CN111054742B - 一种修复石油类有机物污染土壤的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直流‑交流耦合电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的装置及方法，本发明在石油类有机物污染土壤修复的生物反应器中施加二维正交的直流电场和交流电场(即在直流电场的垂直方向叠加一个交流电场)，并周期性旋转电场，保证反应器中电场的均匀性。利用直流电场和交流电场诱导的电动效应，其叠加效果可以改变各种物质的电动轨迹，强化土壤中的传质过程，从而强化营养物质、污染物与石油降解菌之间的接触和混合，最终提高石油类有机物污染土壤的生物修复效率。与此同时，电极表面发生的电化学氧化反应可协同石油降解菌剂降解石油类有机物，最终提高石油降解菌对石油类有机物的降解效果，提高修复效率。
Description
技术领域
本发明属于原地异位微生物修复石油类有机物污染土壤的技术领域，具体涉及一种直流-交流耦合电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的装置和方法。
背景技术
石油污染土壤的微生物修复技术，是指利用微生物的生长代谢作用将土壤中有毒有害的污染物降解为无毒无害的产物的过程。因其经济成本低、无二次污染，是一种极具市场潜力的石油污染土壤清洁技术。然而由于土壤中营养物质、污染物等传质限制，微生物修复技术也存在降解周期长，修复效率低的问题。
有研究表明，电动修复技术通过在土壤介质中施加直流电场，诱导土壤中的物质发生电动效应(电渗透、电迁移和电泳)。土壤中各物质的运动可增加微生物对营养源、污染物等各物质接触和利用的机率，从而提高微生物降解效率。与此同时，电极表面发生的电化学氧化反应可氧化降解部分污染物。因此，将电动修复技术与微生物修复技术相耦合，可强化微生物的修复效果，提高修复效率。
然而在直流电场的长期作用下，土壤中各物质的定向运动会造成土壤性状的发生改变，阳极产生的氢离子和阴极产生的氢氧根离子(电解水反应)会引起阳极附近的土壤酸化/阴极附近的土壤碱化。外部环境的变化易对微生物生长造成影响，从而影响修复效果。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种直流-交流耦合电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的装置和方法。在微生物修复过程中，施加直流电场，并在垂直方向叠加一个交流电场，然后周期性旋转电场，从而保证电场的均匀性以维持土壤性状不发生显著变化。交流电场类似于不断变化方向的直流电场，可以促进土壤中的各种物质(如离子、有机污染物、微生物等)在电动效应的作用下进行小尺度往复运动。利用正交的直流电场和交流电场诱导的电动效应，其叠加效果可以改变各种物质的电动轨迹，强化土壤中的传质过程，从而强化营养物质、污染物与石油降解菌剂之间的接触和混合，最终提高石油降解菌剂对石油类有机物的降解效果，提高修复效率。
本发明所采用的具体技术方案如下：
本发明公布了一种直流-交流耦合电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的装置，包括生物反应器、带孔密封盖、控制系统、导轨、可移动搅拌取样系统和喷淋系统；
所述生物反应器呈方形，其内部作为反应区域，生物反应器的四面内壁上均设有片状DSA电极，四个片状DSA电极构成相互正交的两对片状DSA电极对；所述带孔密封盖设置在生物反应器顶部，带孔密封盖上设有电极连接口、搅拌取样口和喷淋口；
所述控制系统包括用于给DSA电极对施加直流电的直流电源、用于给DSA 电极对施加正弦交流电的交流电源和PLC自动控制系统，PLC自动控制系统用于控制可移动搅拌取样系统，并控制直流电源、交流电源与片状DSA电极对的连通关系，使直流电场和交流电场周期性旋转切换；其中，同一时间内，直流电源给其中一对DSA电极对施加直流电，交流电源给另一对正交方向上的DSA电极对施加正弦交流电；所述可移动搅拌取样系统设置在导轨上，包括升降轴和若干连接在升降轴上的搅拌取样两用辊；所述喷淋系统用于向生物反应器内供给土壤添加剂和/或石油降解菌剂。
作为优选，所述的可移动搅拌系统在导轨上的移动以及升降轴的升降由控制系统中的PLC自动控制系统控制；作为优选，所述的可移动搅拌取样系统包含升降轴和搅拌取样两用辊。搅拌取样两用辊为不锈钢材质的麻花钻，通过升降轴的升降将两用辊插入土壤中进行搅拌或取样。系统在导轨上的移动以及升降轴的升降由控制系统中的PLC自动控制系统控制。
作为优选，所述的喷淋系统由土壤添加剂储罐、石油降解菌剂储罐、阀门一、阀门二、喷淋管路和计量泵组成，所述喷淋管路一端连接两支路，一条支路通过阀门一与土壤添加剂储罐相连，另一支路通过阀门二与石油降解菌剂储罐相连，喷淋管路另一端设有计量泵，该端管路穿过带孔密封盖上的喷淋口伸入生物反应器内；喷淋的药剂种类可通过阀门一和阀门二的开关控制，喷淋的药剂量可由计量泵控制。
作为优选，所述带孔密封盖用于防止挥发性污染物的扩散而污染大气环境，只开有4个长方形电极连接口的长方形孔和若干个搅拌取样口和喷淋口。
作为优选，所述的导轨与生物反应器相连。
作为优选，所述生物反应器四面内壁均贴靠有片状DSA电极。片状DSA电极可以保证施加电压后，土壤中的电场强度分布均匀，同时具有一定的电催化氧化作用，可协同石油降解菌剂降解污染物。
本发明还提供了一种利用上述装置的直流-交流耦合电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的方法，包括如下步骤：
1)向生物反应器中加入污染土壤，盖上带孔密封盖，通过喷淋系统向污染土壤喷洒土壤添加剂，在导轨上移动搅拌取样系统，使两用辊位于密封盖上的搅拌取样口正上方；控制升降轴收缩，两用辊进入生物反应器内部并插入污染土壤内，利用两用辊的转动对污染土壤进行翻搅，以调节污染土壤的理化性质；调节完毕后，搅拌系统复位至初始位置；
2)通过喷淋系统向污染土壤喷洒活化后的石油降解菌剂并利用搅拌取样系统翻搅均匀；
3)利用控制系统中的直流电源和交流电源分别给一对DSA电极对施加直流电，给另一对正交方向上的DSA电极对施加正弦交流电，并周期性切换两对电极上的电场使直流电场和交流电场周期性旋转切换；
4)每隔设定时间，在导轨上移动搅拌取样系统，使两用辊位于密封盖上的搅拌取样口；控制升降轴收缩，两用辊进入生物反应器内部并插入污染土壤内取样，用于分析检测。
所述的石油降解菌剂的菌种为市售。将上述石油降解菌剂首先接种到葡萄糖培养基中活化3天，得到活化后的石油降解菌剂。活化后的石油降解菌剂的喷洒量为每立方污染土壤中喷洒25-50L。
进一步优选，所述的步骤1)中调节污染土壤的含水率在30％～35％，调节污染土壤的pH在6～8范围内，为石油降解菌剂提供合适的土壤环境。
进一步优选，所述的步骤1)中调节污染土壤中碳∶氮∶磷的质量比为100∶(5～10)∶1。其中调节所用的氮由硝酸钠和硫酸铵提供，磷由磷酸氢二钾提供。因此需根据污染土壤中有机碳、速效氮和速效磷的浓度调节土壤添加剂中硝酸钠、硫酸铵、磷酸氢二钾的比例，其中硝酸钠和硫酸铵的质量比优选为1:1。
进一步优选，所述的步骤3)中直流电场强度(即电极两端的电压/电极间距) 为75-100V/cm，交流电场频率为50Hz，其峰值强度(正弦交流电压为峰值时的电场强度)为50-100V/m；所述的电场旋转周期为20-60min，每隔四分之一周期旋转90°，如可以以顺时针方向旋转。
进一步优选，所述方法适用的石油类有机物污染为直链烃污染、支链烃污染或芳香烃污染中的一种或多种。
本发明与现有技术相比，所具有的有益效果是：
与传统生物反应器相比，利用直流电场和交流电场诱导的电动效应，其叠加效果可以改变各种物质在二维空间内的电动轨迹，强化土壤中的传质过程，从而强化营养物质、污染物与石油降解菌之间的接触和混合，最终提高石油类有机物污染土壤的生物修复效率。
周期性旋转电场不会造成长期通直流电引起的土壤性状变化或电极附近土壤酸化/碱化的问题，维持生物反应器中环境条件的稳定性，避免环境条件的变化对微生物的生长带来不利影响。
附图说明
图1为直流-交流耦合电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的装置的示意图；
图2a为生物反应器的结构示意图；
图2b为带孔密封盖的结构示意图；
图中：生物反应器-1，带孔密封盖-2，控制系统-3，导轨-4，可移动搅拌取用系统-5，喷淋系统-6，DSA电极-7，电极连接口-8，搅拌取样口-9，喷淋口-10，升降轴-11，搅拌取样两用辊-12，土壤添加剂储罐-13，石油降解菌剂储罐-14，阀门一-15，阀门二-16，喷淋管路-17，计量泵-18。
图3为电场周期性旋转切换示意图(DC-直流电，AC-交流电)。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域地技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明所描述的实例仅仅使本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。对于本领域地技术人员来说，其依然可以对前述所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换。基于本发明中的实例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。
搭建如图1所示的直流-交流耦合电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的装置，包括生物反应器1、带孔密封盖2、控制系统3、导轨4、可移动搅拌取样系统5和统喷淋系统6。
如图2a所示，生物反应器1四壁均贴靠有片状DSA电极7，可以保证施加电压后，土壤中的电场强度分布均匀，同时具有一定的电催化氧化作用，可协同石油降解菌剂降解污染物。
如图2b所示，带孔密封盖2开有4个长方形电极连接口8的长方形孔和若干个搅拌取样口9和喷淋口10。
控制系统3包括直流电源、交流电源和PLC控制系统，集成在一个箱体内。直流电源由交流直流转化器、直流稳压器和电压电流显示器组成，在一对DSA 电极7上施加稳定的直流电，交流电源由变压器、交流稳压器和电压电流显示器组成，给另一对DSA电极7施加稳定的正弦交流电，交流电频率为50Hz。PLC 自动控制系统用于控制可移动取样监测系统的移动以及周期性旋转切换作用于两对DSA电极上的电场。
可移动搅拌取样系统5设置在连接生物反应器1的导轨4上，包含升降轴 11和搅拌取样两用辊12。搅拌取样两用辊12为不锈钢材质的麻花钻，通过升降轴11插入土壤中进行搅拌或取样。系统在导轨7上的移动以及升降轴11的升降由控制系统3中的PLC自动控制系统控制。
喷淋系统6包括土壤添加剂储罐13，石油降解菌剂储罐14，阀门一15，阀门二16，喷淋管路17和计量泵18，所述喷淋管路一端与储罐相连，另一端穿过带孔密封盖上的喷淋口伸入生物反应器内。所述阀门一连接在与土壤添加剂储罐相连的管路上，控制土壤添加剂的喷淋，土壤添加剂用于调节土壤理化性质，包括水、硝酸钠、硫酸铵、磷酸氢二钾。所示阀门二连接在与石油降解菌剂储罐相连的管路上，控制石油降解菌剂的喷淋，石油降解菌剂从市场上购入，并将上述石油降解菌剂首先接种到葡萄糖培养基中活化3天，得到活化后的石油降解菌剂备用。喷淋的药剂量可由计量泵控制。
实施例1
取机油污染土壤，去除大块碎石、根茎后加入生物反应器中，喷淋土壤添加剂调节土壤理化性质，调节土壤的含水率在30％～35％，土壤的pH在6～8范围内。根据土壤中有机碳、速效氮和速效磷的浓度，调节碳∶氮∶磷比例为100∶ 5∶1，其中氮由硝酸钠和硫酸铵提供，磷由磷酸氢二钾提供。
向污染土壤中均匀喷洒经活化后的石油降解菌剂，每立方污染土壤中喷洒 25-50L石油降解菌剂。翻搅均匀后，在一对DSA电极上施加电场强度为75V/m 的直流电，在另一对DSA电极上施加电场频率为50Hz，峰值电压强度为50V/m 的正弦交流电，并如图3所示周期性旋转电场(电场旋转周期为20min，每隔四分之一周期旋转90°)。运行16天，取样测得土壤的含水率维持在30％～35％，土壤的pH在6～8范围内，生物反应器中的污染物降解率为22.5％。
实施例2
取汽油污染土壤，去除大块碎石、根茎后加入生物反应器中，喷淋土壤添加剂调节土壤理化性质，调节土壤的含水率在30％～35％，土壤的pH在6～8范围内。根据土壤中有机碳、速效氮和速效磷的浓度，调节碳∶氮∶磷比例为100∶ 5∶1，其中氮由硝酸钠和硫酸铵提供，磷由磷酸氢二钾提供。
向污染土壤中均匀喷洒经活化后的石油降解菌剂，每立方污染土壤中喷洒 25-50L石油降解菌剂。翻搅均匀后，在一对DSA电极上施加电场强度为100V/m 的直流电，在另一对DSA电极上施加电场频率为50Hz，峰值电压强度为100V/m 的正弦交流电，并周期性旋转电场(电场旋转周期为60min，每隔四分之一周期旋转90°)。运行16天，取样测得土壤的含水率维持在30％～35％，土壤的pH在 6～8范围内，生物反应器中的污染物降解率为24.6％。
以下为生物反应器中不施加电场或施加直流-交流正交电场但不旋转电场的实验结果：
对比例1
取机油污染土壤，去除大块碎石、根茎后加入生物反应器中，喷淋土壤添加剂调节土壤理化性质，调节土壤的含水率在30％～35％，土壤的pH在6～8范围内。根据土壤中有机碳、速效氮和速效磷的浓度，调节碳∶氮∶磷比例为100∶ 5∶1，其中氮由硝酸钠和硫酸铵提供，磷由磷酸氢二钾提供。
向污染土壤中均匀喷洒经活化后的石油降解菌剂，每立方污染土壤中喷洒 25-50L石油降解菌剂。翻搅均匀后，不施加电场。运行16天，取样测得土壤的含水率维持在30％～35％，土壤的pH在6～8范围内，生物反应器中的污染物降解率为13.3％。
对比例2
取机油污染土壤，去除大块碎石、根茎后加入生物反应器中，喷淋土壤添加剂调节土壤理化性质，调节土壤的含水率在30％～35％，土壤的pH在6～8范围内。根据土壤中有机碳、速效氮和速效磷的浓度，调节碳∶氮∶磷比例为100∶ 5∶1，其中氮由硝酸钠和硫酸铵提供，磷由磷酸氢二钾提供。
向污染土壤中均匀喷洒经活化后的石油降解菌剂，每立方污染土壤中喷洒 25-50L石油降解菌剂。翻搅均匀后，在一对DSA电极上施加电场强度为75V/m 的直流电，在另一对DSA电极上施加电场频率为50Hz，峰值电压强度为50V/m 的正弦交流电，不旋转电场。运行16天，取样测得施加直流电场的阳极附近的土壤pH降至5.2，土壤含水率为24.3％；阴极附近的土壤pH升至10.9，土壤含水率为37.5％，反应器中的污染物降解率为15.3％。
通过对比反应器中的土壤性状和污染物降解度效果，本发明利用直流-交流耦合强化微生物修复，即在直流电场的垂直方向施加正弦交流电场，利用直流电场和交流电场诱导的电动效应，其叠加效果可以改变各种物质在二维空间内的电动轨迹，强化土壤中的传质过程，从而强化营养物质、污染物与石油降解菌之间的接触和混合，最终提高石油降解菌剂对石油类有机物的降解效果，提高修复效率。与此同时，周期性旋转电场不会造成长期通直流电引起的土壤性状变化或电极附近土壤酸化/碱化的问题，维持生物反应器中环境条件的稳定性，避免环境条件变化对微生物的新陈代谢带来不利影响，进而影响修复效果。
Claims (6)
1.一种直流-交流耦合电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的装置，其特征在于：包括生物反应器(1)、带孔密封盖(2)、控制系统(3)、导轨(4)、可移动搅拌取样系统(5)和喷淋系统(6)；
所述生物反应器(1)呈方形，其内部作为反应区域，生物反应器(1)的四面内壁上均设有片状DSA电极，四个片状DSA电极构成相互正交的两对片状DSA电极对(7)；
所述带孔密封盖(2)设置在生物反应器(1)顶部，带孔密封盖(2)上设有电极连接口(8)、搅拌取样口(9)和喷淋口(10)；
所述控制系统(3)包括用于给DSA电极对(7)施加直流电的直流电源、用于给DSA电极对(7)施加正弦交流电的交流电源和PLC自动控制系统，PLC自动控制系统用于控制可移动搅拌取样系统(5)，并控制直流电源、交流电源与片状DSA电极对(7)的连通关系，使直流电场和交流电场周期性旋转切换；其中，同一时间内，直流电源给其中一对DSA电极对(7)施加直流电，交流电源给另一对正交方向上的DSA电极对(7)施加正弦交流电；
所述可移动搅拌取样系统(5)设置在导轨(4)上，包括升降轴(11)和若干连接在升降轴(11)上的搅拌取样两用辊(12)；
所述喷淋系统(6)用于向生物反应器(1)内供给土壤添加剂和/或石油降解菌剂。
2.根据权利要求1所述的直流-交流耦合电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的装置，其特征在于，所述的可移动搅拌系统(5)在导轨(4)上的移动以及升降轴的升降由控制系统(3)中的PLC自动控制系统控制；搅拌取样两用辊(12)为不锈钢材质的麻花钻。
3.根据权利要求1所述的直流-交流耦合电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的装置，其特征在于，所述的喷淋系统(6)由土壤添加剂储罐(13)、石油降解菌剂储罐(14)、阀门一(15)、阀门二(16)、喷淋管路(17)和计量泵(18)组成，所述喷淋管路(17)一端连接两支路，一条支路通过阀门一(15)与土壤添加剂储罐(13)相连，另一支路通过阀门二(16)与石油降解菌剂储罐(14)相连，喷淋管路(17)另一端设有计量泵(18)，该端管路穿过带孔密封盖(2)上的喷淋口(10)伸入生物反应器(1)内；喷淋的药剂种类可通过阀门一(15)和阀门二(16)的开关控制，喷淋的药剂量可由计量泵(18)控制。
4.一种应用如权利要求1所述装置的直流-交流耦合电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的方法，包括如下步骤：
1)向生物反应器(1)中加入污染土壤，盖上带孔密封盖(2)，通过喷淋系统(6)向污染土壤喷洒土壤添加剂，在导轨(4)上移动搅拌取样系统(5)，使两用辊(12)位于密封盖(2)上的搅拌取样口(9)正上方；控制升降轴收缩，两用辊(12)进入生物反应器(1)内部并插入污染土壤内，利用两用辊(12)的转动对污染土壤进行翻搅，以调节污染土壤的理化性质；调节完毕后，搅拌系统(5)复位至初始位置；
2)通过喷淋系统(6)向污染土壤喷洒活化后的石油降解菌剂并利用搅拌取样系统(5)翻搅均匀；
3)利用控制系统(3)中的直流电源和交流电源分别给一对DSA电极对(7)施加直流电，给另一对正交方向上的DSA电极对(7)施加正弦交流电，并周期性切换两对电极上的电场，使直流电场和交流电场周期性旋转切换；
4)每隔设定时间，在导轨(4)上移动搅拌取样系统(5)，使两用辊(12)位于密封盖(2)上的搅拌取样口(9)；控制升降轴收缩，两用辊(12)进入生物反应器(1)内部并插入污染土壤内取样，用于分析检测。
5.根据权利要求4所述的直流-交流耦合电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的方法，其特征在于：步骤3)中所述的直流电场强度为75-100V/cm，所述的交流电场频率为50Hz，峰值强度为50-100V/m；所述的电场旋转周期为20-60min，每隔四分之一周期旋转90°。
6.根据权利要求4所述的直流-交流耦合电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的方法，其特征在于：所述的石油类有机物污染为直链烃污染、支链烃污染或芳香烃污染中的一种或多种。
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