土著微生物原位修复技术治理污染地下水的工程化应用现状

邬润泽 徐 斌 徐 申 张 蔚 张 弛#

(1.浙江师范大学地理与环境科学学院,浙江 金华 321000;2.浙江省环境科技有限公司,浙江 杭州 310000)

地下水资源分布广泛,通常被认为是清洁和未受污染的,是一种重要的水源[1]。然而,各种人类活动导致了天然地下水污染的增加。2021年《中国生态环境状况公报》显示,我国地下水主要污染物超标仍然较为严重,在1 900个国家地下水环境质量考核点位中,Ⅰ～Ⅳ类水质监测点占79.4%,Ⅴ类占20.6%,地下水Ⅴ类水百分比较上年有上升[2-3]。

微生物修复技术具有高效低耗的优点[4],相较于各种常规的物理、化学修复地下水技术,微生物修复方法可以实现将地下水中有机物(例如硝酸盐、酚类化合物)的去除率保持在99%以上[5],因此被认为是有效的、具有研究价值的方法。其中,土著微生物修复技术不仅管理方便、二次污染少,还能有效解决传统微生物菌剂存活率低、启动慢等问题,而且减少了外加菌种带来的生态安全风险。

生物修复技术大致分为非原位法和原位法[6]。原位修复技术在国外已有广泛应用,在国内由于各环节技术水平的限制,应用较少。采用注入法修复污染场地,能加快修复效率、且涉及的土方工程较少。高压旋喷注入法和原位深层搅拌注入法作为较新兴的原位注入技术,虽然都具有适用于非均质地层、药剂搅拌混合效果较好的优点,但也存在容易破坏地层结构、使场地承载力下降、岩土施工机械易受药剂腐蚀等缺点[7]75。因此,在目前的实际工程中,该技术主要是通过注射井或直推注射设备,将菌剂注射至受污染地下水中。

土著微生物原位修复技术结合了土著微生物修复技术和原位修复技术两者的优势,在对地下水原生水文地质环境扰动较小的条件下,将土著微生物菌剂注入受污染区域,微生物在地下水中进行生理活动,降低污水中的污染物浓度,从而达到修复污染地下水的目的。土著微生物原位修复技术可通过筛选不同优势降解菌种,降解相应的有机及重金属污染物,和传统修复方法相比成本低,降解效力维持时间长,是今后地下水修复,尤其是复杂污染地块、在产工业企业长效修复的发展方向。

笔者从土著微生物原位修复技术总体工艺流程展开,介绍了土壤及地下水中土著微生物的性质及培养模式、注射井注入修复技术、直推式注入修复技术以及国内外采取上述两种原位注入法,应用土著微生物修复地下水的工程实例,阐述了土著微生物在修复地下水工程化应用中的瓶颈并进行展望。

1 土著微生物原位修复技术总体工艺

实际工程中,将土著微生物菌剂应用注射井或通过直推式注入法原位修复污染地下水的技术工艺流程,如图1所示。

图1 微生物修复技术工艺流程

通过实验室小试、现场示踪中试、现场以注射井法或直推式注入法注入土著微生物菌剂中试,确定微生物增殖速率、适应污染物浓度上限、菌剂的添加量、注射井布设形式、药剂影响半径等参数,以及根据注入后的土著微生物增殖规律确定合理的采样检测时间和频次。

应用于实际工程中系统化的修复流程为:从工程现场取回污染地下水周边土壤样品后,在实验室中进行优势菌种的筛选、组合优化及扩培,然后进行菌剂制备及生产。制备的菌剂用于现场的注射施工准备,在确定好井点布设位置和完成注药前人员和设施准备工作后,将菌剂通过注射井或原位直推注入污染地下水中。修复区域经过一段时间静止反应,基本确定菌种在地下环境中已定植、繁殖,且具有一定数量和较好活性后,利用监测井定期取样监测地下水各项指标,检测各项污染物浓度及土著微生物存活率是否达到目标值。

在经过一段时间地下水取样检测工作后,若地下水指标未达到目标值,则需综合分析是否需要重新筛选菌种及补注微生物。如检测结果显示污染物浓度有所下降但未达到理想值,是由于客观原因导致微生物数量不足形成了动态平衡,可以根据实际情况,再进行两到三轮的原菌剂注射工作,促进降解;如已注入的微生物不能有效降解某类污染物,导致污染物浓度降低达到瓶颈,则需重新筛选优势降解菌种,优化扩培后再进行注射工作。直至地下水和微生物的各项指标均达到目标值,完成该污染区域地下水修复工作。

2 地下水中土著微生物的性质及培养模式

2.1 土著微生物的性质

天然土壤、植物根系、岩石缝隙和地下水中都含有丰富的土著微生物,了解土著微生物的各种性质有利于在工程中应用其更好地去除污染物。

土著微生物在地下水和土壤环境中自身的生物代谢活性受温度影响,环境中的微生物均在一定的温度范围内生存[8]。过高或过低的环境温度会抑制微生物生长甚至使其失去活性。

土著微生物正常开展各项生命活动需要充足的营养物质。在受污染的地下水区域,土著微生物菌剂可以将氨氮、氯代烃、石油类碳氢化合物、金属离子等作为碳源或电子受体,供给自身的生命活动。

筛选和优化后的土著微生物可以分泌特定的酶或胞外聚合物与地下水中的污染物发生反应,将污染物转化为无机物[9]98,进而以无害的方式排放至环境中。

土著微生物发挥降解效力不单靠自身的活性和质量,还需要一定数量的微生物集群。在污染地下水修复过程中,若污染物浓度超出土著微生物的适应上限,会抑制土著微生物的生长繁殖和发挥降解活性。

土著微生物相较于外源微生物对本土地下环境的适应能力更强。地下水中的土著微生物以兼性、厌氧微生物为主[10],但在土壤渗透性较好、地层较疏松的地区,也存在好氧土著微生物。好氧微生物对COD的降解能力显著强于兼性和厌氧微生物。

土著微生物具有定向响应能力。以目标污染物为碳源、电子受体或供体、辅助代谢物的土著微生物可以将污染物降解转化。

注入地下的微生物大部分定植在土壤、粉煤灰或者其他的固相介质中,少量微生物存在于液相游离态的地下水中。

2.2 土著微生物的培养模式

在实验室中,具备降解污染物能力的优势菌种筛选的基本原理为:在以目标污染物为唯一碳源的环境下,可以存活且具有较好活性、污染物浓度降低的同时微生物数量不断增加,则表明此类微生物具有降解效果,是理想的优势菌种。随后通过富集和分离,筛选出具有硝化和反硝化能力的菌落,通过重复传代纯化得到目标菌种[11]。整个菌种的筛选过程需要1～2周,随后根据筛选出的单菌验证其降解能力,以及模拟有外源污染物输入情况下的微生物抗冲击能力实验。

培养过程中可能用到的手册有《水生微生物学实验法》[12]、《土壤微生物研究法》[13]、《常见细菌系统鉴定手册》[14]等。

3 注射井与直推式注入技术

3.1 注射井注入技术

注射井法是基于地下水监测技术发展而来的一种高压压裂的药剂投加方式[7]73。在工程中表现为采用带筛孔或塞缝的,由聚氯乙烯或金属制成的复合材料在污染区域范围内建立一定直径的注射井[15]378,化学氧化剂、土著微生物菌剂和固态药剂等以常压自流或高压泵入的方式被加入注射井中,一段时间后,加入的药剂在横向和纵向的渗透、扩散作用下逐渐覆盖整个污染区域[16]134,与污染物接触反应后达到相应的修复效果。

注射井的布点在工程实际中多采用正三角形布点法[17],注射点影响半径一般为2～3 m[18]。项目设计注射点位置、布井数量及建井深度,需根据场地情况、污染面积及障碍物进行调整。

注射井在建井时可选用Geoprobe多功能钻机将多根相同长度的空心钢棒依次连接直推建井,也可由液压螺旋钻机或手提式中空螺旋钻建井。注射井安装完成后,需进行扩井作业以去除井中的泥沙、粉煤灰等杂质和沉淀物。扩井水量不少于5倍井体积的水量[19]。注射井注入技术示意图见图2。

图2 注射井注入技术示意图

注射井注入技术的优点有施工简单,操作方便,适用于几乎所有的气态(O3除外)、液态或固态药剂。适用于设有大量注射点的场合。多口注射井可共用一套包括药剂罐、搅拌电机、输送泵以及其他设备在内的注入装置,多点位同时开展药剂注射可在较短时间内完成注射工作,修复效率较高。建成的注射井可同时作为监测井和对照井,且可重复用于后续多轮药剂补注,利用率高。缺点有注射点位固定,一般需构建大量注射井,基建费用较高[20]。污染地下水修复完成后,会在修复地块残留注射井,影响后续的开发利用。若注入配置成液态或泥浆态的固态药剂,一定时间后在注射井筛孔或塞缝处可能会干化堵塞。

3.2 直推式注入技术

直推式注入技术是一种新兴的场地调查技术,多用于无需设备重复进场的单轮注入场合,尤其适用于地表设备、地下管道及构筑物等较多的场地。其工作原理是钻机下压注射杆到达受污染的地下水区域,在恒定压力下将修复药剂由注射杆喷出,原位修复污染地下水。

直推式注入技术优势显著。由于无需位置固定的药剂输送管,且Geoprobe多功能钻机本身占地面积较小,故直推式注入法相较注射井法更为灵活,可在基本不影响场地内企业正常生产的情况下完成注入。此外,在建井深度范围内,可通过上提或下压注射杆精准地控制注射深度,有针对性地对重污染区域开展药剂注入,有效降低了地层不均质性对注入效果的影响。

直推式注入技术也存在一定的局限性。过高的注射压力会造成溢井或形成地层裂缝,导致修复药剂向其他非污染区域扩散,影响地下水修复效果[15]377。

4 应用土著微生物修复地下水现状

4.1 国内应用土著微生物修复地下水实例

4.2 国外应用土著微生物修复地下水实例

国外已有许多应用土著微生物原位修复地下水的案例。M’RASSI等[24]从炼油厂的石油污染土壤中分离出烃类降解菌。分离得到的菌株表现出不同的能力:一些假单胞菌属的菌株能够生长并有效地利用正支链烷烃,而另一些菌株能够降解高分子量的多环芳烃,验证了烃类降解菌修复石油污染地下水的较高潜力。SINGH等[25]使用富集技术从受污染的土壤中分离出10种本土微生物,并在标准降解条件下选出其中具有最高降解潜力的5种分离物,试验结果表明短小芽孢杆菌(Bacilluspumilus)优势菌种在两周内降解了该污染场地地下水中86.94%的柴油渗滤液污染物。ADTUTU等[26]应用脱卤球菌属菌株FL2修复TCE污染地下水,结果在7个月内脱氯率≥95%,增产井中TCE的最终质量浓度在1.84～1.87 μg/L,低于美国环境保护局2.0 μg/L的限制,处理后用实时荧光定量核酸扩增检测系统(qPCR)对地下水微生物群落的评估显示,经典的脱氯菌(地杆菌和脱卤球菌属)的数量增加了约50倍,体现了脱氯菌的长效存活能力。美国堪萨斯大学的DEVLIN等[27]采取先厌氧、后好氧的分步生物修复的方式,去除地下水中的氯化溶剂混合物与石油烃甲苯(TOL)污染,在厌氧生物活性区,通过注射井注入的营养物将四氯乙烯、四氯化碳和氯仿还原为二氯乙烯,随后在好氧生物修复阶段将二氯乙烯有氧降解,与对照组的自然衰减相比,生物修复技术可实现对混合污染物更高的去除率和更快的降解速率。

4.3 国内工程化应用现状

我国当前应用土著微生物原位修复技术治理污染地下水的实践大多数仍停留在实验室小试阶段,一些现场污染地块的中试项目正在进行,但也处于小规模效果验证阶段。

5 工程化应用的瓶颈及展望

土著微生物原位修复技术在我国工程实际中应用较少,主要是由于菌种筛选技术的限制、微生物法短期降解效力相对物理法或化学法偏低等因素,导致业主更倾向花费更高的成本选择物理法或化学法在较短时间内完成污染地下水的修复工作。此外,在地下水重污染区域和复杂水文地质环境中,如城市生活垃圾填埋场渗滤液污染地下水,土著微生物可能存在存活率较低和难以定植的问题[28]。土著微生物原位修复技术难以作为独立修复技术发挥效果,一定程度上也限制了土著微生物原位修复技术的工程化应用。

pH、温度、土壤含水量及地质特征等自然背景条件的变化,客观上要求高标准的菌种筛选技术,由此筛选出的土著微生物才能保持理想的降解效力和存活能力。随着土著微生物菌剂注入到地下水中,降解产生的酸性副产物使自然土壤环境的pH下降,当pH超出微生物降解污染物及维持其活性的合适范围,即5.0～9.0,酸性副产物会扰乱微生物代谢,抑制微生物生长[29]。此外,具有潜在修复价值的细菌集中在中温菌种(20～40 ℃)[30]。当温度过低时,微生物活性会降低;当温度过高时,易发生酶变性,细胞活性下降甚至死亡。再者,土质致密及土壤含水量少易造成生物菌剂的扩散效率低[9]98,若土壤或沉积物中的水被固体物质吸收,或作为结晶水与溶解的溶质结合在一起,会影响土著微生物对这部分污染地下水的降解效力。因此在土著微生物原位修复时,注重地下水修复效果的同时,也需关注地下水自然背景条件的变化[31],比如地下水流速与含水层介质的非均质性会改变污染物在地下水环境中的运移特征[32],增加微生物修复难度。

微生物法在降解效力的启动速度和达到污染地下水修复目标所需时间两方面普遍弱于物理法和化学法。一方面,在原理上,土著微生物菌剂注入地下水后,需依次经过定植、增殖、维持一定菌群总数,才能有效发挥降解效力,虽然筛选出的优势土著微生物菌种是本土环境中分解速率较快的菌种,但是增殖到足够的菌群总数仍需一段时间。另一方面,相较物理法和化学法,微生物法对地下水中污染物的降解效力相对长效缓和,需要更长的时间完成污染地下水修复。此外,前期探查确定待修复区域地下水特征污染物后,在实验室筛选出的土著微生物以特征污染物为主要降解目标,注入地下水后,土著微生物对污染物的降解往往有定向性,并不是所有的污染物都能被土著微生物有效利用[33],这导致在前期难以对修复速度和程度做出准确预测。在复杂污染地块地下水修复过程中,土著微生物对重金属等有毒污染物还可能存在抑制敏感性,影响微生物存活率和降解效力,这也限制了土著微生物普遍应用于污染地下水修复工程中。

利用土著微生物来原位修复污染地下水虽面临一定限制,但充分掌握和发掘土著微生物的性质和特点,改进注入技术和与其他修复工艺结合等,可能在将来的工程实践中取得更好的修复效果和经济效益。

进一步发展菌种筛选技术,筛选高效、生存能力强的土著微生物,以期使土著微生物具备优良的抗污染羽流冲击能力,在地下水重污染区域具有良好适应性并持续稳定发挥降解效力。改进原位注入技术应以探索加大修复药剂的扩散效果为主要目标,随着单井修复半径的扩大,所需的注射井数量就会相应减少,特别是在大面积布井修复时,这将大大降低实际修复工程成本[16]139。以微生物修复为主的多种技术组合也是目前的研究热点,例如将空气喷注[34]与土著微生物原位修复技术组合,利用已有注射井,在菌剂注入后进行喷注,促进菌剂与地下水的结合。在欧洲各国,表面活性剂微泡也被尝试泵入地下水中,在多个超级基金项目中已被证明可加快生物降解速率。此外,循环井技术、多相抽提技术、可渗透反应墙(PRB)技术等与微生物修复技术联用已被用于治理硝酸盐、磷酸盐、石油烃等多种污染物,取得了较好效果。未来的研究还需要加强对土著微生物特定的电子供体如Fe、Mn、可溶性有机碳(DOC)和无机氮上限和下限的测定[35]。在土著微生物的固定化方面,复杂流向、大流速的地下水环境常需要固定化吸附材料的应用,以活性炭为代表的菌剂吸附材料具有较好吸附性能,注入药剂前在注射井中加入活性炭,使微生物菌剂吸附在活性炭中,可在单井有效范围内稳定降解污染物。在修复区域设置PRB或止水帷幕也可防止菌剂流失,使菌剂浓度维持在具有较好修复污染物效果的范围。在未来的土著微生物原位修复技术工程应用中,可探索将数字可视化技术融入地质条件测量和地下水各项指标监测中,通过模拟软件和优化算法确定原位修复的最佳施工参数,对修复场地的高程、井点、地层结构、加药时间、污染物深度、地下水样定期监测结果以及其他有必要说明的问题等信息进行全面汇总和记录,并开发地下水流动扩散模型,结合软件和算法做出对应的修复活动[36-37]。稀土元素已被尝试作为示踪剂来探测地下水是否与土壤中的活性物质相互作用[38]。在未来的地下水修复工程中,基于大数据调查的数据化分析结果是精准修复和科学治理的前提和基础。

6 结 语

土著微生物原位修复技术以其高效、绿色、可持续、对地下水环境扰动小等优点引起了众多学者和环境管理机构的关注。针对地下水中氨氮、COD、氯代烃的微生物原位修复已经有了大量的研究,但大多数仍处于实验室小试或现场中试阶段。复杂水文地质条件下,污染地下水原位修复工程的建设和性能优化将是今后研究和探索的重点。此外,规模化、低成本的土著微生物原位修复技术的探索是实际工程应用的重要方向。

随着我国传统产业的提质升级,土著微生物原位修复技术可在基本不影响工业园区正常生产的情况下进行,实现经济效益和生态效益结合。更高效益土著微生物菌剂的研发应用、依靠软件计算实现精准注入点位、注入所需材料的资源再利用等,将真正发挥微生物修复技术高效低耗的优点,提高其作为独立修复技术在市场中的竞争力。