自2017年提出乡村振兴战略以来，整治村镇污染和改善农村人居环境被广泛关注。我国村镇地区存在众多的简易垃圾填埋场，这些简易垃圾填埋场与周边环境开放式接触，已成为村镇地区主要的点源污染。山地丘陵地区由于特殊的地形结构，在降雨后会形成壤中流。壤中流具备极强的迁移性，会将简易垃圾填埋场的点源污染扩散到周边村镇地区形成面源污染。鉴于此，为保护和改善农村人居环境，对山地丘陵地区简易填埋场的壤中流进行污染扩散阻控和修复是必要的。
简易垃圾填埋场填埋垃圾类别、垃圾量，服务年限，以及选址和地理位置等均会造成壤中流产量及污染程度差异较大。针对产量大污染重的场景，LIU等开发了基于两级同步硝化反硝化工艺的同步脱氮除碳技术，以实现壤中流的异位处置。然而，部分填埋场壤中流产量少、污染程度相对较轻，甚至与周边居民农用地无明显分界线。在此条件下因地制宜的原位分散式处理则更具可行性。可渗透反应屏障技术(PRB)是一种广泛应用的点源污染阻控修复技术。该技术在水流方向布设由反应填料组成的反应墙，通过填料的物理吸附、化学沉淀或者生物降解等手段实现污染物的降解。PRB技术具有使用周期长、运维费用低和二次污染少等优点，在应对分散、产流量小和污染程度轻的简易垃圾填埋场场景中极具优势。前期研究中常见的填料有沸石、活性炭和零价铁等，其中沸石具有多孔结构和较大的比表面积，且沸石通常呈负电荷，对Pb²+、Cd²+、Mn²+等金属离子具有良好的修复效果，因此常常在重金属污染场地修复中使用；活性炭对多环芳烃和芳香族化合物具有良好的吸附效果，因此多应用于有机污染场景中使用；零价铁则常常在全氯乙烯、三氯乙烯和VOCs等污染物的修复场景中使用。特定的填料针对特定的污染物具有良好的修复效果，然而实际应用中部分污染场景中污染物以复合污染物的形式存在，单一的填料难以收获良好的效果，因此，往往采用多种填料构筑PRB的方式以提高对复合污染物的修复效果。GHOLAMI等采用海藻酸钠、氯化镁和过氧化氢等合成生物反应屏障，针对石油烃废水进行修复，萘和甲苯基本完全降解。LIU等采用凹凸棒土、硅藻土和过氧化钙屏障对多环芳烃类污染物降解时，发现其对菲污染物的降解率接近100%，对其它多环芳烃类污染物也具有良好的去除效果。
尽管PRB已在有机污染、重金属污染等场景中取得了良好的应用效果，却鲜有研究将PRB技术应用于简易填埋场壤中流这类场景。LIU等曾对某简易垃圾填埋场壤中流开展1年余的特性调研，发现其水质呈低碳氮比特性，化学需氧量(COD)和总氮(TN)分别可达(246.66±75.96)mg・L⁻¹和(100.31±34.44)mg・L⁻¹，还检测到50余种难降解有机物，美国环保局EPA优先污染物达10种，与其它污染水质区别较大。可见，针对此类废水的污染特性，开发针对性的PRB技术是必要的。此外，研究表明，合理的布设方式有助于PRB效果的提升。RAHUL等进行多级PRB数值模拟发现反应屏障多级布设的方式能够有效降低污染物扩散。ABBAS等采用砂土和可渗透反应屏障混合布设的方式实现农药低成本的修复，在3h的时间内能够实现1μg・L⁻¹农药的全面去除。因此，研究屏障布设间距和布设级数以提升PRB性能也是必要的。
在此背景下，本研究以山地丘陵村镇简易填埋场壤中流为对象，首次开发出适应其污染特性修复的可渗透反应屏障；再探析了布置间距和级数对污染修复效果的影响；随后在模拟填埋场和某简易填埋场周边开展了技术适应性验证；最后揭示了屏障对壤中流中各类污染物的去除机理。本研究的目标是开发出壤中流复合污染原位削减修复技术及产品，助力绿色宜居村镇建设及乡村振兴重大战略的实施。
1、材料与方法
为制备适用于小型简易垃圾填埋场壤中流修复的可渗透反应屏障，本研究依次设置以下4个实验步骤：反应屏障制备、反应屏障布设方式研究、模拟实验和中试实验和机理解析。
1.1 反应屏障制备
物理吸附和微生物降解相结合的生物-可渗透反应屏障技术被认为具有更高的经济性和环境友好性，因此本研究拟开发此类屏障。生物PRB主要由填料介质和微生物构成，主体填料为吸附型填料，此外还需考虑固化成型、孔隙支撑等填料。微生物主要用于脱氮，本研究直接采用预实验得到的脱氮效果最佳的菁贝牌菌剂作为挂膜菌剂。填料筛选方面，根据文献调研筛选出沸石、活性炭、陶粒、膨胀珍珠岩、花生壳和铁粉作为吸附填料。采用取自四川某简易垃圾填埋场壤中流为研究对象，壤中流的COD、TN、有机氮、硝态氮和氨氮的质量浓度分别为144.23、40.29、21.85、13.41、4.25mg・L⁻¹，通过摇瓶实验以COD和TN去除率为指标对填料进行初步筛选后，再开展正交实验筛选出吸附性填料的配比。考虑到填料之间可能存在协同或者拮抗作用，进一步设计响应曲面优化试验得到吸附性填料的最优配比。菌剂的筛选方法为：取500g菌剂加入5L水，并加入500g红糖，静置24h激活，随后在250mL锥形瓶中加入2mL活化后的菌剂和200mL简易填埋场壤中流，分别在25℃恒温培养箱和室外同时培养，3d后测定其TN的质量浓度，每种菌剂做3组平行。填料筛选方法为分别称取5g天然沸石、活性炭、零价铁、陶粒、花生壳、膨胀珍珠岩、铁粉，作为反应介质放入200mL的锥形瓶中，按固液比1g∶10mL分别加入简易填埋场采集的壤中流50mL，混匀后将其放入25℃恒温振荡箱，震荡频率为100r・min⁻¹；在1、4、8、12、24、48、72、96h时取震荡后水样，测定其中的COD和TN的质量浓度。为筛选吸附型填料的优质配比范围，选取各填料的质量比为实验因素，设计了4因素5水平的正交实验，以TN去除率作为实验评价指标。具体的：根据正交实验参数表和设计表，取对应质量的填料放入200mL锥形瓶中，以固液比1g∶10mL加入壤中流，混合均匀后放进恒温震荡箱进行震荡，测定72h后壤中流中的TN的质量浓度。响应曲面实验方法为通过DesignExpert10设计实验，根据响应曲面实验设计表将相应质量的吸附填料混合均匀后，装填至实验小柱中，填料两端设有2块均匀穿孔的塑料隔板将其固定，同时隔板上铺有100目的尼龙网，防止填料外泄。装填完毕后，将经活化的菌剂，以1∶500(菌剂∶水)的体积比稀释后对填料进行挂膜。挂膜成功后开始以壤中流径流流速(60~80mm・h⁻¹)往实验小柱中进壤中流500mL，水流从底部进入小柱，自下而上漫流而出(约3~4h)。采集小柱出水水样，测定其TN及COD。每组实验设置3个平行。
在得到吸附填料最优配比后，为使屏障易于固定成型，选择了价格便宜且具有良好粘结作用的水泥作为填料固定化剂。吸附性填料总质量/水泥质量设置为1、1.5、2，以风干后砖体强度和经济性作为优选依据。另外，渗透系数是影响屏障使用的关键因素之一。微生物反应屏障在应用过程中存在易堵的问题，因此，在屏障制备过程中，加入孔隙支撑填料调节屏障渗透系数，进而延长屏障使用寿命。考虑材料的价格和效果选择石英砂作为孔隙支撑材料，添加比设置为0%、5%、15%、20%(石英砂占反应屏障总质量的比值)，以其渗透系数、污染物去除效果作为高、低渗透系数屏障的优选依据。此外，有学者指出在反应屏障前布设尼龙网可防止细小的沉积物进入反应屏障系统，提升屏障使用寿命。鉴于此，本研究中另设置2组反应屏障(0%和20%石英砂添加量的反应屏障)，将其外附100目尼龙网后再放入土壤中。测定2组反应屏障的渗透系数变化情况，以和直接裸露于土壤中的屏障进行渗透系数对比。具体实验方法为：将砖块置于槽式反应体系中，砖体与槽式反应体系之间填充渗透系数低的黄土，屏障前后填充紫色土，为方便采样距离出水端12cm处开始不填土。采用蠕动泵以壤中流流速(60~80mm・h⁻¹)泵入壤中流。测定各装置出水COD和TN，并每周测1次屏障渗透系数。每种添加量的屏障设置3组平行，测样设置3组平行。
1.2 反应屏障布设方法研究
开展槽实验对反应屏障布设的间距和级数进行优化。本实验根据壤中流水质的不同共设计3组不同进水水质的实验组，每组实验组设计5级屏障。考虑到山地丘陵地区简易垃圾填埋场位于山坳山谷处，下游布设反应屏障的位置有限，不利于采用过远的间隔布设屏障，因此在PRB通过菌剂(菌剂以100g∶1L的固液比加入纯水中，加入500g红糖，静置24h激活后使用)浸泡48h挂膜后，分别以间距/厚度比值为0、3、6布置。3组实验组分别用蠕动泵按照壤中流的径流速度(60-80mm・h⁻¹)泵入COD40mg・L⁻¹，TN10mg・L⁻¹；COD80mg・L⁻¹，TN20mg・L⁻¹；COD150mg・L⁻¹，TN50mg・L⁻¹3种废水，每组屏障后设置采样口，采样后测定COD和TN的质量浓度，分别观察不同组别对不同质量浓度废水的处理效果。选择此低、中、高3种质量浓度的原因在于，LIU等调研发现雨季填埋场周边壤中流COD和TN的质量浓度约在40~150mg・L⁻¹和10~50mg・L⁻¹，且相比旱季，雨季壤中流径流总量大，更易造成污染大范围的迁移扩散。由于单批次采集的壤中流无法同时满足3种质量浓度条件，此实验中采用渗沥液与氯化铵、硝酸钾配置模拟壤中流，壤中流中各氮素组分的比例与1.1中提及的比例一致。
在上述实验揭示出最佳布置间距和级数后，为研究不同渗透系数反应屏障间的最优组合方式，采用2.1中优选的2类屏障进行屏障组合方式优化实验。按照0%-0%-20%-20%、0%-20%-20%-0%、20%-20%-0%-0%、20%-0%-0%-20%(0%和20%分别指石英砂占反应屏障总质量的比值为0%和20%的2种反应屏障)4种组合方式将屏障置于槽式反应系统中，研究屏障按不同方式组合对COD和TN去除率的影响。
1.3 模拟实验和中试应用
为验证前述制备的屏障及其布置形式的应用效果，在模拟简易填埋场装置中进行屏障的实用性模拟。将石英砂掺混比为0%和20%的2类PRB挂膜完成后，按照2.2节优选出的布设方式置于模拟装置中，屏障总布设长度为0.8m，鉴于壤中流在土壤中的流速为60~80mm・h⁻¹，壤中流在屏障系统中的停留时间在10h以内。分别在整套PRB修复系统前后布设真空陶土管收集系统的进水和出水，监测其中的污染物质量浓度以检测屏障应用效果。此外，考虑到模拟填埋场与实际填埋场存在一定差异，还将上述可渗透反应屏障系统置于中国某简易填埋场下游开展了适用性验证。为使填埋场壤中流汇聚，以铁皮作为壤中流导流材料，将壤中流引流至下游低洼处，在出口处布设4级屏障。为避免壤中流渗漏，铁皮植入母岩下方约0.3m，屏障自表土与母岩的界面处开始布设，直至地表。示范时间为期107d，降雨后连续采样，直至不产流为止。
1.4 分析检测方法
COD和TN采用重铬酸盐法、碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定。土壤渗透系数采用环刀法测定。反应屏障渗透系数采用透水砖渗透系数测定仪(ZSSY-0，河北耀阳仪器)测定。反应前后的可渗透反应屏障微观形态采用扫描电镜(SEM)(JSM-7800F，日本电子株式会社)测定。反应前后的可渗透反应屏障的表面官能团采用傅里叶红外光谱(FTIR)(Nicolet6700，赛默飞世尔科技有限公司)测定。对使用后的屏障和土壤进行微生物多样性分析，分析的具体方法见LIU等研究。
2、结果与讨论
2.1 反应屏障制备
首先开展填料筛选实验，发现活性炭、陶粒、沸石和膨胀珍珠岩均对壤中流TN、COD污染有较好的去除效果，而花生壳和铁粉效果较差，尤其花生壳组壤中流中的COD质量浓度没有下降反应呈现了上升趋势，这可能是由于花生壳中的部分有机物溶于壤中流造成的，鉴于此，未展示该组的COD去除效果。COD去除率较好的4个组中，活性炭的污染物吸附效果最好，因为其具有高比表面积，对多环芳烃(PAHs)和其他持久性污染物(如氯化烃(CHCs))具有良好吸附能力。沸石具有高离子交换率和高表面积的三维铝硅酸盐结构，对苯系物具有较高的溶解性和良好的吸附效果。还有研究指出沸石在使用过程中没有表面沉淀和副产物，有利于微生物生长的同时可维持PRB一定的渗透系数。陶粒和膨胀珍珠岩具有调节孔隙和吸附其它污染物的能力。因此，选择上述4种吸附填料作为屏障的吸附材料。
进一步通过正交和响应曲面优化试验得到吸附填料的最佳配比为活性炭∶陶粒∶沸石∶膨胀珍珠岩=4.8:2.9:3.8:2.1，响应曲面模型模拟得到在此配比下TN和COD去除率分别可达69.7%和59.1%，而验证实验得到此配比下的实际TN和COD去除率分别为66.84%和51.4%。
随后对反应屏障的固定化填料配比进行了研究，研究结果表明吸附型填料总质量/水泥质量分别为1和1.5的条件下，反应屏障均可成型并具有一定的硬度；而吸附型填料总质量/水泥质量为2时，反应屏障极易破碎。这是因为水泥含量越高，结构体强度越大，吸附型填料总质量/水泥质量为2时，水泥添加量过少，吸附型填料之间粘结度不高，因此其不易成型。同时，考虑到过量水泥会造成反应屏障渗透系数的下降，选取总质量/水泥质量=1.5的压制条件，此时反应屏障的最优配比为活性炭∶陶粒∶沸石∶膨胀珍珠岩∶水泥=4.8:2.9:3.8:2.1:9.2。
图 1(b~d) 展示了孔隙支撑材料优化试验结果。此外，测得0%、5%、15%、20%石英砂添加量的PRB的渗透系数分别为8.7、13.9、19.2、21.9Kt。0%和5%石英砂添加量的PRB渗透系数变化趋势一致(5周下降了约20%)，而15%和20%石英砂添加量的PRB渗透系数变化规律相似(5周下降了约10%)。此外，在外围包裹尼龙网后，5周后2类PRB的渗透系数下降速率均明显降低至5%左右，反应屏障具有良好的抗堵塞能力，按照此渗透系数下降率，渗透系数最低的反应屏障(石英砂添加量为0%)，使用1年以上后还能够达到《地下水污染修复技术指南漏斗门式渗透性反应墙(FGPRB)》中高于含水层渗透系数2倍的要求。因此，反应屏障具有良好的使用寿命，同时反应屏障可以通过冲洗和晒干等操作使生物膜脱落从而再次使用，也具有良好的经济性。对污染物去除的影响方面，0%石英砂添加量的PRB对COD的去除效果最佳，而20%石英砂添加量的PRB对TN的去除效果最佳。综上，选择0%和20%的2种渗透系数的砖作为低渗透系数反应屏障和高渗透系数反应屏障，且为延长屏障使用寿命，后续使用中均在表面覆盖尼龙网。由此，反应屏障的最终配比分别为活性炭∶陶粒∶沸石∶膨胀珍珠岩∶水泥∶石英砂4.8∶2.9∶3.8∶2.1∶9.2∶0(低渗透系数屏障)和4.8∶2.9∶3.8∶2.1∶9.2∶2.7(高渗透系数屏障)。为便于运输、储存和微创嵌入土壤，屏障规格定为300mm×200mm×50mm。
2.2 反应屏障布设方法研究
不同进水条件下，COD和TN去除率随屏障布置级数的变化呈现一定规律，当屏障级数≤4时，随着布设级数的增加，COD和TN去除率都明显增强。但由第4级增加至第5级时，COD和TN去除率显著增高的组别为高浓度的废水处理组中间距/厚度=3和间距/厚度=6的实验组，但这2组相比间距/厚度=0的处理组而言，处理效果明显较差。因此在后续高浓度废水处理中，布置方式中会主要采取间距/厚度=0的方式，而这种布设方式在增加到第5级屏障后污染物的去除效果没有明显增加(p>0.05)。考虑修复效果和经济性，选择4级反应屏障作为最优布设级数。
屏障对COD的去除效果而言，在进水COD为40和80mg・L⁻¹的条件下，间距/厚度=6的布设方式展现出了较好的性能。理论上来说，每级对污染物的去除主要通过吸附作用和微生物的代谢作用。级数相同的情况下，屏障总吸附能力理论上是相同的。但是由于每级屏障进水污染物的质量浓度不相同，其上演替出的微生物对于污染物的代谢能力也不同，同时，长间距意味着中间有更多的土层隔离，而土壤也有吸附截留功能，且存在微生物可代谢有机物，这似乎暗示间距加长对污染物去除越有利。然而意外的是，进水COD质量浓度为150mg・L⁻¹时，间距/厚度=0的布设方式展现出了较好的性能。或许针对高浓度有机物，屏障连续的布设有利于屏障上微生物的生长，形成功能丰富的菌群进而有助于污染物的高效去除。针对TN而言，当间距/厚度=0，各实验组均展示出了较好的性能，壤中流中的TN更多以溶解性的物质存在，因此其去除更依赖于微生物的代谢作用，屏障在应用前开展了脱氮菌剂的挂膜，此操作使其表面附着的脱氮微生物的丰度可能远高于土壤，在此条件下间距/厚度=0的布置组具有更好的脱氮效果是意料之中的。考虑到若采用4级砖0间距布设，总宽度会达到0.4m，其占地过大可能会影响农耕，为了更好的实现微创嵌入修复，4级渗透砖前2级和后2级采用0间距布设，两组之间采用间距/厚度=6的方式进行布设。
为兼顾反应屏障使用寿命及污染物去除效果，在布设间距优化的基础上还开展了不同渗透系数反应屏障的布设方式研究。0%-0%-20%-20%的屏障布设方式下污染物去除效率最高，而20%-20%-0%-0%的布设方式效果次之。渗透系数越低，污染物在屏障的停留时间越久，被吸附降解的时间也越长，因此效果更好，在前2组屏障将浓度降下来后，后2组采用间距/厚度=6布设，也符合前述此条件下低浓度污染物去除率高的规律，因此，0%-0%-20%-20%组的污染物去除效果最好是容易理解的。但低渗透系数的砖布设在前2级，易因为进水中颗粒态污染物含量高而引发屏障堵塞，不利于延长整个屏障体系的使用寿命，因此，拟采用20%-20%-0%-0%的布设方式，先高渗透系数的屏障截留部分污染物，然后再通过低渗透系数的屏障截留其余污染物的布设思路进行布设，减少单组屏障易堵的问题，延长其使用寿命。
2.3 模拟实验及中试应用研究
为验证多级可渗透反应屏障去除效果，开展了模拟填埋场修复实验。由图 2(e~f) 所示，由图 2(e) 可知在模拟运行期间，COD和TN的去除率都维持在30%以上，GHOLAMI等采用反应屏障50d内对甲苯的去除率为36%，COD去除效果与本研究类似，但其进水污染物质较为单一且停留时间较本研究高120倍，可见本研究中的屏障体系更具有高效性；MITTAL等在进水硝酸盐的质量浓度为10~15mg・L⁻¹的条件下硝酸盐去除率为32.5%，也与本研究类似，但是本研究污染物中含有有机氮，降解难度更大。因此，整体而言，反应屏障在模拟运行中效果良好。就COD而言，在模拟实验期间去除率达到了55.62%±14.92%，其去除率波动性较大，可能是进水水质和水量波动较大影响了屏障的物理吸附和微生物代谢作用。然后即便如此，其总体去除效果仍然较好，说明反应屏障对COD的水质波动具有良好的耐受性。相比之下，体系的总氮去除率为50.24%±12.66%，其去除效果随着进水水质的变化也呈现波动性变化，但是当后期进水总氮相对稳定，屏障去除效果也逐步稳定。总体而言，屏障在面对进水水质波动较大的环境出水COD达到(20.72±11.13)mg・L⁻¹，TN达到了(16.77±8.20)mg・L⁻¹，出水水质质量浓度较低。且考虑到本研究开发的屏障对低浓度进水(COD=40，TN=10)也有较好的去除率，在有明确出水浓度要求的地区，增加屏障组数无疑可实现污染物的进一步削减。
虽然模拟实验在野外实验装置开展，并结合实际降雨展开，但模拟填埋场和实际填埋场土壤环境差异性较大。为考察可渗透反应屏障的实际应用效果，继续开展了填埋场的试验性验证研究。选取的实际填埋场的含水层的渗透系数为仅为1.4Kt，所制备的反应屏障均满足《地下水污染修复技术指南漏斗门式渗透性反应墙(FGPRB)》中规定的高于含水层渗透系数2倍的要求。实验结果显示，在示范应用中，COD和TN的去除率分别为72.88%±6.91%和64.30%±13.91%。相较模拟研究中，整体的效果有了较为明显的提升。这其中的原因可能是示范过程中的土层面积更大，吸附污染物的量也更大，同时修复中汇流面积更广，壤中流在土壤中的流动距离更长，稀释作用更明显；另一方面，实际的土壤环境中微生物群落结构可能更为复杂，其对污染物的降解能力也更强，能够增强土壤的稀释作用。GHOLAMI等添加了CaO₂的微生物反应屏障对萘进行修复，其在20d的停留时间内实现了萘完全去除。而本研究中停留时间仅为10h，COD的去除率达到了为72.88%±6.91%，表现出了较强的应用效果，一方面是多组分的生物可渗透反应屏障具有良好的协同应用性能，能够通过多种机制去除污染物，同时多级间距布置的方式能够使屏障形成不同去除机制为主导的去除功能，进一步提升了其应用性能。ZHU等在停留时间为2d的条件下，COD的去除率和氨氮的去除率达到了92%和43.6%，其可渗透反应屏障区间为720mm，而本研究为4级屏障和中间土壤组成的屏障区间共800mm，在距离相似的情况下，其屏障渗透系数较低，流速较慢，因此去除效果较好是很好理解的，停留时间较长一方面增加了吸附材料对污染物的吸附时长，另一反面会增加微生物的代谢时间，从而促进微生物对污染物的降解。ZHANG等在硝酸盐进水为20.86~58.52mg・L⁻¹的条件下，采用秸秆作为生物可渗透反应屏障的碳源，在停留时间为25.38d的条件下，硝酸盐的去除率达到了60%。相比而言，本研究在停留时间较少和水质更为复杂的条件下处理效果更好，说明屏障能够有效去除污染物。整体而言，试验性验证实验中，可渗透反应屏障技术在进水COD和TN分别为(225.17±41.95)mg・L⁻¹和(91.07±12.68)mg・L⁻¹的条件下，出水COD和TN分别达为了(62.85±22.92)mg・L⁻¹和(31.89±10.08)mg・L⁻¹，实现了污染物的大幅度削减。对于有水质标准和用水需求的地方，可以采用多组屏障联用的方式对污染物进一步去除。整体而言，屏障对壤中流的原位污染削减起到了较好的应用效果。
2.4 反应屏障控制机理分析
1)屏障使用前后形态及官能团表征。为充分了解示范前后反应屏障的变化情况，分别采用傅里叶红外光谱和扫描电镜对反应前后的屏障进行了表征。采用扫描电镜对可渗透反应屏障进行了表征，表征结果如图 3 所示。采用扫描电镜对可渗透反应屏障进行了 表征，结果如图 3(a) 所示。图 3(a) 左边为未使用的反应屏障不同放大倍数下的屏障结构，二者均显示制备而成的PRB呈现明显的多孔结构，多孔结构有利于微生物的附着生长，同时多孔结构也是屏障具有良好的透水性原因之一。使用后的反应屏障表面变得更为粗糙，且部分孔隙也被占据，这可能和屏障吸附了大量污染物质和附着了大量微生物群落有关。反应前后的反应屏障官能团主要特征峰类似。其中1433、1066、796、470cm⁻¹的特征峰与可渗透反应屏障的填料(沸石、活性炭、陶粒和膨胀珍珠岩)类似。而后2级反应屏障在3028、2930、2530、1600、1066、870cm⁻¹的吸收峰强度相较未使用的屏障和前2级反应屏障明显更强，这些峰分别对应C-H、CH₂、-OH、C=C、C-O和C-H键，说明后2级屏障可能吸附了更多的难降解有机物，指示其在难降解有机物的去除中起到了关键的作用。在3500~3400cm⁻¹附近，使用后的反应屏障样品中出现了宽而强的吸收峰，这是由于N-H和-OH伸缩振动或重叠所致；后2级的屏障在此区间内吸收峰更强，说明后2级反应屏障吸附了更多含氮污染物。在450~1170cm⁻¹及1810~1730cm⁻¹两谱带吸收峰较使用前强度有所增加，这两谱带分别代表了NO₂⁻和NO₃⁻基团，说明后2级屏障脱氮效果相较前2级屏障更好。整体而言，后2级屏障在难降解有机物和氮的去除中均表现出了良好的应用效果，这主要是因为后2级屏障的水力停留时间较长，较长的停留时间能够让屏障对污染物充分吸附，同时也给了微生物更多的代谢时间。
2)微生物群落结构分析。官能团分析主要解释了吸附作用在污染物去除中的贡献，为探索微生物降解的贡献，本研究采用Miseq高通量测序探究了可渗透反应屏障前后土壤、尼龙网和各级屏障上共10个采样点的微生物群落结构。如图 4(a) 所示，采样点h1、h2、h3和h4为4块屏障中取得的样品，采样点t1和t2为前2级屏障前后10cm处取得的土壤样品，t3和t4为后2级屏障前后10cm处取得的土壤样品，w1和w2分别为前后2级屏障上的尼龙网取得的样品。原始测序序列经过质控后共获得优化序列1762525条，这些序列在70%的置信度下进一步分类聚类，最终可划分为40个门、124个纲、289个目、475个科、995个属、11072个ASV。
通过样本菌群分型分析评估了不同样品微生物群落之间的差异，由图 4(b) 可知，前2级屏障和后2级屏障上的微生物群落分别各自聚拢，而土壤样本和尼龙网上的微生物样品高度聚集。每组屏障中的2级屏障之间的微生物群落结构没有显著的差异，主要原因有2个方面：1)反应屏障的渗透系数较高，这样每组的2级反应屏障之间的水质交换速率也较快，因此2级屏障之间水质差距不显著；2)反应屏障厚度仅为5cm，厚度较薄，2级屏障的微生物群落结构还不足以有显著的差异。这说明可渗透反应屏障上的微生物和土壤和尼龙网间的微生物具有较大的差异性，这是较好理解的，二者所处环境介质具有差异性，不同的环境条件塑造了差异显著的微生物群落。值得注意的是前2级反应屏障和后2级反应屏障微生物群落结构存在较大差异性，这可能是前后屏障进水浓度不同导致的；另一方面两组屏障采用的主要材料虽然相同，但是两者渗透系数不同，因此屏障对壤中流富集能力不同。而土壤含水率是决定土壤中微生物重要因素，PRB位于土壤中，其微生物组成受到含水率的影响也会形成不同的微生物群落结构。
为进一步确定前一组反应屏障、后一组反应屏障和土壤尼龙网上的微生物群落组成，基于菌群分型结果，将样品分为3组并分析了相对丰度大于1%的微生物属。由图 5 可知，前2级反应屏障中检测到丰度大于1%微生物共有22种，其中40.98%属于具有潜在氮代谢功能菌。Flavobacterium丰度最大(10.61%)，据报道该属中部分微生物是重要的反硝化细菌，且对抗生素等难降解有机物具有较好的处理效果。Hydrogenophaga、Pseudomonas和Silanimonas也是常见的反硝化细菌，其中Silanimonas被报道在低C/N的条件下，可以利用无机电子供体还原硝酸盐。简易垃圾填埋场的壤中流大多呈现低C/N特性，因此，Silanimonas有助于提升PRB的脱氮性能。其它几种菌Cellvibrio、Alishewanella、Exiguobacterium、norank_f__norank_o__Saccharimonadales、Rhodobacter、Gemmobacter、Acidovorax、Brevundimonas被报道是反硝化过程中的典型细菌。Rhodobacter、Acidovorax、Brevundimonas还被报道对难降解有机物有一定的去除效果，这也促进了简易垃圾填埋场壤中流中的难降解有机物的降解。此外，还存在22.19%的细菌对难降解有机物具有良好的降解效果，丰度最大的是Bacillus，据报道隶属于该属的某些微生物对烷烃类和烯烃类化合物具有较好的处理效果，因此，Bacillus的富集可能和壤中流中存在的烷烃类和烯烃类的难降解有机物有关。丰度位居第2的是Paracoccus，该微生物是降解多环芳烃的主要微生物之一。另外4种细菌也是常见的难降解有机物降解细菌。除了和氮代谢和难降解有机物代谢相关的细菌外，还有2种细菌丰度也较高，分别为Allorhizobium-Neorhizobium-Pararhizobium-Rhizobium(8.179%)和Devosia(5.78%)。前者是1种常见的固氮细菌，能够通过固氮的方式降解外源物质，同时该微生物也是土壤中常见的微生物之一，说明土壤中的部分微生物也在PRB上附着并生长。后者被报道具有良好的氨氮和有机氮降解能力，也有助于促进含氮污染物的去除。
后2级屏障中的主要微生物和前2级存在一定的差异，其中丰度大于1%微生物共有22种。具体而言，后2级屏障中的菌群主要为具有潜在氮代谢功能菌，总相对丰度高达62.58%，该值高于前2级屏障中氮代谢微生物的总相对丰度，指示后2级反应屏障具有更好的脱氮效果，在整个屏障系统脱氮过程中起到了关键的作用，这也与相关分析相对应。后2级反应屏障的渗透系数更低，停留时间更长，吸附条件更好且留给氮代谢微生物脱氮的时间也更充分，这些条件均有利于其在脱氮过程中占优势。脱氮菌群中丰度最高的3类细菌分别为Cellvibrio(22.59%)、Flavobacterium(10.04%)和Gemmobacter(5.78%)。三者均是典型的反硝化细菌，其中Cellvibrio表现出极好的NOx-N去除能力。除了脱氮相关的细菌外，难降解有机物降解菌的丰度为13.62%，分别为Corynebacterium、Paracoccus、Bacillus、Rheinheimera和Chryseomicrobium。总丰度相比前2级屏障有所减少，然而相关研究已证实后2级屏障上有关难降解有机物的官能团吸收峰较高，这说明后2级屏障对难降解有机物的降解效果可能主要是通过屏障的吸附作用。后2级屏障中也存在7.96%的其它细菌。其中，Allorhizobium-Neorhizobium-Pararhizobium-Rhizobium是常见的固氮细菌，而Devosia是常见的氨氮降解菌，上述2种细菌在前2级屏障中也具有较高浓度。
土壤和尼龙网中检测到丰度大于1%的微生物共有21种，且这些微生物的丰度均在1.01%~4.18%之间(图 5) 。因此，与屏障上检测到许多丰度高达22.59%的微生物相比，土壤和尼龙网中的微生物群落更为均匀，没有生态位优势尤其明显的功能菌。
为进一步验证生物反应屏障中的关键微生物(相对丰度大于等于5%)对污染物的代谢作用，分析了在3个样本间具有显著差异的微生物，并进一步采用db-RDA分析评估了污染物去除率(COD去除率和TN去除率)和对污染物降解有重要贡献的微生物之间的相关性 (图 6) 。
由图 6 可见，TTN与Cellvibrio、Flavobacterium、Corynebacterium呈现负相关，证实这些细菌在氮代谢过程中起到了较为关键的作用。COD与Cellvibrio、Allorhizobium-Neorhizobium-Pararhizobium-Rhizobium、Devosia、Corynebacterium、Paracoccus都呈现负相关，Cellvibrio、Corynebacterium和Paracoccus是难降解有机物的降解菌，因此与COD呈负相关是可以理解的，而Allorhizobium-Neorhizobium-Pararhizobium-Rhizobium和Devosia是固氮和氨化的异养细菌，其在代谢过程中可能需要消耗一定量的碳源，因此呈现出和COD的负相关性。
总体而言，前后2级反应屏障均形成了良好的微生物群落结构，二者因为渗透系数和进水浓度的不同，演替出了差异性较大的微生物群落结构。具体而言，前2级屏障以氮代谢菌(40.98%)和难降解有机物降解菌(22.19%)为主，后2级屏障则仅以氮代谢菌(62.58%)为主。难降解有机物去除方面，前2级反应屏障主要通过微生物的代谢作用降解污染物，而后2级屏障主要通过吸附作用去除难降解有机物；含氮污染物去除方面，前后2级屏障均起到了一定的作用，但鉴于后2级屏障氮代谢相关的官能团和氮代谢菌均更多，推测其在脱氮中起到了更为关键的作用。后期研究中，可以在前2级屏障中增加富含难降解有机物代谢菌的菌剂强化前2级屏障微生物的代谢作用，形成前后2组不同功能的屏障从而实现复合污染物的高效处理。
3、结论
1)本研究通过对挂膜菌剂、吸附填料、固定化填料和支撑孔隙填料的筛选优化，制备了两种渗透系数的反应屏障，通过对反应屏障布设级数和方式的优化形成了多级可渗透反应屏障修复技术，具体技术内容为：反应屏障应共布设4级，前2级为高渗透系数反应屏障(配比为活性炭∶陶粒∶沸石∶膨胀珍珠岩∶水泥∶石英砂为(质量比)4.8∶2.9∶3.8∶2.1∶9.2∶2.7)，后2级为低渗透系数反应屏障(配比为活性炭∶陶粒∶沸石∶膨胀珍珠岩∶水泥∶石英砂为(质量比)4.8∶2.9∶3.8∶2.1∶9.2∶0)，两级之间以间距/厚度为0布置，前2级与后2级之间以间距/厚度为6布置。
2)应用结果表明研究得到的反应屏障体系COD和TN的去除率分别达到了72.88%±6.91%和64.30%±13.91%，壤中流中的污染物得到了有效去除。
3)4级屏障中，前2级屏障主要通过微生物代谢作用降解难降解有机物，而后2级屏障主要用过吸附作用去除污染物；含氮污染物在前后2级屏障均被微生物代谢降解，且后2级屏障脱氮效果更佳。（来源：重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室）
