多氯联苯湿地生物降解规律预测及污染风险分析_刘凌

多氯联苯湿地生物降解规律预测及污染风险分析刘凌,陆桂华(河海大学水资源开发利用国家专业实验室,江苏南京210024)摘要:建立了一个数学模型来预测多氯联苯湿地生物降解过程。该模型全面考虑了多氯联苯湿地生物降解的各子过程,包括:吸附/解吸、土壤屏蔽、扩散和生物降解,利用模型,预测了多氯联苯湿地生物降解的规律性及处理时间、处理终点;利用Monte-Carlo法,进行了多氯联苯湿地生物降解污染风险分析,结果表明,在采用基地现有处理方式的情况下,经过8年处理,土壤中4-Cl-PCBs不低于69.4%被降解的可能性为75%,此时土壤中能够继续污染外部环境的4-Cl-PCBs部分不超过10.9%的可能性为75%;土壤中4-Cl-PCBs全部生物降解完毕所需处理时间不超过16.20年的可能性为75%,最后被土壤不可逆屏蔽的残余物不超过20.9%的可能性为75%。关键词:多氯联苯;人工湿地;生物降解;污染风险分析中图分类号:X131文献标识码:A文章编号:1001-6791(2003)01-079-06收稿日期:2002-09-12;修订日期:2002-12-03基金项目:国家自然科学基金资助项目(59909003);教育部优秀年轻教师基金资助项目作者简介:刘凌(1964-),女,安徽合肥人,副教授,博士,主要从事环境化学及环境水文研究。人工湿地在污染土壤的处理及废水污染控制方面正起着越来越重要的作用,利用人工湿地系统不仅可以处理和控制营养元素氮、磷[1],而且可以降解有机污染物[2]。多氯联苯(PCBs)是土壤生态系统中常见的一种有毒有机污染物质,其物理性质优良稳定,曾广泛应用于电器绝缘材料和塑料增塑剂等产品生产中,可通过废物排放、储油灌泄漏等途径进入土壤生态系统。由于多氯联苯对人体有致毒、致癌作用,因此各国都把多氯联苯列入必须优先处理的重点污染物名单中。利用湿地生态系统土壤固有微生物来降解多氯联苯,是一种对环境破坏性小、并且经济有效的处理方法[3]。但是,多氯联苯是非常复杂的高分子有机污染物,其土壤吸附性强,湿地生物降解过程复杂,目前利用人工湿地来降解多氯联苯还处于实验阶段,定量研究还很缺少。相关研究中,刘凌等[4]通过对小分子有机污染物萘的土壤生物降解研究发现:吸附作用是有机污染物土壤生物降解的主要制约因素,有机污染物的土壤-水吸附分配系数越大,其生物降解速率就越低;Ghosh和Weber等[5]研究了多氯联苯在土壤中生物降解可能性与解吸平衡、降解动力学方程之间的关系,指出多氯联苯在降解的开始阶段速度很快,随后速度越来越慢,有很长的“拖尾”效应。据此,在定量研究中,可将土壤中PCBs分为两部分:易降解部分和难降解部分,其易降解部分含量随处理时间的增加而指数降低,此为经验模型研究,易受实验条件变化的影响。事实上,由于多氯联苯是大分子有机污染物,其降解过程中还存在着土壤屏蔽反应[6],这是PCBs在降解后期有很长“拖尾”效应的主要原因,定量化研究中应将此屏蔽过程考虑进去;另外,由于湿地生态系统本身很复杂,不确定因素很多,所以湿地数学模型还应考虑到不确定因素的影响,应进行污染风险分析。本文的研究,是在全面考虑多氯联苯在湿地生态系统中所可能发生的各种子过程的基础上,建立定量描述其湿地生物降解规律的数学模型,同时,将理论研究应用于多氯联苯湿地生物处理基地,研究其生物降解的规律性,从风险分析的角度出发,探讨湿地生物降解多氯联苯的可靠性及污染风险,以期为科学指导多氯联苯湿地生物处理工程提供参考。由于目前出现在污染土壤中最主要的多氯联苯是4～5氯化合物,因此本文拟以四氯联苯(4-Cl-PCBs)为研究对象。第14卷第1期2003年1月水科学进展ADVANCESINWATERSCIENCEVol.14,No.1Jan.,2003DOI:10.14042/j.cnki.32.1309.2003.01.0141数学模型的建立为定量描述多氯联苯湿地生物降解过程,将土壤颗粒概化为球体,湿地生物降解过程概化图如图1所示,其中,球型土壤颗粒存在内外孔隙,内外孔隙中都有水,分别称为颗粒内孔隙水相和外部水溶液,微生物由于体积通常超过颗粒内孔隙直径,因此只能存在于土壤颗粒外部水溶液中。被吸附在颗粒内部的多氯联苯,必须图1多氯联苯在湿地系统中生物降解过程概化图Fig.1SchematicmapofbiodegradationofPCBsinwetlandsystem先通过解吸过程进入内孔隙水相,再通过扩散过程进入颗粒外部水溶液,然后才能被外部水溶液中微生物降解。由此,得出多氯联苯在湿地系统中生物降解过程的质量守恒方程为(1-θ)ρSRt+(1-θ)ρSIt+θCPt=1r2rθDPr2CPr(1)式中SR为多氯联苯可逆吸附于土壤颗粒内部固定相的浓度,mg/kg;SI为多氯联