CN105750313B - 一种表面活性剂强化有机污染土壤电动-生物修复的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种表面活性剂强化有机污染土壤电动‑生物修复的方法及装置，可有效提高传统电动‑生物修复有机污染物的效率。本发明包括设计中心阴极外侧环形阳极的圆筒形电极矩阵构型，生物炭固定化微生物沿阳极内侧填充到修复土壤系统中构成环形生物PRB，采用电动注入的方式将表面活性剂加入到修复土壤中。该方法克服了传统土壤电动‑生物联合修复中存在的有机污染物生物可利用性低、修复效率空间差异大、总体修复效率低等难题，既可用于有机污染土壤的异位修复，也可用于原位修复。

Description

一种表面活性剂强化有机污染土壤电动-生物修复的方法
技术领域
本发明涉及有机污染土壤修复技术，具体的说是一种表面活性剂强化有机污染土壤电动-生物修复的方法，属于环保技术领域。
背景技术
有机污染物(石油烃、农药等)进入土壤后，能够与土壤颗粒紧密结合，改变土壤结构，降低土壤通透性，影响土壤微生物活性，阻碍植物生长，其中的“三致”类污染严重威胁人体健康，对环境和区域生态系统带来了极大的危害。因此，发展高效可行的有机污染土壤修复方法与技术是本领域研究人员一直关注的重要课题。
生物降解是去除土壤中有机污染物的主要途径之一。与其他污染土壤处理技术相比，生物修复技术具有成本低、对环境影响小等优点。然而，有机污染土壤普遍存在通透性差，均质性差，生物毒性强等问题。有机污染物的降解主要通过微生物吸收溶解态有机物来实现，然而有机污染物通常疏水性强、粘度大、吸附性强，与土壤颗粒紧密结合而很难分离，土壤中有机污染物的生物可利用性成为限制其生物降解的主要因素。
近年来的研究表明，在有机污染土壤中加入表面活性剂可明显提高有机污染物的生物降解率。然而表面活性剂易被土壤吸附导致吸附损失，表面活性剂的加入还可能对微生物产生毒害作用，有些表面活性剂还可作为微生物可利用的生长基质而被优先降解，从而大大限制了该方法的应用。生物炭对土壤中石油烃污染物的迁移转化、生物有效性、污染物吸附-解吸效果具有明显作用。生物炭的多孔结构可为微生物的生存提供附着点位和适宜的栖息场所，通过生物炭固定不同功能特性微生物，可强化土壤中一些营养物质的释放，其表面的官能团、易解碳源和氮源还有助于增强微生物活性，提高污染物的降解效率。
将电动技术与微生物方法结合，建立了一种新的电动-微生物(EK-Bio)联合修复方法，目前正成为土壤修复领域研究的新热点。通过合适的电场运行控制，能够输送营养物质或化学药剂到达特定位点，增加微生物与污染物及营养物质的接触，加速生物传质过程、提高部分微生物的活性，电热效应还可使土壤温度保持在微生物生长适宜的环境温度下，有利于增强微生物的活性及增加微生物的数量，有利于提高污染物的去除率。
在EK-Bio修复过程中，电渗析、电迁移等电动效应，会引起水分、营养物质、电子受体、污染物和微生物发生迁移，造成它们在土壤中的分布发生改变，形成各自的富集区域。事实上在EK-Bio修复过程中这些物质(微生物)的富集区域往往是不重叠的，比如污染物与微生物富集区域、营养盐和电子受体与微生物富集区域等，这一结果必然产生修复效率存在明显的空间差异，导致总体修复效率降低。
发明内容
本发明的目的是解决有机污染土壤电动-生物联合修复中存在的有机污染物生物可利用性低、修复效率空间差异大、总体修复效率低等问题，提供一种表面活性剂强化有机污染土壤电动-生物修复的方法及装置，有效提高生物修复有机污染土壤的效率。
为实现上述目的，本发明的采用的技术方案为：
电动修复装置，包括阴极室和阳极室，阴极室设置在中心，阴极室的外侧设置阳极室，电极均匀布设于阴极室和阳极室,阴极室和阳极室构成圆筒形电极矩阵结构，阴极室中的每个阴极和阳极室中的每个阳极之间距离相等，形成空间和场强上的对称结构；所述的阴极和阳极均与电控柜相连。
所述的阴极室和阳极室之间设有土壤处理室，阴极室与土壤间布设阳离子离子交换膜，阳极室与土壤间布设阴离子交换膜。
一种表面活性剂强化有机污染土壤电动-生物修复的方法，包括下述步骤：
(1)将表面活性剂加入阴极室，在电场作用下以阴极传输方式向有机污染土壤注入表面活性剂；
(2)将生物炭固定化微生物填充到修复土壤系统中，沿阳极内侧构成环形生物PRB。
所述的步骤(1)中，表面活性剂为阴离子表面活性剂或阴-非离子混合表面活性剂，其中阴离子表面活性剂为十二烷基硫酸钠(SDS)，非离子表面活性剂为Tween80，阴-非离子表面活性剂的摩尔配比为，阴离子表面活性剂:非离子表面活性剂＝2:1～10:1，所述的表面活性剂添加浓度为400～1000mg/L。
所述的步骤(2)中，生物PRB为以废弃生物质为原料制备的生物炭材料作为载体，采用吸附法固定化微生物，将制备的生物炭固定化微生物填充到修复土壤系统中，保持相同压实度，构建生物PRB。
所述的步骤(1)和步骤(2)中，修复过程中，电压梯度为1～2V/cm，阴极电解液为浓度2000mg/L的KNO3溶液，阳极电解液为水，运行期间保持土壤含水率为15-20％。
由于上述技术方案的运用，本发明所具有的优点：
1、本发明方法首次提出了阴极传输表面活性剂强化石油烃污染土壤电动-生物PRB联合修复工艺模式，克服了传统土壤电动-生物联合修复中存在的有机污染物生物可利用性低、修复效率空间差异大、总体修复效率低等难题。
2、本发明既可用于有机污染土壤的异位修复，也可用于原位修复。
3、本发明具有普适性，对各种类型的有机污染土壤及场地均适用，对低渗透性和贫瘠的土壤同样适用。
附图说明
图1为本发明电动修复装置结构示意图。
图2为电动修复装置的端面结构示意图。
图中，1、阳极，2、阴极，3、生物PRB，4、土壤处理室，5、阳极室，6、阴极室，7、电控柜，8、采样点位。
具体实施方式
下面结合具体实施例就本发明作进一步说明。
实施例1
如图1-2所示，电动修复装置，包括阴极室和阳极室，阴极室设置在中心，阴极室的外侧设置阳极室，电极均匀布设于阴极室和阳极室,阴极室和阳极室构成圆筒形电极矩阵结构，阴极室中的每个阴极和阳极室中的每个阳极之间距离相等，形成空间和场强上的对称结构；所述的阴极和阳极均与电控柜相连；所述的阴极室和阳极室之间设有土壤处理室，阴极室与土壤间布设阳离子离子交换膜，阳极室与土壤间布设阴离子交换膜。
本实施例选取石油烃污染土壤进行修复实验，采用抚顺附近无污染农田土和辽河油田原油配制成石油含量为3.5％的石油污染土壤，供试土壤基本情况见表1。
采用本发明方法进行修复处理，步骤如下：
第一步，生物炭固定化高效石油降解菌：以玉米秸秆为主要原材料，除去外表面穗、叶，除灰，用去离子水清洗风干，105℃烘干24h，粉碎，过60目筛。取生物质原材料或粉末于坩埚中，密封后在气氛箱式炉中进行炭化。炭化温度600℃，炭化时间为9h。炭化后用1mol/L的盐酸处理除灰分，去离子水洗至中性，105℃烘干。将生物炭载体加入到固定化培养基中，以5-10％的接种量接入活化后的高效石油降解菌(假单胞菌属B3菌株、芽孢杆菌属B6菌株和木霉属F3菌株的复配菌剂)，采用吸附法固定化微生物。
第二步，表面活性剂强化电动-生物PRB(permeable reactive barrie)修复石油烃污染土壤：安装制作好满足修复实验的修复装置，将污染土壤装填到土壤室中，将表面活性剂加入阴极室，在电场作用下以阴极传输方式向有机污染土壤注入表面活性剂；在阴极室与土壤间布设阳离子离子交换膜阻止电解产生的OH-进入土壤，在阳极室与土壤间布设阴离子交换膜阻止电解产生的H+进入土壤，将制备的生物炭固定化微生物填充到修复土壤系统中，保持相同压实度，构建生物PRB，进行表面活性剂强化电动-生物PRB修复石油烃污染土壤。阴极电解液为KNO3溶液，浓度为2000mg/L，阴极室加入十二烷基硫酸钠，浓度为1000mg/L。电压梯度为1V/cm，运行期间保持土壤含水率为20％。
试验结果表明，试验运行过程中土壤PH始终保持在6.5～7.8之间，解决了电动修复过程中电极附近土壤酸碱极端变化的问题。
试验结果表明，本发明所提供的方法对石油污染土壤进行60d的修复后，土壤中石油含量降低了70％以上。结果见表2。
表面活性剂强化电动-生物PRB修复石油污染土壤的试验结果表明，采用本发明方法在此试验参数下运行，与传统的电动-微生物修复方法相比，对石油污染物的降解效率提高10％左右，修复时间缩短20～40％，对比例发明专利一种有机污染土壤修复系统与方法。
实施例2
所述的表面活性剂添加浓度为400mg/L，所述的表面活性剂为阴-非离子表面活性剂，阴-非离子表面活性剂的配比为2∶1；其它步骤同实施例1。
实施例3
所述的表面活性剂添加浓度为700mg/L，所述的表面活性剂为阴-非离子表面活性剂，阴-非离子表面活性剂的配比为10∶1；其它步骤同实施例1。
表1供试土壤基本情况
表2处理前后石油含量变化
组别 处理 处理前石油含量 处理后石油含量 修复时间(d)
对照组 无 3.5％ 3.5％ 60
实验组1 微生物 3.5％ 3.0％ 60
实验组2 表面活性剂、电动、生物PRB 3.5％ 0.9％ 60

Claims (3)

1.一种表面活性剂强化有机污染土壤电动-生物修复的方法，其特征在于包括下述步骤：
电动修复装置，包括阴极室、阳极室和环形生物PRB，阴极室设置在中心，阴极室的外侧设置阳极室，生物炭固定化微生物沿阳极内侧构成环形生物PRB，电极均匀布设于阴极室和阳极室，阴极室和阳极室构成圆筒形电极矩阵结构，阴极室中均匀设有8个阴极，阳极室中均匀设有8个阳极，每个阴极在沿所述圆筒形电极矩阵结构横截面的直径方向上均对应有一个阳极，形成空间和场强上的对称结构，所述的阴极和阳极均与电控柜相连；
所述的阴极室和阳极室之间设有土壤处理室，阴极室与土壤间布设阳离子交换膜，阳极室与土壤间布设阴离子交换膜；
安装制作好满足修复实验的修复装置，将污染土壤装填到土壤处理室中，将表面活性剂加入阴极室，在电场作用下以阴极传输方式向有机污染土壤注入表面活性剂；表面活性剂为阴离子表面活性剂或阴-非离子混合表面活性剂，其中阴离子表面活性剂为十二烷基硫酸钠(SDS)，非离子表面活性剂为Tween80，阴-非离子表面活性剂的摩尔配比为，阴离子表面活性剂：非离子表面活性剂＝2:1-10:1，所述的表面活性剂添加浓度为400-1000mg/L；
将生物炭固定化微生物填充到修复土壤系统中，沿阳极内侧构成环形生物PRB。
2.根据权利要求1所述的一种表面活性剂强化有机污染土壤电动-生物修复的方法，其特征在于生物PRB为以废弃生物质为原料制备的生物炭材料作为载体，采用吸附法固定化微生物，将制备的生物炭固定化微生物填充到修复土壤系统中，保持相同压实度，构建生物PRB。
3.根据权利要求1所述的一种表面活性剂强化有机污染土壤电动-生物修复的方法，其特征在于修复过程中，电压梯度为1-2V/cm，阴极电解液为浓度2000mg/L的KNO3溶液，阳极电解液为水，运行期间保持土壤含水率为15-20％。
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Granted publication date: 20190910

Termination date: 20200504