CN104668280A

CN104668280A - 基于生物淋滤和电动力学修复土壤的方法

Info

Publication number: CN104668280A
Application number: CN201510055114.0A
Authority: CN
Inventors: 余震; 王跃强; 黄雷
Original assignee: Guangdong Institute of Eco Environment and Soil Sciences
Current assignee: Guangdong Institute of Eco Environment and Soil Sciences
Priority date: 2015-02-03
Filing date: 2015-02-03
Publication date: 2015-06-03

Abstract

本发明公开了一种基于生物淋滤和电动力学修复重金属污染土壤的方法。本发明通过在生物淋滤-电动力学装置的中间腔室加入待修复土壤，并调节含固量，加入还原性能源底物和生物淋滤接种物；在左右两个腔室中加入电解液，接通电源，将中间腔室的混合物混合均匀，保持一定的溶解氧，对土壤进行修复处理。本发明将生物淋滤技术与电动力学方法结合去除污染土壤中的Cu、Zn、Cr和Pb等重金属；生物淋滤技术为电动力学修复提供酸性环境，加速重金属溶出，两种技术协同合作能提高土壤修复的效率并且大大缩短修复周期。

Description

基于生物淋滤和电动力学修复土壤的方法

技术领域

本发明涉及一种基于生物淋滤和电动力学修复重金属污染土壤的方法。

背景技术

人类大力发展工农业已经引起了严重的环境问题，其中包括有毒重金属如Cu、Zn、Cd、Cr、Pb等造成的土壤污染。与有机物不同，重金属在土壤中不被生物降解，因此重金属会在环境中停留很长时间，先累积于土壤，之后进入地下水和食物链，对动植物和人类生命健康造成威胁。因此，重金属污染土壤的修复已经迫在眉睫。

纵观近年来国内外关于土壤重金属污染的修复技术，一般采用物理、化学和生物修复方法。

物理修复是最先发展的修复技术之一，包括工程修复法、热解析修复法和电动力学修复法等。动电力学修复法即在电场的作用下，土壤中的重金属离子（如Pb、Cd、Cr、Zn等）和无机离子以电透渗和电迁移的方式向电极运输，然后进行集中收集处理。该方法可以控制污染物的流动方向，适于低渗透的黏土和淤泥土。电动修复过程中不搅动土层，是一种原位修复技术，可以缩短修复的时间，是一种经济、可行的修复技术。研究表明，该技术的修复效果受到多种因素影响，如土壤缓冲性能、pH值、土壤组分及污染金属种类等。

化学修复包括重金属拮抗剂的使用、化学改良剂修复法、表面活性清洗剂修复法等。化学修复法虽能在短时间内大幅度去除重金属，但耗酸量大、处理费用高、操作不便，使其难以付诸于工程实施。

生物修复是利用微生物或植物的生命代谢活动，对土壤中的重金属进行富集或者提取，通过生物作用改变重金属在土壤中的化学形态，使重金属固定或解毒，降低其在环境中的迁移性和生物可利用性。生物修复成本低、高效且对环境无害。

生物淋滤是指利用特定微生物或其代谢产物的氧化、还原、络合、吸附或溶解作用，将固相中某些不溶性成分(如重金属、硫及其它金属)分离浸提的一种技术。20世纪50年代美国就开始利用生物淋滤法浸出铜矿，20世纪60年代加拿大浸出铀矿，以及20世纪80年代对难处理的金矿细菌氧化预处理的工业应用相继成功。目前生物淋滤技术的研究和应用正扩展到环境污染治理等领域，属于生物修复的范畴，其中南京农业大学就生物淋滤技术（生物沥浸技术）申请了若干专利（公开号为CN2813632A、CN101913743A、CN102250779A、CN102250776A等），主要涉及生物淋滤各类微生物及反应器。生物淋滤技术有很多优势：如反应条件温和、低能耗、步骤简单和环境影响小，但是工作周期长仍是生物淋滤进行大规模实际应用的限制因素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于生物淋滤和电动力学修复土壤的方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种基于生物淋滤和电动力学修复土壤的方法，包括下列步骤：在生物淋滤-电动力学装置的中间腔室加入待修复土壤，并调节含固量，加入还原性能源底物和生物淋滤接种物；在左右两个腔室中加入电解液，接通电源，将中间腔室的混合物混合均匀，保持一定的溶解氧，对土壤进行修复处理。

进一步的，生物淋滤-电动力学装置是利用有孔洞的隔板将其分为三个腔室，其中隔板上包裹着0.22～0.65um的滤膜。

进一步的，生物淋滤-电动力学装置中三个腔室之间的滤膜为纤维类滤膜、尼龙滤膜或合成树脂类滤膜。

进一步的，待修复土壤样品加水调节含固量至1～10%。

进一步的，还原性能源底物的加入比例为4～10 g·L^-1和生物淋滤接种物加入比例为5～10%v/v。

进一步的，还原性能源底物可选择硫粉、黄铁矿或FeSO₄·7H₂O。

进一步的，直流电源提供的电流密度为0.25～1.5 mA/cm²。

进一步的，可以利用曝气管泵入空气，或在底部开设通气孔，保持反应器内的溶解氧平均浓度为7.0～8.0 mg/L。

进一步的，生物淋滤接种物通过将生物淋滤菌种接种在生物淋滤培养基中振荡富集培养获得；或通过驯化污泥中内源的嗜酸性无机化能自养菌，并导入还原性能源底物，进行振荡富集培养制备得到。

本发明的有益效果是：

本发明将生物淋滤技术与电动力学方法结合去除污染土壤中的Cu、Zn、Cr和Pb等重金属。生物淋滤技术为电动力学修复提供酸性环境，加速重金属溶出，两种技术协同合作能提高土壤修复的效率并且大大缩短修复周期。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但并不局限于此。

土壤采样与预处理：选择荆州市拆除的电镀厂为目标，取部分表层土壤（0～20 cm），将石块、树根等杂物拣出后，自然风干，备用。

经测定：土壤中有8.3%的有机质含量，19.5 cmol kg^-1的阳离子交换量（CEC），12.3%的粘土，42.6%的淤泥，以及45.1%的沙土。受污染土壤中的三种重金属（即铜、锌和铬）总含量超过中国土壤环境质量标准（GB15618-1995），其中铜的总含量高于标准58%，锌含量为标准的3倍以上，Cr含量几乎为标准的3倍，Pb的总含量低于但已经非常接近标准。

生物淋滤接种物可选择直接购买，或将生物淋滤菌种接种在生物淋滤培养基中振荡富集培养获得；或通过驯化污泥中内源的嗜酸性无机化能自养菌，并导入还原性能源底物，进行振荡富集培养，反复此过程3～5次制备得到。

其中还原性能源底物可选择硫粉、黄铁矿或FeSO₄·7H₂O等等。

以下几个实施例中我们选用的生物淋滤接种物均采用污泥中添加还原性能源底物富集得到，具体方法如下：

选取普通城市污水处理厂二次沉淀池的污泥，调节含水率至95～99.5 %，以20～30 g·L^-1的浓度添加FeSO₄·7H₂O作铁氧化细菌的能量源，在150～200 rmp 20～30 ℃的条件下振荡培养，直至pH值降至2.0～3.0。然后取混合培养物按照10～20 %的比例接种到新鲜污泥中，并添加与上一次培养同等浓度的FeSO₄·7H₂O，再次振荡培养，重复此富集过程3~5次，所得混合培养物即为生物淋滤接种物。

生物淋滤-电动力学装置为圆形、椭圆形或方形池，但不限于此；装置内壁进行防腐处理；两块有孔洞的隔板将生物淋滤-电动力学装置分为三个腔室，其中隔板上包裹着0.22～0.65um 的滤膜。上述滤膜可选择纤维类滤膜、尼龙滤膜或合成树脂类滤膜。

实施例1

在生物淋滤-电动力学装置左右2个腔室中加入自来水用作阳极室和阴极室的电解液，接通电源，确保直流电源提供的电流密度为0.25～1.5 mA/cm²。将40克土壤样品用1000毫升的去离子水混合均匀，并加入10 g·L^-1FeSO₄.7H₂O和10％v/v的生物淋滤接种物，所有这些加入到中间腔室。启动搅拌装置，调节搅拌速率至150～200 rmp，利用曝气管泵入空气，确保有效供给可溶性氧气为7.0～8.0mg/L，并保持土壤悬浮液的均匀性。持续6天每天取样。测定其pH值及Cu、Zn、Cr、Pb随着时间变化的溶出率。

结果显示：pH值是影响重金属溶解的最重要的操作参数，采用联合修复方法，随着时间的推移pH值急剧下降，土壤pH值2天后降低至4.4，4天后降低至2.5，第6天即达到2.0的酸度。Cu、Zn、Cr、Pb的溶出率在第6天时分别达到了77%、74%、70%、45%。

实施例2

在生物淋滤-电动力学装置左右2个腔室中加入自来水用作阳极室和阴极室的电解液，接通电源，确保直流电源提供的电流密度为0.25～1.5 mA/cm²。将80克土壤样品用1000毫升的去离子水混合均匀，并加入5 g·L^-1硫磺粉和5％v/v的生物淋滤接种物，所有这些加入到中间腔室。启动搅拌装置，调节搅拌速率至150～200 rmp，利用曝气管泵入空气，确保有效供给可溶性氧气为7.0～8.0mg/L，并保持土壤悬浮液的均匀性。持续6天每天取样。测定其pH值及Cu、Zn、Cr、Pb随着时间变化的溶出率。

结果显示：pH值是影响重金属溶解的最重要的操作参数，采用联合修复方法，随着时间的推移pH值急剧下降，土壤pH值2天后降低至4.7，4天后降低至2.6，第6天即达到2.2的酸度。Cu、Zn、Cr、Pb的溶出率在第6天时分别达到了75%、72%、69%、43%。

对比例1：电动力学修复法

在修复装置左右2个腔室中加入自来水用作阳极室和阴极室的电解液，接通电源，确保直流电源提供的电流密度为0.25～1.5 mA/cm²。将40克土壤样品用1000毫升的去离子水混合均匀，加入中间腔室。启动搅拌装置，调节搅拌速率至150～200 rmp，利用曝气管泵入空气，确保有效供给可溶性氧气7.0～8.0mg/L，并保持土壤悬浮液的均匀性。持续6天每天取样。测定其pH值及Cu、Zn、Cr、Pb随着时间变化的溶出率。

结果显示：随着时间的推移pH值迅速下降，土壤pH值2天后降低至5.4，第4天降低至4.6，第6天pH值即达到4.0。Cu、Zn、Cr、Pb的溶出率在第6天时分别达到34%、45%、33%、22%。

对比例2：生物淋滤修复法

在220毫升固体含量达到4%的土壤浆状物中加入10g·L^-1的FeSO₄.7H₂O和10％v/v的生物淋滤接种物，温度为30℃转速为200rpm下进行振荡培养18天。前6天每天取样，后12天每隔一天取样。测定其pH值及Cu、Zn、Cr、Pb随着时间变化的溶出率。

结果显示：随着时间的推移pH值迅速下降，土壤pH值2天后降低至5.2，第4天降低至4.5，第6天pH值即达到3.4，14天后达到2.2，持续到18天pH值都为2.2。Cu、Zn、Cr、Pb的溶出率在第6天时分别达到45%、58%、53%、17%，在第14天时分别达到67%、70%、56%、28%，在第18天时分别达到60%、66%、61%、31%。

由上述实施例以及对比例数据可知，在相等或者更短的时间里，生物淋滤和电动力学的组合比单独的生物淋滤或者单独的电动力学修复更能提高重金属溶出比率，因为酸性环境和嗜酸性无机化能自养菌的旺盛生长适宜重金属的析出，同时，在电场作用下，溶出重金属离子被电极吸附后不会再次进入土壤。

Claims

1.一种基于生物淋滤和电动力学修复土壤的方法，其特征在于：包括下列步骤：在生物淋滤-电动力学装置的中间腔室加入待修复土壤，并调节含固量，加入还原性能源底物和生物淋滤接种物；在左右两个腔室中加入电解液，接通电源，将中间腔室的混合物混合均匀，保持一定的溶解氧，对土壤进行修复处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于生物淋滤和电动力学修复土壤的方法，其特征在于：生物淋滤-电动力学装置是利用有孔洞的隔板将其分为三个腔室，其中隔板上包裹着0.22～0.65um的滤膜。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于生物淋滤和电动力学修复土壤的方法，其特征在于：生物淋滤-电动力学装置中三个腔室之间的滤膜为纤维类滤膜、尼龙滤膜或合成树脂类滤膜。

4.根据权利要求1所述的一种基于生物淋滤和电动力学修复土壤的方法，其特征在于：待修复土壤样品加水调节含固量至1～10%。

5.根据权利要求1所述的一种基于生物淋滤和电动力学修复土壤的方法，其特征在于：还原性能源底物的加入比例为4～10 g·L^-1和生物淋滤接种物加入比例为5～10%v/v。

6.根据权利要求1或5所述的一种基于生物淋滤和电动力学修复土壤的方法，其特征在于：还原性能源底物可选择硫粉、黄铁矿或FeSO₄·7H₂O。

7.根据权利要求1所述的一种基于生物淋滤和电动力学修复土壤的方法，其特征在于：直流电源提供的电流密度为0.25～1.5 mA/cm²。

8.根据权利要求1所述的一种基于生物淋滤和电动力学修复土壤的方法，其特征在于：可以利用曝气管泵入空气，或在底部开设通气孔，保持反应器内的溶解氧平均浓度为7.0～8.0 mg/L。

9.根据权利要求1所述的一种基于生物淋滤和电动力学修复土壤的方法，其特征在于：生物淋滤接种物通过将生物淋滤菌种接种在生物淋滤培养基中振荡富集培养获得；或通过驯化污泥中内源的嗜酸性无机化能自养菌，并导入还原性能源底物，进行振荡富集培养制备得到。