彭 偉,譙 華,方振東,郝全龍,張 楷,余海波
(后勤工程學院國防建筑規劃與環境工程系,重慶401311)
多氯聯苯(polychlorinated biphenyls,PCBs),分子通式為C12H10-nCln,是一類典型的氯代芳香族化合物。根據氯原子數目及其在苯環上位置的不同共有209種同系物[1],分子結構如圖1所示。

圖1 PCBs的化學結構Fig.1 Chemical structure of PCBs
PCBs因具有耐酸、耐堿、耐腐蝕、蒸汽壓和水溶性較低、絕緣性和熱穩定性好等優點而被廣泛應用于工業生產和軍事設施中,主要用作變壓器和電容器的絕緣油、潤滑油、油漆、塑化劑等。同時,由于PCBs具有半衰期長、生物蓄積性高和三致作用,且隨著氯原子增多其半衰期更長、毒性效應更明顯,已被2001年通過的《關于持久性有機污染物的斯德哥爾摩公約》列為典型的持久性有機污染物(persistent organic pollutants,POPs)。據統計,自1930s投入工業生產到1980s全面停產為止,全球PCBs總產量達到150萬t,其中約1/3排放至環境中,約65%正在使用或儲存起來,只有約4%被降解[2]。
土壤是PCBs主要的富集場所,主要源自含PCBs廢水的排放、含PCBs固體廢物的滲漏、垃圾焚燒、遠距離遷移的大氣沉降等。
Meijer等[3]對全球表層土壤PCBs濃度進行了普查,結果表明,全球表層土壤至少含有2.1萬t PCBs。據統計:1957~1974年間,美國共出售PCBs約40萬t,估計進入環境中的PCBs約為35.4萬t,其中進入土壤環境中的約為27萬t。
從1965~1974年,我國共生產PCBs約10 000t,其中9 000余噸為三氯聯苯,主要用于電容器的生產;1 000余噸為五氯聯苯,主要用于油墨、油漆、涂料、潤滑油、增塑劑等的生產。PCBs污染土壤主要分布在PCBs化學品生產廠、含PCBs電容器的拆解點、廢棄PCBs電力設備臨存場地及其周邊地區等。目前,國內對于土壤PCBs污染的報道并不多。張雪蓮[4]在研究臺州地區某典型電子垃圾拆解點土壤環境中PCBs污染狀況時發現,所采集的38個土壤樣品中,PCBs濃度范圍為ND(未檢出)~152.8μg·kg-1,遠高于西藏(0.625~3.501μg·kg-1)[5]和南極未污染土壤殘留(0.36~0.59ng·g-1)[6]。闕明學[7]在研究我國土壤環境中PCBs污染水平時發現,我國土壤環境中PCBs污染水平空間區域差異較大,最嚴重的區域為云南昆明,PCBs濃度約為1.840ng·g-1,其次是上海,為1.730ng·g-1。參照國外輕微污染區PCBs濃度標準(1.98~6.94ng·g-1),我國土壤的PCBs污染程度不高[8-9]。
因PCBs具有巨大的潛在危害,其污染土壤的修復倍受關注。近年來,國內外學者對PCBs污染土壤修復展開了廣泛的研究,并開發了多種修復技術。目前已經產業化的修復技術按修復場地分為原位修復和異位修復,按修復原理分為物理修復、化學修復和生物修復。作者在此針對修復原理分類的修復技術的研究進展進行綜述。
安全填埋是修復技術中常用的方法。該法是將PCBs污染土壤挖掘并運輸至安全填埋場,達到PCBs與水環境、大氣環境隔絕的目的。該法適用于PCBs污染程度較重的土壤,但并不能真正清除PCBs,只是將PCBs進行了轉移,且費用較高。
深井注入法是一種并不提倡的技術。1996年,聯合國糧農組織(FAO)發表聲明稱,深井注入是一種存在環境風險和不可控制的技術。注入深井的PCBs是否與地下的巖石、泥土、水、石油等發生反應,影響PCBs的遷移或毒性,目前尚未明確。此外,注入深井的PCBs可能會污染地下水。
熱脫附法是將PCBs污染土壤在隔絕空氣、密封的條件下加熱,達到PCBs的沸點后,PCBs以蒸汽形式從土壤中釋放出來,通過導流將PCBs蒸汽引至吸附室,而后對含PCBs的吸附劑進行深度處理,達到去除PCBs的目的。工藝流程如圖2所示。

圖2 熱脫附工藝流程Fig.2 The flow diagram of thermal desorption process
該法利用PCBs的半揮發性,通過富集、濃縮、吸附,直接處理含PCBs的吸附劑,工藝簡單,可操作性強,適用于PCBs污染嚴重的土壤,但存在高溫破壞土壤結構、能耗高、成本高等不足。
溶劑淋洗法的原理與有機物萃取的原理相同,可以分為有機溶劑淋洗和表面活性劑淋洗。
PCBs易溶于丙酮、正己烷等有機溶劑,可使用上述溶劑對PCBs污染土壤進行淋洗,收集淋洗液進行后續處理。
PCBs具有高辛醇/水分配系數,具有強疏水性,在水相中溶解度低,可加入表面活性劑以降低PCBs/水界面的表面張力,促進土壤中PCBs轉移至有機相中,收集廢液進行集中處理。工藝流程如圖3所示。

圖3 溶劑淋洗法工藝流程Fig.3 The flow diagram of solvent extraction process
溶劑淋洗法適用于PCBs事故性泄露且污染土壤量不大的情況,具有處理效率高、耗時短、成本低等優點,但存在著淋洗劑易揮發、廢液處理難度大、存在二次污染等不足。
化學修復技術分為焚燒技術和非焚燒技術兩大類[11]。焚燒技術分為高溫焚燒技術、水泥窯技術和等離子體焚燒技術;非焚燒技術分為氧化技術、還原技術、催化熱解技術、化學脫氯技術和穩定化技術。
高溫焚燒技術用于處理持久性有機污染物最為廣泛,需要870~1 200℃的高溫,是一種異位修復PCBs污染土壤的技術。是將PCBs污染的土壤置于焚燒爐中,鼓入充足的氧氣,再通過高溫使PCBs燃燒生成無害物質。工藝流程如圖4所示。
美國環境保護署(US·EPA)稱,高效率的焚燒爐可焚燒PCBs濃度高達50mg·kg-1的污染土壤。研究表明,在2s停留時間、1 200℃高溫、3%過??諝饣?.5s停留時間、1 600℃高溫、2%過??諝獾臈l件下,PCBs去除率可達到99.9999%,即PCBs濃度降至1mg·kg-1以下。該法可處理PCBs污染程度較重的土壤,且處理量大、處理效率高。但是,高溫焚燒PCBs過程中,會破壞土壤的理化性質,并生成二 和呋喃等新的POPs[12]。這些物質進入環境后會污染大氣、水體和土壤,甚至危害人類。因此,在焚燒過程中需連續監控設備運轉情況,嚴格控制反應溫度。

圖4 焚燒工藝流程Fig.4 The flow diagram of incineration process
水泥窯技術需要高溫、高堿環境和長停留時間。在高溫高堿條件下,PCBs中C-X鍵極易斷裂,氯原子可以與金屬陽離子結合,生成氯化物,實現對PCBs的去除。采用水泥窯技術處理PCBs污染土壤時,一般不從窯兩端加入受污染土壤(未經處理的PCBs會從熔渣中直接揮發出去),而是在窯中央設置漏斗,將PCBs污染土壤加至窯中,窯溫控制在1 100℃左右,可實現對PCBs的去除。該法處理PCBs污染土壤效率高、處理量大,但高溫、高堿環境會破壞土壤結構,且基建要求高、投資成本大。
等離子體焚燒技術是使電流通過低壓氣體流產生等離子體,局部溫度高達5 000~15 000℃,能使PCBs徹底分解為原子態,冷卻后生成水、二氧化碳和一些水溶性的無機鹽,PCBs的去除率可達99.99%以上。該法需對PCBs污染土壤進行預處理,將PCBs從固相轉移至水相,雖然處理效率很高,但存在基建投資大、處理量小等不足。
氧化技術分為超臨界氧化技術、電化學氧化技術、熔融鹽氧化技術等。
超臨界氧化技術是基于高溫、高壓條件下超臨界水的高溶解性而發展起來的一種技術。是在超臨界水條件下,加入適當的氧化劑(通常為氧氣、過氧化氫或硝酸鹽),將PCBs上的碳原子氧化為二氧化碳、氫原子氧化為水、氯原子轉化為氯離子,實現對PCBs的破壞[13]。該法成本高、處理能力有限。
電化學氧化技術核心部件為電化學電池,在酸性環境(通常加入硝酸)下,電池通電后在陽極產生氧化性物質,這些物質協同酸能夠進攻任何有機化合物(包括PCBs)。在80℃、標準大氣壓下,可將絕大部分有機化合物轉化為二氧化碳、水和無機離子。該法不但成本高,而且處理后的酸化土壤還需要繼續處理。
從1950年開始,熔融鹽氧化技術在小范圍內發展起來[14]。該法需設置一個堿性熔鹽床(通常為碳酸鈉),在900~1 000℃條件下,加至鹽床上的PCBs會斷裂C-X鍵,氯原子與金屬陽離子結合,轉化為無機鹽,保存在床層上。該法處理效率高,基本不產生二次污染,但不能直接處理PCBs污染土壤,需先將PCBs從土壤中氣提濃縮后,再進入鹽床進行處理[15]。
還原技術分為溶劑化電子技術、催化氫化技術、零價金屬還原技術等。
3.5.1 溶劑化電子技術
溶劑化電子技術是指在溶劑化溶液中,通過自由電子中和鹵代化合物,達到脫鹵的目的。該法將堿金屬(通常為鈉,也可為鉀或鋰)置于無水液氨中,堿金屬瞬間溶解,當溶液呈現亮藍色時,即表示堿金屬的外層電子釋放出來。PCBs上不同程度取代的氯原子具有極強的電子親和力,可吸收自由電子,當氯原子外層形成電子對后,C-X鍵斷裂,氯離子與鈉離子結合形成氯化鈉,從而實現對PCBs的脫氯。該法適用于PCBs污染較重且對PCBs進行氣提濃縮后的深度處理,但運行成本過高。
3.5.2 催化氫化技術
催化氫化技術是具有發展前景的對PCBs進行脫氯的一種技術。該法需以貴金屬(如Pt)為催化劑進行催化,在PCBs上的聯苯骨架上加氫,達到破壞芳環的目的,同時生成氯化氫、輕質烴等副產物。研究發現[16],當污染土壤PCBs濃度為4 000mg·kg-1時,經過催化氫化后,PCBs濃度可降至0.027mg·kg-1以下,PCBs去除率高達99.99993%。該法處理效率高、處理量大,但一些環境因素易使貴金屬中毒,催化劑對環境的適應性差,限制了其大規模推廣應用。
3.5.3 零價金屬還原技術
零價金屬還原技術分為納米鐵還原技術和雙金屬還原技術。
納米鐵還原技術是利用納米鐵粉末修復PCBs污染的地下水、底泥和土壤的一種具有潛力的技術。納米鐵粉末具有極大的比表面積和極高的反應活性,可以與PCBs上的氯原子發生反應。但納米鐵還原脫氯也存在一些問題,如氯代芳香族化合物活性較低,反應不完全。此外,隨著反應的進行,納米鐵表面發生鈍化,活性降低。目前,大多數研究集中在納米鐵還原水溶液中PCBs[17],對于土壤中PCBs還原的研究不多。陳少瑾等[18]在研究納米鐵還原土壤中PCBs時發現,納米鐵對土壤中濃度為5mg·g-1的PCBs有一定的脫氯效果,當PCBs濃度降至1mg·g-1時,只有加入含量為0.05%的金屬鈀后,才具有顯著的脫氯效果。
雙金屬還原技術是一種基于原電池原理的技術。美國海軍裝備工程司令部在處理含PCBs的油漆時,采用的是Mg/Pt雙金屬處理系統,處理原理如圖5所示[19]。

圖5 雙金屬處理系統的原理Fig.5 The principle of bimetallic treatment system
該法面臨的最大問題是納米級的雙金屬粉末活性太強,操作難以控制。
化學脫氯技術是通過取代PCBs上的氯原子或分解PCBs,阻止PCBs向土壤遷移或揮發至其它環境介質的一類技術的統稱。常見的化學脫氯技術包括堿催化熱解技術、羧甲脫鹵技術等。
堿催化熱解技術是由EPA環境風險降低工程實驗室(EPA′s Risk Reduction Engineering Laboratory)聯合美國國家設施工程服務中心(National Facilities Engineering Services Center)共同開發的一種技術。該法處理PCBs污染土壤或底泥,通常包括兩個階段:(1)將PCBs污染土壤或底泥與碳酸氫鈉充分混合,然后采用熱解吸技術將PCBs從混合物中解吸出來;(2)在空氣控制系統中將PCBs蒸汽冷凝收集,導流至加熱攪拌釜反應器中,反應器中預先配制催化劑、高沸點烴油和氫氧化鈉的混合液,PCBs與混合液發生反應,實現脫氯的目的。
羧甲脫鹵技術需要化學試劑APEG(A代表堿金屬氫氧化物,通常選用氫氧化鈉或氫氧化鉀;PEG代表聚乙二醇),主要包括兩個步驟:(1)將PCBs污染土壤與APEG充分混合;(2)加熱混合土壤,在高溫條件下,APEG與土壤中PCBs發生反應,生成乙二醇、羥基化合物和堿金屬鹽。
化學脫氯技術適用于PCBs污染較重、處理量較大的情況,但存在高溫高堿環境破壞土壤理化性質和二次污染的缺點。
穩定化技術需要加入粘合劑,例如硅酸鹽水泥、水泥窯粉灰、飛灰、腐殖酸等,將有毒有害物質轉化為難溶解、低遷移、低毒性的物質。穩定化技術不同于其它PCBs污染土壤的修復技術,它并沒有對土壤中PCBs進行富集或破壞[20]。有研究者指出穩定化技術僅僅適用于無機化合物污染土壤的修復[21],但是事實證明,穩定化技術可以較好地修復有機化合物污染的土壤[22]。目前,國內外已有學者采用腐殖酸對PCBs進行穩定化處理[23],腐殖酸作為自然界中廣泛存在的一種天然高分子化合物,也是生態循環中的重要組成部分,以其礦化處理PCBs極具研究價值。
PCBs微生物降解研究始于1973年,Ahmed等[24]首先發現了可降解一氯聯苯和二氯聯苯的菌株,并對其降解途徑進行了研究。迄今,已篩選出上百種PCBs降解菌,主要包括假單胞菌屬(Pseudomonas)、產堿桿菌屬(Alcaligenes)等革蘭氏陰性菌,以及芽孢桿菌屬(Bacillus)、紅球菌屬(Rhodococcus)等革蘭氏陽性菌[25-27]。對于真菌降解PCBs也有相關的報道,Field等[28]發現,白腐真菌(Phlebia brevispora)、黃曲菌(Aspergillus flavus)等也具有降解PCBs的能力。賈凌云等[29-30]分離出一株能在液相中高效降解PCBs的降解菌Enetbracet:Ps.LY402,在土壤環境中不僅能與土著菌共生,而且對不同氯代PCBs類似物均有一定的降解能力。
Groeger等[31]較早研究PCBs的植物修復,并從植物組織和細胞的角度探討了植物對PCBs的降解途徑[32],以及植物對PCBs的富集能力[33-34]。植物修復PCBs的機理相對復雜,它是多種機制協同作用的結果。一般說來,植物修復PCBs有3種機制:(1)植物直接吸收PCBs,將其轉化為無生物毒性的物質累積在植物組織細胞中;(2)釋放可降解PCBs的酶;(3)植物與根際微生物協同作用。劉亞云等[35]研究發現,紅樹植物秋茄可直接吸收并累積PCB47和PCB155。Magee等[36]研究發現植物葉片中所含的硝酸還原酶可以顯著促進PCB153脫氯反應的發生。
植物修復PCBs污染土壤,與微生物有著緊密的聯系,很多植物與微生物存在著共生關系,根際區域微生物的密度和活性均強于非根際區域[37]。因此,植物-微生物聯合修復技術有很好的應用前景。在根際區域,細胞分裂能力強,新陳代謝快,分泌出大量物質,為微生物提供了適宜生存的微生態環境。植物源源不斷地向根部輸送氧氣,釋放可作為微生物生長底物的根系分泌物,促進微生物對PCBs的降解。滕應等[38]研究紫花苜蓿修復PCBs污染土壤時,向其中添加了苜蓿根瘤菌,分別進行盆栽和田間試驗,結果發現,紫花苜蓿-苜蓿根瘤菌協同修復時,對PCBs的去除率最高。
動物-微生物聯合修復技術主要是利用土壤中動物(例如蚯蚓等)的運動,增加土壤中氧氣的含量,同時,動物分泌的一些物質可以促進土壤中微生物的生長,增強微生物的活性,促進微生物對PCBs的降解。但是由于PCBs具有強生物毒性,動物對其耐受性差,使得動物-微生物聯合修復技術具有一定的局限性。
不同的PCBs修復方法各有其優缺點,在應用時需要根據土壤性質、氣候條件、土壤污染情況、經濟條件選擇合適的修復方法。以美國為代表的西方國家,在PCBs污染土壤修復的研究方面已經取得了相當的成果,我國在這方面還稍顯落后。當務之急是借鑒國外先進技術,結合我國PCBs污染土壤的實情,開發出合適的修復技術以清除土壤中PCBs或消除其在土壤中的毒性,如利用自然界中廣泛存在的腐殖酸穩定、腐殖化土壤中PCBs,最終將腐殖化的PCBs整合進碳循環中,降低或消除PCBs的生物毒性等。
[1] 王少巖.PCBs土壤污染風險及土壤吸附機制研究[D].杭州:浙江大學,2006.
[2] LEE K L.Practical management of chemicals and hazardous wastes:An environmental and safety professional guide[M].New Jersey:Prentice Hall,1995:25-38.
[3] MEIJER S N,OCKENDEN W A,SWEETMAN A,et al.Global distribution and budget of PCBs and HCB in background surface soils:Implications for sources and environmental processes[J].Environmental Science &Technology,2003,37(4):667-672.
[4] 張雪蓮.電子垃圾拆解區污染土壤中多氯聯苯含量分布及植物修復研究[D].南京:南京林業大學,2008.
[5] 孫維湘,陳榮莉.南迦巴瓦峰地區有機氯化合物的污染[J].環境科學,1986,7(6):64-69.
[6] BORGHINI F,GRIMALT J O,SANCHEZ-HERNANDEZ J C,et al.Organochlorine pollutants in soils and mosses from Victoria Land(Antarctica)[J].Chemosphere,2005,58(3):271-278.
[7] 闕明學.我國土壤中多氯聯苯污染分布及源解析[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2007.
[8] SINKKONEN S,PAASIVIRTA J.Degradation half-life times of PCDDs,PCDFs and PCBs for environmental fate modeling[J].Chemosphere,2000,40(9-11):943-949.
[9] 胡芳,許振成.多氯聯苯(PCBs)污染現狀分析[J].廣東化工,2012,39(1):87-88.
[10] United Nations Industrial Development Organization.Destruction technologies for polychlorinated biphenyls(PCBs)[R].Italy:United Nations Industrial Development Organization,2000.
[11] U.S.Department of Health and Human Services.Toxicological profile for polychlorinated biphenyls(PCBs)[R].Atalanta:Public Health Service,2000.
[12] Costner P.Technical criteria for the destruction of stockpiled persistent organic pollutants[C].Yokohama:Third Meeting of the Intersessional Group Intergovernmental Forum on Chemical Safety,1998.
[13] Environment Australia.Appropriate technologies for the treatment of scheduled wastes[EB/OL].http://www.environment.gov.au,1997-11.
[14] U.S.Department of Energy.Alternatives to incineration:Technical area status report[R].Washington D C:Department of Energy,1995.
[15] National Research Council.Alternative technologies for the destruction of chemical agents and munitions[R].Washington D C:National Academy of Sciences,1993.
[16] American Chemical Society.Development of a catalytic process for the regeneration for transformer oils and the destruction for chlorinated hydrocarbons[R].Pennsylvania:American Chemical Society,1997.
[17] LI T L,LI S J,LI Y C.Dechlorination of trichloroethylene in groundwater by nanoscale bimetallic Fe/Pd particles[J].Journal of Water Resource and Protection,2009,1(2):78-83.
[18] 陳少瑾,梁賀升.零價鐵還原脫氯污染土壤中PCBs的實驗研究[J].生態環境學報,2009,18(1):193-196.
[19] U.S.Naval Facilities Engineering Command Engineering Service Center.Application of a bimetallic treatment system(BTS)for PCB removal from older structures on DoD facilities[R].California:NAVFAC Engineering Service Center,2011.
[20] U.S.EPA.Solidification/stabilization use at superfund sites[EB/OL].http://nepis.epa.gov/Exe/ZyPURL.cgi?Dockey=P1000165.txt,2000.
[21] U.S.EPA.Technology Performance Review:Selecting and using solidification/stabilization treatment for site remediation[EB/OL].http://nepis.epa.gov/Exe/ZyPURL.cgi?Dockey=P1006AZJ.txt,2009.
[22] Environmental Security Technology Certification Program(ESTCP).Field testing of activated carbon mixing and in-situ stabilization of PCBs in sediment[EB/OL].http://www.serdp.org/content/view/pdf/4724.
[23] FAVA F,PICCOLO A.Effects of humic substances on the bioavailability and aerobic biodegradation of polychlorinated biphenyls in a model soil[J].Biotechnology and Bioegineering,2002,77(2):204-211.
[24] AHMED M,FOCHT D D.Degradation of polychlorinated biphenyls by two species of Achromobacter[J].Canadian Journal of Microbiology,1973,19(1):47-52.
[25] 帥建軍,熊飛.多氯聯苯的生物修復[J].遺傳,2011,33(3):219-227.
[26] SIERRA I,VALERA J L,MARINA M L,et al.Study of the biodegradation process of polychlorinated biphenyls in liquid medium and soil by a new isolated aerobic bacterium(Janibacter sp.)[J].Chemosphere,2003,53(6):609-618.
[27] SHUAI J I,TIAN Y S,YAO Q H,et al.Identification and anal-ysis of polychlorinated biphenyls(PCBs)-biodegrading bacterial strains in Shanghai[J].Current Microbiology,2010,61(5):477-483.
[28] FIELD J A,SIERRA-ALVAREZ R.Microbial transformation and degradation of polychlorinated biphenyls[J].Environment Pollution,2008,155(1):11-12.
[29] 賈凌云,蔣彩平,文成玉,等.一種利用蔗糖脂增強多氯聯苯生物降解的方法:中國,1775332A[P].2006-05-24.
[30] 賈凌云,文成玉,蔣彩平,等.一株降解多氯聯苯的兼性厭氧菌及獲得方法:中國,1793311A[P].2006-06-28.
[31] GROEGER A G,FLETCHER J S.The influence of increasing chlorine content on the accumulation and metabolism of polychlorinated biphenyls(PCBs)by Paul′s Scarlet Rose Cells[J].Plant Cell Report,1988,7(5):329-332.
[32] ESTIME L,RIER J P.Disappearance of polychlorinated biphenyls(PCBs)when incubated with tissue cultures of different plant species[J].Bull Environment Contaminates Toxicity,2001,66(5):671-677.
[33] ASAI K,TAKAGI K,SHIMOKAWA M,et al.Phytoaccumulation of coplanar PCBs by Arabidopsis thaliana[J].Environment Pollution,2002,120(3):509-511.
[34] SUNG K,MUNSTER C L,RHYKERD R,et al.The use of box lysimeters with freshly contaminated soils to study the phytoremediation of recalcitrant organic contaminants[J].Environment Science &Technology,2002,36(10):2249-2255.
[35] 劉亞云,孫紅斌,陳桂珠,等.紅樹植物秋茄對PCBs污染沉積物的修復[J].生態學報,2009,29(11):6002-6009.
[36] MAGEE K D,MICHAEL A,ULLAH H,et al.Dechlorination of PCB in the presence of plant nitrate reductase[J].Environmental Toxicology &Pharmacology,2008,25(2):144-147.
[37] 周霞,李擁軍,熊文明,等.多氯聯苯污染土壤修復技術研究進展[J].廣東農業科學,2011,(2):158-160.
[38] 滕應,駱永明,高軍,等.多氯聯苯污染土壤菌根真菌-紫花苜蓿-根瘤菌聯合修復效應[J].環境科學,2008,29(10):2925-2928.