CN106140810B - 一种修复高环多环芳烃污染土壤的复合生物处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种修复高环多环芳烃污染土壤的复合生物处理系统，所述的复合生物处理系统采用了综合性措施处理土壤中的高环多环芳烃污染物。本发明通过强化培养利用原污染土壤中的各种土著微生物，包括能够以高环多环芳烃为底物的微生物以及可以产生共代谢的相关微生物，实现高环多环芳烃污染土壤的生物修复。强化措施包括强化连续抽气通风均匀供氧，分四个阶段调整土壤堆体的连续通风量、水分与微生物营养物质连续投配量以及土著微生物菌液的投配，并且连续投配有机表面活性剂，使污染土壤堆体保持微生物降解需要的营养物质含量、湿度、温度、酸碱度等条件。本发明是在充分分析高环多环芳烃污染土壤生物修复难点的基础之上，提出综合措施有效地降解污染土壤中的高环多环芳烃污染物，具体包括土壤生物堆系统、强化通风与监控系统、气体净化系统、药剂配制与投配系统，其工艺过程简单、工程和运行费用低、处理效率高，是一套高效、经济、环境二次污染小的处理系统，具有良好的经济效益和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种修复高环多环芳烃污染土壤的复合生物处理系统，属于土壤修复技术领域。
背景技术
多环芳烃(PAHs)是指两个或两个以上的芳环稠合在一起形成的低水溶性的一类化合物。这类化合物因其具有致癌、致畸和致突变的特性而倍受关注。美国环保署根据长期的研究和实践列出了16种多环芳烃作为优先控制污染物。多环芳烃已成为我国土壤污染的主要污染物类别之一。目前，用于降解土壤中的多环芳烃的方法有生物修复、化学氧化和光解等方法，其中生物修复是被认为去除土壤中多环芳烃最为经济有效的方法得到广泛的重视。
通常情况下，多环芳烃的水溶性随苯环数量的增多而减少，挥发性随苯环数量的增多而降低，生物降解的容易程度也随着环数增多而降低。因此普遍将多环芳烃分为低环多环芳烃(环数≤4)和高环多环芳烃(环数＞4)而区分其性质的差异。国内外针对多环芳烃的生物降解研究和实践较多，其中高环多环芳烃因水溶性低、容易吸附于有机质上以及能够以高环多环芳烃为底物的微生物种类少等因素降低了其生物可利用性，被认为是多环芳烃土壤污染生物修复的难点。例如Guerin研究生物法处理含多环芳烃污染土壤，结果显示2-4环的PAHs降解率为51％-97％，5-6环PAHs的降解率仅为35-45％(T.F.Guerin，Bioremediation of phenols and polycyclic aromatic hydrocarbon sin creosotecontaminated soil using ex-situ land treatment，J.Hazard.Mater.B65(1999)305-315.)；国内学者苏丹等人研究了芽孢杆菌SB02、动胶杆菌SB09和黄杆菌SB10对土壤中苯并(a)芘(BaP)的降解，当土壤中BaP初始浓度为50mg/kg时，在42天内BaP的降解率分别仅为33.04％、25.39％和22.02％(苏丹，李培军，王鑫等。3株细菌对土壤中芘和苯并芘的降解及其动力学.环境科学，2007，28(4)：913-917.)。
然而，国内外亦有较多研究表明，当有合适的降解菌存在并提供有利的降解条件时，高环多环芳烃也能得到有效的降解。例如，ROBERT KANALY等曾在某牧牛场土壤中添加BaP67mg/kg，原油34g/kg，同时添加必要的矿物质，结果表明利用牧牛场土壤中的土著微生物，150天BaP的降解率达95％(Biodegradation of[C14]Benzo[a]pyrene added in CrudeOil to Uncontaminated soil，Applied and Environmental Microbiology，Nov.1997，p.4511-4515)；M.Cristina Romero等采用从炼油厂的工业污染场地中分离出的丝状真菌，加正十六烷为辅助底物，pH＝6.5，BaP初始浓度为40mg/L时，30天BaP的降解率达到77.5-92.5％(Benzo[a]pyrene degradation by soil filamentous fungi，Journal of Yeastand Fungal Research Vol.1(2)，pp.025-029，March 2010)；苏丹等人研究固定态的降解菌Mucor sp.SF06和Bacillus sp.SB02对土壤中BaP的降解，当BaP浓度为50mg/kg，pH＝6.8，土壤持水量为55％时，在有共代谢的作用下，经过42天，这种固定态的细菌-真菌混合群对BaP降解率达95.3％(Biodegradation of benzo[a]pyrene in soil by Mucorsp.SF06and Bacillus sp.SB02co-immobilized on vermiculite，JournalofEnvironmental Sciences.Vol.18，No.6，PP.1204-9 2006)。由此说明，通过提供高环多环芳烃生物降解所需要的有利条件可以有效提高高环多环芳烃的生物利用性，这为利用微生物修复高环多环芳烃污染土壤提供了一条有效可行的技术路线。
发明内容
本发明的目的是针对高环多环芳烃污染土壤生物修复的难点，提出相应的应对措施，提供一种能够有效修复高环多环芳烃污染土壤的复合生物处理系统。
下表1中梳理了高环多环芳烃污染土壤生物修复的难点，并给出了本复合生物处理系统中相应的综合性应对措施。
表1高环多环芳烃污染土壤生物修复的难点及综合性应对措施
一种修复高环多环芳烃污染土壤的复合生物处理系统包括4个系统：土壤生物堆系统、强化通风与监控系统、气体净化系统、药剂配制与投配系统。土壤生物堆系统包括土堆底部防渗层、抽气筛管(6)、通气设备(9)、气体检测口(12)、压力传感器(13)、温湿度传感器(14)和HDPE覆膜(15)；强化通风与监控系统包括气液分离器(20)、真空泵(21)、真空阀(4)、抽气管(5)、监测与自动控制设备及动力配电箱(22)；气体净化系统包括活性炭吸附塔(24)、离心风机(25)、真空阀(4)、动力配电箱(23)；药剂配置与投配系统包括药剂投配箱(27)、配置搅拌装置(28)、投配泵(29)、投配泵基座(30)、药剂投配配电箱(33)、药剂投配管(11)、闸阀(10)、流量调节阀(31)、流量计(32)、药剂定量滴渗投配软管(8)及菌液配置设备。
所述的一种修复高环多环芳烃污染土壤的复合生物处理系统，其工作特征如下：药剂配置，包括配置适合比例的碳、氮、磷等营养液，表面活性剂溶液以及土著微生物菌液；通过预处理粉碎污染土壤中的大块颗粒，将预处理后的土壤堆放在铺设防渗层的修复区；在堆放的过程中向土壤堆体投加微生物营养液、菌液和易生物降解的有机表面活性剂，同时对局部pH不合适的土壤喷洒缓冲液调整土壤的pH；在运行的过程中利用强化通风系统对土壤生物堆通过连续抽气均匀通风供氧；在通风供氧的同时连续向土壤堆体投加微生物营养液和易生物降解的有机表面活性剂；在运行的后半阶段增加连续投配土著微生物菌液；在整个运行过程中持续监测土壤堆体的运行效果，根据监测结果和不同运行的阶段的通风量要求以及对湿度、二氧化碳控制浓度的要求，调整各药剂的投加量，并使土壤堆体处于要求的氧气浓度、温度和湿度条件下；土堆全部覆膜封闭处理，避免异味向大气扩散和形成对环境的二次污染；抽出的尾气利用气体净化系统实现达标排放，防止对环境的二次污染。
所述的复合生物处理系统运行过程可分为如下四个阶段，各阶段特征在于：第一阶段通过通风一方面迅速去除土壤颗粒间隙空气中的污染物及土壤颗粒表面容易挥发分离的污染物(下降期)，另外一方面使得土壤中的微生物调整适应新的环境(平台期)；第二阶段是以生物降解为主的污染物去除期，在该阶段污染物通过以高环多环芳烃为底物的微生物及共代谢相关的微生物得到比较快的生物降解；第三阶段是较低浓度污染物去除期，在该阶段高环多环芳烃污染物浓度已经降低到快接近拖尾期的浓度值，而且高环多环芳烃污染物的降解速率逐渐降低，但是通过连续投加营养液、有机表面活性剂和新的土著微生物菌液仍然可以维持比较明显的污染物降解速率；第四阶段后期降解调整阶段，在该阶段污染物的降解进入拖尾期，污染物的降解速率比较慢，但是通过连续投加营养液、有机表面活性剂和新的土著微生物菌液强化高环多环芳烃为底物的微生物及共代谢相关微生物的生长，仍然可以维持一定的污染物降解速率。图6为所述的复合生物处理系统运行过程各个阶段土壤中高环多环芳烃浓度变化特征。
所述的土壤生物堆系统，其特征如下：土壤堆体底部防渗层由下往上分别为HDPE防渗膜(19)、密实土防渗层(18)和卵石或碎石垫层(17)，其中抽气筛管(6)埋设在卵石或碎石垫层(17)中；土壤堆体上方每隔2～2.5m均匀设置一个通气设备(9)，通气设备(9)下端的通气筛管伸入土壤层0.8～1m；每250m3土壤设置3个气体检测口(12)、1个压力传感器(13)和1个温湿度传感器(14)；土壤堆置高度为2～3m；土壤堆体用HDPE覆膜(15)完全覆盖，土堆下部覆膜四边都用覆膜压实固定物(16)掩压，防止漏气。
所述的强化通风与监控系统，运行特征在于：按阶段分别调整通风量及相关参数，下表2中列出了在系统运行的四个阶段各参数的范围。
表2复合生物处理系统通风量及相关参数选择
所述的药剂投配箱(27)，其特征在于：在药剂投配箱(27)中安装配置搅拌装置(28)；同时设置2个药剂投配箱(27)交替使用，用于药剂的配置和储存。
所述的药剂定量滴渗投配软管(8)，其特征在于：软管沿线设有专用出水孔，间距小于0.3m，控制出水量1-4L/h；定量滴渗投配软管(8)按S型铺设在土壤堆体上方，以利于更加均匀地投配各种药剂。
所述的配置土著微生物菌液，其特征在于：利用污染土壤培养壮大其中的土著微生物，即取待处理的污染土壤，实验室分析检测确定其中含有能以高环多环芳烃为底物的微生物和共代谢相关的各种微生物；向污染土壤添加营养液和水分，持续通风供氧，保证温度25℃～30℃、湿度20％～30％，培养2～5周后，将土壤中培养壮大的微生物溶出到水中，制成土著微生物菌液。
所述的营养液配置碳源、氮源和磷源的原料分别为工业葡萄糖、氮肥和磷肥；C，N和P的配比范围为(110±22)∶(10±1)∶(1±0.2)，其具体的比例可根据污染土壤中的有机质含量、微生物种类、湿度、营养物质含量及其他能与添加的营养物质发生反应的物质含量等来确定。
所述的表面活性剂采用月桂基磷酸酯，用量为2g/(m3土壤/天)。
本发明技术具有如下优点：能作为工程规模应用，实用性强，运行工艺全自动化，可实现商业化应用；能够有效地去除土壤中的高环多环芳烃，并可防止造成二次污染；处理工艺简单、工程和运行费用低、处理效率高，是一套高效、经济、环境干扰少的处理系统，具有良好的经济效益和社会效益。
附图说明
图1为本发明修复高环多环芳烃污染土壤的复合生物处理系统平面示意图；
图2为本发明污染土壤生物堆剖面示意图，即图1的A-A’剖面图；
图3为本发明强化通风与监控设备(1)组成示意图；
图4为本发明气体净化设备(2)组成示意图；
图5为本发明药剂投配设备(3)组成示意图；
图6为本发明复合生物处理系统运行过程四个阶段土壤中高环多环芳烃浓度变化特征；其中，C-污染土壤中高环多环芳烃浓度，t-运行时间，C0-高环多环芳烃初始浓度，Cn-运行结束时高环多环芳烃浓度，T1-第一阶段，T2-第二阶段，T3-第三阶段，T4-第四阶段，T1a-下降期，T1b-平台期。
图中：强化通风与监控设备(1)、气体净化设备(2)、药剂投配设备(3)、真空阀(4)、抽气管(5)、抽气筛管(6)、污染土壤(7)、药剂定量滴渗投配软管(8)、通气设备(9)、闸阀(10)、药剂投配管(11)、气体检测口(12)、压力传感器(13)、温湿度传感器(14)、HDPE覆膜(15)、覆膜压实固定物(16)、卵石或碎石垫层(17)、密实土防渗层(18)、HDPE防渗膜(19)、气液分离器(20)、真空泵(21)、监测与自动控制设备及动力配电箱(22)、动力配电箱(23)、活性炭吸附塔(24)、离心风机(25)、达标气体排放口(26)、药剂投配箱(27)、配置搅拌装置(28)、投配泵(29)、投配泵基座(30)、流量调节阀(31)、流量计(32)、药剂投配配电箱(33)。
具体实施方式
以下结合实施实例对本发明的实施方式和处理效果做进一步介绍，但本发明的实施方式不限于此。
实施实例：工程应用试验，采用本发明复合生物处理系统处理500m3的含高环多环芳烃污染的土壤。
实施例具体操作步骤如下：
第一步，每次取约2m3含有高环多环芳烃污染物的土壤，在实验室分析确定其中含有能以高环多环芳烃为底物的微生物和共代谢相关的各种微生物；向污染土壤添加营养液和水分，持续通风供氧，保证温度28℃、湿度25％，培养2周后，将土壤中培养壮大的微生物溶出到水中，制成土著微生物菌液。
第二步，取工业葡萄糖、氮肥和磷肥按照C∶N∶P＝110∶10∶1的配比配置营养液，备用。表面活性剂采用月桂基磷酸酯，用量为2g/(m3土壤/天)。
第三步，将污染土过粗孔径(孔径5-10mm)的筛网，去除并且粉碎大块颗粒，然后将预处理后的污染土堆转运至装有复合通风设备的修复区域进行试验。
第四步，在污染土壤堆置之前，检查通风管网的完整性。在完好的通风管网上部按照试验设计尺寸放置污染土壤，堆土过程中用铲车将土抹平，每堆置200mm厚的土层即均匀喷洒一层药剂(包括营养液、菌液、表面活性剂和水)，使土壤体积含湿量为20％-30％。其中土堆具体尺寸为：棱台上底尺寸是35m×4.5m，下底尺寸是40m×9.5m，高是2.0m，土堆总体积为500m3。
第五步，铺设药剂定量滴渗投配软管：在土堆的上部按S型铺设3条内径12mm的药剂定量滴渗投配软管，3条软管相互间距约为1.8m，软管上配有专用定量出水孔，且与药剂投配设备相连接。药剂投配设备包含投配泵(1.0m3/h)2台，约1m3药剂投配箱2个，搅拌泵1台，配电箱1个。
第六步，在土堆上覆膜，土堆四边都要全部密封，并用条石掩压，防止漏气。
第七步，在土堆上安装通气设备：土壤堆体上方每隔2.5m设置一个通气设备，包括通气帽和通气筛管，通气筛管内径为100mm，伸入土壤层0.8m。
第八步，在土堆内均匀布设2个温湿度传感器、2个压力传感器、6个土壤气体检测口。
第九步，开启强化通风设备，开始对土堆抽气通风，同时监测风量、温度、湿度、压力、排放气体中污染物的浓度和土壤中污染物随时间的变化。本试验运行过程中4个阶段依次设定的通风量分别为1100m3/h、750m3/h、650m3/h、500m3/h。
第十步，根据土壤的湿度要求，按照固定的时间间隔(每天30min)，通过定量滴渗投配软管向土壤中补充水分。同时补充适当比例的药剂以保证良好的微生物生长环境，同时使土壤中的疏水性污染物更好地溶出。
第十一步，根据取样分析检测结果，当土堆土壤中污染物浓度达到修复目标值时，停止设备的运行，移除土堆上的传感器、通风管、HDPE覆膜和定量滴渗投配软管。
第十二步，将修复达到要求的土壤移出试验场地并重新利用。
实施实例土壤气体检测结果显示，在试验的第22、41、67天三次监测结果的土壤气体中O2的体积百分比平均值为21.1％、21.4％和20.8％，对应的大气中O2的体积百分比为21.2％、21.4％和21.3％。土壤气体和大气中氧气的含量基本一致，说明土堆中氧气供应充分。此外，三次监测结果的土壤气体中CO2的体积百分比平均值为0.14％、0.13％和0.12％，，对应的大气中CO2的体积百分比为0.05％，土堆中的CO2浓度明显高于大气中CO2浓度，说明土堆中微生物的好氧降解活动明显。
实施实例土壤检测结果显示，土壤中的高环多环芳烃在较短的时间内都得到了有效地降解。具体试验结果见表3，经过68天的降解后，高环多环芳烃均能都降解至修复目标值以下。
表3实施例中高环多环芳烃降解情况
Claims (9)
1.一种修复高环多环芳烃污染土壤的复合生物处理方法，其特征是在一个系统中同时采用了如下综合性措施：
在土壤上覆膜，对土壤进行抽气通风，按阶段分别调整通风量及相关参数，下表中列出了在系统运行的四个阶段各参数的范围；
复合生物处理系统的通风量及相关参数选择为：
2.根据权利要求1所述的一种修复高环多环芳烃污染土壤的复合生物处理方法，其特征在于，所述系统采用的综合措施在异位修复过程中，具体包括：土壤生物堆系统、强化通风与监控系统、气体净化系统、药剂配制与投配系统。
3.根据权利要求2所述的一种修复高环多环芳烃污染土壤的复合生物处理方法，其特征在于：土壤生物堆系统包括土堆底部防渗层、抽气筛管(6)、通气设备(9)、气体检测口(12)、压力传感器(13)、温湿度传感器(14)和HDPE覆膜(15)；强化通风与监控系统包括气液分离器(20)、真空泵(21)、真空阀(4)、抽气管(5)、监测与自动控制设备及动力配电箱(22)；气体净化系统包括活性炭吸附塔(24)、离心风机(25)、真空阀(4)、动力配电箱(23)；药剂配置与投配系统包括药剂投配箱(27)、配置搅拌装置(28)、投配泵(29)、投配泵基座(30)、药剂投配配电箱(33)、药剂投配管(11)、闸阀(10)、流量调节阀(31)、流量计(32)、药剂定量滴渗投配软管(8)及菌液配置设备。
4.根据权利要求2所述的一种修复高环多环芳烃污染土壤的复合生物处理方法，其特征如下：药剂配置，包括配置适合比例的碳、氮、磷等营养液，表面活性剂溶液以及土著微生物菌液；通过预处理粉碎污染土壤中的大块颗粒，将预处理后的土壤堆放在铺设防渗层的修复区；在堆放的过程中向土壤堆体投加微生物营养液、菌液和易生物降解的有机表面活性剂，同时对局部pH不合适的土壤喷洒缓冲液调整土壤的pH；在运行的过程中利用强化通风系统对土壤生物堆通过连续抽气均匀通风供氧；在通风供氧的同时连续向土壤堆体投加微生物营养液和易生物降解的有机表面活性剂；在运行的后半阶段增加连续投配土著微生物菌液；在整个运行过程中持续监测土壤堆体的运行效果，根据监测结果和不同运行的阶段的通风量要求以及对湿度、二氧化碳控制浓度的要求，调整各药剂的投加量，并使土壤堆体处于要求的氧气浓度、温度和湿度条件下；土堆全部覆膜封闭处理，避免异味向大气扩散和形成对环境的二次污染；抽出的尾气利用气体净化系统实现达标排放，防止对环境的二次污染。
5.根据权利要求2所述的一种修复高环多环芳烃污染土壤的复合生物处理方法，其特征在于：土壤生物堆系统中，土壤堆体底部防渗层由下往上分别为HDPE防渗膜(19)、密实土防渗层(18)和卵石或碎石垫层(17)，其中抽气筛管(6)埋设在卵石或碎石垫层(17)中；土壤堆体上方每隔2～2.5m均匀设置一个通气设备(9)，通气设备(9)下端的通气筛管伸入土壤层0.8～1m；每250m3土壤设置3个气体检测口(12)、1个压力传感器(13)和1个温湿度传感器(14)；土壤堆置高度为2～3m；土壤堆体用HDPE覆膜(15)完全覆盖，土堆下部覆盖膜四边都用覆膜压实固定物(16)掩压。
6.根据权利要求2所述的一种修复高环多环芳烃污染土壤的复合生物处理方法，其特征在于：药剂配制与投配系统中，营养液配置碳，氮和磷的配比范围为(110±22)∶(10±1)∶(1±0.2)，碳源、氮源和磷源的原料分别为工业葡萄糖、氮肥和磷肥；表面活性剂采用月桂基磷酸酯，用量为2g/(m3土壤/天)。
7.根据权利要求3所述的一种修复高环多环芳烃污染土壤的复合生物处理方法，其特征在于：菌液配置设备中，利用污染土壤配置土著微生物菌液，菌液配置设备提供条件为：添加营养液和水分，持续通风供氧，温度25℃～30℃、湿度20％～30％，培养时间2～5周，将土壤中培养壮大的微生物溶出到水中，制成土著微生物菌液。
8.根据权利要求3所述的一种修复高环多环芳烃污染土壤的复合生物处理方法，其特征在于：在药剂投配箱(27)中安装配置搅拌装置(28)；同时设置2个药剂投配箱(27)交替使用，用于药剂的配置和储存。
9.根据权利要求3所述的一种修复高环多环芳烃污染土壤的复合生物处理方法，其特征在于：药剂定量滴渗投配软管(8)中，软管沿线设有专用出水孔，间距小于0.3m，控制出水量1-4L/h；定量滴渗投配软管(8)按S型铺设在土壤堆体上方，以利于更加均匀地投配各种药剂。
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