全 文 ：五氯酚( PCP)污染土壤厌氧生物修复技术的初步研究 3
徐向阳 3 3 　冯孝善　(浙江大学环境工程系 ,杭州 310029)
【摘要】　研究土壤泥浆反应器在投加厌氧颗粒污泥条件下修复 PCP 污染土壤的性能. 结果表明 ,对 PCP 浓度
30mg·kg - 1模拟污染土壤 ,其土壤泥浆中土著性厌氧微生物对 PCP 具有一定的还原脱氯降解活性 ,28d 平均
PCP 降解速率为 0. 258mg·kg - 1·d - 1 ;投加 5. 0g·kg - 1颗粒污泥的土壤泥浆反应器在好氧、好氧2厌氧、厌氧操作
条件下 ,28d 平均 PCP 降解速率为 0. 269、0. 291/ 0. 842、0. 892mg·kg - 1·d - 1 . 投加 5 、10、25g·kg - 1颗粒污泥的土
壤泥浆反应器在厌氧条件下 ,35d 平均 PCP 降解速率分别达到 0. 834、0. 843、0. 928mg·kg - 1·d - 1 , PCP 降解速
率随颗粒污泥投加量的增加而增大 ;对 PCP 浓度 60mg·kg - 1模拟污染土壤 ,投加颗粒污泥的泥浆反应器仍可获
得相对较高的初始 PCP 降解速率.
关键词 　厌氧颗粒污泥 　五氯酚 ( PCP)污染土壤 　土壤泥浆 　厌氧生物修复
文章编号 　100129332 (2001) 0320439204 　中图分类号 　X70311 　文献标识码 　A
Preliminary study on anaerobic bioremediation process for pentachlorophenol ( PCP)2contaminated soil. XU Xi2
angyang and FEN G Xiaoshan ( Depart . Envi ron. Eng. , Zhejiang U niversity , Hangz hou 310029) . 2Chin. J . A ppl .
Ecol . ,2001 ,12 (3) :439～442.
The performances of soil2slurry process with supplement of anaerobic granular sludge for remediating PCP2contaminat2
ed soil was investigated. The results showed that inherent anaerobic microbes in soil exhibited a little dechlorinating ac2
tivity for simulative contaminated soil with 30mg·kg - 1 of PCP ,the average PCP degradation rates within 28 d was
0. 258mg·kg - 1·d - 1 . In soil slurry processes with 5 g·kg - 1 granular sludge at aerobic ,aerobic / anaerobic and anaero2
bic operation ,the average PCP degradation rates within 28 d were 0. 269 ,0. 291/ 0. 842 and 0. 892mg·kg - 1·d - 1 ,re2
spectively. PCP degradation rates were increased with increasing the amounts of anaerobic granular sludge ,0. 834 ,
0. 843 ,0. 928mg·kg - 1·d - 1 of the average PCP degradation rates within 35 d were achieved in soil slurry processes
supplemented with 5 ,10 ,25 g·kg - 1 of granular sludge ,respectively. This bioremediation process also presented higher
initial PCP degradation rate for higher concentration (60mg·kg - 1) of PCP in soil.
Key words 　Anaerobic granular sludge , PCP2contaminated soil , Soil2slurry , Anaerobic bioremediation.
　　3 国家自然科学基金资助项目 (30070026) .
　　3 3 通讯联系人.
　　2001 - 02 - 16 收稿 ,2001 - 03 - 20 接受.
1 　引 　　言
PCP常作为除草剂、木材防腐剂而被广泛应用 ,
许多国家发现土壤、沉积物受 PCP 污染. 国外为修复
受 CPs 污染土壤与沉积物研究开发了生物堆层、堆肥
及土壤泥浆反应器等好氧修复工艺 ;并分离获得具有
矿化 PCP 能力的 PCP 降解菌 ,但某些降解菌伴有邻
位一甲基化和 CPs 聚合酶活性转化产生高生态风险
的产物 ,故仍需进一步开发高效、安全/ 可矿化 CPs 的
生物修复工艺[2 ,3 ,5 ] . 许多研究者认为以厌氧还原脱氯
为特征的厌氧微生物降解作用 ,在氯代芳烃污染环境
的厌氧生物修复中具有很大的应用潜力[6 ,8 ] . 该过程
可将多氯代化合物脱氯形成低氯代、低生物积累及易
好氧生物降解的产物 ,甚至矿化形成 CH4/ CO2 . 与脱
氯细菌纯培养物相比 ,厌氧颗粒污泥这种特殊的结构
化微生物群体 ,在降解活性及生态竞争性上更适宜于
作为污染环境生物修复的接种物或生物强化剂[1 ,2 ] .
我们根据氯代芳香族化合物厌氧还原脱氯作用依
赖于电子供体这一特性 ,以工业有机废水作为共基质 ,
成功地培养了可降解 PCP 的厌氧产甲烷颗粒污泥 ,并
在厌氧颗粒污泥形成、厌氧颗粒污泥降解 CPs 活性及
其修复污染水体性能等方面作较深入的研究[11 ] . 本试
验拟在泥浆反应器中外源投加降解 PCP 厌氧颗粒污
泥 ,考察其作为生物强化剂修复受 PCP 污染土壤的性
能 ,以期探索厌氧生物技术在污染土壤修复中的有效
性和可行性.
2 　材料与方法
211 　土壤
模拟受污染土壤取自本校农田地 ,属粉砂质粘壤土 ,该土
壤未检出 CPs ,风干过筛 ( ≤2mm)后备用 (表 1) .
212 　降解 PCP 颗粒污泥
供试厌氧颗粒污泥取自以啤酒糖化废水作为共基质的降
解 PCP 厌氧生物反应器 ,颗粒污泥培养历时 4 个月 (表 2) .
213 　实验设计
为改善土壤固相的均一性 ,污染土壤的生物修复采用泥浆
应 用 生 态 学 报 　2001 年 6 月 　第 12 卷 　第 3 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,J un. 2001 ,12 (3)∶439～442
表 1 　受试土壤的理化特性
Table 1 Physical and chemical properties of soil used
指标 Item 指标值 Value
p H 7. 82
有机质 Organic material 3112 %
总氮 (速效氮) Total N (available N) 0. 11 %(170mg·kg - 1)
总磷 (速效磷) Total P(available P) 0. 07 %(21mg·kg - 1)
总钾 (速效钾) Total K(available K) 1. 98 %(175mg·kg - 1)
CEC 16. 18cmol·kg - 1
颗粒组成 Particular size
> 0. 02mm 3118 %
0. 02～0. 002mm 4912 %
< 0. 002mm 1910 %
表 2 　降解 PCP颗粒污泥理化特征
Table 2 Characteristics of PCP - degrading anaerobic granular sludge
颗粒粒径
Granular
diameter
(mm)
湿密度
Wet
density
( g ·
ml - 1)
VS/ TS SVI
(ml·g - 1
VSS)
沉降速率
Setting
speed
(m·h - 1)
UmaxCH4
(ml·g - 1
VSS·
d - 1)
F420
(mmol·
g - 1
VSS)
0. 5～5. 0 1. 042 0. 79 22. 5 40. 8 51. 0 4. 04 ×10 - 5
工艺. 以 500ml 三角瓶作为泥浆反应器 ,以土壤∶水 1∶2 比例 ,
加入 100g 土壤 ,200ml 水 ,终浓度 (mg·kg - 1干重) 一定的 PCP
母液 ,经 150r·min - 1振荡 30min 以使 PCP 分布均匀 ,并制成泥
浆.根据实验需要投加颗粒污泥. 实验设计模拟污染土壤的
PCP 浓度为 30mg·kg - 1和 60mg·kg - 1 ,厌氧颗粒污泥投加量 5g
·kg - 1 、10g·kg - 1和 25g·kg - 1 ,并设有污泥、土壤灭菌处理作为
对照 ;泥浆反应器的培养条件设置为好氧、好氧2厌氧和厌氧 ,
好氧培养采用定时振荡 ,厌氧培养采用泥浆淹水密封 (经预备
试验 ,1～2 周后可释放微量 CH4) . 每一试验设有 2 个并行样.
定期取泥浆样经蒸馏预处理后分析测定 PCP ,同时测定泥浆样
中土壤干重 ,求算土壤中 PCP 浓度 (mg·g - 1干重) .
214 　PCP 分析方法
泥浆样中 PCP 分析参照文献 [ 4 ]建议方法进行蒸馏预处
理 ,蒸馏液经乙腈处理后 ,采用 HPLC 分析 ,测试仪器和条件
为 :HP1050 HPLC(带 Chemstation analysis 软包) ,四元泵 ,2 级
管矩阵紫外检测器 , CDS C18 反相柱 ; PCP 流动相 2 % HAC/
CH3OH( 15/ 85) ,波长 300nm ; 2 , 4 , 62TCP 流动相 2 % HAC/
CH3OH ( 50/ 50) , 波长 280nm ; 2 , 42DCP 流动相 HAC/ H2O/
CH3OH(38/ 2/ 60) ,波长 285nm ; 22CP ,42CP ,32CP 流动相 2 %
HAC/ CH2OH(64/ 36) ,波长 280nm. 在该条件下 PCP 最低检出
浓度为 0. 002mg·L - 1 .
3 　结果与分析
311 　厌氧颗粒污泥对受污染土壤 PCP 的降解作用
由图 1 可见 ,土壤、污泥经灭菌处理 ( CK1) ,土壤
泥浆中 PCP 降解不明显. 未投加颗粒污泥的土壤泥浆
反应器 ,经 28d 淹水处理 , PCP 浓度由 30. 757mg·
kg - 1降至 23. 540mg·kg - 1 ,降解率为 23. 5 % ,对泥浆
蒸馏样进行 HPLC 分析发现有多种未确定的 CPs ,该
结果表明了土著性微生物对 PCP 的生物脱氯降解作
用.投加颗粒污泥的土壤泥浆反应器 ,在 0～7d 时段 ,
其 PCP 即有被转化降解的迹象 ;在 7～21 d 时段内 ,
PCP 降解作用相当显著 ,土壤中 PCP 浓度由26. 548
mg·kg - 1降至 10. 661mg·kg - 1 ,降解率为 59. 8 % ;整
个试验阶段 PCP 总降解率为 78. 5 % ;试验结束时其泥
浆样预处理后 HPLC 分析发现有多种 CPs 吸收峰 ,其
中存在 2 ,4 ,62TCP ,故 PCP 发生厌氧脱氯降解. 厌氧
脱氯降解所需的电子供体除颗粒污泥中内源性基质代
谢产生外 ,根据表 1 可推测受试土壤中部分易降解的
有机质也可能作为电子供体. 由此表明 ,通过对模拟污
染土壤进行淹水处理 ,土壤中有机物及其它组分
( Fe2O3 ,MnO2)发生各种生化及氧化还原反应 ,经一定
时间后可形成脱氯降解所需的厌氧还原条件 , PCP 经
还原脱氯降解 ,形成低氯代 CPs. 同时土壤中土著性微
生物经一定时间适应与驯化后 ,可获得一定的降解
PCP 活性 ,但与颗粒污泥相比 ,其降解 PCP 活性相当
低.
图 1 　颗粒污泥对土壤中 PCP 的降解作用
Fig. 1 Degradation of PCP by anaerobic granular sludge in soil.
Ⅰ1 灭菌处理 (CK1) Steriled CK1 , Ⅱ. 未投加污泥 No sludge CK2 , Ⅲ1 投
加污泥 Sludge 5g·kg - 1.
312 　不同培养条件对污染土壤中 PCP 降解的影响
由图 2 可见 ,泥浆反应器好氧培养 28d ,土壤中
PCP 浓度由 30. 946mg·kg - 1降至 23. 407mg·kg - 1 ,降
解率为 24. 4 % ,平均降解速率为 0. 269mg·kg - 1·d - 1 ;
投加颗粒污泥的泥浆反应器进行好氧2厌氧序列操作 ,
28d 内 PCP 降解率为 61. 8 % ,其 PCP 降解主要发生在
厌氧培养阶段 ,该阶段 PCP 降解速率为 0. 842mg·
kg - 1·d - 1 ,明显高于好氧培养阶段 (0～7d) 的 PCP 降
解速率 (0. 291mg·kg - 1·d - 1) . 投加颗粒污泥的泥浆反
应器通过淹水处理进行厌氧培养 ,28d 内其 PCP 浓度
由 32. 768mg·kg - 1降至 7. 782mg·kg - 1 ,降解速率为
0. 892mg·kg - 1·d - 1 . 结果表明 ,投加厌氧颗粒污泥的
污染土壤泥浆反应器作淹水处理 ,有利于颗粒污泥快
速降解 PCP ;在好氧培养条件下 , PCP 降解速率相当
044 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　12 卷
缓慢 ;泥浆反应器经好氧2厌氧序列操作 ,颗粒污泥降
解 PCP 活性仍可得到维持 , PCP 降解速率无明显下
降 ,这种特性可能与供试颗粒污泥具有一定的耐 O2
能力有关.
图 2 　不同培养条件对颗粒污泥降解土壤中 PCP 的影响
Fig. 2 Effects of incubated conditions on degradation of PCP by anaerobic
granular sludge in soil.
Ⅰ1 好氧 Aerobic , Ⅱ1 好氧 (7d)2厌氧 Aerobic (7d)2Anaerobic , Ⅲ1 厌氧
Anaerobic.
313 　颗粒污泥投加量的影响
由图 3 可见 ,污染土壤泥浆反应器中投加 10 和
25g·kg - 1颗粒污泥 ,经 35d 土壤泥浆中 PCP 浓度由初
始的 31. 267 和 32. 615mg·kg - 1分别降至 1. 759mg·
kg - 1和 0. 125mg·kg - 1 ,降解率为 94. 4 %和 99. 6 % ,平
均 PCP 降解速率分别达到 0. 843 和 0. 928mg·kg - 1·
d - 1 ;与投加 5 g·kg - 1颗粒污泥的试验组相比 ,土壤中
PCP 降解速率随颗粒污泥投加量增加 ,这一结果与
Mikesell 等[7 ]研究相一致. 其原因除生物量增加外 ,也
与颗粒污泥中兼性水解发酵性细菌与土著性微生物共
同参与土壤有机质分解代谢而耗 O2 有关 ,其结果在
较短时间内形成厌氧还原条件 ,继而进行PCP还原脱
图 3 　颗粒污泥投加量对土壤中 PCP 降解的影响
Fig. 3 Effects of sludge used rates on degradation of PCP in soil.
Ⅰ. 投加污泥 Sludge 5g·kg - 1 , Ⅱ. 投加污泥 Sludge 10g·kg - 1 , Ⅲ. 投加污
泥 Sludge 25g·kg - 1.
氯降解.
314 　污染土壤 PCP 浓度对污泥降解活性的影响
结果 (图 4) 表明 ,在土壤 PCP 浓度 60mg·kg - 1条
件下 ,高浓度 PCP 对颗粒污泥活性无明显抑制作用 ;
污泥投加量不同 (10 和 25g·kg21) 的两个试验组起始
7d ,PCP 降解速率相近 (0. 572～0. 654mg·kg - 1·d - 1) ,
但随后 28d ,其 PCP 降解速率则有相当大的差异 ,平均
速率分别为 1. 521 和 1. 924mg·kg - 1·d - 1 ,故 PCP 降
解速率随颗粒污泥投加量增加而提高 ,这一结果进一
步揭示颗粒污泥对 PCP 降解的生物强化作用. 上述结
果与图 3 比较可知 ,高初始 PCP 浓度 ,可获得相对较
高的初始 PCP 降解速率 , 但当 PCP 浓度下降后
(28d) ,PCP 降解速率渐减 ;另外 , PCP 完全转化所需
时间相应延长.
图 4 　PCP 浓度对颗粒污泥降解活性的影响
Fig. 4 Effects of PCP concentration on degradation activity of anaerobic
granular sludge.
Ⅰ. 投加污泥 Sludge 10g·kg - 1 , Ⅱ. 投加污泥 Sludge 25g·kg - 1.
4 　讨 　　论
411 　厌氧颗粒污泥在厌氧生物修复中的意义
基于 PCP 等氯代芳香族化合物厌氧生物降解的
作用 ,国外研究者虽提出将该原理应用于受污染环境
的生物修复 ,但研究报道尚不多. Mikesell 等[7 ]用城市
污水消化污泥作为接种物 ,以此强化土壤 PCP 的生物
降解 ,证实未经驯化的消化污泥具有脱氯活性 ,在土壤
PCP 浓度 10～30mg·kg - 1时 ,其降解速率为 0. 35～
0. 75mg·kg - 1·d - 1 , PCP 经序列还原脱氯降解成为 32
CP ,但该实验设置的厌氧条件严格按 Hungate 技术操
作充 N2 除 O2 . 可以推测该条件与生物修复现场有相
当的差异. Pagano 等[9 ]在反应器水平对受 PCB 污染沉
积物的厌氧生物修复作了尝试 ,反应器运行时利用垃
圾填埋场渗滤液作 C 源、N 源及微生物接种源 ,发现
PCB 经还原脱氯降解 ,形成低氯代联苯产物.
1443 期 　　　　　　　　　　　　徐向阳等 :五氯酚 ( PCP)污染土壤厌氧生物修复技术的初步研究 　　　　　　　　　
本研究首次将可降解 PCP 厌氧颗粒污泥作为土
壤 PCP 降解的生物强化剂 ,用于修复受 PCP 污染的
土壤. 结果表明 ,通过对土壤淹水处理 ,形成的厌氧还
原状态 ,可实现 PCP 的厌氧脱氯降解 ;投加该颗粒污
泥能明显提高 PCP 的转化速率或降解速率 ,其速率为
0. 875～1. 92mg·kg - 1·d - 1 ,受试土壤中高含量有机质
又可作为 PCP 还原脱氯降解过程的电子供体 ,并使颗
粒污泥脱氯活性得到维持 ( > 35d) . 比较已报道受
PCP 污染土壤生物修复的性能[3 ] ,可发现受试颗粒污
泥具有较好的性能.
412 　厌氧颗粒污泥的生物强化作用
厌氧颗粒污泥对土壤 PCP 降解的强化作用除颗
粒污泥富集相当数量的脱氯细菌、提高生物量外 ,颗粒
污泥结构与耐 O2 特性也起重要作用. 根据颗粒污泥
显微结构观察结果 ,发现受试颗粒污泥无层次性微结
构 ,不同营养类型细菌所形成的微菌落间存在复杂的
介质 (matrix) ;这种结构表观上可使得 PCP 在固一液
相间的传质阻力增大而影响其降解速率 ,然而与纯脱
氯细菌相比 ,PCP 在颗粒污泥中的慢扩散传递过程及
序列还原脱氯作用将有助于降低 PCP 的生物毒性 ,提
高 PCP 的生物降解速率.
本试验观察到受污染土壤泥浆和厌氧颗粒污泥通
过振荡供氧 ,为期 7d 下 PCP 无明显降解. 但这种处理
方式对后继的厌氧培养阶段 (淹水)颗粒污泥的脱氯活
性无明显的抑制作用 (图 2) ,上述结果无疑揭示了该
颗粒污泥脱氯活性具有一定的耐 O2 能力. 在一些研
究中也发现相类似的结果. Tiedje 等[10 ]发现一厌氧脱
氯培养物短时间 (30min) 暴露于空气中 ,对其脱氯活
性无抑制作用 ;Natarajan 等[8 ]发现降解 PCB 厌氧颗粒
污泥在 O2 中暴露 168h ,虽其降解 VFA、产 CH4 活性
受到抑制 ,但其脱氯活性与原始颗粒污泥相接近 ,认为
颗粒污泥中厌氧微生物具有产生足够的还原能力来防
御 O2 的毒害. 有关还原脱氯活性不受 O2 抑制 ,已在
厌氧脱氯细菌脱氯酶研究中得到了证实[6 ] . 必须指出
的是 ,污染土壤生物修复的性能受多因子的影响 ,如土
壤结构、有机质、污染物在土壤中的形态 (吸附、结合) 、
污染时间及污染物生物可利用性等 ,这些内容有待进
一步研究.
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作者简介 　徐向阳 ,男 ,1964 年生 ,博士 ,副教授. 主要从事环境
微生物与生物技术、废物生物处理等领域的研究 ,发表论文 50
篇.
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