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图1 生物通风法的设施
生物通风法中,空气注入速率是污染物扩散、再分布和表面损失的基本参数之一。Sui等研究了空气注入速率对甲苯污染场地生物挥发、生物降解和生物转化的影响。结果表明:在81.504和407.52 m3/d 2种空气注入速率下,试验结束时(200 d)没有观察到甲苯去除率的显著差异;试验早期阶段(100 d),与低空气注入速率相比,高空气注入速率提高了甲苯的挥发率。Frutos等的研究结果也表明,空气注入速率和时间间隔对黏土中柴油的降解率没有显著差异,较长的空气注入时间间隔和较低的空气注入速率可能更为经济。Rayner等观察到在亚南极碳氢化合物污染场地,由于浅水位和薄土覆盖,单井生物通风对油气去除效果不佳;但当在同一地点使用9个小注射棒(相距0.5 m)进行生物处理时,在相同条件下,由于有更均匀的氧气分布,大量的碳氢化合物被去除。尽管空气注入速率和时间间隔对生物降解效果影响不大,但空气注入点数量的增多有助于实现空气的均匀分布。另外,尽管生物通风法是为了促进非饱和区域的曝气,但也可以用于厌氧生物修复过程,特别是用于处理氯化物污染的渗流区,可以注入氮气与低浓度二氧化碳和氢气的混合物代替空气或纯氧气,以减少氯化蒸气。在具有低渗透性的土壤中,与注入空气相比,注入纯氧气效果更好。此外,在处理难生物降解的污染物时,注入臭氧可能更为经济有效。
3.4 微生物燃料电池
微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)是利用生物电化学技术来降解或去除土壤中的石油污染物,并产生额外电能的新型石油污染土壤修复方法。石油污染修复过程中,产电菌催化降解石油释放电子和质子,电子通过阳极再经外电路到达阴极,质子在电池内部从阳极传递到阴极,氧气作为最终电子受体在阴极处被还原成水[93]。微生物燃料电池修复技术的核心是向污染土壤提供阳极和阴极,分别作为电子供体和电子受体。与常规的物化方法不同,微生物燃料电池不需要消耗大量能源,也不需要向体系内投加氧化剂、催化剂、溶剂等化学药品,还能产生额外的电能。Zhang等利用微生物燃料电池处理石油污染土壤,降解135 d后,微生物燃料电池对石油的降解率为对照组的2倍。
按照结构来分,微生物燃料电池可分为双室和单室(图2),双室微生物燃料电池必须配有分隔膜,单室微生物燃料电池可不配备分隔膜。双室微生物燃料电池一般由阴阳电极、反应室和分隔膜构成。其阴极室和阳极室一般相互独立,阴极和阳极之间外接电路形成闭合回路,分隔膜只允许质子通过,从而阻止阴极室和阳极室中的溶液混合。附着在阳极表面的微生物降解有机物,生成电子和质子。电子直接或者间接地传递给阳极,再沿着外接电路到达阴极,从而形成电流;质子则通过分隔膜到达阴极,在阴极表面质子和电子发生还原反应。单室微生物燃料电池一般没有分隔膜,其底物中的基质能够减缓H+向阴极的迁移,因此分隔膜不是必需的。阳极在基质中埋得足够深就能保证厌氧环境,一般为了保证厌氧环境通常在基质表面覆盖一层水或其他材料。单室微生物燃料电池成本低,且能够减小阻抗,因此应用潜力极大。其主要缺点是阴极氧气若接触到阳极会降低产电效率,因为氧气会与阳极产生的质子发生反应,降低质子传递到阴极的效率。
图2 微生物燃料电池结构
原位生物修复强化技术的对比
生物投加法通过维持土壤高浓度细菌生物量、提高处理负荷,可选择性地强化某种或某类物质降解,能有效抵抗有毒物质的侵害及维持土壤pH稳定。然而,获得高效、适宜的功能菌株需要投入大量的人力、物力。生物刺激法可充分利用土著微生物的修复潜力,但受环境因素(如污染时间长短、污染物的组成及土壤微生物的群落结构等)影响,修复效果差异大,且过多营养刺激制剂的添加还可能会降低微生物的降解能力。在石油污染土壤的生物修复过程中经常将二者联用,利用生物刺激制剂进一步强化所投加生物菌剂的修复效果。
与生物投加法和生物刺激法相比,生物通风法和微生物燃料电池在提高生物修复效率,缩短生物修复周期方面具有显著优势,然而二者的构成较为复杂,经济成本较高,且对土壤性状具有较高的要求。生物通风法对于渗透性较低和黏度较高的土质是不适用的,土壤类型对微生物燃料电池的产电性能以及污染物的修复效果也具有显著影响。肖慧萍等研究了土壤类型对微生物燃料电池修复Cd污染土壤的影响,结果表明黑土、红土、黄棕土中Cd的去除率分别为16.7%、47.1%、12.6%,微生物燃料电池对红土Cd的去除率最高,修复效果最好。
在进行污染土壤的原位生物修复时,应根据实际的土壤特性、污染情况及环境条件等因素,选择一种或多种原位生物修复强化技术,在条件许可的情况下,可优先开展小试或中试试验。
5 展望
(1)电动-微生物联合修复技术研发。电动技术可以促进土壤中微生物的迁移以及营养物质的运输,明显提高微生物的代谢活性,二者具有较好的协同作用,从而强化污染物的去除。此外,电动技术通过电泳、电渗和电迁移可使土壤盐分迁移和富集,对于盐碱土壤的治理具有较好效果。
(2)微生物燃料电池-微生物联合修复技术。微生物燃料电池对基质的要求低,可直接利用一些不易被微生物利用的有机质,且具有反应速度快等优势。将微生物燃料电池与微生物联合用于石油污染土壤,不仅可以加速石油污染物生物降解的启动速度,还可以加大微生物对石油污染物的降解作用范围。
(3)将纳米粒子作为固定化载体用于石油污染土壤的生物修复。纳米粒子可以用于微生物的固定化,增强微生物对土壤环境的适应性,强化微生物对石油污染物的生物降解;另外,纳米粒子还可以增加疏水污染物的生物利用度。
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