CN108220196A - 一种微生物复合菌群处理石油污染黏土地基的方法 - Google Patents

一种微生物复合菌群处理石油污染黏土地基的方法 Download PDF

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Abstract

一种微生物复合菌群处理石油污染黏土地基的方法，可实现土壤修复和土壤加固施工一体化，其特征在于该方法步骤如下：a.完成菌剂1的制作；b.使用深层搅拌机2将菌剂1和待处理地层中的土壤3(质量比为1∶100)搅拌均匀，之后整平场地；c.在场地中按列状布置注浆管4，孔距为0.8m；d.每隔3天通过注浆管4往待处理地层中注入营养液5；e.在场地中按1个/200m2布置检测孔，每隔6天从检测孔中抽取土壤孔隙液进行含油量测定，当土壤的含油量降低80％以上时，利用注浆管4往待处理地层中交替注入营养液5以及胶结溶液6；f.待场地达到预定的注浆遍数后，检测地基强度以及土中重金属浓度，满足要求后拔除全部注浆管4，如不满足要求则重复步骤e直至满足要求。

Description

一种微生物复合菌群处理石油污染黏土地基的方法
技术领域
本发明涉及一种微生物复合菌群处理石油污染黏土地基的方法，属于地基处理的技术领域。
背景技术
原油在开采、生产、运输过程中发生泄露对土壤造成的污染问题日益引发人们的关注，其污染物主要为石油烃和多环芳烃。石油烃类很难在环境中被降解，当其进入土壤，会改变土壤的养分组成，影响土的渗透性，造成作物死亡。绝大多数的芳香烃及其衍生物具有致癌，致突变作用，严重危害人类健康。此外，石油污染土壤中还含有多种有害重金属，同样对土壤和地下水造成污染。随着我国城市化进程的加快，城市发展与城市用地紧张的矛盾日益突出，大量的基础设施在石油污染土地基上新建或者扩建，石油污染土地基处理成为一项亟待解决的难题。石油污染土的地基处理主要解决两个问题，其一是土壤修复，包括石油降解以及土中重金属含量降低两个过程，其二是在土壤修复的基础上加固地基土，提高其强度。
土壤修复方法主要分物理、化学、生物法三类。利用热处理法、浸出法、化学氧化法等物理、化学方法降解污染土中的石油修复成本高，且处理不当可能引发二次污染，不适宜大范围推广应用。相同的问题也出现在利用传统的物理化学方法处理污染土中的重金属上，如电动修复、电热修复、土壤淋洗等物理方法难以克服二次污染、耗能高的短板，化学方法可在土壤原位上进行修复，操作简单，但仅仅改变了重金属在土壤中存在的形态，当环境发生变化时，还是难以避免二次污染问题。微生物法是目前降解污染土中石油最主要的方法之一，该法通过往土壤中添加微生物或者刺激土壤中已有微生物的生长，利用微生物的新陈代谢活动将石油烃类降解和转化为水和二氧化碳，达到净化土壤环境的目的。在已有的文献报道中生物降解作用对石油类污染物的去除率可达90％，与传统的物理化学修复方法相比，该技术具有成本低、二次污染风险低、效果好等优势。此外，微生物法也被广泛应用于降低土壤中的重金属离子含量，它利用土壤中某些微生物的生物活性对重金属具有吸收、沉淀、氧化和还原等作用，把重金属离子转化为低毒产物，从而减少土壤中重金属的含量，降低土壤毒性，具有费用低、污染小、效率高等特点。可同时降解石油和降低污染土中重金属含量的细菌主要有假单胞菌属、芽孢杆菌属等。
强夯法、真空预压法、深层搅拌法、化学灌浆法等都是常见的黏土地基加固方法，这些传统方法工法成熟，应用广泛，但存在能耗高、污染环境等明显短板。MICP技术是一项新兴的生物加固地基技术，它通过向土中特定微生物提供富含钙离子和氮源的营养盐，利用微生物的新陈代谢活动诱导出碳酸钙结晶，一方面把土体颗粒胶结在一起，提高土体的强度，另一方面，碳酸钙以固体微粒形式沉淀于土颗粒表面，直接改变颗粒的粒径，对土体孔隙起到一定的填充作用，具有能耗低、施工扰动小、生物相容性好等优势。目前进行的MICP研究与应用大都基于一种高产脲酶的巴氏芽孢杆菌(Bacillus pasteurii)展开，它是一种嗜碱菌，为芽孢杆菌属，标准菌株分离自土壤，在新陈代谢过程中会产生一种脲酶，该酶可以快速将尿素分解生成铵根离子和碳酸根离子，当碳酸根离子与溶液中的钙离子相遇就会结合生成碳酸钙结晶对土颗粒进行胶结，完成土壤加固。
发明内容
技术问题：由于黏土矿物颗粒的双电层特性与微生物的相互作用，以及土粒径尺寸、孔喉尺寸与微生物个体尺寸的相容性问题，微生物无法在黏土体孔隙间自由迁移，通过往地层中反复注入微生物以及富含钙离子和氮源的营养盐进行黏性土地基加固几无可能，故现有的MICP技术处理对象以砂土和粉土为主，较少涉及到黏土。然而，黏土地基在我国东部沿海地区分布广泛，发生大面积石油污染的概率较大，发明一种能耗低、效果好、施工简便的石油污染黏土地基处理方法具有重要现实意义。另外，目前石油污染土地基在处理时一般将土壤修复和土壤加固分开实施，并没有将二者有机地结合在一起，处理效率低，工期长。由于芽孢杆菌属细菌在石油污染土中的石油、重金属离子的去除，亦或是地基土的加固中都能发挥良好的作用，本发明的目的就在于将三种芽孢杆菌属细菌组成复合菌群，提供一种微生物复合菌群处理石油污染黏土地基的方法，实现土壤修复和土壤加固施工一体化，提高资源的利用率，缩短工期，为石油污染黏土地基的处理提供新途径。
技术方案
为了实现本发明的目的，本发明公开了一种微生物复合菌群处理石油污染黏土地基的方法，其特征在于该方法步骤如下：
a.将巴氏芽孢杆菌(Bacillus pasteurii)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)以及短小芽孢杆菌(Bacillus pumilus)按照生物量比例2∶2∶1混合制成菌剂1；
b.使用深层搅拌机2将待处理地层中的土壤3和菌剂1搅拌均匀，投加的菌剂1与土壤3的质量比为1∶100，搅拌完成后整平场地；
c.在整平的场地中用钻机在布孔位置钻得孔位并放置注浆管4，孔距为0.8m，注浆管4成列状布置；
d.通过注浆管4往待处理地层中注入营养液5为菌群的生长繁殖提供所需的营养物质，前后两次营养液5注入待处理地层的间隔时间为3天；
e.在场地中按1个/200m2布置检测孔，每隔6天从检测孔中抽取土壤孔隙液进行含油量测定，当土壤的含油量降低80％以上时，利用注浆管4往待处理地层中交替注入营养液5以及胶结溶液6；
f.待场地达到预定的注浆遍数后，检测地基强度以及土中重金属浓度，满足要求后拔除全部注浆管4，如不满足要求则重复步骤e直至满足要求。
所述的微生物复合菌群处理石油污染黏土地基的方法，其特征在于步骤a中的菌剂1由无菌大豆蛋白粉与含有菌群的液体培养基按1∶1的质量体积比混合，在30℃温度下静置24h后制得，其中，1L液体培养基中包含5.0g的大豆蛋白胨、15.0g的胰蛋白胨、5.0g的氯化钠以及10g的尿素，液体培养基pH控制在7.3。
所述的微生物复合菌群处理石油污染黏土地基的方法，其特征在于步骤d中营养液5的pH控制在7.3，溶解氧浓度控制在15mg/L以使营养液5富氧化，每1L的营养液5包含：5.0g的大豆蛋白胨、20g的胰蛋白胨、6.0g的氯化钠以及15g的尿素。
所述的微生物复合菌群处理石油污染黏土地基的方法，其特征在于步骤e中的胶结溶液6由0.20mol/L～0.45mol/L的氯化钙溶液和浓度为0.20mol/L～0.50mol/L的尿素溶液混合而成，氯化钙、尿素溶液的浓度在首次注入待处理地层时分别为0.45mol/L和0.50mol/L，两者随着注浆遍数的增加逐渐降低，最终降至0.20mol/L。
所述的微生物复合菌群处理石油污染黏土地基的方法，其特征在于步骤f中营养液5以及胶结溶液6注入待处理地层的流程为：通过注浆管4往待处理地层中注入营养液5，静置3天，然后注入胶结溶液6，静置2天，再依次注入营养液5、胶结溶液6反复进行地层加固，胶结溶液6注入待处理地层次数每增加1次，随后注入的营养液5在待处理地层中的静置时间需在前次基础上延长3天。
本发明的有益效果：
(1)本发明利用微生物的新陈代谢活动在一个施工周期内完成了污染土中石油的降解，重金属离子含量的降低以及土壤的加固，施工期间无需大量机械设备的投入，能耗低，噪音小，石油污染土的修复和加固过程衔接自然，利于缩短工期，是一种新型、环保的石油污染黏土地基处理方法；(2)本发明摒弃了往软土地层中反复注入菌液的做法，将菌剂在搅拌过程中拌合进黏土地基中，令细菌在地层中较为均匀地分布，施工期间只需反复往地层中注入营养液与胶结溶液即可不断地对土壤进行加固，使MICP技术的加固对象能够扩展到孔隙更小的黏土；(3)在本发明中，微生物诱导生成的碳酸根离子与钙离子以及部分重金属离子结合生成的碳酸盐，除了可对土壤进行胶结，降低土壤毒性外，还造成孔隙堵塞，有效地阻碍了有害重金属在土中的运移，一举多得。
附图说明
图1土壤与菌剂搅拌示意图；图2地层注浆示意图
附图标记：1-菌剂；2-深层搅拌机；3-待处理地层中的土壤；4-注浆管；5-营养液；6-胶结溶液。
具体实施方式
实施例1
在本例中，一种微生物复合菌群处理石油污染黏土地基的方法用于处理某地区石油污染黏土地基，场地的平面尺寸：长160m，宽120m，待处理土层厚度为3.1m～3.5m，该方法包括以下步骤：
a.从待处理场地中提取土壤孔隙液放入液体培养基中，并在其内接种工程用菌，得到驯化后的复合菌群，菌群由巴氏芽孢杆菌(Bacillus pasteurii)、枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)以及短小芽孢杆菌(Bacillus pumilus)组合而成，三者的生物量比例为2∶2∶1，1L液体培养基中包含5.0g的大豆蛋白胨、15.0g的胰蛋白胨、5.0g的氯化钠以及10g的尿素，培养基pH控制在7.3，将完成驯化的菌群连同液体培养基与无菌大豆蛋白粉按1∶1的质量体积比混合，在30℃温度下静置24h后制得菌剂1；
b.使用深层搅拌机2将待处理地层中的土壤3和菌剂1搅拌均匀，搅拌深度为3.5m，投加的菌剂1与土壤3的质量比为1∶100，搅拌完成后整平场地；
c.在整平的场地上用钻机在布孔位置钻得孔位并放置注浆管4，孔距为0.8m，注浆管长为3.5m，场地上共布置有200行、150列的注浆管4；
d.通过注浆管4往待处理地层中注入营养液5为菌群的生长繁殖提供所需营养物质，每1L的营养液5包含：5.0g的大豆蛋白胨、20g的胰蛋白胨、6.0g的氯化钠以及15g的尿素，pH控制在7.3，溶解氧浓度控制在15mg/L，前后两次营养液5注入待处理地层的间隔时间为3天，注入次数为10次，这一工序耗时为30天；
e.在场地上布置96个检测孔，并从检测孔中抽取土壤孔隙液，用红外测油仪进行含油量测定，土壤的含油量与处理前相比降低了81.2％，利用注浆管4往待处理地层中交替注入营养液5以及胶结溶液6，交替注浆次数为5次，胶结溶液3由0.20mol/L～0.45mol/L的氯化钙溶液和浓度为0.20mol/L～0.50mol/L的尿素溶液混合而成，氯化钙、尿素溶液的浓度在首次注入待处理地层时分别为0.45mol/L和0.50mol/L，随着注浆遍数的增加，注入待处理地层的氯化钙溶液浓度分别降至0.40mol/L、0.35mol/L、0.25mol/L以及0.20mol/L，而注入待处理地层的尿素溶液浓度分别降至0.45mol/L、0.35mol/L、0.25mol/L以及0.20mol/L，这一工序共耗时55天；
f.注浆完成后，加固地基土的强度经检测达240kPa，土壤中Zn、Pb的离子浓度分别降低了92.1％以及89.6％，地基承载力以及土壤的毒性均满足要求，随后拔除场地上所有注浆管4。
实施例2
在本例中，一种微生物复合菌群处理石油污染黏土地基的方法用于处理某地区石油污染粉质黏土地基，场地的平面尺寸：长192m，宽156m，待处理土层厚度为4.2m～4.6m，该方法包括以下步骤：
a.从待处理场地中提取土壤孔隙液放入液体培养基中，并在其内接种工程用菌，得到驯化后的复合菌群，菌群由巴氏芽孢杆菌(Bacillus pasteurii)、枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)以及短小芽孢杆菌(Bacillus pumilus)组合而成，三者的生物量比例为2∶2∶1，1L液体培养基中包含5.0g的大豆蛋白胨、15.0g的胰蛋白胨、5.0g的氯化钠以及10g的尿素，培养基pH控制在7.3，将完成驯化的菌群连同液体培养基与无菌大豆蛋白粉按1∶1的质量体积比混合，在30℃温度下静置24h后制得菌剂1；
b.使用深层搅拌机2将待处理地层中的土壤3和菌剂1搅拌均匀，搅拌深度为4.6m，投加的菌剂1与土壤3的质量比为1∶100，搅拌完成后整平场地；
c.在整平的场地上用钻机在布孔位置钻得孔位并放置注浆管4，孔距为0.8m，注浆管长为4.6m，场地上共布置有240行、195列的注浆管4；
d.通过注浆管4往待处理地层中注入营养液5为菌群的生长繁殖提供所需的营养物质，每1L的营养液5包含：5.0g的大豆蛋白胨、20g的胰蛋白胨、6.0g的氯化钠以及15g的尿素，pH控制在7.3，溶解氧浓度控制在15mg/L，前后两次营养液5注入待处理地层的间隔时间为3天，注入次数为8次，这一工序共耗时24天；
e.在场地上布置150个检测孔，并从检测孔中抽取土壤孔隙液，用红外测油仪进行含油量测定，土壤的含油量与处理前相比降低了84.6％，利用注浆管4往待处理地层中交替注入营养液5以及胶结溶液6，交替注浆次数为6次，胶结溶液3由0.20mol/L～0.45mol/L的氯化钙溶液和浓度为0.20mol/L～0.50mol/L的尿素溶液混合而成，氯化钙、尿素溶液的浓度在首次注入待处理地层时分别为0.45mol/L和0.50mol/L，随着注浆遍数的增加，注入待处理地层的氯化钙溶液浓度分别降至0.40mol/L、0.35mol/L、0.30mol/L、0.25mol/L以及0.20mol/L，而注入待处理地层的尿素溶液浓度分别降至0.45mol/L、0.40mol/L、0.35mol/L、0.30mol/L以及0.20mol/L，这一工序共耗时55天；
f.注浆完成后，加固地基土的强度经检测达412kPa，土壤中Ni、Pb的离子浓度分别降低了83.4％以及91.5％，地基承载力以及土壤的毒性均满足要求，随后拔除场地上所有注浆管4。

Claims (5)

1.一种微生物复合菌群处理石油污染黏土地基的方法，其特征在于该方法步骤如下：
a.将巴氏芽孢杆菌(Bacillus pasteurii)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)以及短小芽孢杆菌(Bacillus pumilus)按照生物量比例2∶2∶1混合制成菌剂(1)；
b.使用深层搅拌机(2)将待处理地层中的土壤(3)和菌剂(1)搅拌均匀，投加的菌剂(1)与土壤(3)的质量比为1∶100，搅拌完成后整平场地；
c.在整平的场地中用钻机在布孔位置钻得孔位并放置注浆管(4)，孔距为0.8m，注浆管(4)成列状布置；
d.通过注浆管(4)往待处理地层中注入营养液(5)为菌群的生长繁殖提供所需的营养物质，前后两次营养液(5)注入待处理地层的间隔时间为3天；
e.在场地中按1个/200m2布置检测孔，每隔6天从检测孔中抽取土壤孔隙液进行含油量测定，当土壤的含油量降低80％以上时，利用注浆管(4)往待处理地层中交替注入营养液(5)以及胶结溶液(6)；
f.待场地达到预定的注浆遍数后，检测地基强度以及土中重金属浓度，满足要求后拔除全部注浆管(4)，如不满足要求则重复步骤e直至满足要求。
2.根据权利要求1所述的微生物复合菌群处理石油污染黏土地基的方法，其特征在于步骤a中的菌剂(1)由无菌大豆蛋白粉与含有菌群的液体培养基按1∶1的质量体积比混合，在30℃温度下静置24h后制得，其中，1L液体培养基中包含5.0g的大豆蛋白胨、15.0g的胰蛋白胨、5.0g的氯化钠以及10g的尿素，液体培养基pH控制在7.3。
3.根据权利要求1所述的微生物复合菌群处理石油污染黏土地基的方法，其特征在于步骤d中营养液(5)的pH控制在7.3，溶解氧浓度控制在15mg/L以使营养液5富氧化，每1L的营养液(5)包含：5.0g的大豆蛋白胨、20g的胰蛋白胨、6.0g的氯化钠以及15g的尿素。
4.根据权利要求1所述的微生物复合菌群处理石油污染黏土地基的方法，其特征在于步骤e中的胶结溶液(6)由0.20mol/L～0.45mol/L的氯化钙溶液和浓度为0.20mol/L～0.50mol/L的尿素溶液混合而成，氯化钙、尿素溶液的浓度在首次注入待处理地层时分别为0.45mol/L和0.50mol/L，两者随着注浆遍数的增加逐渐降低，最终降至0.20mol/L。
5.根据权利要求1所述的微生物复合菌群处理石油污染黏土地基的方法，其特征在于步骤f中营养液(5)以及胶结溶液(6)注入待处理地层的流程为：通过注浆管4往待处理地层中注入营养液(5)，静置3天，然后注入胶结溶液(6)，静置2天，再依次注入营养液(5)、胶结溶液(6)反复进行地层加固，胶结溶液(6)注入待处理地层次数每增加1次，随后注入的营养液(5)在待处理地层中的静置时间需在前次基础上延长3天。
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