多氯联苯在土壤水环境中生物降解过程规律研究

多氯联苯在土壤水环境中生物降解过程规律研究刘凌，崔广柏，郝振纯(河海大学水资源开发利用国家专业实验室)摘要：要：土壤水环境中的有机污染物多氯联苯(PCB)可以采用土地生物处理的方法进行降解，在综合考虑土壤水环境系统中有机污染物生物降解各分过程的基础上所建立的数学模型，可以预测降解PCB所需的时间、降解程度以及降解结束后被土壤所屏蔽的PCB的量。数学模型通过美国Alcoa公司在LTU基地的大型土地生物处理工程得到了验证。利用数学模型和理论分析，预测了2，3，4和5-Cl-PCB的土地生物处理过程及规律。关键词：关键词：多氯联苯；土地生物处理过程；屏蔽收稿日期：1999-12-27基金项目：国家自然科学基金资助项目(59909003)研究成果。作者简介：刘凌(1964-)，女，安徽合肥人，副教授，博士有机化合物多氯联苯(简称PCB)是一类具有两个相联苯环结构的含氯化合物，它具有非常优良的物理特性，因而被广泛应用于许多行业之中，如作为变压器的绝缘液体，农药、油漆、润滑油等产品的添加剂，热传导系统的传导介质，以及塑料的增塑剂等等。多氯联苯在使用过程中，可以通过废物排放、储油罐泄露、挥发和干、湿沉降等原因进入土壤及相连的水环境(简称土壤水环境)中，造成土壤水环境的污染。目前人们已经发现植物和水生生物可以吸收多氯联笨，并通过食物链传递和富集。美国、英国等许多国家都已在人乳中检出一定量的多氯联苯。多氯联苯进入人体后，有致毒、致癌性能，可引起肝损伤和白细胞增加症，并通过母体传递给胎儿，使胎儿畸形，因此对人类健康危害极大，目前各国已普遍减少使用或停止生产多氯联苯。但是，多氯联苯已使用近40年的时间，由于它用途极其广泛，理化性质稳定，又对人体健康危害较大，因此各国都把多氯联苯列入必须优先处理的污染物名单中，对已存在于土壤水环境的多氯联苯进行处理已迫在眉睫。土壤水环境中的多氯联苯，目前可以采用的最适宜的处理方法是土地生物处理，因为土壤号称“微生物的天然培养基”，它具有微生物生活最适宜的环境，它能够将多氯联苯降解为环境可以接受的物质，如二氧化碳和水等。土地生物处理的方法相比于其它处理方法，如废物填埋、焚烧或土壤洗涤等来说[1]，具有对环境破坏性小、经济有效等特点，因此是一种广泛使用的处理方法。目前，美国对多氯联苯在土壤水环境中生物降解过程研究最多，Brown[2]、Bedard[3]等学者均通过大量的实验和理论研究，报道了多氯联苯的生物降解情况，指出：土壤水环境中的多氯联苯可以将土壤固有微生物降解到一个浓度不能再低的程度为止，其后，既使维持最佳生物降解条件，但多氯联苯在土壤中降解的速度变得非常缓慢，降解几乎停止，这时残留在土壤中的多氯联苯(称残余有机物)，其渗透性、扩散性均大为降低，再扩散到土壤颗粒外部的可能性很小，几乎不可能接触到外部水环境中的微生物，因此，对地下水环境和人类健康产生的危害风险也大为降低。关于多氯联苯等有机污染物的土地生物处理，目前急需定量化模型去指出土地生物处理的终点、预测其降解过程的规律。在已有的模型中，目前常用的是Scow提出的“两相模型”[4]，该模型假设土壤水环境系统中的有机物被分配在两相中：水相和固相，其中水相的有机物能够被微生物直接降解，其降解速率可用一阶动力学方程来表示；固相有机物不能被微生物直接降解，但固相有机物可被释放到水相中，其释放速率也可用一阶动力学方程来描述。该模型的最大特点是简单，但是，它没有具体考虑有机污染物在土壤水环境系统中生物降解的各个分过程，将实际降解过程过于简化，因而模型中许多经验参数物理意义不明确，参数的估计过分依赖于实验数据，受实验条件影响较大，并且该模型不能说明残余有机物在土壤中的滞留作用。本文研究的特点，将在综合考虑土壤颗粒内部可逆的吸附/解吸过程、扩散过程、不可逆的土壤屏蔽反应过程，以及土壤颗粒外部的生物降解过程的基础上，建立综合数学模型，以定量描述有机污染物在土壤水环境中生物降解过程的规律；利用在美国Lehigh大学学习期间所得到的多氯联苯的土地生物处理过程实验资料，验证模型；在数学模型和理论分析的基础上，定量研究多氯联苯在土壤水环境生物降解过程的规律，以填补此方面研究的空白。在多氯联苯的化合物中，目前市场上常见的品种通常是2、3、4和5-Cl-PCB，因此本文将主要研究这四种多氯联苯化合物在土壤水环境中的生物降解过程的规律。1实验过程概述美国铝制品公司(简称Alcoa)受多年生产的影响，在它的工业废物堆放场地的土壤中富含有机污染物多氯联苯，为符合美国环境保护署(EPA)的有关规定，Alcoa公司决定采用土地生物处理的方法来降解土壤水环境中的PCB到环境可以接受的水平。实验基地简称LTU-2，位于纽约州的Mossna城郊，基地宽1.2m，长0.91mm，所铺设的污染土壤的深度为12.