CN108480385B - 一种用于生物堆的强化修复方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及有机污染土壤生物修复技术领域，具体说是一种用于生物堆的强化修复方法和装置。三位一体的风电一体化装置包括渗滤液往复调配系统、供电系统和电解质养分补给系统管路；渗滤液往复调配系统设于装置的底部，供电系统由至少一个“三明治”结构的电极组构成，电解质养分补给系统由电解质养分补给系统管路和中间层电解质养分补给系统管路组成。本发明“风电一体化”模式的阴极设计有效改善堆体底部缺氧环境，渗滤液循环设计避免二次污染发生并彻底去除有机污染物，有效提高生物堆技术对有机污染土壤的修复效率，是生物堆修复技术强化应用的有效实现方法。

Description

一种用于生物堆的强化修复方法和装置

技术领域

本发明涉及有机污染土壤生物修复技术领域，具体说是一种用于生物堆的强化修复方法和装置。

背景技术

生物修复技术作为一种接受度最高、认识最深入且应用范围最广的修复技术，一直以来以其低成本、低风险、高环保及易操作等优势而成为土壤污染治理工作者最为青睐的修复方法。然而，生物修复技术低效缓慢的缺陷也是始终限制其应用并有待改进的方面。目前，现有的生物修复技术改良方法主要以微生物修复有机污染土壤应用方式和调控手段两方面为主。其中，应用方式上包括生物堆、预制床、生物通风、生态堆等改良措施已得到广泛研究和尝试。生物堆修复技术以其较低的工程作业成本而备受关注。在调控手段方面，添加营养物质助剂是改良生物堆体系中功能微生物活性的常用方法，用以增加微生物丰度、提高微生物多样性并增强微生物代谢活性。但实践表明，生物堆修复技术现有的一般性强化方法虽具有一定“提速修复”的效果，但提升幅度有限，仍然不能满足人们对有机污染土壤持续高效快速修复期望。

电动修复技术是近年来新兴的一种土壤污染治理修复技术，并逐渐得到广泛关注与研究。该技术通过向污染土壤中插入电极，施加低电压直流电，形成直流弱电场，最终利用电极表面氧化还原反应，降解有机污染物。随后，电动强化微生物修复技术的研究逐渐开展并得到认可。电动修复不仅具有直接降解有机污染物的功能，同时可刺激微生物代谢活性，提高微生物生物酶降解能力，起到“1+1>2”的作用。

根据上述的已有研究成果，总结生物堆修复技术应用经验及电动强化微生物修复技术的应用限制因素，本专利以期将二者进行有机结合，进一步提高有机污染土壤在微生物修复技术领域的修复效率，并实现高效的工程化应用。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于生物堆的强化修复方法和装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于生物堆的强化修复的装置，通过“三位一体”式的系统集成方法构建的装置包括渗滤液往复调配系统、供电系统和电解质养分补给系统管路；渗滤液往复调配系统设于装置的底部，供电系统由至少一个“三明治”结构的电极组构成，电解质养分补给系统由电解质养分补给系统管路和中间层电解质养分补给系统管路。

所述供电系统为插设于待处理生物反应堆内的电极，电极一端与外设的供电装置通过导线相连，所述电极布设方式为电极沿生物堆堆体长向方向横向放置，并沿堆体纵向的高度方向布设，相邻两层间距为0.6～1.0m，同层电极间距为0.8～1.2m，纵向电极极性呈“负极-正极-负极”的“三明治”结构。

所用电极为外直径27-34cm，内径20-25cm的不锈钢管，电极长度为1-5m，但不局限于此长度；

所述供电系统中的“三明治”结构的电极组中最底层电极采用“风电一体化”的设计模式，其一端密封，另一端连接通风管路与气泵连接；所述最底层负极电极表面设有由孔设置的多个呈“梅花状”排列的孔组；其中，每组“梅花状”排列的孔组间距为5～10cm。

所述每组“梅花状”排列的孔组由7个孔组成，每个孔直径为1.0～1.5mm，孔间距为2.5～3.5mm。

所述电解质养分补给系统管路设于供电系统中每个“三明治”结构的电极组的上层电极旁；中间层电解质养分补给系统管路设于供电系统中每个“三明治”结构的电极组的上层和中间层电极之间，即“三明治”中间层阳极上端0.2～0.3m处，包含但不局限于此布设位置。

所述渗滤液往复调配系统为设于待处理堆体底部倾斜设计的坑，抗体中间设有一收集凹槽，收集凹槽末端与渗滤液收集循环管路一端相连。所述

所述设于待处理堆体底部倾斜设计的坑的高度方向截面呈倒置的梯形，梯形的腰与地面夹角为8～10度。

所述渗滤液收集循环管路另一端通过带有液泵的管路与中间层电解质养分补给系统管路一端相连通，其另一端通过设有液泵的管路通入呈有电解质养分补给液的水分营养储罐；所述渗滤液收集循环管路为连接渗滤液收集槽与阳极处分布的补给管路的部分，由液泵提供从收集槽到补给管路的液体流向的动力。

所述电解质养分补给系统管路通过液泵与水分营养补给罐连接。

所述电解质养分补给液为含可溶性有机碳含量达5～10％(w/v)的无机盐营养液和pH 7.0～7.5的磷酸盐缓冲液；其中，无机盐营养液与磷酸盐缓冲液体积比为1～5:1(v/v)；

所述营养液组分为每升水中0.3～0.5g/L NaCl，0.1～0.3g/L MgSO₄，0.5～1.0g/L(NH₄)₂SO₄，0.01～0.02g/L CaCl₂，0.01～0.02g/L FeSO₄。

所述pH 7.0～7.5的磷酸盐缓冲液为pH 7.0～7.5的0.05～0.2M的K₂HPO₄和KH₂PO₄组成的缓冲液混合而成，

一种装置用于生物堆的强化修复方法，强化生物堆修复体系运行为供电系统的电动强化运行0.8～1.0h后，停止0.8～1.0h；“三明治”结构底层电极相连的强制通风系统在电动强化运行0.4～0.5h后开始启动，运行0.4～0.5h后停止强制通风；启动渗滤液往复调配系统，运行0.2～0.4h后停止，生物堆堆体放置处理0.6～0.8h后，启动下一循环电动强化运行周期。

所述装置用于生物堆修复技术强化处理过程，其采用电动强化方式，通过“三位一体”式的系统集成方法，实现生物堆修复技术的强化应用。

其中，电动强化方式即指在堆体内采用布设电极并供给低电压直流电的方式进行生物堆修复强化应用。

所述的通过“三位一体”式的系统集成方法，即指由供电系统、电解质养分补给系统、渗滤液往复调配系统及堆体运行时空调配方案组成的系统集成式的电动强化生物堆修复应用方法。

本发明具有以下优点及有益效果：

本发明生物堆修复过程中采用电动技术促进堆体内水分及营养物质迁移分布，刺激功能微生物代谢活性，同时电动强化过程产生的化学氧化作用辅助微生物降解有机污染物，“风电一体化”模式的阴极设计有效改善堆体底部缺氧环境，渗滤液循环设计避免二次污染发生并彻底去除有机污染物，有效提高生物堆技术对有机污染土壤的修复效率，是生物堆修复技术强化应用的有效实现方法，具体为：

1.本发明所采用的电动强化措施促进生物堆堆体内水分及营养物质的迁移分布，同时利用化学氧化的强效性辅助功能微生物进行有机污染物降解。

2.本发明所采用的供电系统中的电极布设方式采用“负-正-负”的“三明治”式横向放置三层分布，根据生物堆体内水分重力势向下运移的趋势及电渗析流由正极向负极的流向，可有效限制堆体上层(“负-正”区域)水分及营养物质的流失，促进微生物处于稳态的土壤环境中实现稳定的代谢功能发挥。

3.本发明所采用的“风电一体化”电极材料设计，有效改善生物堆堆体下层(“正-负”区域)水分积累所造成的缺氧环境，同时有利于渗滤液向收集槽内迁移，在一定程度上保持堆体土壤内的水分及营养物质含量与分布。电极表面开孔直径设定为1.0～1.5mm，且7个孔组成一组并呈“梅花状”排列分设计，有效防止了堆体内水分进入电极管内并有效促进强制通风效果。

4.本发明所设置的将电解质养分补给液供给至堆体中间层阳极上端0.2～0.3m处，有效解决了阳极区化学氧化作用可能造成的土壤酸化及堆体下层“负-正”区域内电解质流失等不利条件，维持电动强化过程的稳定可持续。

5.本发明所设计的渗滤液往复调配系统中采用底部倾斜凹槽设计方式，有效收集堆体渗滤液至收集槽内，并通过液泵动力输送至堆体中间阳极上端的电解质营养补给管路内，有效利用阳极区化学氧化的强效降解作用对渗滤液中有机污染物的进一步处理，避免了二次污染的风险。

6.本发明所设计的电动强化生物堆修复技术运行时空调配方案，有效利用间歇式电动强化的方式，最大限度地维持生物堆堆体内稳定的环境条件，有效保持堆体内氧分压，且控制适宜含量的水分及营养物质，实现电动强化生物堆运行的高效持续过程。

附图说明

图1为本发明实施例提供的电动强化生物堆修复堆体建设立体图。其中，数字表示上层阴极(1)、中层阳极(2)、下层阴极(“风电一体”电极)(3)、电控柜(4)、水分营养储罐(5)、风机(6)、液泵(7)、水分营养补给管路(8)、渗滤液收集循环管路(9)、碎石层(10)及土壤堆体(11)、堆体中间水分营养补给管路(12)。

图2为本发明实施例提供的电动强化生物堆修复堆体横向侧观图。其中，数字表示上层阴极(1)、中层阳极(2)、下层阴极“风电一体”电极)(3)、水分营养补给管路(8)、渗滤液收集循环管路(9)、碎石层(10)、土壤堆体(11)、堆体中间水分营养补给管路(12)、收集槽侧面倾斜角度(13)及渗滤液收集槽(18)。

图3为本发明实施例提供的电动强化生物堆修复堆体中“风电一体”管路及其打孔示意图。其中，数字表示下层阴极(“风电一体”电极)(3)、管孔(14)、强制通风风向(15)及阴极接入导线(16)。

图4为本发明实施例提供的电动强化生物堆修复堆体俯视示意图。其中，数字表示电控柜(4)、水分营养储罐(5)、液泵(7)、渗滤液收集循环管路(9)、土壤堆体(11)、堆体中间水分营养补给管路(12)、阴极接入导线(16)及阳极接入导线(17)。

图5为本发明实施例提供的电动强化生物堆修复堆体调控方案时间分布示意图。

图6为本发明实施例提供的电动强化生物堆修复石油烃污染土壤pH值变化图。

图7为本发明实施例提供的电动强化生物堆修复石油烃污染土壤微生物数量变化图。

图8为本发明实施例提供的电动强化生物堆修复石油烃污染土壤中石油烃降解率。

图9为本发明实施例提供的电动强化生物堆修复正十六烷污染土壤中正十六烷降解率。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明生物堆修复过程中采用电动技术促进堆体内水分及营养物质迁移分布，刺激功能微生物代谢活性，同时电动强化过程产生的化学氧化作用辅助微生物降解有机污染物，“风电一体化”模式的阴极设计有效改善堆体底部缺氧环境，渗滤液循环设计避免二次污染发生并彻底去除有机污染物，有效提高生物堆技术对有机污染土壤的修复效率，是生物堆修复技术强化应用的有效实现方法。

实施例1电动强化生物堆修复石油烃污染土壤

试验所用污染土壤为油田井场内长期受石油污染土壤，经除去肉眼可见的草根等杂质后，室内风干并过2mm筛子，测定污染土壤初始石油烃含量为4.2％(W/W，g·g^-1)。污染土壤初始pH值为7.6。污染土壤内混入预先筛选并制备的石油烃功能降解菌，混入后的土壤内总微生物数量达3.39×10⁸copies·g^-1土。

污染土壤在试验处理空地内进行电动强化生物堆修复堆体的搭建三位一体的风电一体化装置(参见图1-图5)装置包括渗滤液往复调配系统、供电系统和电解质养分补给系统管路；渗滤液往复调配系统设于装置的底部，供电系统由至少一个“三明治”结构的电极组构成(本实施例中堆体供电系统由一个“三明治”结构的电极组构成)，电解质养分补给系统由电解质养分补给系统管路和中间层电解质养分补给系统管路组成。

堆体搭建装置在空地内中心区挖倾斜设计的坑，作为渗滤液往复调配系统，坑体中间设有一收集凹槽，所述倾斜设计的坑的高度方向截面呈倒置的梯形，梯形的腰与地面夹角为10度。坑体底部除收集凹槽外均铺设防渗透膜，收集槽内填充碎石，并高出地平面20cm；碎石层上部填充上述待处理石油污染土壤，形成土壤堆体，堆体高2m，宽1.5m，长5m。

所述供电系统为插设于待处理生物反应堆内的电极，电极一端与外设的供电装置通管道线相连，所述电极布设方式为电极沿生物堆堆体长向方向横向放置，并沿堆体纵向的高度方向布设，相邻两层间距为0.6m，同层电极间距为1.0m，纵向电极极性呈“负极-正极-负极”的“三明治”结构。

所用电极为外直径28cm，内径25cm的不锈钢管，电极长度为3m，但不局限于此长度；

所述供电系统中的“三明治”结构的电极组中最底层电极一端密封，另一端连接通风管路与气泵连接；所述最底层负极电极表面设有由孔设置的多个呈“梅花状”排列的孔组；其中，每组“梅花状”排列的孔组间距为8cm。

所述每组“梅花状”排列的孔组由7个孔组成，每个孔直径为1.0mm，孔间距为2.5mm。

所述电解质养分补给系统管路设于供电系统中每个“三明治”结构的电极组的上层电极旁；中间层电解质养分补给系统管路设于供电系统中每个“三明治”结构的电极组的上层和中间层电极之间，即“三明治”中间层阳极上端0.2m处，包含但不局限于此布设位置。

所述渗滤液往复调配系统为设于待处理堆体底部倾斜设计的坑，抗体中间设有一收集凹槽，收集凹槽末端与渗滤液收集循环管路一端相连。

所述设于待处理堆体底部倾斜设计的坑的高度方向截面呈倒置的梯形，梯形的腰与地面夹角为10度。

所述渗滤液收集循环管路另一端通过带有液泵的管路与中间层电解质养分补给系统管路一端相连通，其另一端通过设有液泵的管路通入呈有电解质养分补给液的水分营养储罐；所述渗滤液收集循环管路为连接渗滤液收集槽与阳极处分布的补给管路的部分，由液泵提供从收集槽到补给管路的液体流向的动力。

所述电解质养分补给系统管路通过液泵与水分营养补给罐连接。

所述电解质养分补给液为可溶性有机碳含量达10％(w/v)的无机盐营养液与pH7.5、0.2M的K₂HPO₄和KH₂PO₄组成的缓冲液按1:1的体积比混合而成，无机盐营养液组分为0.5g/L NaCl，0.3g/L MgSO₄，0.8g/L(NH₄)₂SO₄，0.02g/L CaCl₂，0.02g/L FeSO₄。

修复方法为：

电极端通过导线连接电控系统，采用低电压直流电恒定场强方向进行电动处理，电源电压为24v，电路接入时控开关，自动调节电源通断。电动强化生物堆系统时间调控方案为初始通电电动强化1h，在通电0.5h后进行强制通风处理。电动强化1h后停止电动，进行水分营养补给调控，补给0.3h后停止液泵运行，生物堆堆体静置0.7h，完成一次调控周期，同时进入下一个周期的堆体运行调节。

生物堆处理60天后，监测土壤pH、微生物数量及石油烃降解率等指标，结果表明，堆体内上、中、下层电极处土壤pH、微生物数量及石油烃降解率均存在差异，但整体pH处于6.5～8.5之间，整体微生物数量达5.17×10⁶～6.92×10⁸copies·g^-1土，石油烃平均降解率达41.67％，较普通电动强化微生物修复降解效率在同等处理时间内显著提高(如图6～8所示)。

实施例2电动强化生物堆修复长链烷烃污染土壤

试验所用污染土壤为正十六烷污染土壤，经除去肉眼可见的草根等杂质后，室内风干并过2mm筛子，人工混入正十六烷作为长链烷烃代表，污染土壤配置平衡后测定污染土壤初始正十六烷含量为1.2％(V/W，mL·g^-1)。污染土壤初始pH值为8.2。污染土壤内混入预先筛选并制备的石油烃功能降解菌，混入后的土壤内总微生物数量达6.9×10⁸copies·g^-1土。

堆体搭建装置在空地内中心区挖倾斜设计的坑，作为渗滤液往复调配系统，坑体中间设有一收集凹槽，所述倾斜设计的坑的高度方向截面呈倒置的梯形，梯形的腰与地面夹角为8度。坑体底部除收集凹槽外均铺设防渗透膜，收集槽内填充碎石，并高出地平面23cm；碎石层上部填充上述待处理石油污染土壤，形成土壤堆体，堆体高2m，宽1.5m，长3m。

所述供电系统为插设于待处理生物反应堆内的电极，电极一端与外设的供电装置通管道线相连，所述电极布设方式为电极沿生物堆堆体长向方向横向放置，并沿堆体纵向的高度方向布设，相邻两层间距为0.6m，同层电极间距为0.8m，纵向电极极性呈“负极-正极-负极”的“三明治”结构。

所用电极为外直径30cm，内径27cm的不锈钢管，电极长度为5m，但不局限于此长度；

所述供电系统中的“三明治”结构的电极组中最底层电极一端密封，另一端连接通风管路与气泵连接；所述最底层负极电极表面设有由孔设置的多个呈“梅花状”排列的孔组；其中，每组“梅花状”排列的孔组间距为10cm。

所述每组“梅花状”排列的孔组由7个孔组成，每个孔直径为1.2mm，孔间距为3.0mm。

所述电解质养分补给系统管路设于供电系统中每个“三明治”结构的电极组的上层电极旁；中间层电解质养分补给系统管路设于供电系统中每个“三明治”结构的电极组的上层和中间层电极之间，即“三明治”中间层阳极上端0.15m处，包含但不局限于此布设位置。

所述渗滤液往复调配系统为设于待处理堆体底部倾斜设计的坑，抗体中间设有一收集凹槽，收集凹槽末端与渗滤液收集循环管路一端相连。

所述设于待处理堆体底部倾斜设计的坑的高度方向截面呈倒置的梯形，梯形的腰与地面夹角为8度。

所述渗滤液收集循环管路另一端通过带有液泵的管路与中间层电解质养分补给系统管路一端相连通，其另一端通过设有液泵的管路通入呈有电解质养分补给液的水分营养储罐；所述渗滤液收集循环管路为连接渗滤液收集槽与阳极处分布的补给管路的部分，由液泵提供从收集槽到补给管路的液体流向的动力。

所述电解质养分补给系统管路通过液泵与水分营养补给罐连接。

所述电解质养分补给液为可溶性有机碳含量达5％(w/v)的无机盐营养液与pH7.4、0.2M的K₂HPO₄和KH₂PO₄组成的缓冲液按4:1的体积比混合而成，无机盐营养液组分为0.5g/L NaCl，0.3g/L MgSO₄，0.8g/L(NH₄)₂SO₄，0.02g/L CaCl₂，0.02g/L FeSO₄。

修复方法为：

电极端通过导线连接电控系统，采用低电压直流电恒定场强方向进行电动处理，电源电压为24v，电路接入时控开关，自动调节电源通断。电动强化生物堆系统时间调控方案为初始通电电动强化1h，在通电0.5h后进行强制通风处理。电动强化1h后停止电动，进行水分营养补给调控，补给0.2h后停止液泵运行，生物堆堆体静置0.8h，完成一次调控周期，同时进入下一个周期的堆体运行调节。

生物堆处理60天后，监测土壤pH、微生物数量及石油烃降解率等指标，结果表明，堆体内正十六烷平均降解率达57％。

Claims (5)

1.一种用于生物堆的强化修复的装置，其特征在于：通过“三位一体”式的系统集成方法构建的装置包括渗滤液往复调配系统、供电系统和电解质养分补给系统；渗滤液往复调配系统设于装置的底部，供电系统由至少一个“三明治”结构的电极组构成，电解质养分补给系统由电解质养分补给系统管路和中间层电解质养分补给系统管路组成；

所述供电系统为插设于待处理生物反应堆内的电极，电极一端与外设的供电装置通过导线相连，所述电极布设方式为电极沿生物堆堆体长向方向横向放置，并沿堆体纵向的高度方向布设，相邻两层间距为0.6~1.0 m，同层电极间距为0.8~1.2 m，纵向电极极性呈“负极-正极-负极”的“三明治”结构；

所述供电系统中的“三明治”结构的电极组中最底层负极电极采用“风电一体化”的设计模式，其一端密封，另一端连接通风管路与气泵连接；所述最底层负极电极表面设有多个呈“梅花状”排列的孔组；其中，每组“梅花状”排列的孔组间距为5~10 cm；

所述电解质养分补给系统管路设于供电系统中每个“三明治”结构的电极组的上层电极旁；中间层电解质养分补给系统管路设于供电系统中每个“三明治”结构的电极组的上层电极和中间层电极之间；

所述渗滤液往复调配系统为设于待处理堆体底部倾斜设计的坑，坑体中间设有一收集凹槽，收集凹槽末端与渗滤液收集循环管路一端相连；

所述渗滤液收集循环管路另一端通过带有液泵的管路与中间层电解质养分补给系统管路一端相连通，中间层电解质养分补给系统管路另一端通过设有液泵的管路通入装有电解质养分补给液的水分营养储罐；

所述电解质养分补给系统管路通过液泵与水分营养储罐连接。

2.按权利要求1所述的用于生物堆的强化修复的装置，其特征在于：所述每组“梅花状”排列的孔组由7个孔组成，每个孔直径为1.0~1.5 mm，孔间距为2.5~3.5 mm。

3.按权利要求1所述的用于生物堆的强化修复的装置，其特征在于：所述设于待处理堆体底部倾斜设计的坑的高度方向截面呈倒置的梯形，梯形的腰与地面夹角为8~10度。

4.按权利要求1所述的用于生物堆的强化修复的装置，其特征在于：

所述电解质养分补给液为含可溶性有机碳含量达5~10%的无机盐营养液和pH 7.0~7.5的磷酸盐缓冲液；其中，无机盐营养液与磷酸盐缓冲液体积比为1~5:1；

所述无机盐营养液组分为每升水中0.3~0.5 g/L NaCl，0.1~0.3 g/L MgSO₄，0.5~1.0g/L (NH₄)₂SO₄，0.01~0.02 g/L CaCl₂，0.01~0.02 g/L FeSO₄。

5.一种权利要求1所述的装置用于生物堆的强化修复方法，其特征在于：强化生物堆修复体系运行为供电系统的电动强化运行0.8~1.0 h后，停止0.8~1.0 h；强制通风系统在电动强化运行0.4~0.5 h后开始启动，运行0.4~0.5 h后停止强制通风；启动渗滤液往复调配系统，运行0.2~0.4 h后停止，生物堆堆体放置处理0.6~0.8 h后，启动下一循环电动强化运行周期。

Images