，研究對(duì)硝基酚的生物強(qiáng)化去除效果，從而為SAT 技術(shù)的實(shí)際工程運(yùn)行以及效率提高奠定理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 材料

將天然砂按國(guó)標(biāo)篩出粗砂、中粗砂、細(xì)砂，清洗、烘干、滅菌后作為滲濾介質(zhì)。土壤理化性質(zhì)見表1。蒸餾水中加入對(duì)硝基酚分析純，配制濃度為10 mg·L-1的人造污水作為實(shí)驗(yàn)水樣。

表1 土壤理化性質(zhì)參數(shù)Table 1 Soil physiochemical properties

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置和設(shè)計(jì)

在4 個(gè)有機(jī)玻璃柱（直徑10 cm，高100 cm，底部鋪有3 cm 礫石層）中裝填90 cm 厚度的干砂（按國(guó)標(biāo)篩出的粗砂、中粗砂、細(xì)砂，清洗干凈）來模擬SAT 系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)設(shè)3 個(gè)常規(guī)SAT 土柱和一個(gè)生物強(qiáng)化SAT 土柱，取樣孔分別位于土體表面以下10、30、50、70 cm。具體設(shè)計(jì)如圖2所示。

1.3 生物實(shí)驗(yàn)試劑

圖2 SAT 模擬系統(tǒng)Fig.2 Simulation column of soil aquifer treatment

主要試劑有K2HPO4、KH2PO4、(NH4)2SO4、MgCl2、CaCl2、FeCl3、Na2MoO4· 2H2O 、MnCl2·2H2O、NaOH、對(duì)硝基酚等，均為分析純。瓊脂、蛋白胨、牛肉膏購(gòu)自上海生工公司。EB、DNA Marker、Taq DNA 聚合酶購(gòu)自TaKaRa 公司。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn) 為研究SAT 不同介質(zhì)的吸附性，揭示其吸附過程，并為SAT 動(dòng)態(tài)吸附研究奠定基礎(chǔ)，首先對(duì)不同介質(zhì)的靜態(tài)吸附動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究。準(zhǔn)確稱取5 g 砂土于錐形瓶中，滅菌后，加入初始濃度為10 mg·L-1的對(duì)硝基酚溶液，置于恒溫振蕩器中，在25℃、120 r·min-1條件下振蕩。每種介質(zhì)做3 個(gè)平行試驗(yàn)。按時(shí)取樣（1 min，2 min，5 min，10 min，20 min，30 min，1 h，2 h，3 h，4 h，5 h，6 h，10 h，12 h，24 h）后，分別取上清液，用高效液相色譜法測(cè)試對(duì)硝基酚的剩余濃度。采用式（1）計(jì)算吸附量，繪制吸附動(dòng)力學(xué)曲線，分析動(dòng)力學(xué)模型。

式中，Qt為t時(shí)刻累積吸附量，mg·g-1；C0為初始濃度；Ct為t時(shí)刻溶液中吸附質(zhì)濃度，mg·L-1。

本研究通過動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)?zāi)M常規(guī)SAT 系統(tǒng)中的物理過程，研究對(duì)硝基酚的遷移與去除率，為優(yōu)化SAT 系統(tǒng)提供參考和依據(jù)。共設(shè)3 個(gè)柱子，分別裝填粗砂、中粗砂、細(xì)砂，按干容重1.57 g·cm-3分層裝填，每1 cm 砂裝一層，敲擊均勻后（約25次）裝下一層。裝填完成之后，將各土柱高壓滅菌。用無菌蒸餾水飽水后，準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)。為使土壤與污染物充分接觸，實(shí)驗(yàn)從下至上供給污染液，并用已滅菌馬氏瓶控制定水頭補(bǔ)給邊界。對(duì)硝基酚污染水的初始濃度為10 mg·L-1。為有利于土壤滲透性恢復(fù)，本系統(tǒng)采用淹水-落干交替方式供水，周期為2 d/2 d，各自運(yùn)行4 個(gè)周期，這同Pavelic[24]、Essandoh等[25]運(yùn)行SAT 系統(tǒng)的方式類似。各系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，每個(gè)取樣孔及進(jìn)出水口每隔2 h 取樣，測(cè)量樣品濃度，繪制對(duì)硝基酚隨時(shí)空變化曲線。

在中國(guó)綜合國(guó)力日益強(qiáng)大、海外投資逐年增長(zhǎng)的大趨勢(shì)下，中國(guó)不應(yīng)當(dāng)擔(dān)心賦予公司雙重國(guó)籍可能引起的更多外交保護(hù)壓力。若中國(guó)仍持上述保守立場(chǎng)，會(huì)阻礙中國(guó)向開拓國(guó)際市場(chǎng)的中國(guó)公司實(shí)施外交保護(hù)。

1.4.2 對(duì)硝基酚降解菌的研究 為給SAT 的生物強(qiáng)化提供菌株，實(shí)驗(yàn)從長(zhǎng)期受農(nóng)藥污染的土壤中分離純化出對(duì)硝基酚的高效降解菌。具體包括以下過程。

（1）降解菌的富集篩選及馴化：選擇東北某處長(zhǎng)期使用農(nóng)藥的土地，取5 g土壤樣品接種于100 ml已滅菌的液體培養(yǎng)基中，調(diào)節(jié)鹽度為3%，在30℃、100 r·min-1轉(zhuǎn)速條件下，以200 mg·L-1對(duì)硝基酚為唯一碳源，振蕩培養(yǎng)7 d。吸取5 ml 富集液（5%接種量），接種在相同新鮮培養(yǎng)基中，并連續(xù)富集培養(yǎng)6 次。無機(jī)鹽固體培養(yǎng)基經(jīng)融化并待其降至適宜溫度后，劃線于30℃倒置培養(yǎng)。待長(zhǎng)出菌落后，根據(jù)菌落形態(tài)及顏色分離純化菌株。經(jīng)多次分離純化，獲得了一株能夠高效降解對(duì)硝基酚的菌株。

（2）降解菌的菌種鑒定：提取菌種總DNA，以細(xì)菌16S rDNA 通用引物擴(kuò)增基因組DNA，其中正向引物為27F:5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′，反向引物為1492R:5-AAGGAGGTGATCCAGCCGCA-3′。擴(kuò)增反應(yīng)體積為25 μl。反應(yīng)條件為95℃預(yù)變性3 min。94℃變性1 min、55℃退火1 min、72℃延伸2 min，共進(jìn)行35 個(gè)循環(huán)，PCR 反應(yīng)在Stratagene Mx3000P 熒光定量PCR 儀上進(jìn)行。產(chǎn)物經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳，經(jīng)EB 染色后凝膠成像，并送至上海生工測(cè)序。所獲得16S rDNA 序列用BLAST 軟件與GenBank 數(shù)據(jù)庫(kù)中的16S rDNA 序列進(jìn)行同源性比較；將同源序列和測(cè)得的序列用Clustal X 軟件進(jìn)行多序列比對(duì)。

（3）降解產(chǎn)物的分析：將菌株接種于液體培養(yǎng)基，加入對(duì)硝基酚，濃度為1 mg·L-1，在25℃、130 r·min-1條件下恒溫振蕩7 d。菌液預(yù)處理后進(jìn)行高效液相色譜分析，進(jìn)樣量為1 μl。

1.4.3 生物強(qiáng)化實(shí)驗(yàn) 本研究的生物強(qiáng)化方式是采用注入法向SAT 系統(tǒng)中添加已培養(yǎng)好的對(duì)硝基酚高效降解菌株，以增加有效微生物的濃度，增強(qiáng)含水層降解對(duì)硝基酚的能力，提高SAT 系統(tǒng)對(duì)對(duì)硝基酚的去除效能。實(shí)驗(yàn)設(shè)一個(gè)土柱模擬生物強(qiáng)化的SAT 系統(tǒng)，介質(zhì)為中粗砂，對(duì)硝基酚污染水初始濃度為10 mg·L-1。裝填、飽水、周期、供水方式與非生物柱相同。在土柱進(jìn)水口處用無菌針頭注入高效降解菌菌液，每供給500 ml 對(duì)硝基酚污染水，加入10 ml 菌液量。污染水的供水速度通過蠕動(dòng)泵控制，速度為25 ml·min-1。當(dāng)污染水供水量達(dá)到土壤孔隙體積的2 倍時(shí)，不再加入菌液。之后，只供給對(duì)硝基酚污染水，給水速度為15 ml·min-1。緩慢供水是為給微生物生長(zhǎng)提供充足的時(shí)間，同時(shí)避免生物堵塞的發(fā)生。待系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行48 h 后開始取樣，每隔2 h 在各取樣孔及進(jìn)出水口均取一次樣。

1.4.4 對(duì)硝基酚濃度分析測(cè)試方法 對(duì)硝基酚的定量采用高效液相色譜法。高效液相分離柱為Eclipse SB-C18 柱（150 mm×4.6 mm，5 μm）。流動(dòng)相流速為1.0 ml·L-1，柱溫30℃，流動(dòng)相為甲醇:水=70%:30%，進(jìn)樣量為5 μl。紫外檢測(cè)器，波長(zhǎng)為320 nm。數(shù)據(jù)采集時(shí)間為4 min。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 對(duì)硝基酚靜態(tài)吸附作用

通過上述粗砂、中粗砂、細(xì)砂3 種介質(zhì)吸附性實(shí)驗(yàn)，獲得介質(zhì)吸附對(duì)硝基酚數(shù)據(jù)，對(duì)此進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析以及模型擬合。

2.1.1 對(duì)硝基酚的吸附動(dòng)力學(xué)分析 靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)是在充分振蕩條件下進(jìn)行的，土壤顆粒與對(duì)硝基酚溶液充分接觸，代表了實(shí)際環(huán)境中對(duì)硝基酚污染液靜止時(shí)土壤對(duì)對(duì)硝基酚原位吸附能力。不同介質(zhì)對(duì)對(duì)硝基酚的吸附動(dòng)力學(xué)曲線同下文中的Lagergren擬一階方程的擬合曲線相同，如圖3所示。由圖可知，3 種介質(zhì)在60 min 內(nèi)均完成極快吸附，之后進(jìn)行充分吸附。比較最大吸附量，細(xì)砂151 μg·g-1,中粗砂135 μg·g-1，粗砂122 μg·g-1，去除率分別為37.75%、33.75%、30.50%；比較吸附速度，粗砂最快，中粗砂次之，細(xì)砂最慢。固體的比表面積、顆粒大小等都是影響吸附的主要因素，土壤顆粒的粒徑越細(xì)，比表面積越大，具有的表面能越大，就越容易吸附對(duì)硝基酚，吸附濃度和吸附比例就越高。細(xì)砂的比表面積最大，因此吸附效果最好。這符合一般的吸附規(guī)律，與Qu[26]得出的結(jié)論一致，即一定平衡濃度條件下土壤的比表面積是影響吸附的重要因素之一。

圖3 擬一階動(dòng)力學(xué)方程擬合吸附動(dòng)力學(xué)曲線Fig.3 Curve of first order kinetics equation matching kinetics of adsorption

式中，qe、q2為平衡吸附量，μg·g-1；k1為一級(jí)吸附速率常數(shù)，μg·g-1·min-1；k2為二級(jí)吸附速率常數(shù)，μg·g-1·min-1；qt為t時(shí)刻吸附量，μg·g-1；t為時(shí)間，min。

圖4 擬二階動(dòng)力學(xué)方程擬合吸附動(dòng)力學(xué)曲線Fig.4 Curve of second order kinetics equation matching kinetics of adsorption

擬合結(jié)果如圖3和圖4所示。由圖可知，擬一階動(dòng)力學(xué)方程擬合效果較差；擬二階動(dòng)力學(xué)方程可以與3 種介質(zhì)的吸附參數(shù)呈現(xiàn)較好的線性吻合，擬合系數(shù)均超過0.999。因此，擬二階動(dòng)力學(xué)方程能更好地描述土壤顆粒對(duì)對(duì)硝基酚的吸附動(dòng)力學(xué)。該擬二階動(dòng)力學(xué)模型是建立在化學(xué)反應(yīng)機(jī)制之上，假設(shè)吸附率是被吸附劑與吸附質(zhì)之間共享、交換電子的化學(xué)反應(yīng)控制[27]。據(jù)此可以猜測(cè)砂粒對(duì)對(duì)硝基酚的吸附機(jī)制為物理吸附與化學(xué)吸附共同控制。萬洋[28]除動(dòng)力學(xué)模型外還結(jié)合了標(biāo)準(zhǔn)熱力學(xué)焓變值（ΔH?m），推斷出腐殖酸對(duì)鄰苯二甲酸二丁酯的吸附機(jī)制為表面物理吸附與化學(xué)吸附共同控制，但以物理吸附為主。若日后深入試驗(yàn)，可將操作條件控制在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，計(jì)算熱力學(xué)參數(shù)值，可以更加準(zhǔn)確地判斷吸附機(jī)理。

2.2 非生物動(dòng)態(tài)吸附對(duì)硝基酚去除機(jī)理

為考察SAT 系統(tǒng)對(duì)對(duì)硝基酚的非生物去除效能，并與靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)做對(duì)比，同時(shí)詳細(xì)研究對(duì)硝基酚在土壤中的動(dòng)態(tài)遷移規(guī)律，將動(dòng)態(tài)土柱實(shí)驗(yàn)獲得的時(shí)變數(shù)據(jù)做如下滲透性和去除率分析。

圖5描述了3 種介質(zhì)的SAT 模擬柱出水口處對(duì)硝基酚剩余濃度隨時(shí)間的“突破曲線”變化規(guī)律。由圖可知，在一個(gè)淹水-落干（2 d/2 d）動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，3 種介質(zhì)對(duì)對(duì)硝基酚均有去除。粗砂52 h 達(dá)到吸附平衡，對(duì)PNP 的去除率為9.8%；中粗砂60 h達(dá)到吸附平衡，去除率為11%；細(xì)砂吸附最慢，70 h 達(dá)到處理能力上限，去除率為9%。顯然，動(dòng)態(tài)吸附效果沒有靜態(tài)吸附效果好。這是因?yàn)樗畡?dòng)力條件下的吸附過程不僅與土壤顆粒本身的物理性質(zhì)有關(guān)，還與污染液通過土壤的流速、在土壤中的駐留時(shí)間、土壤的滲透系數(shù)以及均質(zhì)性等有關(guān)，因此靜態(tài)吸附效果較好，即對(duì)硝基酚在土壤中靜止時(shí)SAT系統(tǒng)對(duì)其去除效果更好。

圖5 PNP 在3 種介質(zhì)SAT 中的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律Fig.5 p-Nitrophenol’s break though curves through three SAT media

通過滲流分析進(jìn)一步探討影響SAT 系統(tǒng)去除對(duì)硝基酚效果的因素。滲流基本方程是定量描述地下水運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，對(duì)硝基酚在SAT 孔隙介質(zhì)中的流動(dòng)速度較小，滿足Darcy 定律：Q=KAI，V=KI。其中Q為滲透流量；V為滲透流速；A為過水?dāng)嗝婷娣e；I為水力梯度，馬氏瓶供水水力梯度I=0.27；K為滲透系數(shù)。滲透流速V代表滲流在過水?dāng)嗝嫔系钠骄魉?，是一種假想速度，它與地下水的實(shí)際平均流速(u)之間的關(guān)系式為V=nu（其中n為孔隙度）。3 種介質(zhì)的SAT 模擬柱中PNP 污染水的水力駐留時(shí)間、實(shí)際流速、流量計(jì)算結(jié)果匯總于表2。

表2 Darcy 實(shí)驗(yàn)水力參數(shù)的計(jì)算結(jié)果Table 2 Hydraulic parameters of Darcy experiments

土壤單位時(shí)間單位面積能夠處理的污水水量（即水力負(fù)荷）主要取決于介質(zhì)的滲透性及水力負(fù)荷周期，各土柱淹水-落干交替周期設(shè)計(jì)相同，近似均質(zhì)，故滲透性越好，單位時(shí)間單位面積處理的污水量越大。細(xì)砂本身比表面積大，SAT 系統(tǒng)中對(duì)硝基酚遷移速率緩慢，在系統(tǒng)中駐留時(shí)間長(zhǎng)，因此介質(zhì)與污染物接觸時(shí)間久，更有利于吸附。但該系統(tǒng)孔隙度小，滲透系數(shù)小，短期內(nèi)不能有效恢復(fù)滲透性能，影響其物理、化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。綜合來看，中粗砂的滲透系數(shù)、滲透速度、孔隙度均適中，而且能有效縮短處理時(shí)間，適合作為SAT 室內(nèi)模擬的土壤介質(zhì)。

為考察對(duì)硝基酚縱向遷移規(guī)律，繪制不同深度水樣中對(duì)硝基酚濃度變化曲線，如圖6所示。由圖可知，對(duì)硝基酚從下至上遷移，3 種介質(zhì)模擬的SAT系統(tǒng)中的廢水濃度均逐漸降低；縱向上中粗砂處理率仍為最高，粗砂次之，細(xì)砂最小。這與介質(zhì)本身性質(zhì)和砂柱滲透性有關(guān)，同前述（PNP 濃度隨時(shí)間變化）結(jié)論一致。各土柱中大部分PNP 在土壤30～90 cm 深度范圍內(nèi)被去除，有效濾層厚度為60 cm。這與Essandoh 等[25]得出的結(jié)論“SAT 系統(tǒng)的有效土壤層處理厚度為柱子最初的10 cm”、Grünheid 等[29]的結(jié)論“處理過程中土壤初始的幾厘米效果最佳”并不一致。供水方式不同、含水率不同、生物膜的存在與否、處理的污染物不同、系統(tǒng)所發(fā)生的水文地球作用不同等，都可能是造成結(jié)論不一致的原因。

圖6 PNP 水樣濃度隨取樣深度的變化規(guī)律Fig.6 Change of p-nitrophenol concentration with soil depth

由上述分析可知，以天然砂作模擬介質(zhì)，其吸附作用對(duì)對(duì)硝基酚的去除率較小，即常規(guī)的SAT 系統(tǒng)處理能力有限，因此進(jìn)一步研究通過生物強(qiáng)化手段優(yōu)化SAT 系統(tǒng)。

2.3 對(duì)硝基酚降解菌株的鑒定結(jié)果與特性分析

實(shí)驗(yàn)從長(zhǎng)期受農(nóng)藥污染的土壤中采集樣品，經(jīng)多次富集培養(yǎng)、馴化及復(fù)篩后得到一株能夠以對(duì)硝基酚為唯一碳源和能源生長(zhǎng)的高效降解菌株，最終降解產(chǎn)物為水和二氧化碳，為SAT 技術(shù)的生物加強(qiáng)做準(zhǔn)備。該菌株最適生長(zhǎng)溫度為20～35℃，是好氧微生物，在豐富固體培養(yǎng)基上，該菌株在LB 平板上呈黃色、濕潤(rùn)、低凸起。16S rDNA 序列進(jìn)化分析顯示，該菌與節(jié)桿菌屬（Arthrobactersp.）同源性為99%，革蘭氏染色結(jié)果如圖7所示。節(jié)桿菌屬幼齡培養(yǎng)物的細(xì)胞呈不規(guī)則的桿狀，大小為（0.8～1.2）μm×(1.8～8.0)μm，常呈V 形排列端圓，但沒有絲狀體。生長(zhǎng)過程中，桿狀斷裂成直徑為0.6～1 μm 的小球狀，單個(gè)、成對(duì)排列，呈不規(guī)則的堆狀。革蘭氏陽性，但很易褪色。有的菌種的桿狀細(xì)胞運(yùn)動(dòng)，不生孢、不抗酸、好氧。

2.4 注入法生物強(qiáng)化SAT 系統(tǒng)對(duì)對(duì)硝基酚的去除效果

生物強(qiáng)化SAT 系統(tǒng)對(duì)對(duì)硝基酚的去除率可以通過其濃度變化指示，繪制不同取樣深度對(duì)硝基酚濃度隨時(shí)間的變化，如圖8所示。由圖可知，對(duì)硝基酚在整個(gè)周期內(nèi)均有去除，不同取樣深度對(duì)硝基酚濃度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致：對(duì)硝基酚濃度淹水期下降先快后慢，落干期下降速度變快，整體上落干期去除量高于淹水期。隨著對(duì)硝基酚從下至上遷移，濃度逐漸降低。生物強(qiáng)化模擬柱滲透系數(shù)同非生物中砂柱相同，馬氏瓶供水水頭一致，故二者水力駐留時(shí)間一樣，均為3 h。淹水期隨著污染液的不斷引入，溶解氧不斷減少，SAT 系統(tǒng)接近厭氧狀態(tài)，而實(shí)驗(yàn)所采用的微生物為好氧細(xì)菌，故降解速率逐漸降低，降解能力減弱。落干期不再向土柱中灌入污染液，使SAT 系統(tǒng)中增加部分氧氣，改善系統(tǒng)的氧化還原環(huán)境，微生物降解速率及降解能力得到提高。因菌液從進(jìn)水口位置注入，部分菌液隨污水向上遷移，該過程伴隨著對(duì)硝基酚的生物降解，因此距離進(jìn)水口位置較近的取樣點(diǎn)去除量高。

圖8 生物強(qiáng)化SAT 系統(tǒng)中不同深度處PNP 濃度隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.8 Breakthrough curves of p-nitrophenol’s in bio-SAT system

比較生物強(qiáng)化前后SAT 系統(tǒng)對(duì)對(duì)硝基酚的去除效果，如圖9所示。由圖可知，生物強(qiáng)化后SAT對(duì)對(duì)硝基酚的平均去除率由11%提高到88.5%，各周期去除水平基本一致。生物強(qiáng)化后bio-SAT 系統(tǒng)去除效果顯著提高。這是物理吸附、生物降解共同作用的結(jié)果，生物降解起了主要作用；而且此種微生物專門降解對(duì)硝基酚，處理水平高、速度快。淹水-落干交替有效避免了生物降解過程中的缺氧問 題，為微生物提供了充足的氧氣。這也說明該水力負(fù)荷周期的設(shè)計(jì)比較合理，生物強(qiáng)化改良效果明顯。

圖9 生物強(qiáng)化前后SAT 系統(tǒng)對(duì)PNP 的去除效果對(duì)比Fig.9 Removal comparison of p-nitrophenol’s in SAT with/without bioaugmentation

2.5 生物強(qiáng)化SAT 處理對(duì)硝基酚的環(huán)境效應(yīng)和風(fēng)險(xiǎn)

經(jīng)生物強(qiáng)化后的SAT 系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)的水力負(fù)荷周期運(yùn)行4 個(gè)周期后，對(duì)硝基酚最終濃度為1.15 mg·L-1。對(duì)硝基酚的最終降解產(chǎn)物為H2O 和CO2，對(duì)地下水不構(gòu)成二次污染。美國(guó)EPA 限制對(duì)硝基酚污水的排放，規(guī)定在天然水中對(duì)硝基酚濃度不能超過10 ng·L-1[30],本次實(shí)驗(yàn)的出水水質(zhì)雖未達(dá)到排放要求，但其濃度已有顯著去除。在實(shí)際地下環(huán)境中，經(jīng)過長(zhǎng)期緩慢的物理、化學(xué)、生物綜合作用，加入生物強(qiáng)化手段，并適當(dāng)加快淹水-落干頻率，有望徹底去除對(duì)硝基酚。本研究證實(shí)了SAT 技術(shù)高效去除溶解性有機(jī)物的可行性，可為實(shí)際工程運(yùn)行提供有價(jià)值的參考。

3 結(jié) 論

SAT 既是當(dāng)前應(yīng)用廣泛的污水處理系統(tǒng)，也是地下水人工回灌的基本水質(zhì)處理技術(shù)。本研究通過建立室內(nèi)一維土柱模擬SAT 系統(tǒng)，利用非生物與生物強(qiáng)化柱處理對(duì)硝基酚污染水，討論去除效率及其影響因素，并分析去除機(jī)理與遷移規(guī)律。

（1）靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)中，細(xì)砂、中粗砂、粗砂對(duì)對(duì)硝基酚的去除率分別為37.75%、33.75%、30.50%。三者的吸附動(dòng)力學(xué)符合Lagergren 擬二階動(dòng)力學(xué)模型，吸附效果主要受顆粒比表面積影響。

（2）非生物條件下（動(dòng)態(tài)吸附），SAT 系統(tǒng)通過吸附作用去除對(duì)硝基酚，土壤層有效處理厚度為60 cm，3 種介質(zhì)處理對(duì)硝基酚的去除率為10%左右，效果不佳。

（3）實(shí)驗(yàn)在長(zhǎng)期受農(nóng)藥污染的土壤中篩出的菌株是能以對(duì)硝基酚為唯一碳源和能源生長(zhǎng)的高效降解菌株，而且最終降解產(chǎn)物為水和二氧化碳。該菌株作為強(qiáng)化菌使用。

（4）生物強(qiáng)化條件下，SAT 系統(tǒng)通過吸附與生物降解作用共同去除對(duì)硝基酚，去除率提升至88.5%。去除效果顯著，反應(yīng)時(shí)間短，并且對(duì)地下環(huán)境不構(gòu)成二次污染。

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