资源描述:
焦化厂高环 PAHs 污染土壤的电动 - 微生物修复 * 张灿灿1, 2郭书海1李婷婷1吴波1李凤梅1邵春岩3 1. 中国科学院沈阳应用生态研究所, 沈阳 110016; 2. 中国科学院大学, 北京 100049; 3. 沈阳环境科学研究院,沈阳 110016 摘要 针对沈阳某焦化场地污染土壤中 PAHs 高环比例高、 浓度高的特点, 采用二维空间对称电场、 功能性 PAHs 降解 菌剂, 进行了工程水平的电动 - 微生物联合修复试验 面积 200 m2, 极距 1 m, 土高 0. 7 m 。结果表明 极性切换形成 的对称电场能使土壤 pH 保持在中性范围 pH 在 6. 6 ~6. 9 , 有利于微生物的生长代谢, 提高了土壤中总 PAHs 和高 环 PAHs 的去除率。在 98 d 时电动 - 微生物修复去除率达到 51. 2, 较微生物组提高了 18. 7, 削减负荷达 40. 6 g/ m3 d 。其中 10 种 46 环 PAHs 的去除率平均提高了 20. 9, 显示出电动 - 微生物技术修复焦化场地 PAHs 污染土壤的可行性及工程化应用前景。 关键词 焦化厂地; 对称电场; 电动 - 微生物修复; 多环芳烃 PAHs DOI 10. 13205/j. hjgc. 201407033 ELECTRO- BIOREMEDIATION OF COKING PLANT SOILS CONTAMINATED WITH HIGH- MOLECULAR POLYCYCLIC AROMATIC HYDROCARBONS Zhang Cancan1, 2Guo Shuhai1Li Tingting1Wu Bo1Li Fengmei1Shao Chunyan3 1. Institue of Applied Ecology,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China; 2. University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China; 3. Shenyang Academy of Environmental Science,Shenyang 110016,China AbstractBased on the high proportion and concentration of heavy PAHs in soil of Shenyang coking industrial site,functional PAHs- degrading bacteria reagent was prepared,the electrode control technique with 2- D symmetrical electric field was built, and electro- bioremediation technique was carried out remediation area was 200 m3, distance between two electrodes was 1 m, soil height was 0. 7 m . Results showed that the symmetrical electric field promoted the growth of microorganisms by maintaining the soil pH in the range of 6. 60 ~6. 95. Thus,these factors helped enhancing the degradation rate of total PAHs and heavy PAHs. The removal rate of total PAHs in the electro- bioremediation treatment reached 51. 2 during 98 days, which increased 18. 7 compared to the degrading bacteria treatment,and the removal rate among 10 kinds of 46 cyclic PAHs increased around 20. 9. The pollution load declined to 40. 6 g/ m3d . It was indicated the feasibility and engineering application prospect of electro- bioremediation for PAHs- contaminated soils especially in the coking industrial site. Keywordscoking plant; symmetrical electric field; electro- bioremediation; polycyclic aromatic hydrocarbons PAHs * 国家自然科学基金 21047006 。 收稿日期 2013 -10 -16 0引言 多环芳烃是焦化工业场地土壤中最常见的一类 持久性有机污染物, 因其稳定性好、 疏水性强, 可长期 吸附在土壤颗粒中而难以降解[1- 3 ]。焦化类工业场地 历史久、 污染重, 近年来由企业搬迁所引发的场地再 利用问题日益显著, 多环芳烃污染土壤的修复已成为 焦化类场地亟待解决的难题 [4 ]。20 世纪 90 年代以 前, 土壤的修复方法以物理法或化学法为主, 物理法 可分离土壤中的大部分有机物, 但价格昂贵难以实 施; 化学法虽可以获得较好的去除效果, 但所使用的 化学药剂会造成二次污染。近年来电动与生物的联 合修复技术发展迅速, 能更大程度地强化生物修复的 效果 [5- 6 ]。但目前国内外采用此技术对有机污染土壤 的修复仍只处于室内或中试规模, 未见工程水平上的 051 环境工程 Environmental Engineering 试验报导, 因此开展该技术的工业化研究十分必要。 本研究针对沈阳焦化场地污染土壤中高环 PAHs 比重大、 浓度高的特点, 采用二维空间对称电场、 功能 性 PAHs 降解菌株, 进行了 200 m2的电动 - 微生物 联合修复工程化试验, 取得了实用规模条下 PAHs 污 染物去除的良好效果, 为焦化场地污染土壤的修复提 供了工程示范。 1实验部分 1. 1供试菌剂 从污染土壤土著微生物中筛选出针对高浓度、 高 环 PAHs 的优势降解细菌 2 株, 即蜡样芽孢杆菌 Bacillus cereus 和假单胞菌 Pseudomonas sp. 。发 酵培养 牛肉膏蛋白胨液体培养基, 37 ℃ 搅拌培养 3 d 后采用吸附法制成功能化菌剂。 1. 2供试土壤 污染土壤来自沈阳市某焦化厂, 总体积约为 16 0 m3, 通过人工筛检与机器筛分, 去除粒径大于 3 cm的砾石及其他杂质, 可修复土 壤 体 积 约 为 150 m3。然后与前期制备的高效菌剂以 7∶ 1的比例 混合。混合过程中, 每 5 m3土壤单独搅拌混合, 待全 部土壤混合后, 分层进行铺设, 最大限度保证堆砌土 方中微生物的均质性。其理化性质详见表 1。 表 1土壤理化性质 Table 1physical and chemical properties of the test soils 粒径分布/ <2 μm 2 ~50 μm50 ~200 μm 土壤 质地 有机碳/ g kg -1 阳离子交换量/ mol kg -1 pH 24. 862. 612. 6壤土26. 30. 246. 95 1. 3工程现场 在沈阳市固体废物处理中心开辟了处理现场。 堆砌土堆高度约为 0. 7 m, 修复工程占地 200 m2 20 m 10 m 。在待修复污染场地底部铺设防渗 层, 土方外侧搭建高度为 1 m 的土方隔离墙, 四周布 设集水槽, 外侧堆砌隔离坝 图 1 。 图 1现场施工局部侧视图 Fig.1Side views of the construction on site 1. 4电场设计 电极采用中空铁电极, 长 100 cm, 内径 5 cm。现 场共布置 200 根电极, 各电极之间相距均为 1 m, 排 列成 M N 的矩阵 见图 2 。交流电经过整流器提 供持续的直流电, 两电极间电压为 24 V; 电极的极性 进行周期切换, 切换时间为 5 min/次。通过在行/列 组电极切换的过程中, 建立一个二维空间对称电场, 最大限度地去除了电场中的物理死角[7 ], 根据文献 [ 8] 的公式计算。本研究中的电场有效作用面积较 传统有效作用面积提高了 40, 使土壤中微生物最 大范围内的处于电场作用下。 图 2电动 - 微生物修复现场示意 Fig.2Design of electro- bioremediation on site 为考察电场对 PAHs 的去除效果, 本实验同时设 置对照组 其他条件相同, 以不施加, 电场添加同样比 例降解菌剂的土壤作为微生物组 BIO; 以不做任何处 理的土壤作为空白组 CK。 1. 5采样时间和方法 在实验运行 0, 14, 28, 42, 56, 70, 84, 98 d 时采 样, 共设 4 个采样点, 分别为电极处 C1、 四电极中心 C2、 两电极中间 C3、 电极和中心中点 C4。采样点位 置见图 3。土样采自表层 0 ~20 cm 土壤, 初步剔除 石砾和草根树叶等杂质, 充分混合, 放入自封袋中封 口, 于 4 ℃冰箱保存。 PAHs 的提取参照 USEPA 3550C 的超声萃取法并 加以改进。用研钵将风干土样磨匀后称取0. 5000 g于 离心管中, 加入 15 mL 二氯甲烷/丙酮溶液 体积比为 151 土 壤 修 复 Soil Remediation 1∶1 , 振荡2 min, 超声20 min 后离心, 提取液倒入茄形 瓶中, 重复操作3 次, 最后将茄形瓶置于旋转蒸发仪上 40 ℃蒸发, 待二氯甲烷和丙酮溶液挥发完全, 加入一 定量的色谱纯乙腈, 摇匀, 吸取一定量于液相进样小瓶 中, 再加入1 mL 乙腈, 冷冻保存测定。 图 3采样点布置 Fig.3Schematic of sampling points 分析采用的高效液相色谱仪为 Waters1525, 色谱柱 为 Waters 公司的 PAHs Symmetry C18 分离柱 250mm 4.6 mm, S- 5 μm , 检测部分采用 Waters 2475 荧光检测 器波长切换功能。测定过程 柱温 35 ℃, 进样量 10 μL, 流速为 1 mL/min, 流动相为乙腈∶ 水 9∶ 1 体 积比 。用保留时间和峰高测定 PAHs 浓度。 2结果与分析 2. 1焦化厂地土壤 PAHs 含量 该场地 PAHs 总量高达5 635. 60 mg/kg 见表2 , 参照 Maliszewska- Kordybach 建议的土壤中 PAHs 污 染程度的分类标准, 未污染< 0. 20 mg/kg 、 轻微污 染 0. 20 ~ 0. 60mg/kg 、中 度 污 染 0. 60 ~ 1. 00 mg/kg 和重度污染>1. 00 mg/kg , 该焦化场 土壤属于重度污染。3、 4、 5、 6 环 PAHs 所占比重分别 为 14. 16、 58. 33、 18. 14、 9. 37; 4 环以上组分 所占比重较大, 占 PAHs 总量的 85. 84。土壤中多 环芳烃以难降解的高环为主, 修复难度较大。 2. 2电场作用对土壤 pH 的影响 土壤 pH 值会影响微生物细胞膜的完整性, 同时 也影响微生物对营养物和污染物的利用程度。在不 加电场的条件下, 微生物适宜的 pH 值一般在 7. 0 左 右。图 4 是电场条件下土壤中不同位置 pH 的变化。 由图 4 可以看出 不同位置土壤 pH 随降解时间的延 长逐渐降低, 但幅度很小, 与初始土壤 pH 6. 95 相 表 2污染土壤中 PAHs 组成与含量 Table 2Concentrations of PAHs in the test soil 污染物环数含量/ mg kg -1 比例/ 芴3107. 10 3. 451. 90 0. 12 菲3525. 49 2. 059. 32 0. 07 蒽3165. 45 3. 212. 94 0. 11 荧蒽41242. 05 4. 2322. 04 0. 15 芘41023. 52 2. 0918. 16 0. 07 苯并 a 蒽4492. 99 1. 458. 75 0. 05 屈4528. 70 1. 299. 38 0. 05 苯并 b 荧蒽5329. 44 0. 685. 85 0. 02 苯并 k 荧蒽5193. 23 1. 053. 43 0. 04 苯并 a 芘5428. 43 0. 887. 60 0. 03 二苯并 a, h 蒽571. 11 2. 561. 26 0. 09 苯并 g, h, i 苝6285. 06 3. 445. 06 0. 12 茚苯 1, 2, 3- cd 芘6243. 05 1. 784. 31 0. 06 总量5635. 60 15. 43100 比, 98 d时降低了 3 ~ 5, 土壤呈弱酸性。通过电 极的周期性切换, 电极附近电解产生的 H 和 OH - 能 够被及时中和, 避免在电极附近形成酸性或碱性区 域, 有效减小了土壤 pH 波动, 消除电极反应造成的 pH 变化对微生物的影响, 使其保持活性。 图 4土壤 pH 随时间的变化 Fig.4Soil pH variation with time 2. 3土壤总 PAHs 的降解 不同处理土壤中 PAHs 的降解率变化如图 5 所 示。空白组 CK 随着处理时间延长, PAHs 呈现一定 的降解趋势, 98 d 时降解率达 23. 6。这可能有两 方面原因 一方面是土著微生物对 PAHs 的降解作 用; 另一方面是光解作用导致 PAHs 总量降低。 不同处理对 PAHs 的降解率由大到小顺序依次 为电动微生物修复 > 微生物组 > 空白组, 98 d 时对 PAHs 的降解率分别达到 51. 2、 32. 5 和 23. 6, 与空白组和微生物组相比, 电动 - 微生物修复的效率 提高了27. 6和 18. 7, 削减负荷达40. 6 g/ m3 d 。 251 环境工程 Environmental Engineering 图 5不同处理 PAHs 的降解率 Fig.5Changes of degradation rate under different test 从比较结果可以看出 施加完全对称电场对 PAHs 的 降解效果大于微生物的单独作用。这是由于通过电 极切换的方式, 土壤环境条件得到控制, 有效地避免 了极端 pH 分布不均对微生物的影响, 进一步提高了 PAHs 的降解效率。 进一步考察电动 - 微生物修复中 PAHs 空间降 解率的变化, 如图6 所示。98 d 时降解率由大到小顺 序依次为电极处 C1 > 两电极中间 C3 > 电极与中心 中间 C4 > 四电极中心 C2, 分别为 56. 1、 52. 7、 50. 4和 45. 7。距离电极距离越远, 土壤中 PAHs 的去除率越低, 据电极最远的四电极中心处 PAHs 的 去除率相较电极处低了 10. 4。在该运行条件下, 场强与 PAHs 的去除率呈正相关。这也与前人的研 究相一致 [10 ]。 图 6电动 - 微生物修复中不同位置 PAHs 的降解率 Fig.6PAHs degradation rate of different places in the electro- bioremediation 2. 4土壤单一组分 PAHs 的降解 研究表明微生物修复技术能够有效地去除土壤 中的低环 PAHs 2 ~ 3 环 , 但高环 4 环及以上 PAHs 由于稳定性强、 电子云密度高、 化学结构复杂、 生物可利用性低, 成为修复的难点 [11 ]。为进一步考 察不同处理对各单一多环芳烃降解的差别, 计算了 98 d 时 13 种 PAHs 各自的去除率, 如图 7 所示。经 过 98 d 的降解, 各处理土壤中 13 种 PAHs 的降解率 与 CK 相比均有提高。对比不同处理对不同环数 PAHs 的降解率, 电动 - 微生物联合作用下 PAHs 的 降解率最高, 对 3、 4、 5、 6 环 PAHs 的平均降解率分别 达到 86. 9、 58. 3、 19. 0、 25. 9, 与 CK 相比分 别提高了 0. 5、 48. 5、 20. 6、 25. 6; 与 BIO 相 比分别提高了 8. 6、 32. 3、 8. 2、 22. 3。 图 7 98 d 时不同处理土壤中单一多环芳烃的降解率 Fig. 7Degradation of individual PAHs during 98 d 对称电场的施加促进了 PAHs 的去除, 尤其是 高环 PAHs 的降解率提高幅度较大 与 BIO 相比, 10 种 4 ~ 6 环 PAHs 的降解率平均提高了 20. 9 。 说明该技术对土壤中难降解的高环 PAHs 具有良好 的去除作用。这一方面是因为电场产生的各种电 动效应和电化学反应, 加快了高环 PAHs 的氧化进 程; 另一方面也与土壤条件的改善有关, 通过提供 适宜的温度、 氧气、 pH 和传质环境等, 改善了功能 微生物的代谢条件, 从而增强了难降解 PAHs 的生 物可利用性。 图 8 给出了电动 - 微生物修复土壤中不同环数 PAHs 的残留浓度和百分比随时间的变化情况。实验 初始时待修复土壤中 3、 4、 5、 6 环 PAHs 所占比例分 别为14. 34、 58. 19、 18. 12和9. 35, 4 环 PAHs 所占比例超过一半。随着修复时间的延长, 虽然土壤 中 5 环和 6 环 PAHs 残留量逐渐减少, 但所占比重逐 渐增加。到 98 d 时, 3、 4、 5、 6 环 PAHs 所占比例分别 351 土 壤 修 复 Soil Remediation 变为 3. 02、 50. 66、 31. 27 和 15. 05。电动 - 微生物处理后期土壤中高环 PAHs 比重逐渐增大, 生 物可利用性越来越低, 导致生物降解效率下降。这限 制了生物降解作用的发挥, 为去除土壤中更难生物降 解的高环 PAHs, 下一步应考虑采用其他有针对性 的技术手段, 如电动 - 化学氧化等技术联用对该焦 化场地污染土壤中残留的难生物利用的 PAHs 深度 处理。 图 8电动 - 微生物修复中 PAHs 随时间的组成分析 Fig. 8Group components analysis of PAHs with electro- remediation during 98 days 3结论 1 该焦化场地土壤中多环芳烃属重度污染, 多 环芳烃总量为 5 635. 60 mg/kg, 四环以上组分所占比 重达 85. 8; 对称电场的建立保持了大部分土壤接 近中性条件 pH 在 6. 6 ~ 6. 9 , 促进了微生物的生 长, 有利于土壤中 PAHs 的生物降解, 电动 - 微生物 修复 98 d 时降解率达到 51. 2, 较微生物组提高了 18. 7。 2 对称电场的施加有利于土壤中难生物降解的 高环 PAHs 的去除。与微生物组相比, 电动 - 微生物 修复98d 时10 种46 环 PAHs 的降解率平均提高了 20. 9。 3 通过工程化试验 面积200 m2, 极距1 m, 土高 0. 7 m , 取得了实用规模条件下 PAHs 污染物去除的 良好效果, 削减负荷 40. 6 g/ m3d , 为焦化场地污 染土壤的修复提供了工程示范。 参考文献 [1]SusanCWilson, KevinCJones.Bioremediationofsoil contaminated with polynuclear aromatic hydrocarbons PAHs A Review[J]. Environmental Pollution, 1993, 81 3 229- 249. [2]Sun J H,Wang G L,Chai Y,et al. Distribution of polycyclic aromatic hydrocarbons PAHsin Henan Reach of the Yellow River, Middle China[ J] . Ecotoxicology and Environmental Safety, 2009, 72 5 1614- 1624. [3]陶澍. 从多环芳烃的排放、 迁移与暴露说起[C]∥新观点新学 说学术沙龙文集 9. 环境污染与人体健康, 2007. [4]Ma D. Characteristics of PAHs Pollution in the Soil and Microbial Remediation at a Coking Industrial Site[D]. WuhanHuazhong Agricultural University, 2010. [5]Lageman R,Clarke R L,Pool W. Electro- reclamation,a versatile soil remediation solution[J]. Engineering Geology,2005,77 191- 201. [6]Ribeiro A B,Rodriguez- Maroto J M,Mateus E P,et al. Removal of organic contaminants from soils by an electrokinetic processThe case of atrazine,experimental and modeling[J]. Chemosphere, 2005, 59 1229- 1239. [7]郭书海,李婷婷,王彦华,等. 一种有机污染土壤修复系统与 方法 中国, PCT/CN2009/070002[P]. 2009. 8. 1. [8]Alshawabkeh A N. Remediation Engineering of Contaminated Soils [M]. BostonMarcel Dekker Inc Press, 2000. [9]鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京中国农业科技出 版社, 2000. [ 10]Niqui A J L,Bueno M M,Posada R B,et al. Electrokinetic enhancement of phenanthrene biodegradation in creosote- polluted clay soil[J]. Environ Pollut, 2006, 142 2 326- 332. [ 11]Kanaly R A, Harayama S.Biodegradation of high- molecular polycyclic aromatic hydrocarbons by bacteria[J].Journal of Bacteriology, 2000, 182 8 2059- 2067. 第一作者 张灿灿 1988 - , 女, 硕士, 主要研究方向为有机污染土壤 的电动修复。chaochao9955163. com 通讯作者 郭书海 1964 - , 男, 研究员, 主要研究方向为污染控制化 学与电动修复。shuhaiguo iae. ac. cn 451 环境工程 Environmental Engineering
展开阅读全文