冉景 李明 安忠義 程寒飛

摘 要：近年來(lái)，土壤復(fù)合污染問(wèn)題日益凸顯并引起了人們的廣泛關(guān)注。生物淋濾技術(shù)已在去除土壤、污泥等介質(zhì)中重金屬污染方面得到了較多應(yīng)用，并取得了良好效果。電動(dòng)修復(fù)技術(shù)與生物淋濾技術(shù)聯(lián)用不僅具備各自?xún)?yōu)勢(shì)，還能一定程度上互補(bǔ)劣勢(shì)，降低電動(dòng)修復(fù)能耗的同時(shí)縮短生物淋濾時(shí)間。該文綜述了生物炭等功能材料用于改良生物淋濾和電動(dòng)修復(fù)引起的土壤酸化問(wèn)題的研究進(jìn)展，為修復(fù)后土壤的資源化利用提供基礎(chǔ)資料。

關(guān)鍵詞：生物淋濾；電動(dòng)修復(fù)；復(fù)合污染土壤；生物炭

中圖分類(lèi)號(hào) X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 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 土壤復(fù)合污染現(xiàn)狀

改革開(kāi)放以來(lái)，隨著我國(guó)工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，污染物的大量排放和不當(dāng)處置導(dǎo)致我國(guó)土壤污染問(wèn)題日益凸顯，引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。通常土壤污染過(guò)程所涉及的污染物包括幾種或多種，土壤污染的復(fù)合特性己成為一種普遍存在的現(xiàn)象[1-2]。土壤中常見(jiàn)的有機(jī)污染物包括石油烴、多環(huán)芳經(jīng)（PAHs）、多氯聯(lián)苯（PCBs）和有機(jī)氯農(nóng)藥等。無(wú)機(jī)污染物則主要包括多種重金屬和放射性核素等，如砷（As），鎘（Cd），鉻（Cr），銅（Cu），汞（Hg），鎳（Ni），鉛（Pb）和鋅（Zn）。張強(qiáng)等[3]對(duì)無(wú)錫某鋼鐵場(chǎng)地進(jìn)行調(diào)查研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，Hg和苯并[b]熒蒽污染嚴(yán)重，最高濃度分別達(dá)27.5mg·kg-1和75.4μg·kg-1，分別超標(biāo)17.3和6.85倍。賀心然等[4]對(duì)連云港市典型蔬菜基地土壤中重金屬和有機(jī)氯污染進(jìn)行了調(diào)查與評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，部分點(diǎn)位Pb和滴滴涕等含量超標(biāo)。近年來(lái)，東南沿海一些地區(qū)在進(jìn)行廢舊電器等的拆卸回收過(guò)程中釆用露天手工拆卸和焚燒等方式，導(dǎo)致重金屬和有機(jī)污染物同時(shí)進(jìn)入到土壤，尤其是銅、鎘、PCBs等[5-6]。土壤中重金屬和有機(jī)污染物可以通過(guò)顆粒物等形式直接被人體所吸收，或通過(guò)食物鏈間接地在人體內(nèi)蓄積，危害人體健康和生態(tài)安全。因此，亟須對(duì)復(fù)合污染土壤進(jìn)行有效治理。

治理土壤污染的方法有很多，根據(jù)工藝原理不同，可分為物理、化學(xué)和生物3種類(lèi)型[7]。其中，物理法主要包括物理分離法、溶液淋洗法、固化穩(wěn)定法、凍融法和電動(dòng)力法；化學(xué)法主要包括溶劑萃取法、氧化法、還原法等；生物法可分為微生物修復(fù)、植物修復(fù)和動(dòng)物修復(fù)。已有工程項(xiàng)目的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，固化穩(wěn)定化技術(shù)、土壤淋洗和微生物修復(fù)是土壤污染治理的常用方法，但是針對(duì)有機(jī)（例如PAHs）和無(wú)機(jī)（例如重金屬）復(fù)合污染土壤的修復(fù)卻受到了限制。所以尋求新的處理方法或者不同修復(fù)方法的優(yōu)化組合是修復(fù)復(fù)合污染土壤的實(shí)際需求 [1]。

2 生物淋濾技術(shù)在污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用

生物淋濾（Bioleaching）起源于濕法冶金，是利用自然界中某些微生物與介質(zhì)中重金屬發(fā)生直接或間接作用，通過(guò)氧化、還原、絡(luò)合等反應(yīng)將介質(zhì)中重金屬分離、提取出來(lái)的一種技術(shù)[8]。20世紀(jì)90年代起，一些學(xué)者逐漸將這一技術(shù)運(yùn)用到環(huán)境領(lǐng)域，用來(lái)淋濾礦物廢渣、污泥、飛灰、電子廢棄物和污染土壤中的重金屬[9]。該技術(shù)成本低、對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小、不會(huì)造成二次污染，相對(duì)于化學(xué)淋濾，成本可降低約80%，有較好的規(guī)?；瘧?yīng)用前景，因此近年來(lái)得到研究者的廣泛關(guān)注。

生物淋濾過(guò)程中的功能微生物按代謝類(lèi)型可分為自養(yǎng)細(xì)菌（Autotrophic bacteria）、異養(yǎng)細(xì)菌（Heterotrophic bacteria）和異養(yǎng)真菌（Heterotrophic fungi）。硫桿菌（Thiobacillus）是嚴(yán)格好氧的化能自養(yǎng)細(xì)菌，是最常見(jiàn)的淋濾菌株，但硫桿菌在生物酸化過(guò)程往往受到水溶性有機(jī)物、重金屬離子、陰離子等因子的抑制作用[10]。Gu等[11]發(fā)現(xiàn)經(jīng)厭氧消化的污泥會(huì)釋放乙酸、丙酸等水溶性低分子有機(jī)酸，嗜酸性硫桿菌不能正常對(duì)該污泥進(jìn)行有效酸化及溶出重金屬?！爱愷B(yǎng)淋濾”微生物包括細(xì)菌、真菌，其中黑曲霉（Aspergillus niger）是最具優(yōu)勢(shì)的一類(lèi)真菌。楊潔等[12]等利用黑曲霉淋濾垃圾燃燒飛灰中的重金屬，證明黑曲霉通過(guò)在自身代謝過(guò)程中產(chǎn)生有機(jī)酸使環(huán)境體系pH下降，將飛灰中的重金屬溶出，為真菌直接淋濾重金屬指出了方向。Ren等[13]從重金屬污染土壤中分離出一株重金屬耐受性較強(qiáng)的黑曲霉菌并將其運(yùn)用于土壤重金屬淋濾，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，97.5%的Cu、88.2%的Cd、26%的Pb、14.5%的Zn被成功淋濾出來(lái)。與此同時(shí)，有文獻(xiàn)指出黑曲霉可以降解多環(huán)芳烴、有機(jī)農(nóng)藥等有機(jī)污染物[14-16]。劉世亮等[16]研究發(fā)現(xiàn)，黑曲霉菌對(duì)土壤中添加的苯并[a]芘降解能力很強(qiáng)，在旱地紅壤的降解率達(dá)到了58.4%。

目前生物淋濾在污染土壤修復(fù)中主要用于重金屬的去除，尚未見(jiàn)用于處理有機(jī)污染或者復(fù)合污染土壤。土壤酸度是決定污染物去除效率的關(guān)鍵，較低的pH不僅有利于土壤中重金屬的解吸和遷移，還有利于有機(jī)污染物的遷移和降解[17]。生物淋濾產(chǎn)生的酸性環(huán)境以及黑曲霉對(duì)有機(jī)污染物的降解能力，顯示出生物淋濾具備同時(shí)處理重金屬和有機(jī)污染物復(fù)合污染土壤的潛力。

3 電動(dòng)強(qiáng)化生物淋濾技術(shù)在污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用

電動(dòng)修復(fù)技術(shù)（Electrokinetic）是20世紀(jì)90年代后期逐漸發(fā)展起來(lái)的一種新型去除土壤中污染物的技術(shù)。電動(dòng)修復(fù)技術(shù)實(shí)質(zhì)上是由被污染的土壤和插入的電極構(gòu)成一個(gè)完整的電解反應(yīng)室，來(lái)進(jìn)行土壤原位修復(fù)處理[18]。土壤中的污染物在電遷移、電滲析和電泳的共同作用下遷移出體系達(dá)到污染土壤的凈化。土壤中重金屬主要通過(guò)電遷移方式遷移出土體，而有機(jī)污染物則主要通過(guò)電滲流機(jī)制遷移出土體[17]。電動(dòng)修復(fù)技術(shù)是一種環(huán)境友好的原位修復(fù)技術(shù)，能同時(shí)去除土壤中的重金屬和有機(jī)污染物，而且操作簡(jiǎn)單、處理效率高，特別適合污染重、深度大的低滲透性場(chǎng)地污染土壤。

生物淋濾與電動(dòng)修復(fù)技術(shù)存在各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和缺陷。生物淋濾可使難溶重金屬硫化物溶解，但淋濾周期長(zhǎng)。生物淋濾的效果和速度受到一系列因素的影響，包括土液比、底物種類(lèi)、起始pH值、溫度、重金屬類(lèi)型及濃度等等。以土液比為例，土液比越高則土壤修復(fù)的經(jīng)濟(jì)效益越高，能夠提供給微生物的養(yǎng)分也越多，然而土液比升高也會(huì)提高土壤體系緩沖能力、重金屬離子及DOM濃度，不利于降低淋濾過(guò)程中的pH，可能降低淋濾效率[9]。任婉俠等[19]研究認(rèn)為，生物淋濾的適宜土液比僅為5%～10%（w/v）。電動(dòng)技術(shù)能同時(shí)去除土壤中的重金屬和有機(jī)污染物，但對(duì)于難溶的金屬硫化物處理效果較差，且能耗高。電場(chǎng)強(qiáng)化生物淋濾技術(shù)不但具有二者的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，也具有一定的缺陷互補(bǔ)性，從而縮短修復(fù)時(shí)間，節(jié)約修復(fù)成本[20]。在直流電場(chǎng)作用下，重金屬等陽(yáng)離子和硫酸根等陰離子分別向陰陽(yáng)兩極定向遷移，可消除底泥中過(guò)高的重金屬等陽(yáng)離子和硫酸根等陰離子對(duì)硫桿菌活性的抑制作用，同時(shí)還可以解決傳統(tǒng)生物淋濾土液比過(guò)低的難題[9]。Maini等[20]采用生物淋濾與電動(dòng)修復(fù)相結(jié)合的方法處理銅污染土壤，在相同時(shí)間內(nèi)，與純電動(dòng)修復(fù)達(dá)到了相近的修復(fù)效率，但節(jié)約了66%的電能。劉廣容[21]采用電動(dòng)方法-生物淋濾聯(lián)用處理底泥后，底泥中Cr的存在形態(tài)發(fā)生了改變，Cr的平均去除率為53.4%，比單純電動(dòng)修復(fù)提高了近21%。

電動(dòng)修復(fù)和生物淋濾聯(lián)用易引起土壤酸化，影響修復(fù)后土壤的資源化利用。土壤酸化可導(dǎo)致鹽基離子的加速淋失，同時(shí)導(dǎo)致土壤中H+、鋁和錳等毒性元素濃度增加，對(duì)微生物和植物的生長(zhǎng)代謝產(chǎn)生較大的影響[22]。施用石灰等堿性物質(zhì)改良土壤酸度是酸性土壤地區(qū)的一項(xiàng)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)措施，近年來(lái)生物炭（Biochar）、粉煤灰、堿渣、磷石膏、造紙廢渣等也用于酸性土壤改良，其中生物炭的應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注[23]。生物炭是農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)在缺氧條件下熱裂解形成的穩(wěn)定的富碳產(chǎn)物，主要由芳香烴和單質(zhì)碳或具有類(lèi)石墨結(jié)構(gòu)的碳組成，一般含有60%以上的碳元素。Yuan等[24]研究結(jié)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。同時(shí)生物炭的施入還可以吸附酸性條件下溶出的重金屬與有機(jī)污染物，降低土壤中污染物的有效性和生物毒性[25]。此方面的研究可以為更好地優(yōu)化電動(dòng)強(qiáng)化生物淋濾技術(shù)的修復(fù)效果提供支持，具有良好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論與展望

綜上所述，污染物的大量排放和不當(dāng)處置導(dǎo)致土壤污染嚴(yán)重，復(fù)合污染問(wèn)題普遍存在，帶來(lái)較為嚴(yán)重的環(huán)境和人體健康風(fēng)險(xiǎn)。生物淋濾技術(shù)對(duì)環(huán)境友好，成本較低，可以較為徹底的去除重金屬等污染物，但處理周期較長(zhǎng)，實(shí)際應(yīng)用于復(fù)合污染土壤的修復(fù)還不夠成熟。電動(dòng)修復(fù)與生物淋濾技術(shù)聯(lián)用，不但具有二者的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，還具有一定的缺陷互補(bǔ)性，且具備同時(shí)處理重金屬和有機(jī)污染物復(fù)合污染土壤的能力。

今后的研究重點(diǎn)：（1）有機(jī)污染物和淋濾微生物的相互影響如何？（2）電動(dòng)技術(shù)能否有效解決高土液比條件帶來(lái)的酸化緩慢及污染物對(duì)微生物毒性問(wèn)題？（3）施入生物炭等材料，對(duì)電動(dòng)強(qiáng)化生物淋濾處理后的土壤酸性改良效果如何？通過(guò)上述復(fù)合污染土壤修復(fù)的效果和機(jī)理研究，可為電動(dòng)強(qiáng)化生物淋濾技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)與技術(shù)參考。

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（責(zé)編：張宏民）