多环芳烃湿地生物处理规律研究及污染风险分析.pdf

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1、水利学报2004年1月SHUILIXUEBAO第1期文章编号：0559-9350(2004)01-0122-07多环芳烃湿地生物处理规律研究及污染风险分析112刘凌,陆桂华,毛小文（1.河海大学水资源开发教育部重点实验室，南京210024;2.江苏省水文水资源局，南京210029）摘要：利用质量守衡理论、土壤屏蔽反应理论和Monod生物降解动力学理论，作者建立了定量描述多环芳烃湿地生物处理过程的数学模型。利用模型，本文定量预测了六环芳烃湿地生物降解的规律性及处理时间、处理终点。为考虑多环芳烃湿地生物处理的复杂性，本文利用Monte-Carlo法，进行了多环芳烃湿地生

2、物处理污染风险分析，结果表明：在采用湿地现有生物处理方式的情况下，经过10年处理，土壤中六环芳烃不低于63.6％被降解的可能性为95％，此时土壤中继续污染外部环境的六环芳烃不超过97.8％的可能性为95％；将土壤中六环芳烃处理到生物降解终点所需时间不超过21.80年的可能性为95％，终点时被土壤不可逆屏蔽的六环芳烃不超过30.3％的可能性为95％。关键词：湿地；多环芳烃；生物处理；污染风险分析中图分类号：X131文献标识码：A多环芳烃（简称PAHs）系指含有多个苯环的有机化合物，主要存在于石油和煤焦油中，能够通过废油、含油废水、煤气站废水、柏油路面排水以及淋洗了空气

3、中煤烟的雨水等途径进入土壤生态系统，造成污染。［1］由于多环芳烃有致毒、致癌或致突变作用，对人类健康危害极大，因此各国都把多环芳烃列入必须优先处理的重点污染物名单中。对于污染土壤中的多环芳烃，可采用湿地生物处理的方法，利用土壤固有微生物把它降解为环境可以接受的物质（最终产物CO2等），这是一种对环境破坏性小、并且经济有效的处理方［2］法。但是，多环芳烃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污染土壤中多环芳烃还处于实验阶段，定量描述其湿地处理过程的理论研究还较缺［3］乏，在现有的报道中，Parket.Al研究了萘在土

4、壤中的生物降解过程，提出了“三相”解吸模型，即把土壤中的萘分为三部分：平衡部分、非平衡部分和非解吸部分，以此提出萘降解过程的零阶质量守衡方程，［4］此模型实际是灰色模型，受实验条件影响较大；Mulderet.al研究了土壤中多环芳烃在3种不同物理状态下迁移转化和生物降解过程，提出了基于内部扩散机理的生物降解模型，以预测土壤中多环芳烃达到完全生物降解所需要的时间，但是，模型没有考虑到多环芳烃降解到后期时，存在残余物不能被完全降解的现象。另外，自然界的湿地生态系统极其复杂，而我们所建立的任何复杂或简单的数学模型都是对自然过程的一种简化处理，都存在许多不确定因素，而对决策

5、者来说，为工程应用的需要，有必要知道由于各种不确定因素所造成的污染风险程度到底如何,本文研究的目的，就是在全面考虑多环芳烃在湿地生态系统中所发生的吸附/解吸过程、扩散过程，土壤屏蔽过程和生物降解过程的基础上，定量研究多环芳烃湿地生物处理的规律性，从风险分析的角度出发，全面探讨多环芳烃湿地生物处理的污染风险，以期为科学指导湿地生物处理工程提供定量参考。由于目前出现在污染土壤中毒性最强的多环芳烃是五～六环芳烃，因此本文拟以六环芳烃(6-环-PAHs)为研究对象。收稿日期：2002-10-08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

6、助项目作者简介：刘凌(1964-)，女，安徽合肥人，博士，教授，主要研究方向为环境水文及环境化学。122水利学报2004年1月SHUILIXUEBAO第1期1实验基地及实验过程概述由于我国目前还没有多环芳烃湿地生物处理基地，因［5］此本文采用美国湿地生物处理基地实验资料进行分析。实验基地位于美国纽约州Mossna城郊，实验基地示意图如图1所示，基地长7m，宽1.5m，表层是含有六环芳烃的污染土壤，厚度为15cm，六环芳烃为苯并（g，h，i）NFDA7和茚并（1，2，3-cd）芘，主要来自铝制品公司的工业废渣，污染土壤下面是15cm厚紧密压实的沙土，沙土的下面，铺设过

7、滤纤维、排水网络，以及不渗透高密度的聚乙烯底衬，最后在聚乙烯底衬的下面，是自然的粘土层。基地的旁边设有排水沟，基地向东有2％的坡度，图1实验基地示意最东头有一个集水坑，基地多余的水可以通过排水沟流向集水坑，以便重复使用，维持土壤足够的含水量。湿地生物处理于1995年开始，分活性期和惰性期2阶段，活性期持续71d时间，在活性期中，为土壤中PAHs提供生物降解条件如下：（1）每天翻土以保证土壤中含有足够的氧气；（2）维持土壤含水量为25%～35％；（3）维持土壤pH值在6.5～7.5之间；（4）维持土壤温度在15℃～20℃之间；（5）维持土壤中含有足够的养分，其中N