多环芳烃污染农田与场地土壤的甲基β环糊精强化微生物修复研究

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多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)是环境中广泛存在的一类持久性高毒性有机污染物,不仅对农田土壤生态系统的稳定性、多样性和安全性造成了较为严重的隐患,并且也对人类身体健康产生了一定风险。同时随着我国“退二进三”、“退城进园”等政策的实施,出现了大批由焦化厂、煤电火力发电厂和钢铁厂等企业关闭或搬迁导致的PAHs污染场地。残存在这些场地中高风险的污染土壤将严重威胁人体健康、环境安全乃至社会民生,已成为我国老百姓身边的“化学定时炸弹”,是亟需解决的土壤环境问题。本文针对PAHs不同程度污染的农田土壤和场地土壤开展物化-微生物联合修复技术研究。  主要结论如下:  (1)应用甲基β环糊精和PAHs降解菌噬氨副球菌(HPD-2)对长三角某PAHs污染农田土壤进行16周的强化微生物修复。结果表明,同时接种降解菌与添加不同浓度甲基β环糊精(methyl-β-cyclodextrin,MCD)处理具有对PAHs去除效果显著的协同效应(p<0.01),接菌4%(v/w)+10%(w/w)MCD处理对总量PAHs去除率最高,约达到35%。此联合处理对土壤中PAHs特异降解菌数量、土壤微生物活性和微生物群落功能多样性都有显著促进作用(p<0.05)。说明在该处理条件下,土壤微生物多样性和生态系统稳定性都得到了提高,证明该微生物刺激和微生物强化联合修复方式是一种较为环境友好的修复技术,具有较为广泛的应用潜力。  (2)运用聚2,6-二苯基对苯醚(Tenax TA)树脂提取修复前后土壤中自然解吸的PAHs,并结合有机污染物三阶段解吸概念模型拟合其动力学过程,根据PAHs微生物降解百分含量与Tenax TA提取百分含量的对比情况判断,在对照(CK)和添加10%(w/w)MCD处理(B2)中,由于PAHs自由解吸量大于微生物去除量,所以微生物因子是限制修复进程的主要原因;在接菌处理(CKB)和接菌+10%(w/w) MCD处理(MB2)中,噬氨副球菌不仅降解了PAHs可自由解吸的含量,还多降解了相应含量,说明解吸因子是决定整体修复进程的关键因素。  (3)对北方某焦化厂(B焦化厂)PAHs污染场地土壤采用环境友好型的特殊表面活性剂甲基β环糊精(MCD)作为洗脱剂,运用升温、超声和连续洗脱等协同增效手段筛选出:当100g/L MCD,50℃和35kHz超声30min时,对土壤中总量PAHs和5种金属元素单次去除率最大,总量PAHs、镉(Cd)、镍(Ni)、锌(Zn)、铬(Cr)和铅(Pb)的最大去除率分别是76%、51%、64%、69%和46%;随着连续洗脱次数的增加,土壤中复合污染物的去除率也逐渐增加,但是综合考虑洗脱效率因素和修复成本因素,决定连续洗脱3次是较为合理的修复次数;再对3次洗脱修复后的土壤接种降解菌和添加氮(N)、磷(P)营养源,25℃恒温培养20周后,发现土壤的微生物功能多样性显著提高(p<0.01),同时土壤微生物毒性也显著降低(p<0.01),说明该技术对修复后土壤的微生物多样性提高起到了积极作用;利用优化后洗脱技术(100g/L MCD,50℃和35kHz超声30min)对某钢铁厂(M钢铁厂)和华东某焦化产(W焦化厂)PAHs污染场地进行案例研究发现该优化技术对上述两处PAHs污染场地也有很好的修复效果,说明该技术是一种环境友好,操作简便,可以在某些PAHs污染场地上进行推广使用的修复手段。  (4) Tenax TA树脂时间连续提取法,对此3种(B焦化厂、M钢铁厂和W焦化厂PAHs污染场地)不同污染性质的土壤在洗脱前和每次洗脱后进行PAHs解吸特性的拟合分析。结果发现随着连续洗脱次数的逐渐增加,与土壤颗粒结合力较弱的PAHs快速解吸组分比例逐渐减小,与土壤颗粒结合力较强的PAHs慢速解吸组分比例与PAHs超慢速解吸组分(与土壤颗粒结合力超强)比例之和显著上升(p<0.01);当3种土壤中PAHs超慢速解吸组分比例上升至土壤中PAHs残留总量的99%之后,PAHs超慢速解吸组分比例随着连续洗脱次数的增加将不再显著变化(p>0.05)。而与此同时,根据PAHs超慢速解吸组分的解吸速率常数进行判断,当没有外界强烈的物理化学和生物的共同作用下,PAHs超慢速解吸组分再次解吸至土壤水相中,造成潜在二次环境风险已大为减小。根据土壤中PAHs超慢速解吸组分比例和PAHs超慢速解吸组分解吸速率常数随着连续洗脱次数的变化情况,可以辅助判断对上述3处PAHs污染场地土壤都需要连续洗脱3次才能能够保证洗脱后土壤的相对安全。
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