CN110695074A - 一种原位修复多环芳烃污染土壤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种原位修复多环芳烃污染土壤的方法，属于多环芳烃土壤修复领域，主要包括如下步骤：确定待修复场地土壤的土壤条件；在待修复场地内建立注入井；过硫酸盐氧化降解；缺氧微生物降解。该方法利用深层土壤中的缺氧条件以及含有的土著微生物，将化学氧化与微生物缺氧降解结合，不但可以降解五环、六环多环芳烃，还可以实现多环芳烃污染土壤的原位修复，是一种成本低廉、操作简单、切实可行的方法，具有很好的实用性。

Description

一种原位修复多环芳烃污染土壤的方法

技术领域

本发明属于多环芳烃土壤修复领域，具体涉及一种原位修复多环芳烃污染场地土壤的方法。

背景技术

多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)是煤、石油、木材、烟草、有机高分子化合物等有机物不完全燃烧时产生的稠环化合物，是一种重要的有机污染物，在石油、焦化等工业场地土壤和地下水中尤为常见。多环芳烃由2个或2个以上苯环以线状、角状或簇状排列组合而成，由于苯环和大π键的存在，多环芳烃毒性强、水溶性差且热稳定性好，这些特点为从土壤和地下水中清除多环芳烃造成了阻碍。与此同时，多环芳烃因具有潜在的致畸性、致癌性和基因毒性及生物积累、生物放大等其它毒性特征，带来的污染问题已引起全球的广泛关注。因此，土壤和地下水中多环芳烃的修复非常重要。

臭氧、高锰酸盐、Fenton试剂、过氧化氢、过硫酸盐等都是常见的去除多环芳烃污染物的氧化剂。其中，过硫酸盐(Persulfate，PS)由于具有廉价易得、使用方便、活性较高等优点，逐渐在有机污染土壤和地下水修复领域受到广泛关注。

由于单独使用过硫酸盐氧化会造成一系列的后续问题：由于土壤与含水层的非均质导致反应物输送不均匀，未氧化的PAHs与反应中间产物仍然残留于土壤和地下水环境中。这些未氧化的PAHs和中间产物需要一个恰当的方法加以分解，从环境中清除。为了解决这一问题而大量投加化学药剂使得修复成本大幅度提高，且过量的氧化剂对土壤环境的破坏导致植物与微生物生长困难，土地利用也困难。

化学预氧化与微生物联合修复是一种有应用潜力的修复技术，可是大量的研究与报道主要集中于化学氧化与好氧微生物联合降解，中国专利申请201710915592.3中公开了一种原位化学和生物联合修复多环芳烃污染土壤的方法和系统，所述方法包括将炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒与过硼酸钠或过氧化尿素和柠檬酸盐粉体配成混合物，将混合物均匀撒入受污染土壤，喷施双氧水溶液，通过吸附、微电解及氧化还原作用，将土壤中的多环芳烃污染物富集并去除，土壤中污染物被充分降解5-8天后，回收炭包覆多孔泡沫铁微细颗粒，然后将浅黄分枝杆菌P6和伯克霍尔德氏菌lxb-5的菌悬液制成混合菌悬液均匀喷入受污染土壤，将仍残留于土壤中的多环芳烃通过微生物降解的方式去除。但是多环芳烃污染物主要蓄积在深层土壤中，此发明修复的是地下1.5m深度土壤，对修复更深处污染土壤的多环芳烃有一定的限制性。

中国专利申请201710689295.1中公开了一种过硫酸盐-过氧化钙复合氧化修复土壤中多环芳烃的方法，所述方法包括将待测风干后的土壤过筛后与过氧化钙混匀，混匀后加入蒸馏水制成泥浆，然后在泥浆中依次加入草酸根离子、亚铁离子和过硫酸根离子，搅拌均匀后将该泥浆反应液于暗处静置反应，反应结束后即可去除土壤中的多环芳烃。该方案利用复合氧化修复土壤中的多环芳烃，需要经过风干、过筛、搅拌、静置过程，相对单独使用过硫酸盐方法来说操作复杂。此外，中国专利申请201710689295.1中公开的修复方法包括“加蒸馏水”、“搅拌均匀”、“于暗处静置反应”等多个步骤难以在自然环境中实现对场地的原位修复处理。

中国专利申请201810275234.5公开了一种利用化学氧化-厌氧微生物联合方法降解土壤中PAHs(多环芳烃)污染物的方法，包括：采集地下3-4米处土壤，过2mm筛后密封保存于4℃条件下备用，用过氧化氢氧化土壤样品并用磁力搅拌器搅拌使土壤充分氧化。在接种微生物之后，进行厌氧培养，联合过氧化氢与厌氧微生物来降解土壤中多环芳烃。但是过氧化氢分解速度较快，在土壤中难以留存，并且不能去除五环和六环等高环芳烃污染物，有一定限制性，同时操作时需添加添加电子受体(NO₃-)，本发明中的过硫酸盐不但能去除五环、六环芳烃，而且和有机物反应分解后产生的硫酸盐刚好可以作为多环芳烃缺氧降解过程中的电子受体，节省了原料，简化了操作。

多环芳烃污染物主要蓄积在深层土壤中，深层土壤往往处于厌氧或缺氧状态。所以在深层土壤这样的缺氧环境中，多环芳烃的化学氧化与缺氧微生物联合降解具有独特优势。在原位化学氧化后，再利用土著微生物进行缺氧降解，操作简单、成本低廉、可修复深层土壤，本发明可为日益增加的石油、焦化等场地中多环芳烃污染的土壤和地下水的修复提供一个切实可行的方法。

发明内容

本发明针对单独使用过硫酸盐氧化以及其他氧化剂与微生物的联合修复技术等方法的局限性，提供一种过硫酸盐氧化-微生物缺氧降解联合方法原位修复多环芳烃污染土壤的方法。本方法可实现原位高效修复多环芳烃污染土壤，操作简单、费用低廉，有很好的应用前景。

本发明实施过程中涉及到的多环芳烃污染物检测的方法为本领域常规检测方法，包括但不限于：高效液相色谱法、气相色谱-质谱联用法、毛细管电泳分析法、荧光光度法、免疫检测法、薄层扫描法等。

本发明实施过程中涉及到的从土壤中萃取多环芳烃的方法，包括但不限于：索氏提取、快速溶剂萃取和超声萃取等。

本发明实施过程中涉及到的水可以为自来水、饮用水、蒸馏水等各种水。

本发明的技术方案如下：

一种利用化学氧化-微生物缺氧降解联合方法原位修复多环芳烃污染土壤的方法，包括如下步骤：

(1)确定待修复场地土壤条件；

(2)在待修复场地内建立注入井；

(3)过硫酸盐降解：通过注入井注入过硫酸盐溶液，在过硫酸盐溶液注入前后，选取固定位置采样检测土壤中多环芳烃含量，监控化学氧化阶段修复效果；

(4)缺氧微生物降解：注入地下的过硫酸盐消耗完后，土壤土著微生物开始降解土壤中残留的多环芳烃污染物，每隔一段时间采集场地中土壤样品测试土壤中多环芳烃含量，检测缺氧微生物降解阶段多环芳烃污染物的含量，直至土壤中多环芳烃的含量降低到当地规定的修复标准以下。

其中：

步骤(1)中所述的土壤条件包括：是否有多环芳烃降解微生物、场地的包气带深度和受多环芳烃污染的土壤质量。

步骤(1)中所述的确定待修复场地土壤是否有多环芳烃降解微生物，通过判断该场地的多环芳烃污染时间和测量微生物丰度确定。其中对微生物丰度的检测方法是以16SrDNA基因作为靶基因，利用实时荧光定量PCR对土壤中微生物的丰度进行检测。

步骤(1)中所述的包气带深度指：地面以下、潜水面以上的没有被水充满的土壤的深度，本发明的实施例中深度为4-8米。

步骤(1)中对包气带深度通过对场地的水文地质资料收集得出。

步骤(1)中受多环芳烃污染的土壤质量的测定方法为：

将多环芳烃污染土壤分层采样，得到样品中污染物含量数据后，利用空间插值软件获得每一层土壤中污染物的空间分布信息；用每一层污染土壤的面积乘以该层的分层厚度就得到该层的多环芳烃污染土壤的体积；利用同样的方法计算得到每一层的多环芳烃污染土壤的体积后相加就得到对应场地的多环芳烃污染土壤的体积；多环芳烃污染土壤的体积乘以土壤密度就得到该场地多环芳烃污染土壤的质量。

步骤(2)中所述的注入井深度与步骤(1)中包气带的深度相一致。

步骤(3)中所述的过硫酸盐可以是过硫酸铵、过硫酸钠、过硫酸钾中的一种或几种，优选为过硫酸钠。

步骤(3)中所述的过硫酸盐溶液指过硫酸盐的水溶液。

步骤(3)中所述的过硫酸盐溶液同时满足：过硫酸盐质量为多环芳烃污染土壤质量的1％-3％、同修复体系中土水比在1:0.2-0.6，优选土水比为1:0.4。

步骤(3)中，过硫酸盐溶液借助压力泵通过注入井注入到包气带周围土壤中。

步骤(3)和(4)中所述的检测土壤中多环芳烃含量的采样位置为修复区域内地下4-8米，优选为地下5-6米。

步骤(3)和(4)中采集土壤样品的方法为：使用冲击钻挖掘出满足采样深度的土壤样品，并立即使用直口瓶装封装土壤样品。

步骤(3)和(4)中的土壤样品采集时间间隔为30-60天。

步骤(3)和(4)中土壤样品分析的多环芳烃包括三环多环芳烃、四环多环芳烃、五环多环芳烃、六环多环芳烃。

步骤(3)和(4)中土壤样品分析的三环多环芳烃包括但不限于苊(Acenaphthene)、芴(Fluorene)、菲(Phenanthrene)、蒽(Anthracene)。

步骤(3)和(4)中土壤样品分析的四环多环芳烃包括但不限于荧蒽(Fluoranthene)、芘(Pyrene)、苯并[a]蒽(Benz[a]anthracene)、屈(Chrysene)。

步骤(3)和(4)中土壤样品分析的五环多环芳烃包括但不限于苯并[b]荧蒽(Benzo[b]fluoranthene)、苯并[k]荧蒽(Benzo[k]fluoranthene)、苯并[a]芘(Benzo[a]pyrene)、二苯并[a,h]蒽(Dibenz[a,h]anthracene)。

步骤(3)和(4)中土壤样品分析的六环多环芳烃包括但不限于茚并[1,2,3-cd]芘(Indeno[1,2,3-cd]pyrene)、苯并[g,h,i]苝(Benzo[g,h,i]perylene)。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的利用过硫酸盐-微生物缺氧联合降解修复多环芳烃污染的深层土壤的方法，首先利用过硫酸盐的原位化学氧化快速降解土壤中的多环芳烃污染物，然后再借助土壤中土著微生物的代谢活性，在一个较长时间尺度内，解决土壤中污染物残留问题的方法。

(1)本方法发挥了深层土壤中具有的缺氧条件优势，将过硫酸盐氧化与微生物缺氧降解结合，可以就地处理，实现原位修复。

(2)过硫酸盐和有机物反应分解后产生的硫酸盐刚好可以作为多环芳烃缺氧降解过程中的电子受体，不必再提供合适的电子受体，降低成本，简化操作方式。

(3)可以降解三环多环芳烃到六环多环芳烃，去除彻底，降解率高，可有效修复深处污染土壤，有很好的应用前景。

附图说明

图1是化学氧化-缺氧微生物联合降解土壤中多环芳烃污染物的示意图；

图2是化学氧化-缺氧微生物联合降解过程中土壤中三环多环芳烃保留率图，其中，横坐标为取样时过硫酸盐注入天数，纵坐标为土壤中PAHs的保留率(％)。图2中的(a)、(b)、(c)、(d)分别指苊(Acenaphthene)、芴(Fluorene)、菲(Phenanthrene)、蒽(Anthracene)；

图3是化学氧化-缺氧微生物联合降解过程中土壤中四环多环芳烃保留率图，其中，横坐标为取样时过硫酸盐注入天数，纵坐标为土壤中PAHs的保留率(％)。图3中的(a)、(b)、(c)、(d)分别指荧蒽(Fluoranthene)、芘(Pyrene)、苯并[a]蒽(Benz[a]anthracene)、屈(Chrysene)；

图4是化学氧化-缺氧微生物联合降解过程中土壤中五环、六环多环芳烃保留率图，其中，横坐标为取样时过硫酸盐注入天数，纵坐标为土壤中PAHs的保留率(％)。图4中的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别指苯并[b]荧蒽(Benzo[b]fluoranthene)、苯并[k]荧蒽(Benzo[k]fluoranthene)、苯并[a]芘(Benzo[a]pyrene)、二苯并[a,h]蒽(Dibenz[a,h]anthracene)、茚并[1,2,3-cd]芘(Indeno[1,2,3-cd]pyrene)、苯并[g,h,i]苝(Benzo[g,h,i]perylene)；

图5是化学氧化-缺氧微生物联合降解前后土壤中微生物丰度变化图；

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。

下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

下述实施例中：

场地选取为华北某焦化厂多环芳烃污染场地，存在微生物，包气带深度在5-6米。

土壤样品分析测试选用设备为气相色谱质谱仪(安捷伦GC-MS(7890B-5977A))。色谱条件：色谱柱：DB-5MS，30m×250μm×0.25μm；载气：高纯氦气，流速1.2mL/min；检测器：Agilent5977A型质谱检测器；进样口温度290℃；进样方式：分流进样，分流比为10:1；进样量1.0μL。升温程序：起始温度为40℃，进样后保持2min，随后的程序加热以2个梯度完成升温，第一梯度以10℃/min升温至240℃，保持3min；第二梯度以5℃/min升温至320℃，保持10min；溶剂延迟8.00min，总运行时间为54min。质谱条件：电子轰击(EI)离子源，电子轰击能量70eV，离子源温度290℃，扫描方式：选择全扫(Scan)模式。

实施例1-3

实施例1-3的处理条件如表1所示：

表1.实施例1-3的处理条件

分别在过硫酸钠溶液注入前和过硫酸钠溶液注入后0天、30天、80天、120天、180天随机采集3瓶土壤样品，对其中三环、四环、五环、六环多环芳烃的含量进行分析测试。

根据以下公式计算多环芳烃在土壤中的保留率：

保留率＝当前含量/初始含量×100％

对比例1-3

为了证明缺氧微生物对多环芳烃污染物后续的降解作用，设置如下对比例。

对比例1-3的处理条件如表2所示：

表2.对比例1-3的处理条件

对比例1-3与实施例的不同之处在于，包括如下步骤：

(1)对从污染场地地下5-6米采集的土壤样品进行灭菌处理：将土壤样品放入高压灭菌锅灭菌(灭菌温度为121℃，灭菌时间为30分钟，24小时后再灭菌一次，共灭菌两次)

(2)向灭菌土壤中滴加一定用量的过硫酸盐溶液，然后将其置于培养箱中恒温(30℃)避光缺氧培养，在0天、30天、80天、120天和180天分别随机采集三瓶土壤样品，对其中三环、四环、五环、六环多环芳烃的含量进行分析测试。

实验结果

图1是化学氧化-缺氧微生物联合降解多环芳烃的示意图。图1表明，当土壤被多环芳烃污染后，可以通过注入井向地下注入合适的化学氧化剂过硫酸盐，先利用过硫酸盐降解土壤中的多环芳烃污染物，在过硫酸盐消耗完后微生物开始进行缺氧降解，对残留的污染物进行进一步的降解，处理拖尾问题。

图2是化学氧化-缺氧微生物联合降解过程中土壤中三环多环芳烃保留率图。图2表明，未做任何措施的未灭菌或灭菌土壤，其中的三环多环芳烃在较短的时间尺度内(如180天)难以降解。加入1％用量的过硫酸盐后三环多环芳烃除了菲(图2(c))均发生了显著降解，同时对于未灭菌的土壤降解程度更为明显，说明微生物的缺氧降解进一步提高三环多环芳烃的降解率。加入3％用量的过硫酸盐后，未灭菌土壤与灭菌土壤降解程度差距不大，说明此时过硫酸盐氧化发挥主要作用并影响了微生物的降解作用，使得微生物对三环多环芳烃的去除率贡献很低。

图3是化学氧化-缺氧微生物联合降解过程中土壤中四环多环芳烃保留率图。图3表明四环多环芳烃中芘和苯并[a]蒽的降解规律与三环多环芳烃类似。注入过硫酸盐使芘和苯并[a]蒽发生了明显的降解，且缺氧微生物进一步提高了芘和苯并[a]蒽的降解率。而荧蒽和屈降解幅度相比芘和苯并[a]蒽来说较弱。

图4是化学氧化-缺氧微生物联合降解过程中土壤中五环、六环多环芳烃保留率图。图4表明除了(e)以外，大多数五环多环芳烃和六环多环芳烃均发生了明显的降解，并且缺氧微生物进一步提高了降解率，克服了过氧化氢与微生物联合降解不能降解五环、六环多环芳烃的不足。

图5是化学氧化-缺氧微生物联合降解前后土壤中微生物丰度变化图。图5表明，未添加过硫酸盐的土壤(CK)中，180天内土壤中微生物量与未处理土壤(US)相比并未明显变化。当土壤中添加1％过硫酸盐(1％PS)时，土壤微生物数量在前30天内有一定程度的下降，之后随着时间的延长而逐渐恢复，说明此时缺氧微生物发挥了降解作用；当土壤中添加3％过硫酸盐(3％PS)时，土壤中微生物数量在30天时明显低于添加1％过硫酸盐(1％PS)的土壤，在80天时最低，之后随着时间的延长而逐渐增长，说明这样的处理条件和时间内，微生物的降解作用弱于添加1％过硫酸盐(1％PS)的土壤。但是如果时间延长，微生物的降解作用会逐渐显现。

综上可知，土壤经过化学氧化-缺氧微生物联合降解后，大多数三环多环芳烃、四环多环芳烃、五环多环芳烃和六环多环芳烃都发生了显著的降解。当过硫酸盐浓度为1％用量时，土壤中的多环芳烃降解是过硫酸盐氧化和微生物缺氧降解起着共同作用，此时可以减少过硫酸盐用量、保护土壤、降低成本；当过硫酸盐浓度为3％用量时，土壤中多环芳烃主要通过化学氧化去除，微生物对多环芳烃的去除率贡献较低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种原位修复多环芳烃污染土壤的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)确定待修复场地土壤条件；

(2)在待修复场地内建立注入井；

(3)过硫酸盐降解：通过注入井注入过硫酸盐溶液，在过硫酸盐溶液注入前后，选取固定位置采样检测土壤中多环芳烃含量，监控过硫酸盐氧化阶段修复效果；

(4)缺氧微生物降解：注入地下的过硫酸盐消耗完后，微生物缺氧降解土壤中残留的多环芳烃污染物，每隔一段时间采集场地中土壤样品测试土壤中多环芳烃含量，检测缺氧微生物降解阶段多环芳烃污染物的含量，直至土壤中多环芳烃的含量降低到当地规定的修复标准以下。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的土壤条件包括：是否有微生物、场地的包气带深度和受多环芳烃污染的土壤质量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，建立的注入井的深度与权利要求2中所述的包气带深度相一致。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述过硫酸盐可以是过硫酸铵、过硫酸钠、过硫酸钾中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述过硫酸盐为过硫酸钠。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述注入过硫酸盐溶液的量同时满足：(1)过硫酸盐质量为多环芳烃污染土壤质量的1％-3％；(2)修复体系中土水比在1:0.2-0.6。

7.根据要求6所述的方法，其特征在于，修复体系中土水比在1:0.4。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(3)和(4)中，检测土壤中多环芳烃含量的采样位置为修复区域内地下4-8米。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(3)和(4)中，土壤样品采集时间间隔为30-60天。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述的微生物为土壤中的土著微生物。

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