CN101269381B - 一种化学强化堆肥去除污染土壤中菲的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种化学强化堆肥去除污染土壤中菲的方法，包括以下步骤：对菲污染的土壤进行除杂后往其中加入膨胀剂，添加量为除杂后土壤质量的10％～20％，利用臭氧对加入膨胀剂后的土壤进行化学氧化预处理，预处理时间为40min～100min；再选取农业植物废物、树叶、膨胀剂及上述预处理后的土壤作为堆肥原料，将所述堆肥原料经风干、破碎、混合后开始进行堆制处理，堆制时间为25d～35d。堆制处理完成后可基本去除土壤中的菲污染物。本发明的土壤再生方法不仅节约了氧化剂的用量，而且解决了堆肥技术修复菲污染土壤的传质限制问题，降低了菲的残留率，是一种操作简单、成本低、效果好、时间短的土壤再生修复方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种化学强化生物学环保技术，尤其涉及一种利用化学强化生物学环保技术让被污染土壤再生的方法。
背景技术
由于燃料的不完全燃烧等原因，多环芳烃(PAHs)进入环境。土壤是环境中PAHs的重要载体。由于水溶性极低，PAHs在环境中很难被生物降解，是一类典型的持久性有机污染物，可对人体造成急慢性伤害，部分PAHs有很强的致畸、致癌、致突变作用。因此，土壤中多环芳烃的控制和修复已成为一个备受关注的领域。
土壤中多环芳烃的修复方法主要有化学法、物理法和生物法等。物理方法和化学方法去除率较高，但成本高、易残留；一般的生物处理能耗低、操作条件温和，但降解速度慢，降解不彻底。而在堆肥体系中，微生物的数量是土壤中微生物数量的2～3倍，含有许多能降解PAHs的微生物，且在堆肥体系中大量的易降解有机物为微生物的生长提供了充足的碳源和能源，同时多样的碳源为共代谢降解PAHs提供了物质基础。因此，堆肥技术成为降解污染土壤中PAHs的可能途径。堆肥过程中，PAHs的生物降解效率主要受其生物可利用性制约，因此如何提高土壤中PAHs的生物可利用性成为该项技术的关键环节。将化学氧化和堆肥技术结合起来去除土壤中的PAHs是提高土壤中PAHs生物可利用性的一种思路，但该技术方案究竟是否可行，技术效果如何，国内外尚无相关研究资料。菲(phe)是土壤中最常见的一类PAHs污染物，且具有可致癌性的特征性结构(K区和湾区结构)，因此以菲作为PAHs的代表性物质，研究开发一种利用化学氧化-堆肥技术降解污染土壤中菲的方法，这在PAHs污染土壤的修复再生技术领域就变得令人关切和瞩目。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种操作简单、成本低、时间短、效果好的化学强化堆肥去除污染土壤中菲的方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种化学强化堆肥去除污染土壤中菲的方法，包括以下步骤：
(1)化学氧化预处理：将受菲污染的土壤自然风干，将风干后土壤中的石头及其他杂质剔除，再往其中加入膨胀剂，膨胀剂的添加量为除杂后土壤质量的10％～20％，利用臭氧对加入膨胀剂后的土壤进行化学氧化预处理，预处理时间为40min～100min；加入膨胀剂是为了增大土壤的孔隙率，改善臭氧与土壤颗粒之间的传质过程，提高氧化效率；
(2)堆制处理：选取农业植物废物(例如莴笋叶、白菜叶等蔬菜、瓜果的根茎叶)、树叶、膨胀剂及上述预处理后的土壤作为堆肥原料，各原料的质量配比为(6～10)∶(1～3)∶(1～4)∶(16～18)，将所述堆肥原料经风干、破碎、混合后开始进行(好氧)堆制处理，堆制时间为25d～35d。
在上述堆制处理过程中，应当经常性地对堆料进行强制通风供氧(例如每天一次)和搅拌(例如每隔两天进行一次)，以保证堆料中氧气的扩散和物料的充分混合。
上述化学氧化预处理步骤中，每千克土壤(以土壤干重计)的臭氧用量为3.1g～7.6g。
上述臭氧的氧化预处理过程是在柱状反应器内进行，柱状反应器有利于气固传质，所述柱状反应器下部设有筛板以利于臭氧的分布。
上述堆制处理过程中，堆肥原料经风干、并破碎至粒径不大于30mm后，再开始进行堆制处理。
上述堆制处理过程中，堆制环境温度控制在30℃～40℃，堆料水分含量保持在50％～60％。
上述方法中选用的膨胀剂为木屑、干草、花生壳或秸秆等土壤用膨胀剂。
与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)将堆肥技术与化学氧化技术结合，节约了氧化剂的用量；(2)将化学氧化技术前置不仅能够降低土壤中的菲残留量，减小后续堆肥处置中其对微生物的抑制作用，而且能够破坏土壤有机物中的芳香结构和疏水结构，削弱天然有机物与菲之间的相互作用，促进菲的解吸，从而解决堆肥技术修复菲污染土壤的传质限制问题，降低了菲的残留率，缩短了堆制时间；(3)本发明采用臭氧做氧化剂克服了氧化剂的残留问题；(4)本发明的方法无需额外对堆肥原料的pH值、有机质含量等指标进行调节便可顺利完成堆制过程，堆制成品基本腐熟，可消除其对植物的毒害作用。本发明操作简单、成本低、时间短、效果好，是一种能有效去除污染土壤中菲的方法。
附图说明
图1为土壤中的菲去除率随臭氧预处理时间变化的柱形图；
图2为堆料的pH值随堆制时间变化的折线散点图；
图3为堆料的有机质含量随堆制时间变化的折线散点图；
图4为堆料的种子发芽指数随堆制时间变化的折线散点图；
图5为堆料中的菲残留率随堆制时间变化的折线散点图。
具体实施方式
实施例1：
本实施例选用的土壤为菲含量为500mg/kg的表层(0～5cm)土壤，质量为100kg，有机质含量为7.73％，对上述土壤按以下步骤进行处理：
(1)化学氧化预处理：将上述受菲污染的土壤自然风干，将风干后土壤中的石头及其他杂质剔除并加入土壤质量10％的木屑，用0.76kg臭氧对加入木屑后的土壤进行化学氧化预处理，氧化预处理过程是在下部设有筛板的柱状反应器中进行，处理时间为100min；
(2)堆制处理：选取质量配比为3∶1∶1∶8的农业植物废物、树叶、木屑及上述预处理后的土壤作为堆肥原料，将所述堆肥原料风干、破碎至粒径不大于20mm，然后充分混合；在此配比下，堆料的有机质含量在37％左右，C/N约为30∶1，调节含水率为60％；堆制处理开始后，每天对堆料进行强制通风供氧，每隔两天进行一次搅拌，搅拌时调节堆料含水率为60％，堆制过程中控制堆制环境温度为30℃，堆制处理31d后得到基本去除污染物菲的土壤。
上述臭氧氧化预处理过程中，土壤中菲去除率随处理时间的变化如图1所示，处理100min后，土壤中的菲去除率可达52.09％，这说明臭氧的氧化预处理能够有效去除污染土壤中的菲；处理60min后，土壤中菲去除率随处理时间延长而增大的幅度在逐渐减小，因此实践中可适当缩短臭氧的预处理时间，以节约臭氧和能源。
上述堆制过程中，土壤pH值、有机质含量(VS)、种子发芽指数(GI)及菲残留率随堆制时间的变化分别如图2、图3、图4、图5所示。堆肥最适合的pH值是在6到8之间，这也是多环芳烃降解的最佳酸碱度范围，由图2可知，整个堆制过程中pH值均在6～8之间，有利于堆肥过程的进行，也有利于菲的降解，不需额外进行pH值的调节。微生物对堆料中有机质的消耗使其含量下降，有机质含量的下降又会抑制微生物的生长，由图3可知，堆料中的VS随堆肥化的进行而逐渐下降，堆制中后期，VS的变化速率减慢。有机污染物存在时，污染物会抑制一些酶的活性，从而使种子萌发受影响，破坏发芽过程，因此通过测定种子发芽情况就可以预测和评价环境污染物对植物的潜在毒性。当种子发芽指数大于80％时可认为堆肥腐熟，已基本消除植物毒性，而从图4可以看出本实施例的堆制处理最初的GI值在50％左右，然后随堆肥化的进行呈逐渐增加趋势；堆制13d时，GI值已达80％；堆制30d时，GI值达到142％，这说明堆料腐熟，已基本消除植物毒性。由图5可知，经臭氧预处理后的表层土壤堆制31d时，菲的残留率降至1.1％。
实施例2：
实施例选用的土壤为菲含量为500mg/kg的次表层(5～10cm)土壤，质量为100kg，有机质含量为3.64％，对上述土壤按以下步骤进行处理：
(1)化学氧化预处理：将上述受菲污染的土壤自然风干，将风干后土壤中的石头及其他杂质剔除并加入土壤质量10％的木屑，用0.76kg臭氧对加入木屑后的土壤进行化学氧化预处理，氧化预处理过程是在下部设有筛板的柱状反应器中进行，处理时间为100min；
(2)堆制处理：选取质量配比为3∶1∶1∶8的农业植物废物、树叶、木屑及上述预处理后的土壤作为堆肥原料，将所述堆肥原料风干，破碎至粒径不大于20mm，然后充分混合；在此配比下，堆料的有机物含量在36％左右，C/N约为30∶1，调节含水率为60％；堆制处理开始后，每天对堆料进行强制通风供氧，每隔两天进行一次搅拌，搅拌时调节堆料含水率为60％，堆制过程中控制堆制环境温度为30℃，堆制处理31d后得到基本去除污染物菲的土壤。
上述臭氧氧化预处理过程中，土壤中菲去除率随处理时间的变化如图1所示，处理100min后，土壤中的菲去除率可达76.42％，这说明臭氧的氧化预处理能够有效去除污染土壤中的菲；处理40min后，土壤中菲去除率随处理时间延长而增大的幅度在逐渐减小，因此实践中可适当缩短臭氧的预处理时间，以节约臭氧和能源。由图1还可得知，在所述的预处理时间范围内，表层土壤的菲去除率一直小于次表层土壤的菲去除率，这是由于表层土壤中有机质含量较多，在臭氧化过程中消耗了大量臭氧所致。据此可见，臭氧氧化可以显著降低两种土壤中菲的含量，是一种有效去除土壤中菲的方式，而菲的去除效率和臭氧消耗量受土壤中有机质含量影响很大。
上述堆制过程中，土壤pH值、有机质含量、种子发芽指数及菲残留率随堆制时间的变化分别如图2、图3、图4、图5所示。由图2和图3可知，堆制过程中，土壤的pH值、有机质含量的变化趋势类似于实施例1，这说明次表层土壤的整个堆制过程中亦不需要额外调节pH值和有机质含量。从图4可以看出本实施例在堆制处理30d后，GI值可达145％，这说明堆料腐熟，已基本消除植物毒性。由图5可知，经臭氧预处理后的次表层土壤堆制31d时，菲的残留率降至0.9％。
Claims (5)
1.一种化学强化堆肥去除污染土壤中菲的方法，包括以下步骤：
(1)化学氧化预处理：对菲污染的土壤进行除杂后往其中加入膨胀剂，添加量为除杂后土壤质量的10％～20％，利用臭氧对加入膨胀剂后的土壤进行化学氧化预处理，预处理时间为40min～100min；
(2)堆制处理：选取蔬菜和瓜果的根茎叶、树叶、膨胀剂及上述预处理后的土壤作为堆肥原料，各原料的质量配比为(6～10)∶(1～3)∶(1～4)∶(16～18)，将所述堆肥原料经风干、破碎、混合后开始进行堆制处理，堆制时间为25d～35d；
所述膨胀剂为木屑、干草、花生壳或秸秆。
2.根据权利要求1所述的化学强化堆肥去除污染土壤中菲的方法，其特征在于所述化学氧化预处理步骤中，每千克土壤的臭氧用量为3.1g～7.6g。
3.根据权利要求1所述的化学强化堆肥去除污染土壤中菲的方法，其特征在于所述臭氧的氧化预处理过程是在柱状反应器内进行，所述柱状反应器下部设有筛板。
4.根据权利要求1所述的化学强化堆肥去除污染土壤中菲的方法，其特征在于所述堆制处理过程中，堆肥原料经风干并破碎至粒径不大于30mm后，再开始进行堆制处理。
5.根据权利要求1所述的化学强化堆肥去除污染土壤中菲的方法，其特征在于所述堆制处理过程中，堆制环境温度控制在30℃～40℃，堆料水分含量保持在50％～60％。
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