CN110052493B

CN110052493B - 一种多环芳烃污染土壤的生物泥浆修复方法及配套设备

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Publication number: CN110052493B
Application number: CN201910232766.5A
Authority: CN
Inventors: 毛缜; 姬丹; 贺建; 吕蒙蒙; 彭思涵
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2019-03-26
Filing date: 2019-03-26
Publication date: 2020-12-22
Anticipated expiration: 2039-03-26
Also published as: CN110052493A

Abstract

本发明公开了一种多环芳烃污染土壤的生物泥浆修复方法及配套设备，该反应系统包括生物泥浆反应器、恒温加热装置、蠕动泵和曝气泵，该修复方法包括以下步骤：1)将多环芳烃污染土壤和无机盐培养液按水土体积比2:1混合，加入生物泥浆反应器中，在反应的同时接种具有降解多环芳烃的细菌，接种量为2％～15％；在温度为30～35℃，pH为5～7，溶解氧为8.95～11.89mg/L条件下，添加表面活性剂，搅拌转速控制在110～200rpm；2)通过实验先测定污染土壤中多环芳烃的含量，再对细菌的接种比例及表面活性剂选择进行调整，提高降解效果，缩短降解时间。

Description

一种多环芳烃污染土壤的生物泥浆修复方法及配套设备

技术领域

本发明涉及环境保护技术领域，涉及一种污染土壤的修复，具体涉及一种多环芳烃污染土壤的生物泥浆修复方法及配套设备。

背景技术

多环芳烃(PAHs)由线性、角状或簇聚排列的稠合芳环组成。在其纯化学形式中，PAHs通常以无色，白色或浅黄绿色固体形式存在，具有淡淡的令人愉快的气味。常见的16种多环芳烃可以分为两类：一种是含有2～3个苯环，被称为低分子量PAHs，如萘、芴和菲等。另一种为带有4个及以上苯环的高分子量PAHs，如芘、苯并蒽和苯并[α]芘等。一般来说，PAHs的电化学稳定性，持久性，耐生物降解性和致癌性指数随着芳环数量，结构角度和疏水性的增加而增加，而挥发性随着分子量的增加而降低。PAHs在各种食物链中具有天然的生物积累潜力，这使得它们在环境中的存在相当惊人，因此被认为是潜在的人类健康危害物质。

微生物是生物修复的主体，在污染物的迁移转化乃至最终清除的过程中占有重要地位。微生物修复是开发利用微生物的新陈代谢能力及基因的多样性为基础的修复方式。相对于其他非生物修复方式，利用微生物修复PAHs的方式具有经济，设备简单，二次污染少，修复彻底等优点。对于以吸附态存在于土壤和水体沉积物中的PAHs，微生物降解是使其从环境体系消失的最主要且最有效的途径。目前的研究工作主要集中在以下几方面：(1)高效降解菌株及高效降解菌群的筛选；(2)以吸附态存在于土壤和水体沉积物中的可生物利用性研究；(3)生物代谢终产物及其代谢机制；(4)增强微生物修复的途径和方法。

生物泥浆反应器是一个复杂的工程设备，通常包括四部分：土壤处理和调节设备，生物反应器，处理土壤处置设备以及泥水流动控制装置。生物泥浆反应器(Bioslurryreactor，BR)是用于处理污染土壤的特殊反应器。1990年Ross提出生物泥浆技术可作为一种新兴的修复技术，用于处理污染土壤。其基本方式是将污染土壤挖掘出来，适当筛分后移至反应器内，加入水并搅拌使之形成泥浆，并添加微生物或营养物质等促进污染物的生物降解。其基本原理就是利用微生物将土壤中有害有机污染物降解为无害的无机物质(CO₂和H₂O)，降解过程通过改变土壤的理化条件(包括土壤pH、含水率、温度、溶氧及营养因子等)来完成，也可接种人工驯化的菌群或构建的工程微生物提高降解效率。

因此，若能在前期研究基础上提供一种泥浆生物反应器，进一步利用该反应器设计出一套处理土壤有机污染物PAHs土壤的微生物强化配方。可以为我国解决土壤PAHs污染提供一条切实可行的道路，实现含有机毒物土壤的清洁、生态环境的安全健康。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种多环芳烃污染土壤的生物泥浆修复方法，操作简单，去除多环芳烃的能力强，修复效果好。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种多环芳烃污染土壤的生物泥浆修复方法，包括以下步骤：

1)将多环芳烃污染土壤和无机盐培养液按水土体积比2:1混合，加入生物泥浆反应器中，所述无机盐培养液的组成：NaNO₃ 4.0g、NH₄Cl₂ 2.0g、KH₂PO₄ 1.5g、Na₂HPO₄ 0.5g、CaCl₂ 0.01g、MgCl₂ 0.2g、1ml微量元素溶液、去离子水1L，调pH＝7.0，121℃灭菌20min；所述微量元素溶液的组成：FeSO₄·7H₂O 2g、ZnSO₄·7H₂O 0.03g、H₃BO₃ 0.3g、CoCl₃·6H₂O0.3g、NiCl₂·6H₂O 0.02、Na₂MoO₄·2H₂O 0.03g、去离子水1L，调pH＝7.0；

在反应的同时接种具有降解多环芳烃的细菌，所述细菌为假单胞菌属中的一种或多种混合物，接种量为泥浆混合体系的2％～15％；并添加表面活性剂，在温度为30～35℃，pH为5～7，溶解氧为8.95～11.89mg/L，添加200mg/L丙酮酸钠的条件下搅拌反应，反应器的搅拌轴转速控制在110～200rpm；

2)通过实验先测定污染土壤中多环芳烃的含量，再对细菌的接种比例及表面活性剂的种类选择进行调整，提高降解效果，缩短降解时间。

优选的，所述细菌为Pseudomonas sp.Lphe-2，保藏于广东省微生物菌种保藏中心，地址为广州市先烈中路100号大院59号楼5楼，保藏日期为2019年3月8号，保藏编号为GDMCC No：60603。

优选的，所述细菌的接种量为泥浆混合体系的5％～10％。

优选的，所述表面活性剂为Tween-80，表面活性剂的加入量为0.25mg/g土。

优选的，步骤(1)中反应条件为：温度为30℃，pH为6，溶解氧10.72mg/L，搅拌转速180rpm。

本发明的目的之二是提供一种上述多环芳烃污染土壤的生物泥浆修复方法的配套设备。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种多环芳烃污染土壤的生物泥浆修复方法的配套设备，包括生物泥浆反应器、恒温加热装置、蠕动泵和曝气泵，所述生物泥浆反应器包括双层玻璃反应釜，所述双层玻璃反应釜包括釜体、设置在釜体顶部的釜盖、设置在釜体内的搅拌轴以及设置在釜体外侧的电机，所述釜盖上端面的中心部安装有搅拌塞头，所述釜盖上端面上还设有环绕所述搅拌塞头分布的第一管口、第二管口、第三管口和第四管口，所述搅拌轴的上端穿过搅拌塞头后延伸到釜体外侧，与电机的输出轴传动连接，所述搅拌轴的底端设有搅拌叶片，所述第一管口端安装有曝气管，伸入釜体的曝气管一端设有曝气头，所述第二管口端安装有管式漏斗，所述第三管口端安装有温度传感器，所述第四管口端为加料口，所述釜体的下端设有放料口，所述釜体的侧面下部设有进水口，釜体的侧面上部设有出水口，

所述曝气泵与所述曝气管连接，所述恒温加热装置分别通过软管与所述进水口、出水口连接，所述蠕动泵设置在恒温加热装置的出水管路上，所述电机与电机控制器电性连接。

进一步地，所述放料口端设置有放料阀。

优选的，所述搅拌塞头为四氟搅拌塞头。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明提供的多环芳烃污染土壤的修复方法，通过对污染土壤中多环芳烃的含量的测定，调整细菌的接种比例及表面活性剂的种类，在控制各环境参数最佳条件时，对实际污染土壤中2种污染浓度较高的PAHs(FLU，PHE)3天降解率分别为87.32％和87.66％；这对于实际污染土壤的修复具有重要参考意义。

2、本发明提供的修复方法，添加的表面活性剂在系统中主要起到增溶作用，可诱导细胞膜不饱和脂肪酸含量的增加，提高细胞膜通透性，有利于PAHs的跨膜运输，大大提高细菌对PAHs的降解率，在短时间内降解率高。

3、本发明提供的生物泥浆修复方法的配套设备安全性能好，操作简单。

附图说明

图1为本发明的多环芳烃污染土壤的生物泥浆修复方法的配套设备结构示意图；

图中，1-双层玻璃反应釜，101-釜体，102-釜盖，103-搅拌轴，104-电机，105-搅拌塞头，106-第一管口，107-第二管口，108-第三管口，109-第四管口，1010-搅拌叶片，1011-曝气管，1012-曝气头，1013-温度传感器，1014-管式漏斗，1015-放料口，1016-放料阀，1017-出水口，1018-进水口，1019-电机控制器，2-恒温加热装置，3-蠕动泵，4-曝气泵；

图2为生物泥浆反应器中菲的降解率图；

图3为表面活性剂胶团化作用的示意图；

图4为实际污染土壤FLU的浓度变化曲线图；

图5为实际污染土壤PHE的浓度变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明所述的具有多环芳烃降解能力的细菌可以通过从多环芳烃的污染土壤中筛选，或者从各国菌种保存中心和研究机构获得已知的高效降解菌株的方式获得。

实施例1：含菲土壤的降解

本实施例采用的多环芳烃污染土壤的生物泥浆反应系统，包括生物泥浆反应器、恒温加热装置2、蠕动泵3和曝气泵4，所述生物泥浆反应器包括双层玻璃反应釜1，所述双层玻璃反应釜1包括釜体101、设置在釜体101顶部的釜盖102、设置在釜体101内的搅拌轴103以及设置在釜体101外侧的电机104，所述釜盖102上端面的中心部安装有四氟搅拌塞头105，所述釜盖102上端面上还设有环绕所述搅拌塞头105分布的第一管口106、第二管口107、第三管口108和第四管口109，所述搅拌轴103的上端穿过搅拌塞头105后延伸到釜体101外侧，与电机104的输出轴传动连接，所述搅拌轴103的底端设有搅拌叶片1010，所述第一管口106端安装有曝气管1011，伸入釜体101的曝气管1011一端设有曝气头1012，所述第二管口107端安装有管式漏斗1014，所述第三管口108端安装有温度传感器1013，所述第四管口109端为加料口，所述釜体101的下端设有放料口1015，所述放料口1015端设置有放料阀1016，所述釜体101的侧面下部设有进水口1018，釜体101的侧面上部设有出水口1017，

所述曝气泵4与所述曝气管1011连接，所述恒温加热装置2分别通过软管与所述进水口1018、出水口1017连接，所述蠕动泵3设置在恒温加热装置2的出水管路上，所述电机104与电机控制器1019电性连接。

本试验所用土样采集于中国矿业大学环测学院西门南侧花园，除去表层植被后以五点法进行取样。采集回来的土样经自然风干后，剔除石块、树枝等杂质，过2mm样品筛。将＞2mm的土块粉碎后过2mm样品筛，混匀，待用。

将风干过筛的土样送至中科院红壤站进行理化性质的测定，未检出菲。根据需要称取自然土400g/份，放于大玻璃培养皿中，向其中加入含菲的甲醇溶液，使土样中菲的终浓度为100mg/kg，搅拌混合均匀，置于避光通风处老化一周，得到菲污染土壤。将400g菲污染土壤加到2L生物泥浆反应器内，加入无机盐培养液800mL作为营养物质，保持生物泥浆反应器系统的水土比为2：1。添加降解细菌假单胞菌株Pseudomonas sp.Lphe-2(通过对徐州环宇焦化厂受污染的土壤进行分离、纯化，得到，保藏于广东省微生物菌种保藏中心，地址为广州市先烈中路100号大院59号楼5楼，保藏日期为2019年3月8号，保藏编号为GDMCC No：60603)，接种量为泥浆混合体系的5％，添加丙酮酸钠200mg/L为小分子共代谢物质，一组不添加表面活性剂，一组添加表面活性剂Tween-80 100mg/L强化反应；反应过程中控制温度为30℃，pH约等于6.0，利用曝气泵4对生物泥浆反应器进行充氧，保持溶解氧在10.72mg/L，搅拌速度为180rpm，反应器运行周期为3d。

无机盐培养液配方：NaNO₃ 4.0g、NH₄Cl₂ 2.0g、KH₂PO₄ 1.5g、Na₂HPO₄ 0.5g、CaCl₂0.01g、MgCl₂ 0.2g、1ml微量元素溶液、去离子水1L，调pH＝7.0，121℃灭菌20min。

微量元素溶液配方：FeSO₄·7H₂O 2g、ZnSO₄·7H₂O 0.03g、H₃BO₃ 0.3g、CoCl₃·6H₂O0.3g、NiCl₂·6H₂O 0.02、Na₂MoO₄·2H₂O 0.03g、去离子水1L，调pH＝7.0。

菌悬液制备：在选择培养基中培养2d的菌液分装于灭菌的50ml离心管中，以3000rpm离心10min，弃去上层清液，加入新鲜的无机盐培养基震荡冲洗2次，消除菌体携带的碳源影响。将浓缩获得菌体集中于三角烧瓶中，用无机盐培养基调整菌体浓度至OD600＝0.6，备用。

选择培养基配方：NaNO₃ 4.0g、NH₄Cl₂ 2.0g、KH₂PO₄ 1.5g、Na₂HPO₄ 0.5g、CaCl₂0.01g、MgCl₂ 0.2g、1ml微量元素溶液、营养琼脂20g、去离子水1L，调pH＝7.0，121℃灭菌20min。

从泥浆相中提取菲的步骤如下：(1)保证混匀完全的情况下，使用50ml塑料针筒及软管作为取样器，每次取样10ml左右泥浆，置于50ml离心管中，静置10min左右待泥水分层后，吸取1ml上层清液进行水相中菲含量分析。(2)将样品以8000rpm，离心10min，使泥水彻底分离。将上层清液弃去，保留土相于离心管中。(3)向离心管中添加20ml丙酮-正己烷混合萃取剂，手动震荡，使土样与萃取剂混合完全，将样品超声萃取30min，此过程向水中加入冰袋，保证超声过程中温度低于40℃。然后将样品以8000rpm，离心10min，使固液分离。吸出上层有机相。(4)重复萃取两次，并将三次有机相合并于100ml圆底烧瓶中待旋蒸。(5)将提取的有机相利用旋转蒸发仪进行浓缩，利用丙酮与正己烷沸点的不同，将有机相中的丙酮置换，所以水浴温度为60℃，浓缩至剩余0.5ml左右，将有机相吸出，并用乙酸乙酯冲洗圆底烧瓶2次，尽量减少其中菲的残留。(6)合并全部有机相于2ml离心管中，使用乙酸乙酯定容至2ml，过0.2μm的有机相滤膜注入GC-MS标准进样瓶，保存于4℃冰箱中，待上机进行测定。

测定方法：使用美国珀金埃尔默公司的CLARUS SQ 8 GC-MS定量测定菲。色谱柱为长30m的HP-5柱(30m＊0.25mm＊0.25μm)。电离方式为电子轰击(EI)；电离能量：70eV；离子源温度230℃；进样口温度250℃；兼顾测样准确度及测样效率，多次调试后确定升温条件为：初始温度80℃，保持2min，以15℃/min的速率升温至200℃，以4℃/min的速率升温至230℃，以10℃/min的速率升温至280℃，保持2min，不分流进样，进样量1μL。程序运行时间24.5min，溶剂延迟时间4min。载气为氦气，流速2.0ml·min^-1。定量方法为外标法。

菲标准曲线的绘制：取8个洁净的25ml容量瓶，向其中分别加入100μL，250μL，500μL，1ml，2.5ml，5ml，7.5ml，10ml的500mg/L的菲的乙酸乙酯标准溶液，用乙酸乙酯定容，充分混匀则菲的终浓度依次为，2mg/L，5mg/L，10mg/L，20mg/L，50mg/L，100mg/L，150mg/L，200mg/L。然后分别取2ml于进样瓶中，上GC-MS测定并绘制菲的标准曲线，菲的浓度作为响轴，响应值为y轴，获得二者线性关系为y＝29029.7x+31349.6，R²＝0.999750。

计算方法：降解率％＝[初始浓度-反应后浓度]/初始浓度

试验结果与分析：如图2所示，3天后对菲污染土壤的降解率达到53％。添加表面活性剂Tween-80后降解率达到99％。原因在于Tween-80可以促进土壤中的菲解吸到水相中，提高了其生物利用度。

如图3所示，表面活性剂可以改变生物降解菌的细胞表面及膜性质并影响它们对PAHs的亲和力。原始细胞表面疏水性(CSH)影响表面活性剂单体与细胞表面的结合，其亲水性头部或疏水性尾部朝向水相。一些表面活性剂如吐温80(Tween-80)和鼠李糖脂(Rhams)可以被PAHs降解微生物利用，这可能刺激降解微生物的短期生长，从而加速多环芳烃的消散速率。

当浓度大于CMC值，Tween-80在系统中主要起到增溶作用，促进细菌对菲的接触及降解。Tween-80等表面活性剂可诱导细胞膜不饱和脂肪酸含量的增加，提高细胞膜通透性，有利于PAHs的跨膜运输，降解率可以大幅度提高。所以表面活性剂的添加能为反应体系带来增益效果。

实施例2：天津某焦化厂重度化工污染场地的土壤多环芳烃修复

调控选取其中污染浓度最高的两种PAHs进行降解，分别为芴(FLU)、菲(PHE)，利用实施例1中的生物泥浆反应系统进行修复。设置温度为30℃，搅拌转速180rpm，溶解氧10.72mg/L，水土比2:1，添加丙酮酸钠200mg/L为小分子共代谢物质，添加表面活性剂Tween-80 100mg/L。其中菌株的接种量为5％(初始OD600＝0.6)。从接种菌株时开始，分别于0，12h，24h，36h，48h，60h，72h取样，测定其中PAHs的浓度变化。

菌悬液的制备、从泥浆相中提取芴和菲、测定方法及计算方法同实施例1所述。

试验结果与分析：如图4、图5所示，芴(FLU)、菲(PHE)的初始浓度分别为6.28mg/L和55.57mg/L。

在三天后，芴(FLU)、菲(PHE)的降解率分别达到87.32％和87.66％，具有良好的降解效果。

为了描述定量不同PAHs降解效率，使用一级反应动力学模型对PAHs的降解进行分析。其模型方程为：

lnC＝-kt+a

式中C是时间t时底物的浓度，k为速率常数(h^-1)，a是一个常数。

底物的理论半衰期(t_1/2)值则为：

t_1/2＝ln2/k

各PAHs的一级动力学方程拟合相关系数R²都介于0.9312～0.9878之间，拟合效果良好。不同PAHs的动力学常数k值有所不同。k值可以衡量降解速度，即k值越大，降解速度越快。其中PHE的半衰期为21.89h，FLU的半衰期为22.34h。而现有技术(李培军,巩宗强,井欣,等.生物反应器法处理PAHs污染土壤的研究[J].应用生态学报,2002,13(3):327-330.)利用生物反应器处理PAHs污染土壤，其生物反应器中PHE的半衰期为45.30h(初始浓度37.11mg/kg)，本发明的方案与其相比具有更短的半衰期。

Claims

1.一种多环芳烃污染土壤的生物泥浆修复方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将多环芳烃污染土壤和无机盐培养液按水土体积比2:1混合，加入生物泥浆反应器中，所述无机盐培养液的组成：NaNO₃ 4.0g、NH₄Cl₂ 2.0g、KH₂PO₄ 1.5g、Na₂HPO₄ 0.5g、CaCl₂0.01g、MgCl₂ 0.2g、1ml微量元素溶液、去离子水 1L，调pH= 7.0，121℃灭菌 20min；所述微量元素溶液的组成：FeSO₄·7H₂O 2g、ZnSO₄·7H₂O 0.03g、H₃BO₃ 0.3g、CoCl₃·6H₂O 0.3g、NiCl₂·6H₂O 0.02g、Na₂MoO₄·2H₂O 0.03g、去离子水 1L，调pH= 7.0；

在反应的同时接种具有多环芳烃降解能力的细菌，所述细菌为Pseudomonas sp.Lphe-2，保藏于广东省微生物菌种保藏中心，地址为广州市先烈中路100号大院59号楼5楼，保藏日期为 2019 年 3月 8 号，保藏编号为 GDMCC No：60603，接种量为泥浆混合体系的2%～15%；并添加表面活性剂Tween-80，所述表面活性剂加入量为0.25mg/g土，在温度为30℃，pH为6，溶解氧为10.72mg/L，添加200mg/L丙酮酸钠的条件下搅拌反应，反应器的搅拌轴（103）转速控制在180rpm；

2）通过实验先测定污染土壤中多环芳烃的含量，再对细菌的接种比例进行调整，提高降解效果，缩短降解时间。

2.根据权利要求1所述的多环芳烃污染土壤的生物泥浆修复方法，其特征在于，所述细菌的接种量为泥浆混合体系的5%～10%。

3.根据权利要求1或2所述的多环芳烃污染土壤的生物泥浆修复方法，其特征在于，所使用的配套设备包括生物泥浆反应器、恒温加热装置（2）、蠕动泵（3）和曝气泵（4），所述生物泥浆反应器包括双层玻璃反应釜（1），所述双层玻璃反应釜（1）包括釜体（101）、设置在釜体（101）顶部的釜盖（102）、设置在釜体（101）内的搅拌轴（103）以及设置在釜体（101）外侧的电机（104），所述釜盖（102）上端面的中心部安装有搅拌塞头（105），所述釜盖（102）上端面上还设有环绕所述搅拌塞头（105）分布的第一管口（106）、第二管口（107）、第三管口（108）和第四管口（109），所述搅拌轴（103）的上端穿过搅拌塞头（105）后延伸到釜体（101）外侧，与电机（104）的输出轴传动连接，所述搅拌轴（103）的底端设有搅拌叶片（1010），所述第一管口（106）端安装有曝气管（1011），伸入釜体（101）的曝气管（1011）一端设有曝气头（1012），所述第二管口（107）端安装有管式漏斗（1014），所述第三管口（108）端安装有温度传感器（1013），所述第四管口（109）端为加料口，所述釜体（101）的下端设有放料口（1015），所述釜体（101）的侧面下部设有进水口（1018），釜体（101）的侧面上部设有出水口（1017），

所述曝气泵（4）与所述曝气管（1011）连接，所述恒温加热装置（2）分别通过软管与所述进水口（1018）、出水口（1017）连接，所述蠕动泵（3）设置在恒温加热装置（2）的出水管路上，所述电机（104）与电机控制器（1019）电性连接。

4.根据权利要求3所述的一种多环芳烃污染土壤的生物泥浆修复方法，其特征在于，所述放料口（1015）端设置有放料阀（1016）。

5.根据权利要求3所述的一种多环芳烃污染土壤的生物泥浆修复方法，其特征在于，所述搅拌塞头（105）为四氟搅拌塞头。