垃圾渗滤液污染土壤的生物修复技术

　　垃圾渗滤液是指垃圾在堆放和填埋过程中，由于发酵和淋溶、冲刷，以及地表水和地下水的浸泡而过滤出来的污水。目前，我国城市垃圾处理中 70 %以上是采用卫生填埋法，而卫生填埋的一个直接后果就是产生大量渗滤液。这种渗滤液水质水量变化大，有机物浓度高、重金属含量高、氦氮含量高，对周边环境及填埋场场底土层污染严重，而且污染持续时间长，易引起二次污染，有机污染物进入食物链将直接威胁人类健康。

　　土壤重金属污染的生物修复技术研究广泛，技术逐渐成熟，其污染土壤的植物修复的原理、技术与类型都是近年的研究热点。其次，通过了解土壤环境中多环芳烃的来源归宿生物转化机理影响因素，结合生物修复技术研究进展，能够提出利用生物技术治理土壤环境中多环芳烃的思路及方法。然而，对于垃圾渗滤液污染土壤的生物修复技术的研究少之又少。因而，对渗滤液污染土壤进行有效的收集和处理己成为城市环境中亟待解决的问题，垃圾渗滤液污染土壤的生物修复技术的研究不仅对生物修复处理废水、土壤和大气的优化有极其重要的指导意义，而且对今后扩大工业化规模的可行性研究提供了依据，同时对其他类型的土壤修复技术也有重要的参考价值。

　　1、 垃圾渗滤液的产生及其性质

　　1.1 垃圾渗滤液的产生

　　垃圾渗滤液是由大气降雨和径流、垃圾有机物中本身的含水、填埋后由于微生物的厌氧分解作用而产生的液体等而形成的，产生的垃圾渗滤液其性质与气候变化、水文条件、季节交替、填埋垃圾的种类与性质、垃圾填埋的时间、填埋方式及垃圾本身的含水量等因素有关。如垃圾填埋时间短的渗滤液(<5a)水质特点表现为 pH 值较低，BOD5、CODCr浓度高，且 BOD5/CODCr的比值高，各类重金属离子的浓度也较高，而填埋时间长的渗滤液(>5a)，尤其是长期处于产甲烷阶段的渗滤液 pH 接近中性，BOD5、CODCr 浓度降低，BOD5/CODCr的比值也低，重金属浓度虽低，但 NH4+-N 浓度较高，并含有大量的异源有机化合物，从而构成渗滤液的长期污染性。

　　1.2 垃圾渗滤液的毒性

　　垃圾渗滤液的毒性是由其所含有的污染物有关，而垃圾渗滤液所含的污染物种类及浓度均与所在填埋场的垃圾类型、组分、填埋方式及填埋时间等密切相关，由于垃圾渗滤液中含有许多诱导基因突变的污染物，首先表现为基因毒性，Schrab 等人通过微生物的生物测试包括 Salmonella 诱变测试、Bacillus subtilis DNA的修正测试、Aspergillusnidulans 双倍染色体的损伤测试等证实了这一结论。Sang 等人用渗滤液对几种植物进行毒性试验，发现垃圾渗滤液中的有机污染物影响植物生长并诱导植物的生理突变如细胞有丝分裂指数下降、细胞核分裂增加及细胞分裂后期失常等。

　　1.3 垃圾渗滤液对水环境的影响

　　垃圾渗滤液是一种成份复杂、污染性很强的有机废水，对地表水、地下水均会产生严重的污染。研究表明垃圾渗滤液中不但含有病原微生物，也含有大量的酸性和碱性有机污染物，并能将垃圾中的重金属溶解出来，成为有机物质、重金属和病原微生物三位一体的污染源，如果控制不当如雨后垃圾场内渗滤液的间歇入渗和排污干渠内污水的连续入渗就会造成地表水或地下水的严重污染。因此垃圾渗滤液致使环境污染的事件国内外屡有发生。

　　1.4 垃圾渗滤液在土壤中的环境行为及其环境影响

　　像许多有机污染物一样，垃圾渗滤液污染物进入土壤后或被土壤颗粒所吸附；或被土壤微生物所降解；或随土壤水渗滤到地下水，使地下水受到污染；或吸附于悬浮物随地表径流迁移造成地表水的污染等等。随着垃圾填埋场渗滤液造成环境污染的案例出现，垃圾渗滤液在土壤中的环境行为已引起人们的关注。

　　1.4.1 垃圾渗滤液在土壤中的吸附行为

　　垃圾渗滤液在土壤中的吸附行为对环境中污染物质的迁移、转化和归宿有着直接的影响。而影响垃圾渗滤液在土壤中的吸附因素有以下几项：土壤有机质；粘粒含量；pH 值的影响；垃圾填埋年限。

　　研究表明，土壤有机质含量越高，对污染物吸附相对越弱，其中土壤 DOM 对其吸附作用有很大的贡献；如利用砂砾与芦苇床处理渗滤液，吸附作用对 NH4+-N 的去除起着关键作用；红壤pH 值低，土壤表面的正电荷密度较高，有利于对垃圾渗滤液中有机物的吸附；随着垃圾填埋年限的增加，其产生的渗滤液在土壤中的吸附量也增加。

　　1.4.2 垃圾渗滤液的生物降解行为

　　垃圾渗滤液进入土壤及地下含水层后由于受对流、弥散、扩散作用的影响而被迁移，也会被土壤吸附，甚至被土壤微生物所降解。垃圾渗滤液在土壤中的降解动态不仅极大影响自身对环境的危害程度，也影响到在含有垃圾渗滤液的土壤中有机、无机污染物的环境行为。

　　垃圾渗滤液在土壤中的降解量和降解速率不仅与垃圾渗滤液的性质、填埋年限相关，也与土壤的矿物组成、土壤粘粒含量、有机质含量、土壤 pH 等关系密切。如不同填埋年限垃圾渗滤液在潮土中降解速率比在红壤中快，在相同土壤中，填埋年限越短的垃圾渗滤液在土壤中表观降解率越大，这与分子量或亲水)疏水性组分不同等性质有关，填埋年限越短的垃圾渗滤液中低分子量组分或亲水性组分含量相对较高，而土壤对低分子量组分或亲水性组分的水溶性有机物(DOM)较之高分子量或疏水性组分的DOM 吸附弱，从而易被土壤微生物降解。在没有土壤介质条件下(消除土壤因素对垃圾渗滤液的降解影响)，垃圾渗滤液降解速率远比在土壤中的降解速率低。

　　1.4.3 垃圾渗滤液在环境中的迁移行为

　　垃圾渗滤液污染物在土壤中的迁移，既受各种物理、化学和生物反应作用的影响，也受土壤结构及含水层水动力条件的影响。

　　李建萍等人采用土柱模拟试验研究了垃圾渗滤液有机污染组分在不同厚度包气带介质中的运移规律，结果表明有机污染物在土壤中迁移是对流、机械弥散、分子扩散、吸附等共同所致，其迁移大小与土层结构与成分如矿物组成、水和水动力条件等有关。

　　当填埋场渗滤液存在水头过高或污染物浓度较高时，垃圾渗滤液可能会通过衬垫系统向地下水体迁移。

　　2、 垃圾渗滤液污染土壤的修复技术

　　2.1 渗滤液在土壤和地下水中的迁移转化规律

　　了解地下水中渗滤液污染物的分布和转移机制对于确定采样点和绘制等浓度线是绝对必要的。渗滤液在土壤和地下水各种饱和度条件下迁移转化主要有三种影响：对流迁移，主要是污染物随水体迁移；水动力弥散，包括分子扩散和水动力弥散：源和漏项，包括流体源、污染物入流浓度、化学反应、放射性衰减、固相吸附及植物吸取等。因此，描述渗滤液在土壤和地下水中的基本方程式如公式 1。

　　

　　式中：C-渗滤液在土壤和地下水中的浓度，mL-3；θ-体积含水率，无量纲；t-时间，T；Dn-弥散系数张量，L2T-1；SS-源漏项，nL-3T-1；Rk-第 k 个反应器溶解物的产率，ML-3T-1；V-土壤空隙流速，LT-1。

　　土壤水分及污染物迁移方程描述了渗滤液在土壤和地下水中迁移转化的一般规律，必须给出边界条件和初始条件才能求解污染物的浓度分布状况。结合现场中试实验和数学模型，预测渗滤液有机污染物在地下水中的浓度分布是修复工程供给系统，表面活性剂、微生物、阻塞控制以及通风供氧设计的基础。

　　2.2 垃圾渗滤液污染土壤的传统修复技术

　　对于土壤污染的修复技术与方法，国外自 70 年代末 80 年代初己开始研究。初期多用物理和化学方法进行污染土壤的修复，如热处理法和化学浸出法，但费用昂贵，不适于大面积应用 80年代末和 90 年代初期，国外开始研究基于物理、化学过程的微生物、植物分解代谢土壤污染物的生物修复方法，近几年来发展非常迅速，不仅较物理、化学法经济，同时也不易产生二次污染，更适于大面积土壤的修复。目前，生物修复技术已开始成为土壤污染修复的主要处理技术，可以预见，生物修复技术在污染土壤、污泥和地下水修复工程中将扮演越来越重要的角色。

　　2.3 垃圾渗滤液污染土壤的生物修复技术

　　迄今为止，污染土壤的生物修复技术主要有两类：原位生物修复技术和地上处理技术又称异位处理技术。原位修复技术包括:投菌法、生物培养法、农耕法、植物修复法等多种修复技术。原位生物修复不需将土壤挖走，其优点是费用较低易实施。通常采用向污染区域投放氮、磷等营养物质或供氧，促进土壤中依靠有机物作为碳源的微生物的生长繁殖，或接种经驯化培养的高效微生物等方法，利用其代谢作用达到消耗某些有机污染物的目的。

　　许多国家应用这种技术处理被石油污染的土壤，取得了较好的效果。如美国犹他州某空军基地对航空发动机油污染的土壤采用原位生物降解方法，处理过程是：喷湿土壤，，使土壤湿度保持在 8%~12 %范围，同时添加氮、磷等营养物质，并在污染区打竖井抽风，以促进空气流动，增加氧气供应。经过 13 个月后，土壤中平均油含量下降了 90 %。在原位修复技术上也有通过种植特种植物有针对性地吸收和富集某些重金属污染物的方法。

　　地上生物处理法则需要把污染土壤挖出，集中起来进行生物降解。可以设计和安装各种过程控制器或生物反应器以产生生物降解的理想条件。这样的处理方法包括:生物反应器法、预制床法、土壤堆肥法和生物泥浆法。地上生物处理法由于处理成本高一般只适合于污染含量极高，面积较小的土壤。生物修复技术方法因为投资少、风险小、效果显著而备受各方面的关注，这其中又以土壤微生物降解为主的修复技术为研究热点。微生物降解有机化合物的巨大自然容量是生物修复的基础。土壤中的微生物具有范围很宽的代谢活性，因此消除污染物的一个简单方法就是将污染物或含有这些污染的物质加到土壤中去，依靠上壤中的土著微生物群落降解。反过来，对于被污染的土壤，也可以通过提高土壤微生物的代谢条件，人为地增加有效微生物的生物量和代谢活性或添加针对性的高效微生物来加速土壤中污染的降解过程。

　　3、 生物修复技术处理垃圾渗滤液污染土壤的机理

　　生物修复治理方法主要有原位修复技术和异位修复技术。原位修复技术是指在人为控制条件下进行不饱和土壤、饱和土壤和地下水蓄水层的不饱和土壤带污染物的生物降解与污染治理。其过程主要包括投加营养物质和提供氧源(通常是用过氧化氢)，有时需采用一些特殊的微生物以加强降解。处理的程度一般取决于养分的利用。原位生物修复技术因不需要污染物的运移，具有省时、高效的优点，可以将污染物彻底转化为无害成分，如二氧化碳和水。异位修复技术是指将被污染的土壤或地下水从被污染地挖掘或提取出来，经运输后，再进行治理的技术，一般常借助于生物反应器进行处理。

　　3.1 微生物降解转化污染物质的动力学机理研究

　　3.1.1 速度模型

　　有机化合物微生物降解动力学一直是研究者的热门课题。国内外专家学者提出了许多有机化合物降解的速率模型，其中双曲线速率方程式适用于土壤中有机化合物的微生物降解。双曲线速度模型的表达式为：

　　

　　式中，速度直接取决于浓度，同时取决于浓度和它项之和。

　　在条件最单一情况下，所谓的“它项”为单一常数。K1是随浓度增加而渐进的速度最大值。K2称假平衡常数，因为由 K2所表示的平衡实际上在反应中被不断的打破。

　　3.1.2 有机化合物降解过程与降解反应速度方程的拟合性

　　微生物对某种化合物降解时，首先要经历一个对基质化合物适应的过程。在此期间，化合物浓度降低很慢，微生物处于迟滞期。而后，参与降解的微生物增殖，降解速度渐增，并与微生物数量和微生物对化合物的降解率增加成正比。当微生物进入对数生长期，化合物浓度迅速下降。随后，微生物增殖减慢，此时化合物若不再补充就会停止增殖直至化合物被耗尽；至于降解速度，先是不再增加，而后随剩余化合物浓度降低近似衡定的降低，此时即一级反应阶段。若反应速度发生变化，反应级数将介于零和一级之间，其值随化合物浓度而定。在经历第一次适应降解过程之后，接着第二次投加同一化合物，该化合物浓度就会迅速下降而无迟滞期。

　　微生物通过共代谢而致化合物降解的反应速度，对于未被微生物优选能源的化合物，通常靠共代谢反应降解。这个反应过程没有迟缓期，降解速度从高浓度下的零级反应速度转为低浓度下的一级反应速度。

　　3.2 微生物降解转化污染物质作用机理

　　随着人们对环境污染认识越来越深，对环境治理力度就越来越大，用以前的物理化学方法治理受污染土壤越来越显不够、不彻底。微生物可以利用污染物进行生长和繁衍。转移或降解有机污染物是微生物正常的活动或行为。有机污染物对微生物生长有两个基本的用途：为微生物提供碳源，这些碳源是新生细胞组分的基本构建单元；为微生物提供电子，获得生长所需的能量。微生物通过催化产生能量的化学反应获取能量。

　　微生物通过催化产生能量的化学反应获取能量，这些反应一般使化学键破环，使污染物的电子向外迁移，形成氧化一还原反应。其中，氧化作用是使电子从化合物向外迁移过程，氧化一还原过程通常供给微生物生长与繁殖的能量，氧化的结果导致氧原子的增加和(或)氢原子的丢失；还原作用，则是电子向化合物迁移的过程，当一种化合物被氧化时这种情况可发生。在反应过程中有机污染物被氧化，是电子的丢失者，获得电子的化学品被还原，是电子的接受者。通常电子接受体是氧、硝酸盐、硫酸盐和铁，是细胞生长的最基本要素，它们用来保证微生物生长的电子接受体和电子给予体。

　　许多微生物是在微尺度上的有机体，能够通过对食物源的降解作用生长与再生，这些食物源也包括有害污染物，它们都是利用氧分子作为电子接受体。这种借助于氧分子的力量破坏有机化合物的过程称为好氧呼吸作用。在好养呼吸作用过程中，微生物利用氧分子将污染物中的部分碳氧化为二氧化碳，而利用其余的碳产生新细胞质。在这个过程中，氧分子减少，水分子增加。好养呼吸作用的主要副产物是二氧化碳、水以及微生物种群数量的增加。

　　3.3 强化微生物降解转化污染物质的途径及方法

　　土壤遭受生活垃圾渗滤液污染后，其有机物的降解速度，除受渗滤液本身的化学组成、物理性质影响外，还受土壤水势、土壤中有效养分高低等因素的影响。降解过程可以由改变土壤理化条件(包括土壤 pH，温度、湿度、通气状况及添加营养)来完成。

　　研究适宜的土壤水分、氮磷比，并加以调节，有利于加快土壤微生物对有机污染物的降解。为了强化有机污染的生化治理过程，目前有以下几种途径。

　　(1)营养物质的添加及量的配比生物修复技术是利用生活的有机体处理污染物，因而必然受到许多外界环境的影响。在被污染的土壤和地下水中，渗滤液中含有大量的碳和氢，是微生物可以利用的大量底物，同时土壤中存在各种无机盐，基本可以保证降解过程中细菌对碳、氢以及各种微量元素的需求。但它只能够提供有机碳而不能提供其他营养物，因而氮、磷元素的缺乏是影响细菌生长繁殖的主要原因。适当的添加外源营养物具有重要的作用。

　　(2)添加适当的电子受体微生物的活性除了受营养盆的限制，土壤中污染物氧化分解的最终电子受体的种类与浓度也极大的影响着生物修复的速度和程度，包括 O2、H2O2和其他的一些离子。

　　在土壤中，特别是有机污染物浓度高时，氧的供给就成为生物降解的控制因素。微生物氧化还原反应一般以氧为电子受体，可以直接采用氧气，或压缩空气，另外有机物分解的中间产物和无机酸根也可作为最终的电子受体。H2O2是一种强氧化剂，它既可直接氧化一部分有机污染物，又可为微生物的氧化过程提供充足的电子受体，强化它们对有机污染物的氧化降解作用，但浓度过大时，将对微生物产生毒害作用。

　　(3)添加其他物质研究表明，生物修复技术除了受营养物和电子受体的影响，还与土壤特性、有毒有害污染物的物理化学性质具有密切的关系。如何改善生物修复的条件，己经成为生物修复研究的热点问题。

　　(4)同生菌群的强化作用混合培养菌对石油的降解作用效果明显高于单株培养菌。这种具有协同降解作用的微生物群称为同生菌群。但目前对于具有协同关系的菌株的筛选和组合还是一个随机的过程，其协同作用的机制有待进一步研究。

　　4、 结论与展望

　　(l)垃圾卫生填埋是目前处理城市生活垃圾的主要方式，此方法产生大量的垃圾渗滤液。渗滤液属于高浓度有机废水水质特征是：浊度高、CODCr浓度高、氨氮浓度高，表现形式为大量的有机的、亲水的、带负电荷的胶体。

　　(2)垃圾渗滤液对土壤的污染，经过雨水的淋溶对地下水会产生有机及重金属污染，今后可以研究垃圾渗滤液经土壤过滤后对地下水产生的污染。

　　参考文献：
　　[1]沈耀良，张建平，王惠民．苏州七子山垃圾填埋场渗滤液水质变化及处理工艺方案研究[J]．给水排水，2000，26(5)：2225．
　　[2]郭广慧，陈玉成．城市生活垃圾渗滤液处理技术的研究[J]．环境科学与管理，2006，31(1)：138-140．
　　[3]沈振国，陈怀满．土壤重金属污染生物修复的研究进展[J]．农村生态环境，2000，16(2)：39-44．
　　[4]丁克强，骆永明．多环芳烃污染土壤的生物修复[J]．土壤，2001，4：169-173．
　　[5]沈耀良，王宝贞．垃圾填埋场渗滤液的水质特征及其变化规律分析[J]．污染防治技术，1999，12(1)：10-13．