CN104307870B - 一种多溴联苯醚污染土壤的生物泥浆修复方法及专用设备 - Google Patents

Abstract

一种多溴联苯醚污染土壤的生物泥浆修复方法及专用设备，属于环境保护技术领域。其特征在于包括以下步骤：1）将多溴联苯醚污染土壤和水混合加入生物反应器中，加入无机盐营养物质和微量元素，在反应同时接种真菌和细菌，接种量为5%‑15%；在温度为25‑30°C，通气量为0.002‑0.008m³/s条件下，将反应器的搅拌桨转速控制在110‑150rpm；2）通过实验先测定污染土壤中多溴联苯醚污染的溴代数量，再对真菌与细菌的接种比例进行调整，提高降解效果，缩短降解时间。上述一种多溴联苯醚污染土壤的生物泥浆修复方法，操作简单，去除多溴联苯醚的能力强，修复效果好。

Description

一种多溴联苯醚污染土壤的生物泥浆修复方法及专用设备

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，具体为一种多溴联苯醚污染土壤的生物泥浆修复方法。

背景技术

多溴联苯醚的英文名为Poly Brominated Diphenyl Ethers（简称PBDEs），有四溴联苯醚、五溴、六溴、八溴、十溴等209种同系物。其商品多溴联苯醚是一组溴原子数不同的联苯醚混合物，因此被总称为多溴联苯醚。多溴联苯醚(PBDEs)是一类全球性的有机污染物，由于其持久性、毒性和潜在的生物蓄积性而备受关注，多溴联苯醚是一类环境中广泛存在的全球性有机污染物。由于其具有环境持久性，远距离传输，生物可累积性及对生物和人体具有毒害效应等特性，对其环境问题的研究已成为当前环境科学的一大热点。

多溴联苯醚是我们传统的阻燃剂品种，工业化生产的多溴联苯醚品种有：四溴联苯醚、五溴联苯醚、六溴联苯醚、七溴联苯醚、八溴联苯醚、九溴联苯醚及十溴联苯醚，其中常用的为五溴联苯醚、八溴联苯醚和十溴联苯醚三个品种。作为一种溴系阻燃剂的一大类阻燃物质，由于其优异的阻燃性能，已经越来越广泛的应用于各种消费产品当中。我国PBDEs土壤污染现状：贵屿和清源的电子垃圾产品拆解厂土壤样品中，PBDEs含量非常高。距清源电子垃圾产品拆解厂2公里处的道路土壤中总的PBDEs浓度为191-156 μg/kg ；农田土壤中的浓度为 2.9-207 μg/kg 。贵屿土壤中的PBDEs总浓度2720-4250 μg/kg ，在中国东部莱州湾溴代阻燃剂生产区，土壤样品中也检测到PBDEs,浓度为73-2629 μg/kg，北京东部地区污灌区的农田土中PBDEs的状况，其浓度为501.9-3310.7 ng/kg，平均浓度为1538 ng/kg ，上海市内土壤中PBDEs的总浓度为23.6-3797 ng/kg，太原土壤中浓度为0.016-211.4ng/kg ，哈尔滨为2.45-55.9 ng/kg ,平均浓度为 26.3 ng/kg。在全球海拔最高的西藏高原，其土壤中也检测到PBDEs，浓度为4.3-34.9ng/kg。

研究表明，PBDEs在各种环境基质中有显著上升甚至呈倍数关系增长，在动物甚至人体脂肪组织、血液、母乳均有检出，因此已成为一类在生态系统中无处不在的污染物。对人体的影响研究发现，从事生产PBDEs的工人甲状腺功能明显减弱。PBDEs在一定条件下，可转变为有毒可致癌的多溴代二苯并咲喃（PBDFs)和多溴代二并二惡。

进入环境可通过多个途径，包括生产与使用过程中的大气排放、含PBDEs废物的回收利用和垃圾填埋场的渗出等。PBDEs可以很容易的从产品中转移到周围环境空气中，这是因为这两种化合物和产品之间不存在化学键的作用。随着新一代信息技术和电子产品的更新，废旧电子产品的数量在全球范围内迅速增加。

生物修复与物理，化学修复相比更加有效，成本更低，对环境影响更小。微生物修复是研究最早，最深入，也是应用最广泛的生物修复技术，微生物修复技术包括生物反应器法，原位修复法，微生物-植物联合修复等方法。本发明采用生物反应器法利用微生物在反应器中修复多溴联苯醚污染土壤。与其他微生物修复方法相比，生物反应器法在有机物污染的土壤有明显的优势，其措施更具针对性，反应条件更容易控制，对环境要求较小，大大缩短治理周期。

生物泥浆反应器(Bioslurryreactor)是用于处理污染土壤的特殊反应器，可建在现场或异地。其基本原理就是用一定比例的水将污染土壤调成泥浆，以液相为介质利用微生物将土壤中有害有机污染物降解为无害的无机物质(如CO2和H2O)，降解过程由改变泥浆的理化条件(包括pH、温度、通气及营养盐添加)来完成。在微生物相互作用和污染物降解途径方面，生物泥浆反应器法和其它生物法，如原位处理的基本原理是相同的。以液相为介质并伴有搅拌的生物泥浆反应器修复法具有以下几个优点:(1)传质速度快，能增加微生物、污染物、营养物三者的接触(2)相对于原位生物修复和其它以固相为介质的现场修复来讲，其修复效率较高(3)修复周期短(4)条件可控，利于温度、pH等反应条件的优化(5)能有效利用生物刺激和生物强化措施(6)可通过表面活性剂和有机溶剂的添加提高污染物的解吸量和生物利用有效性。

尽管生物泥浆反应器修复法有一些缺点，但相对于焚烧、高级氧化，淋洗土壤等方法相比，生物泥浆反应器修复法的成本低得多，而且在反应器中不添加有害化学物质，利用微生物降解土壤中的多溴联苯醚，不会造成二次污染。将真菌与细菌同时利用可以克服土壤中多溴联苯醚污染物溴代数量不同而产生的降解困难。细菌在需氧条件下主要降解低溴代的多溴联苯醚，而真菌可以降解高溴代的多溴联苯醚。接种之前对污染土壤进行分析，测定其不同溴代数量的多溴联苯醚的组成。从而确定真菌与细菌的接种比例，可充分利用细菌和真菌的降解特性，提高降解效率。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于设计提供一种多溴联苯醚污染土壤的生物泥浆修复方法的技术方案，先利用种子罐对细菌和真菌进行扩大培养，提高反应器中降解菌的浓度；同时通过对多溴联苯醚的组分进行测定，调整真菌和细菌的接种比例，最终达到降解环境中多溴联苯醚污染的目的。

所述的一种多溴联苯醚污染土壤的生物泥浆修复方法，其特征在于包括以下步骤：1）将多溴联苯醚污染土壤和水以水土体积比比为2-4:1混合，加入生物反应器中，加入无机盐营养物质和微量元素，调节反应器内的无机盐物质含量：Na₂HPO₄·12H₂O6-8g/L,KH₂PO₄0.8-1.2g/L,(NH₄)₂SO₄0.3-0.8g/L,MgCl₂·6H₂O 0.08-0.12g/L,Ca(NO₃)₂·4H₂O40-60mg/L；微量元素含量FeSO₄·7H₂O 2-3g/L,ZnSO₄·7H₂O 0.02-0.04g/L,H₃BO₃0.2-0.4g/L,CoCl₃·6H₂O0.2-0.3g/L,NiCl₂·6H₂O 0.02-0.03g/L,Na₂MoO₄·2H₂O 0.02-0.04g/L；在反应同时接种具有多溴联苯醚降解能力的真菌和细菌，接种量为5%-15%；在温度为25-30°C，通气量为0.002-0.008m³/s条件下，将反应器的搅拌桨转速控制在110-150rpm，达到真菌和细菌在生物反应器协同降解多溴联苯醚；

2）通过实验先测定污染土壤中多溴联苯醚污染的溴代数量，再对真菌与细菌的接种比例进行调整，提高降解效果，缩短降解时间。

所述的一种多溴联苯醚污染土壤的生物泥浆修复方法，其特征在于：多溴联苯醚污染土壤和水以水土体积比比为2.5-3.5:1。

所述的一种多溴联苯醚污染土壤的生物泥浆修复方法，其特征在于：调节反应器内的无机盐物质含量：Na₂HPO₄·12H₂O 7g/L,KH₂PO₄1.0g/L,(NH₄)₂SO₄0.5g/L,MgCl₂·6H₂O0.1g/L,Ca(NO₃)₂·4H₂O50mg/L。

所述的一种多溴联苯醚污染土壤的生物泥浆修复方法，其特征在于：微量元素含量FeSO₄·7H₂O2.5g/L,ZnSO₄·7H₂O 0.03g/L,H₃BO₃0.3g/L,CoCl₃·6H₂O0.2-0.3g/L,NiCl₂·6H₂O 0.025g/L,Na₂MoO₄·2H₂O 0.025g/L。

所述的一种多溴联苯醚污染土壤的生物泥浆修复方法，其特征在于：真菌和细菌的接种量为7-12%，优选9-10%。

所述的一种多溴联苯醚污染土壤的生物泥浆修复方法，其特征在于步骤2）中：温度为26-28°C，通气量为0.003-0.007m³/s，优选0.004-0.006m³/s，搅拌桨转速120-140rpm，优选125-130rpm。

所述的一种多溴联苯醚污染土壤的生物泥浆修复方法，其特征在于：所述的具有降解多溴联苯醚降解能力的真菌为黄孢原毛平革菌。

所述的一种多溴联苯醚污染土壤的生物泥浆修复方法，其特征在于：所述的具有降解多溴联苯醚降解能力的细菌为鞘氨醇单胞菌属中的一种或一种以上混合物。

所述的一种多溴联苯醚污染土壤的生物泥浆修复方法，其特征在于：真菌与细菌首先在20L的种子罐中进行扩增培养，再分别以5%-15%接种量接种到生物反应器中。

所述的一种多溴联苯醚污染土壤的生物泥浆修复方法的专用设备，其特征在于包括生物泥浆反应器，生物泥浆反应器上部设置装料口、底部设置排料口，生物泥浆反应器内设置搅拌浆，生物泥浆反应器内还设置温度电极、溶氧电极、PH电极，生物泥浆反应器分别通过管路与真菌种子罐、细菌种子罐连接。

上述一种多溴联苯醚污染土壤的生物泥浆修复方法，通过对多溴联苯醚的组分进行测定，调整真菌和细菌的接种比例，最终达到降解环境中多溴联苯醚污染的目的，利用微生物将污染物彻底降解，无需添加其他有害化学试剂，成本低廉且不会产生二次污染；无机盐营养物质、微量元素的作用是增效作用。该方法操作简单，去除多溴联苯醚的能力强，可用于农田和场地中多溴联苯醚污染土壤的修复，修复效果好。

附图说明

图1为本发明采用的多溴联苯醚污染土壤样品检测结果图；

图2 为采用本发明所述方法后多溴联苯醚污染土壤生物降解2天结果图；

图3 为采用本发明所述方法后多溴联苯醚污染土壤生物降解3天结果图；

图4 为采用本发明所述方法后多溴联苯醚污染土壤生物降解4天结果图；

图5 为采用本发明所述方法后多溴联苯醚污染土壤降解5天的结果图；

图6 为采用本发明所述方法后多溴联苯醚污染土壤降解6天的结果图；

图7 为采用本发明所述方法后本发明生物泥浆降解率图；

图8为本发明专用设备的结构示意图；

图中：1-生物泥浆反应器、1a-装料口、1b-排料口、1c-搅拌浆、2-温度电极、3-溶氧电极、4-PH电极、5-真菌种子罐、6-细菌种子罐。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

步骤1）：本实例中采用有不锈钢制成的、容积为50L、带有搅拌及通气装置的生物泥浆反应器进行试验；培养真菌和细菌的种子罐为15L带有搅拌及通气装置的发酵罐；本实例中采用的真菌为黄孢原毛平革菌1株，细菌为鞘氨醇单胞菌1株；将培养于LB液体培养基中的鞘氨醇单胞菌以2%的接种量接种到细菌种子罐中进行扩大培养；同时将马铃薯液体培养基中培养的黄孢原毛平革菌以2%的量接种到真菌种子罐；本实施例中生物反应中装30L多溴联苯醚污染土壤，水土比为3:1。向生物泥浆反应器中加入无机盐营养物质，调节反应器内的无机盐物质含量：Na₂HPO₄·12H₂O₇.7.0365 g/L,KH₂PO₄ 1 g/L,(NH₄)₂SO₄ 0.5 g/L,MgCl₂·6H₂O 0.1 g/L,Ca(NO₃)₂·4H₂O 50 mg/L,微量元素含量FeSO₄·7H₂O 2.1385 g/L,ZnSO₄·7H2O 0.03 g/L,H₃BO₃ 0.3 g/L,CoCl₃·6H₂O 0.2868 g/L,NiCl₂·6H₂O 0.02 g/L,Na₂MoO₄·2H₂O 0.03 g/L。根据对土壤样品的分析结果，细菌与真菌的接种量为15%与10%，在30°C条件下进行生物修复，通气量为0.006m³/s，搅拌转速为120rpm，降解过程持续6天；反应结束后121°C、20min 对微生物进行失活处理，避免对环境影响；无机盐营养物质、微量元素的作用是增效作用；

步骤2）：检测方法与计算方法

对待处理的土壤样品进行检测，利用氯仿作为萃取剂，萃取方法如下:取土壤样品10g,加入30mL氯仿，在40°C的条件下震荡混合2小时，然后在40°C条件下超声萃取1小时，利用高效液相色谱对萃取液的成分进行测定；反应之前的土壤样品作为对照，分5次取样(w)；

降解率%=[对照（ck）-取样结果（w）]/对照（ck）

试验结果与分析：图1 结果为对多溴联苯醚污染土壤的分析结果，污染的组成以低溴代的为主，高溴代的较少，所以调整细菌与真菌的接种比例为15%与10%。

所述的多溴联苯醚污染土壤的生物泥浆修复方法的专用设备包括生物泥浆反应器1，生物泥浆反应器1上部设置装料口1a、底部设置排料口1b，生物泥浆反应器1内设置搅拌浆1c，生物泥浆反应器1内还设置温度电极2、溶氧电极3、PH电极4，生物泥浆反应器1分别通过管路与真菌种子罐5、细菌种子罐6连接。

实施例2：多溴联苯醚污染土壤和水以水土体积比比为2:1，调节反应器内的无机盐物质含量：Na₂HPO₄·12H₂O6g/L,KH₂PO₄0.8g/L,(NH₄)₂SO₄0.3g/L,MgCl₂·6H₂O 0.08g/L,Ca(NO₃)₂·4H₂O40mg/L；微量元素含量FeSO₄·7H₂O 2g/L,ZnSO₄·7H₂O 0.02g/L,H₃BO₃0.2g/L,CoCl₃·6H₂O0.2g/L,NiCl₂·6H₂O0.02g/L,Na₂MoO₄·2H₂O 0.02g/L；在反应同时接种具有多溴联苯醚降解能力的真菌和细菌，接种量为5%；在温度为25°C，通气量为0.002m³/s，其它同实施例1。

实施例3：多溴联苯醚污染土壤和水以水土体积比比为4:1，调节反应器内的无机盐物质含量：Na₂HPO₄·12H₂O 8g/L,KH₂PO₄1.2g/L,(NH₄)₂SO₄0.8g/L,MgCl₂·6H₂O 0.12g/L,

Ca(NO₃)₂·4H₂O460mg/L；微量元素含量FeSO₄·7H₂O 3g/L,ZnSO₄·7H₂O 0.04g/L,H₃BO₃0.4g/L,CoCl₃·6H₂O0.3g/L,NiCl₂·6H₂O 0.03g/L,Na₂MoO₄·2H₂O 0.04g/L，接种量为15%；温度为30°C，通气量为0.008m³/s条件下，其它同实施例1。

本发明所述的具有多溴联苯醚降解能力的微生物可以通过从多溴联苯醚的污染土壤中筛选，或者从各国菌种保存中心和研究机构获得已知的高效降解菌株的方式获得。生物反应器中所接种的真菌与细菌首先在20L的种子罐中进行扩增培养，再分别以5%-15%接种量接种到生物反应器中，使生物反应器的高效降解菌株的浓度提高，增强降解效果，缩短反应时间。通过实验先测定污染土壤中多溴联苯醚污染的溴代数量，再对真菌与细菌的接种比例进行调整，提高降解效果，缩短降解时间。

本发明提供的多溴联苯醚污染土壤的生物泥浆修复方法与现有的易位修复技术相比，其明显的优点在于：同时使用真菌和细菌作为多溴联苯醚的降解菌株，充分利用细菌快速降解低溴代联苯醚，真菌降解高溴代联苯醚和脱溴的特性，在修复土壤的过程中发挥各自的优点，能够实现真菌和细菌之间的生态合作与代谢途径的互补，从而实现多溴联苯醚的彻底降解。此外，在修复之前对土壤样品进行分析，确定污染物的组成成分，从而调整真菌与细菌的接种比例，通过控制反应条件，建立共同促进真菌和细菌快速降解多溴联苯醚的反应条件，在反应器中实现真菌和细菌对多溴联苯醚的协同降解。该方法利用微生物将污染物彻底降解，无需添加其他有害化学试剂，成本低廉且不会产生二次污染。该方法操作简单，去除多溴联苯醚的能力强，可用于农田和场地中多溴联苯醚污染土壤的修复，修复效果好。

以下通过试验进一步说明本发明的有益效果。

采用本发明实施例1所述的修复方法，结果表明：图2至图5是降解2到6天的结果，图6为反应器中的降解速率；高溴与低溴代的化合物均被微生物逐渐的降解，第6天污染物基本降解殆尽，在生物反应器中由于将接种量提高，增强了种群优势，缩短了菌株的适应时间，加快了降解速度，在反应开始时，微生物可以利用接种时引入的碳源进行自身繁殖，当该碳源消耗殆尽后，降解菌株可以利用多溴联苯醚作为碳源，从而起到了对污染物降解的目的；本发明操作简单，使用，降解周期短，可以用于农田及场地多溴联苯醚污染土壤的修复，修复效果好。如本领域技术人员所公知，生物反应器中细菌与真菌的接种量，搅拌速度和通气量与生物反应器的大小、类型，污染土壤的实际情况有关，在实际应用中，可根据本领域技术人员所公知的知识进行适当调整。采用本发明实施例2、3也能达到本发明所述的有益效果。本发明已参照较优实施方案进行描述，熟悉上述详细描述的本领域技术人员可以做出变动与替换，其均包含在本发明的范围和实质内容中。

Claims (8)

1.一种多溴联苯醚污染土壤的生物泥浆修复方法，其特征在于包括以下步骤：1）将多溴联苯醚污染土壤和水以水土体积比比为2-4:1混合，加入生物反应器中，加入无机盐营养物质和微量元素，调节反应器内的无机盐物质含量：Na₂HPO₄·12H₂O 6-8g/L,KH₂PO₄0.8-1.2g/L,(NH₄)₂SO₄0.3-0.8g/L,MgCl₂·6H₂O 0.08-0.12g/L,Ca(NO₃)₂·4H₂O40-60mg/L；微量元素含量FeSO₄·7H₂O 2-3g/L,ZnSO₄·7H₂O 0.02-0.04g/L,H₃BO₃0.2-0.4g/L,CoCl₃·6H₂O0.2-0.3g/L,NiCl₂·6H₂O 0.02-0.03g/L,Na₂MoO₄·2H₂O 0.02-0.04g/L；真菌与细菌首先在20L的种子罐中进行扩增培养，在反应同时接种具有多溴联苯醚降解能力的真菌和细菌，分别以5%-15%接种量接种到生物反应器中；所述的真菌为黄孢原毛平革菌，所述的细菌为鞘氨醇单胞菌属中的一种或一种以上混合物；在温度为25-30°C，通气量为0.002-0.008m³/s条件下，将反应器的搅拌桨转速控制在110-150rpm，达到真菌和细菌在生物反应器协同降解多溴联苯醚；

2）通过实验先测定污染土壤中多溴联苯醚污染的溴代数量，再对真菌与细菌的接种比例进行调整，提高降解效果，缩短降解时间。

2.如权利要求1所述的一种多溴联苯醚污染土壤的生物泥浆修复方法，其特征在于：多溴联苯醚污染土壤和水以水土体积比比为2.5-3.5:1。

3.如权利要求1所述的一种多溴联苯醚污染土壤的生物泥浆修复方法，其特征在于：调节反应器内的无机盐物质含量：Na₂HPO₄·12H₂O 7g/L,KH₂PO₄1.0g/L,(NH₄)₂SO₄0.5g/L,MgCl₂·6H₂O 0.1g/L,Ca(NO₃)₂·4H₂O50mg/L。

4.如权利要求1所述的一种多溴联苯醚污染土壤的生物泥浆修复方法，其特征在于：微量元素含量FeSO₄·7H₂O2.5g/L,ZnSO₄·7H₂O 0.03g/L,H₃BO₃0.3g/L,CoCl₃·6H₂O0.2-0.3g/L,NiCl₂·6H₂O 0.025g/L,Na₂MoO₄·2H₂O 0.025g/L。

5.如权利要求1所述的一种多溴联苯醚污染土壤的生物泥浆修复方法，其特征在于：真菌和细菌的接种量为7-12%。

6.如权利要求1所述的一种多溴联苯醚污染土壤的生物泥浆修复方法，其特征在于：真菌和细菌的接种量为9-10%。

7.如权利要求1所述的一种多溴联苯醚污染土壤的生物泥浆修复方法，其特征在于步骤2）中：温度为26-28°C，通气量为0.003-0.007m³/s，搅拌桨转速120-140rpm。

8.如权利要求1所述的一种多溴联苯醚污染土壤的生物泥浆修复方法，其特征在于步骤2）中：通 气量为0.004-0.006m³/s，搅拌桨转速125-130rpm。