技术介绍
1 技术名称
技术名称：生物堆
英文名称：Biopile
2 技术适用性
2.1 适用的介质
污染土壤、油泥
2.2 可处理的污染物类型
石油烃等易生物降解的有机物。
2.3 应用限制条件
不适用于重金属、难降解有机污染物污染土壤的修复，粘土类污染土壤修复效果较差。
3 技术介绍
3.1 原理
对污染土壤堆体采取人工强化措施，促进土壤中具备污染物降解能力的土著微生物或外源微生物的生长，降解土壤中的污染物。
3.2 系统构成和主要设备
生物堆主要由土壤堆体、抽气系统、营养水分调配系统、渗滤液收集处理系统以及在线监测系统组成。
土壤堆体系统具体包括污染土壤堆、堆体基础防渗系统、渗滤液收集系统、堆体底部抽气管网系统、堆内土壤气监测系统、营养水分添加管网、顶部进气系统、防雨覆盖系统。
抽气系统包括抽气风机及其进气口管路上游的气水分离和过滤系统、风机变频调节系统、尾气处理系统、电控系统、故障报警系统。
营养水分调配系统主要包括固体营养盐溶解搅拌系统、流量控制系统、营养水分投加泵及设置在堆体顶部的营养水分添加管网。
渗滤液收集系统包括收集管网及处理装置。
在线监测系统主要包括土壤含水率、温度、二氧化碳和氧气在线监测系统。
主要设备包括抽气风机、控制系统、活性炭吸附罐、营养水分添加泵、土壤气监测探头、氧气、二氧化碳、水分、温度在线监测仪器等。
3.3 关键技术参数或指标
影响生物堆技术修复效果的关键技术参数包括：污染物的生物可降解性、污染物的初始浓度、土壤通气性、土壤营养物质含量、土著微生物数量、土壤含水率、土壤温度和pH、运行过程中堆体内氧气含量以及土壤中重金属含量。
(1)污染物的生物可降解性
对于易于生物降解的有机物(如石油烃、低分子烷烃等)，生物堆技术的降解效果较好;对于POPs(持久性有机污染物)、高环的PAHs(多环芳烃)等难以生物降解的有机污染物污染土壤的处理效果有限。
(2)污染物初始浓度
土壤中污染物的初始浓度过高时影响微生物生长和处理效果，需要采用清洁土或低浓度污染土对其进行稀释。如土壤中石油烃浓度高于50000 mg/kg 时，应对其进行稀释;
(3)土壤通气性
污染土壤本征渗透系数应不低于10-8 cm2，否则应采用添加木屑、树叶等膨松剂增大土壤的渗透系数;
(4)土壤营养物质比例
土壤中碳:氮:磷的比例宜维持在100:10:1,以满足好氧微生物的生长繁殖以及污染物的降解;
(5)微生物含量
一般认为土壤微生物的数量应不低于105 数量级;
(6)土壤含水率
宜控制在90%的土壤田间持水量;
(7)土壤温度和pH
温度宜控制在 30~40℃范围，pH 宜控制在6.0-7.8;
(8)堆体内氧气含量
运行过程中应确保堆体内氧气分布均匀且含量不低于7%。
(9)土壤中重金属含量
土壤中重金属含量不应超过2500 mg/L。
4 技术应用基础和前期准备
在利用生物堆技术进行修复前，应进行可行性测试，对其适用性和效果进行评估并获取相关修复工程设计参数，测试参数包括：土壤中污染物初始浓度、污染物生物降解系数(或呼吸速率)、土著微生物数量、土壤含水率、营养物质含量、渗透系数、重金属含量等。
5 主要实施过程
(1)对挖掘后的污染土壤进行适当预处理(例如调整土壤中碳、氮、磷、钾的配比，土壤含水率、土壤孔隙度、土壤颗粒均匀性等);
(2)在堆场依次铺设防渗材料、砾石导气层、抽气管网(与抽气动力机械连接)，形成生物堆堆体基础。将预处理后的土壤堆置其上形成堆体。在堆体顶部铺设水分、营养调配管网(与堆外的调配系统连接)以及进气口，采用防雨膜进行覆盖。
(3)开启抽气系统使新鲜空气通过顶部进气口进入堆内，并维持堆内土壤中氧气含量在一定浓度水平。定期监测土壤中氧气、营养、水分含量并根据监测结果进行适当调节，确保微生物处于最佳的生长环境，促进微生物对污染物的降解。定期采集堆内土壤样品，了解污染物的去除速率。
6 运行维护和监控
运行过程中需对抽气风机、管道阀门进行维护。定期对堆内氧气含量、含水率、营养物质含量、土壤中污染物浓度、微生物数量等指标进行监测。为避免二次污染，应对尾气处理设施的效果进行监测，以便及时采取应对措施。
7 修复周期及参考成本
该技术处理周期一般为1-6 个月。在美国应用的成本约为130-260 美元/ m3，国内的工程应用成本约为300-400 元/ m3。特定场地生物堆处理的成本和周期，可通过实验室小试或中试结果进行估算。
应用案例
8 国外应用情况
生物堆技术修复成本相对低廉，相关配套设施已能够成套化生产制造,在国外已广泛应用于石油烃等易生物降解污染土壤的修复，技术成熟。美国环保局、美国海军工程服务中心等机构已制定并发布了本技术的工程设计手册。国外部分应用案例信息如表1 所示。
9 国内典型案例
9.1 国内应用情况
2008年，某研究院对该技术进行了工程应用示范，用于修复某地某焦化厂石油烃、苯系物、多环芳烃复合污染土壤，示范规模450m³。2010年，该技术再次应用于某地铁线施工场地苯胺污染土壤的修复，修复规模达49920m³。2012年，某农药厂应用该技术修复苯系物等有机物污染土壤，修复规模达10万m³。通过以上案例的工程应用，本技术在国内发展已比较成熟，相关核心设备已能够完全国产化。
9.2 国内案例介绍
(1)工程背景：某原化工区，场地调查与风险评估发现存在苯胺污染土壤约49920m³。
为满足项目施工进度及项目建设施工方案的要求，这部分污染土壤采用异位处理使苯胺浓度小于4mg/kg。
(2)工程规模：49920m³
(3)主要污染物及污染程度：主要污染物为苯胺，最大检出浓度为5.2mg/kg。苯胺饱和蒸汽压为0.3，辛醇-水分配系数为0.9，具备一定的挥发性，能在负压抽提下部分通过挥发而去除。同时，研究表明，其在好氧条件下的生物降解半衰期为5~25天，降解性能较好。
(4)土壤理化特征：污染土壤以中砂为主，有机质含量相对较低，污染物“拖尾”效应较弱。其通气性能较好，本征渗透系数达到10-6cm2，有利于氧气的均匀传递。
(5)技术选择：考虑到污染较轻，污染物的挥发性和生物易降解性，以及土壤有机质含量低、渗透性较好及修复成本等因素，选定批次处理能力大、设备成熟、运行管理简单、无二次污染且修复成本相对较低的生物堆技术。
(6)工艺流程和关键设备：
其工艺流程如图9-1所示：
具体为：1)污染土壤首先进入土壤暂存场暂存，然后根据土壤处置的进程安排，取土进行土壤筛分，筛分设施配备除尘和尾气净化设备，保证筛分过程中产生的粉尘和废气能达到排放标准;2)筛分后的土壤和卵石运入土壤处置场，卵石铺设在生物堆的最底层，用于抽气管网的气体分配和保护;3)运行生物堆对污染土壤进行处理，并定期监测污染物的去除程度和抽气量、压力、温度、湿度、堆内氧气含量等参数。处理过程中产生的废气进入尾气净化设备处理，渗滤液进入废水处理设施;5)修复后的土壤达到修复目标后可用于填埋造地，尾气净化后达标排放，废水处理后按照修复方案的废水利用标准进行回用。
(7)主要工艺及设备参数
考虑到该项目的土方量及甲方要求的修复工期，该项目采用模块化设计，单个批次总共建设3个堆体，批次处理能力为10000m³，每个堆体配置独立的抽气控制设备进行控制，每个堆体的设计处理时间为1.5个月，堆体剖面结构如图9-2所示。
该项目生物堆的设备主要由抽气设备、气液分离设备和尾气净化设备组成。抽气设备主要由真空泵、空气真空球阀和系统排气口等组成;气液分离设备由真空平衡分离排液灌、动排液泵、过滤器和空气真空球阀组成;尾气净化设备由活性炭吸附塔、取样口和排气口组成。
(8)成本分析
该项目包含建设施工投资、设备投资、运行管理费用的处理成本约350元/m³。
(9)修复效果
依据设计方案，该项目49920m³污染土壤中苯胺的浓度均降低至修复目标4.0mg/kg以下，满足修复要求并通过环保局的修复验收。
原标题：【技术盘点】污染土壤生物堆技术简介与应用案例
