全 文 ：生物反应器法处理 PAHs污染土壤的研究*
李培军1* * 巩宗强1 井 欣2 许华夏1 张春桂1 马学军1 何耀武1
( 1 中国科学院沈阳应用生态研究所,沈阳 110016; 2 国家环境保护局环境监测总站,北京 100029)
摘要 利用自行设计的生物泥浆反应器研究了多环芳烃( PAHs)污染土壤生物修复技术.结果表明, 在
相同环境条件下, 污染物自身的理化性质是影响生物修复的关键因素, 苯环越多、分子量越大, 越难以被微
生物利用, 故菲( PHE)比芘( PY)具有更高的污染可修复性.温度、空气流量是重要的调控因子. 本实验中,
生物泥浆反应器处理 PAHs 污染土壤选择的最佳运行工艺参数是: 温度 20~ 30 ! ,水土比 2∀1, 空气流量
8L#h- 1#L - 1, 接种量 50g#kg- 1 .该工艺参数为生物泥浆反应器技术实用化及其他相关研究工作的深入开
展提供了理论依据.
关键词 生物泥浆反应器 多环芳烃 生物修复
文章编号 1001- 9332( 2002) 03- 0327- 04 中图分类号 X53 文献标识码 A
Bioremediation of PAHs contaminated soil using bioslurry reactor process. L I Peijun1 , GONG Zongqiang1 ,
JING Xin2, XU Huax ia1, ZHANG Chungui1 , MA Xuejun1 , HE Yaow u1 ( 1 I nstitute of Applied Ecology , Chinese
A cademy of Sciences , Shenyang 110016; 2General Monitor ing S tation of China EPA , Beij ing 100029) . Chin .
J . A pp l. Ecol . , 2002, 13( 3) : 327~ 330.
Studies on bior emediation of PAHs contaminated soil were car ried out using bioslurry reactor process. Phenan
thr ene ( PHE) and pyrene ( PY ) w ere chosen as the test pollutants. The results show ed that the physical and
chemical properties of the po llutants were key factor affecting the bior emedy ing possibility of PAHs in soil.
PAHs wit h less benzene rings and low er molecule w eight w er e easier to be biodegraded. So, phenanthr ene had
higher bioremedying possibility than pyrene. Temperature and airflow w ere impo rtant control factors in bioslur
ry reactor process. In this r esearch, the optimized par ameters were operating temperature as 20~ 30 ! , r at io be
tween water and soil as 2∀1, air flow as 8 L#h- 1#L - 1, and the inoculating amount as 50 g#kg - 1.
Key words Bioslurry r eactor, PAHs, Bioremediat ion.
* 国家自然科学基金( 29977021 )和中国科学院知识创新工程资助
项目( KZCX2401, SCXZD0103) .
* * 通讯联系人.
2000- 09- 05收稿, 2000- 12- 19接受.
1 引 言
目前,污染土壤的生物修复技术越来越引起人
们的关注.污染土壤生物修复技术主要有两类.一类
是原位生物修复或就地生物修复( In situ bioremedi
ation) , 一般适用污染现场; 另一类是异位生物修复
技术 ( Exsitu bioremedit ion) , 主要包括预制床法
( Prepared bed)、堆肥法 ( Composting )、厌氧处理法
(Anaerobic reactor)和生物泥浆反应器法( Bioslurry
reactor)
[ 1]
.异位生物修复技术一般可保证生物降解
的较理想条件, 因而处理效果好, 还可防止二次污
染,是一项具有广阔应用前景的处理技术.生物反应
器方法是将受污染的土壤挖掘起来和水混合搅拌成
泥浆,在接种了微生物的反应器内进行处理, 其工艺
类似于污水生物处理方法. 处理后的土壤与水分离
后,经脱水处理再运回原地[ 8] . 处理后的出水视水
质情况,直接排放或循环使用. 该方法适用于: 1)污
染事故现场,且要求快速清除污染物; 2)环境质量要
求较高地区; 3)污染严重,用其它生物方法难处理的
土壤. 这种液/固处理法以水相为主要处理介质,污
染物、微生物、溶解氧和营养物的传递速度快,各种
环境条件便于控制,因此去除污染物效率高,对高浓
度的污染土壤有良好的治理效果,但运行费用较高.
目前, 国外利用生物泥浆反应器修复有机污染
土壤已有报道[ 2, 3, 6, 9] , 但国内对该技术的研究才刚
刚起步. 本文利用生物泥浆反应器以菲和芘为供试
污染物,研究 PAHs污染土壤处理过程中 PAHs的
类型、污染物的浓度、温度、空气流量、水土比例对生
物降解的影响.通过实验研究,选择和确定了最佳运
行工艺参数,为生物泥浆反应器处理 PAHs污染土
壤实用化技术提供科学依据.
2 材料与方法
2 1 供试材料
2 1 1 土壤 采自中国科学院沈阳生态实验站, 土壤类型为
应 用 生 态 学 报 2002 年 3 月 第 13 卷 第 3 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Mar. 2002, 13( 3)∀327~ 330
草甸棕壤( 0~ 20cm) .
212 化学品 菲 ( Phenanthr ene, 纯度为 90. 6% ) 和芘
( Pyrene,纯度为 97% ) ,均为德国 F lyka公司产品. 菲和芘的
环境参数见金相灿[ 7]的研究.
213 生物反应器 圆锥型, PVC 材料, 容积 7 5L .反应器
由罐体、搅拌器、气体流量计、通气装置、气体收集管、泥浆采
样孔、清洁土壤排出孔和水循环管道组成.
22 实验与方法
221 实验设计 生物泥浆反应器调控参数实验设计见表1.
表 1 生物反应器调控参数实验设计
Table 1 Design on the operating parameters of bio slurry reactor
污染物
Po llutants
浓度
Concentration
( mg#kg - 1)
温度
Temperature
( ! )
水∀土
H2O∀soil
空气流量
Airflow
( L#h- 1#L- 1)
PHE 50~ 400 10~ 30 2∀1~ 4∀1 0~ 27
PY 25~ 100 10~ 30 2∀1~ 4∀1 0~ 27
222 实验方法 在供试土壤中按设计的浓度,加入菲和芘
的甲醇溶液,搅拌均匀后放置一夜, 次日加入到反应器中, 接
种物为上一批处理过的泥浆. 开启搅拌器时开始计时, 运行
过程采泥浆样品,分析测定菲和芘的残留量、微生物数量等.
223 菲和芘的分析测定 土壤中菲和芘的分析采用超声
提取, HPLC 测定[ 10] .
224 微生物数量测定 细菌和真菌数量测定均采用平板
计数法.细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基[ 4] , 真菌采用察氏培
养基[ 5]测定.
3 结果与讨论
31 土壤中菲和芘生物降解性比较
菲和芘分别代表 3环和 4环的 PAHs类有机污
染物, 其分子结构和物理化学性质都有明显不
同[ 7] .图 1是生物反应器运行过程中,不同污染水平
的土壤中菲和芘的残留浓度随时间变化趋势. 菲在
3711~ 29396mg# kg- 1, 芘在 3289~ 8008mg#
kg- 1范围内,初始浓度不会成为限制因素.从图 1可
以看出,菲的浓度越高, 降解速度越快. 菲在初始浓
度为 3289mg#kg- 1污染土壤中, 经过 144h( 6d)运
行去除率可达 9208%, 当浓度降低到 150mg#
kg- 1时,再运行 168h( 7d)后仅能去除 302%. 芘在
初始浓度为 2137mg#kg- 1污染土壤中, 48h 去除率
可达 3238% . 当芘的浓度< 1545mg#kg- 1时, 再
经过 312h( 13d)运行, 去除率仅提高了 1624% . 实
验结果表明, 在本实验条件下, 土壤中菲浓度<
2mgkg- 1和芘< 15mg#kg- 1时降解速度明显呈缓
慢趋势.这说明在不外加 C 源的情况下, 生物反应
器中剩余较低浓度的菲和芘很难为微生物所利用.
要去除这部分菲和芘,必须提供其它的降解条件.
表 2是生物反应器运行过程, 不同污染水平菲
图 1 土壤中不同污染水平菲和芘的降解曲线
Fig. 1 Degradat ion of PHE and PY w ith different contaminat ion levels in soil.
a~ g 见表 2. a~ g see Table 2.
表 2 不同污染水平菲和芘的生物降解动力学方程式*
Table 2 Dynamic equations on degradation of PHE and PY in di fferent
pollution levels
污染物
Pollutants
污染水平
Contam ination
level
( mg#kg - 1)
动力学方程
Dynamic
equation
相关系数
Correlat ion
coefficient
样本数
n
PHE 29396 Ya = 305 07e- 00246 t 09620 8
15480 Y b= 15317e- 00222 t 09892 8
3711 Yc= 29 18e- 00156 t 09798 8
PY 8008 Yd = 8239e- 00038 t 09774 9
4153 Ye= 3660e- 00031t 09395 9
3289 Yf = 26 57e- 00026 t 09296 9
2137 Yg= 1748e - 00015 t 08940 9
* 未接种 Without inoculat ion, 温度 Temperature 30 ! ,水∀土 H 2O∀
Soil 2∀1,空气流量 Airf low 8L#h- 1#L- 1, P < 001.
和芘降解曲线拟合的动力学方程式. 由表 2可见,菲
和芘的降解曲线方程符合一级反应动力学方程:
- dy / dt= ky
式中, y 为 PAHs在瞬间 t 时刻的浓度, k 为速度反
应常数. 根据 k 值可以衡量降解速度, 即 k 值越大,
降解速度越快.从表 2看出, 不论浓度高低,芘的 k
值远远小于菲的 k 值.说明菲比芘容易降解, 即污染
物的分子结构和自身的理化性质是影响生物修复的
关键因素. 一般情况下, 四环和多环高分子量的
PAHs的生物降解需要以共代谢(共氧化)的方式促
进完成[ 1] , 而在本实验反应器中没有投加共代谢底
物.
32 温度对土壤中 PAHs生物降解的影响
图 2 是不同温度下菲和芘的降解率测定结果.
土壤中菲和芘在 10、20和 30 ! 温度条件下, 运行
328 应 用 生 态 学 报 13卷
13d后,去除率分别为 9396%、966%、9704%和
3730%、6099%、6457%, 菲和芘的降解率均
30 ! > 20 ! > 10 ! . 三种温度对菲的降解率影响不
明显, 而芘的去除率 10 ! 比 20 ! 低 2369%. 这说
明在生物泥浆反应器运行过程中温度是重要的影响
因素,对多环高分子量的 PAHs更是如此. 较高的温
度可以提高 PAHs的溶解度, 增加微生物的可利用
性; PAHs从土壤颗粒上的解吸过程是一个吸热过
程,温度太低不利于解吸, 从而也影响生物降解; 另
外,适宜的温度会促进微生物的生长和繁殖, 有利于
增加微生物的数量.考虑能源消耗等综合方面的因
素,温度 20 ! ~ 30 ! 为宜.
图 2 温度对菲和芘生物降解的影响
Fig. 2 Ef fect of temperature on degradat ion rate of PHE and PY in soil.
1) PY - 10 ! , 2 ) PHE 10 ! , 3 ) PY - 20 ! , 4 ) PHE 20 ! , 5 ) PY
- 30 ! , 6) PHE 30 ! .
33 水土比例对土壤中 PAHs生物降解的影响
由图 3看出,菲和芘在不同水土比例情况下, 土
壤中残留物浓度均随处理时间延长而降低, 不同水
土比之间无明显差异, 说明生物泥浆反应器中不同
的水土比例( 2∀1、3∀1 和 4∀1)对污染土壤中 PAHs
的生物降解无影响.因此在不影响搅拌和通气的情
况下,尽量采用最小水土比例,可有效利用反应器的
容积,提高处理效率, 2∀1的水土比例较合适.
图 3 水∀土的比例对菲和芘生物降解的影响
Fig. 3 Ef fect of the ratio of w ater and soil on degradation rate of PHE
and PY.
1) PY- 2∀1, 2) PHE 2∀1, 3 ) PY- 3∀1, 4) PHE 3∀1, 5 ) PY- 4∀1, 6)
PHE 4∀1.
34 空气流量对 PAHs生物降解的影响
空气流量关系到泥浆中溶解氧的含量,能否及
时补充溶解氧可影响到好氧微生物的活性和降解能
力.所以空气流量也是不可忽视的因素.表 3是运行
过程泥浆中微生物数量的测定结果. 然而通气量应
依微生物种类而定,并非通气量越大越有利.从表 3
看出,只搅拌不通气的状况,即可满足细菌的生长繁
殖.细菌数量 5d和 15d分别为 92 ∃ 109 和 10 ∃
10
8 个#g- 1土, 比在通气量 8、13和 27L#h- 1#L - 1的
条件下都多.随着通气量增加,细菌数量呈相对减少
趋势.各反应器的细菌数量均在 5d 时达到最大值,
15d的数量比 5d 时少, 但明显高于 0 时的数量. 真
菌数量的变化规律则相反, 通气均比不通气数量多,
且随空气流量增大而增加,说明在生物泥浆反应器
中较大的空气流量有利于真菌生长. 因此空气流量
的选择还要从多方面分析,还应考虑对污染物的处
理效果.
表 3 空气流量对生物泥浆反应器中微生物数量的影响*
Table 3 Effect of airflow on the amount of bacteria and fungi in bio
slurry reactor ( n#g- 1 soil )
空气流量
Airf low
( L#h- 1#L- 1)
细菌 Bacteria
0d
( ∃ 106) 5d( ∃ 109) 15d( ∃ 107)
真菌 Fungi
0d
( ∃ 103) 5d( ∃ 103) 15d( ∃ 104)
0 38 92 100 73 37 11
8 32 19 89 98 83 23
13 28 16 40 72 79 26
27 35 12 54 130 140 31
* PHE 50mg# kg- 1, PY 25mg# kg- 1,接种量 Inoculat ion 50g# kg- 1,
温度 Tem perature 30 ! ,水∀土 H2O∀soil 2∀1.
表 4 空气流量对菲和芘降解率的影响
Table 4 Effect of airflow on the degradation rate of PHE and PY(%)
空气流量
Airf low
( L#h- 1#L- 1)
PHE
5d 13d
PY
5d 13d
0 7969 9233 1565 2680
8 8946 9686 3825 5457
13 9194 9732 3441 6352
27 9451 9932 3676 6359
从表 4可以看出, 运行 5d后采样, 空气流量 8L
#h- 1#L- 1与只搅拌不通气的情况相比,菲和芘的降
解率分别提高 977%和 2260% .运行 13d后, 菲和
芘的降解率分别提高了 453%和 2777%. 这说明
在生物泥浆反应器中补充氧气有利于污染物的降
解.随着空气流量再增大,菲和芘的降解率虽然有一
定程度提高,但提高幅度不大,综合考虑以上分析结
果,为节省能源,空气流量 8L#h- 1#L- 1较为合适.
4 结 论
41 利用生物泥浆反应器修复 PAHs污染土壤过
3293 期 李培军等:生物反应器法处理 PAHs污染土壤的研究
程中,污染物自身物理、化学性质是影响生物修复的
关键因素,故菲比芘具有更高的污染可修复性.温度
和泥浆中的溶解氧浓度是重要的环境影响因素.
42 在本实验设计的浓度范围内, PAHs污染土壤
中污染水平越高降解速度越快. 在不加共代谢底物
的情况下,当污染土壤中 PAHs降解到一定程度(菲
< 2mg#kg- 1和 芘< 15 mg#kg- 1)时, 污染物浓度可
成为生物降解的限制因素, 这也是今后深入研究的
问题之一.
43 生物泥浆反应器法处理 PAHs污染土壤工艺
中,该实验确定的最佳运行工艺参数为: 温度 20 !
~ 30 ! ,水土比例 2∀1, 空气流量 8L#h- 1#L - 1,接种
量 50g#kg- 1.
44 生物泥浆反应器技术处理 PAHs污染土壤是
一种高效的处理方法. 本研究结果为深入研究
PAHs污染土壤共代谢机理和生物反应器技术实用
化、产业化奠定了理论基础.
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作者简介 李培军, 男, 1950 年生, 研究员, 博士生导师, 主
要从事污染生态学和生态环境工程学研究, 发表论文 50 余
篇. Email: lipeijunzh@ sina. com
330 应 用 生 态 学 报 13卷