CN111254069A - 一种厌氧菌采植方法、装置及储菌器 - Google Patents

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Abstract

一种厌氧菌采植方法、装置及储菌器，该厌氧菌采植装置包括：厌氧供气设备、厌氧气体输送系统和储菌器。其中，第一管路与储菌器入口可拆卸连接，用以在采集前从厌氧供气设备将厌氧压缩气体充入储菌器；采集时第一管路也可与气囊泵控制器可拆卸连接，气囊泵控制器通过第二管路与气囊泵的进气口相连通，灌注时第一管路还可与储菌器的气体入口/出口可拆卸连接；第三管路从气囊泵拆卸下后可设置于地下水中，故可在实现原生脱卤厌氧菌群采集与移植的同时，确保全程厌氧环境，保持菌体的活性。移植后的菌种在含氯有机物污染的地下环境中，利用自然菌群实现了土壤与地下水含氯有机污染物的高效降解，加速了整个场地的原位生物修复效率，提升了修复效果。

Description

一种厌氧菌采植方法、装置及储菌器
技术领域
本发明涉及菌类采植技术领域，具体涉及一种厌氧菌采植方法、装置及储菌器，用于实现修复含氯有机物污染地下水的强化原位生物修复技术(Enhanced In-SituBioremediation,EIB)中优势脱卤菌群的非属地化迁移及应用。
背景技术
随着工业的高速发展，人为造成的环境污染问题也越来越严重，已经受到政府、企业及社会大众的广泛关注，对土壤与地下水污染状况的调查也显得尤为重要。
在土壤污染与地下水污染的各类污染物中，含氯有机污染物对土壤和地下水的影响相对复杂，对人体的健康危害显著，且修复工程难度相对较大。土壤与地下水常见的含氯有机污染物多来自含氯有机溶剂，例如四氯化碳(Carbon Tetrachloride)、四氯乙烯(Tetrachloroethylene,PCE)、三氯乙烯(Trichloroethylene,TCE)、1,1,1-三氯乙烷(1,1,1-Trichloroethane,TCA)等。由于这些含氯有机物大多具有较高的挥发性，故又可统称为含氯挥发性有机物(Chlorinated Volatile Organic,简称cVOC)。
含氯有机溶剂的发明与使用已逾100年。根据文献记载，含氯有机溶剂(三氯乙烯)自1910年英国试产，在二战期间有机溶剂工业得到高速发展，TCE与PCE才开始被大量制造与使用，在此期间英美国家主要将其作为干洗业有机溶剂及机械制造与加工工艺中的作业溶剂，这些有机氯溶剂相对具有较高的毒性。直到1960年，产业界才逐渐以毒性相对较低的TCA取代PCE和TCE。由于含氯有机溶剂具备良好的脱脂性能，因此在电子、化学、杀虫剂制造、焦炭炼制等企业得到了非常广泛的应用，这进一步增加了cVOC污染的几率。通常，这些含氯有机溶剂进入土壤和地下水的途径主要有管线破裂泄露、人为疏失或故意排放等。据统计，美国约有80％的超级基金场址(Superfund sites)及超过3000个国防部隶属单位(Department of Defense,DoD)场址中发现有cVOC污染物的踪迹。含氯有机物因其比重多半大于水(氯乙烯除外)、低水溶性、渗透性、生物难降解等特性，一旦泄露至地下水中，将造成长期污染，若想经由自然机制恢复至环境背景值需要数百年之久。且根据相关报道证实，部分cVOC污染物与其降解产物已证实对人体有致癌或致畸胎风险，一旦这些有机污染物进入土壤和地下水，将对人体健康及生态环境产生巨大的危害。因此，对含氯有机溶剂的使用进行控制，尤其是开展污染土壤和地下水中有机氯调查及修复研究，寻找一种可对污染土壤及地下水有机氯进行高效降解使其无害化的技术，对于降低有机氯污染对人类及生态环境的危害，保持生态可持续性发展意义重大。
早期对含氯有机物污染地下水的修复方法为传统的抽出处理法，自1990年开始发展出不同类型的新型修复方法。传统的抽出处理法只能修复饱和层以下的地下水，无法同时处理污染土壤。且由于抽出处理的污染地下水多仅含溶解相cVOC；因此处理效率低、周期长，通常无法完整修复cVOC污染场地。新型的修复技术有多相抽汲(Multi-PhaseExtraction,MPE)、现场化学氧化(In-Situ Chemical Oxidation,ISCO)、现场热处理(In-Situ Thermal Treatment)、界面活性剂及共溶剂淋洗(Surfactant and CosolventFlushing)以及强化原位生物修复技术(Enhanced In-Situ Bioremediation,EIB)等方法。在这些新型修复技术中，EIB技术因其具备修复效果好、工程量小、占地空间有限、操作简单、对企业生产影响小，投资和运行费用低等优势成为近十年国际间普遍采用的cVOC污染场地修复方法之一，能够满足国内日益增多的在产企业场地的修复需求。
EIB技术主要是利用含氯污染地下水中已经富集的优势脱卤菌群(脱卤可卡因麦卡蒂菌群,Dehalococcoides sp.，简称Dhc.菌)降解有机氯为乙烯、乙烷等对环境无害的物质，从而修复土壤或地下水。Dhc.菌为存在于土壤与地下水中的一种脱卤菌，在外界环境适宜的条件下，可有效的将四氯乙烯(Tetrachloroethylene,PCE)、三氯乙烯(Trichloroethylene,TCE)、1,1,1-三氯乙烷(1,1,1-Trichloroethane,TCA)等含氯有机污染物逐步降解，最终完全转变为对环境无害的乙烯或乙烷。但Dhc.菌在自然环境状态不属于优势菌种，或甚至并不存在。
获取高效优势脱卤菌群目前主要通过两种途径：1.在修复场地上培植原生菌种，并等待自然驯化；2.从国外专业实验室购买已经驯化的菌种，进行异地移植。如果采用前者，静待场地内Dhc.菌种自然繁殖驯化，旷日废时；且无法满足工程进度需要，降解效果也不可控。如果采用后者，又可能受到海关对菌种生物运输检疫相关限制，及存在外来菌种对本地菌种生态平衡影响的顾虑。
从已受含氯有机物污染并含有高效优势脱卤菌群的地下井中采集富含高效优势脱卤菌群的地下水，将其迅速移植到需要修复的场地地下水中，是一种实现土壤与地下水含氯有机污染物高效降解的有效途径，其方法效果好、费用省、工期短、操作简便，能够实现整个含氯有机物污染场地的原位修复，加速了原位生物修复效率，提升了修复效果。
发明内容
基于含氯有机物污染场地的地下水一旦产生完整厌氧还原脱氯机制，即表示含水层已出现驯化的Dhc.菌群。如果能够将已经驯化的Dhc.菌群通过人工移植方式植入需要修复的含氯有机污染物场地，将可提升修复效率，加速场地的修复进程。基于此考虑，本申请提供一种厌氧菌采植方法及装置，实现从已经产生厌氧还原脱氯机制的污染场地采集已含有富集驯化的原生Dhc.菌群的地下水，并通过本申请提供的装置将该含菌地下水灌注到场地内其他需要修复但尚无驯化菌种的修复位置；或运送至他处有类似污染需要修复的场地，以实现本土原生菌种的有效异地移植，达成有机氯污染地下场地的原位高效修复。
根据第一方面，一种实施例中提供一种厌氧菌采植装置，包括：
厌氧供气设备，设置于地面上，用于储存厌氧压缩气体；
厌氧气体输送系统，包括：气囊泵、气囊泵控制器及气体输送管路，所述气囊泵设置于地下水采集井中，所述厌氧供气设备出气口通过第一管路与储菌器进气口可拆卸连接，第一管路与所述气囊泵控制器也可拆卸连接，所述气囊泵控制器通过第二管路与气囊泵的进气口相连通；第一管路还可与所述的储菌器的气体出口/入口可拆卸连接。
储菌器，设置于地面上，其顶部设置分别有气体入口和气体出口/入口，底部设置有液体出/入口，所述液体出/入口通过第三管路与所述气囊泵的出液口可拆卸连接。
进一步，所述第一管路既可与储菌器的一个进气口连接，也可与气囊控制泵可拆卸连接，还可与所述储菌器的气体入口/出口可拆卸连接；所述第三管路从气囊泵的出液口拆卸下后可设置于地下水中。
在一些实施例，所述第一管路上还设置有阀门，用于开启/关闭第一管路。
在一些实施例，所述第二管路上还设置有阀门，用于关闭第二管路。
在一些实施例，所述储菌器的气体入口设置有快速接头阀门。
在一些实施例，所述储菌器采植过程中上部储存厌氧气体，下部容纳所采集的含有Dhc.菌的地下水。
在一些实施例，所述厌氧供气设备为氮气钢瓶。
在一些实施例，所述气囊泵为长圆柱体，可升降植入地下井采集地下水；所述气囊泵控制器内置有小型气体流量控制阀，所述气囊泵还可加装落管部件。
根据第二方面，一种实施例中提供一种厌氧菌采植方法，用于第一方面所述的装置，包括：
采植作业前，先以第一管路连接储菌器进气口，通过压缩氮气充填储菌器，排出容器内的空气以维持无氧状态；
进行采植作业，压缩气体沿着第一管路通过气囊泵控制器进入气囊泵，经第二管路释压后在泵体内部产生吸力，使得含Dhc.菌的地下水从气囊泵底部入口进入泵体的气囊内，循环操作，采集井内地下水逐步推挤地下水沿着第三管路上升至地表并进入储菌器内；
进行灌注作业，关闭或拆卸第二管路，拆卸第一管路，连接第一管路与储菌器气体入口/出口，第三管路从气囊泵拆卸下后置于植菌井地下水中；压缩气体沿着第一管路进入气体入口/出口，以微压为储菌器灌注地下水到植菌井内提供动力，含Dhc.菌群地下水从液体出/入口排出，沿第三管路进入植菌井地下水中；
当完成含Dhc.菌群地下水灌注入植菌井时，储菌器內部饱含厌氧气体，可回到采集井，重复前述采植作业，继续采集含Dhc.菌群地下水。
根据第三方面，一种实施例中提供一种储菌器，包括：瓶体、设置于瓶体顶部的气体入口和气体出口/入口以及设置于瓶体底部的液体出/入口，采植过程中瓶内上部用于储存厌氧气体，瓶内下部用于容纳所采集的含有Dhc.菌的地下水，所述气体入口连接一条PE管到瓶内底部，所述液体出/入口设置有球型阀。
在一些实施例，瓶体为钢瓶，厌氧压缩气体为高压氮气。
依据上述实施例的厌氧菌采植方法及装置，由于采用厌氧供气设备、厌氧气体输送系统和储菌器，其中，第一管路与气囊泵控制器可拆卸连接，气囊泵控制器通过第二管路与气囊泵的进气口相连通，第一管路还可与气体入口G1或气体入口/出口G2可拆卸连接；第三管路从气囊泵拆卸下后可设置于地下水中，使得可在实现原生脱卤高效厌氧菌群采集与移植的同时，确保厌氧环境，保持菌体的活性；移植后的菌种可在不同区域的地下环境全方位发挥作用，利用自然菌群实现了土壤与地下水含氯有机污染物的高效降解，加速了整个场地的原位生物修复效率，提升了修复效果。
附图说明
图1为一种实施例提供的厌氧菌采植装置采集状态图；
图2为一种实施例提供的厌氧菌采植装置灌注状态图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
参考论文《Protocol for Enhanced In Situ Bioremediation UsingEmulsified Edible Oil,for Environmental Security Technology CertificationProgram,Department of Defense,USA；prepared by Solutions-IES,2006》，在自然的厌氧环境下，PCE、TCE及TCA等高氯有机物会以有机方式为主(少部分为无机化学分解)降解并产生一些脱氯副产物。EIB的技术原理即为提供足够的有机碳源注入受污染地下水分解产生氢离子，作用于cVOC，增强自然环境中脱卤菌群的作用，并在修复过程中通过微生物耗氧机制维持适当的厌氧环境，促使Dhc.脱卤菌等微生物繁殖并更迅速地进行代谢脱卤反应，降解目标污染物，如：PCE、TCA、TCE、二氯乙烯(cis-1,2-DCE)、二氯乙烷(1,2-DCA)与氯乙烯(VC),直到最终将污染物质分解为无毒性的终产物-乙烯或乙烷。
本申请的EIB技术的应用程序大致可分为以下四个步骤：
(1)灌注复合有机物基质及营养盐至地表下预定处理区域；
(2)经由微生物耗氧机制使EIB处理区域地下水逐渐成为并维持厌氧还原环境；
(3)再利用发酵作用产生氢离子和醋酸盐，加速微生物厌氧还原脱氯增殖作用；
(4)有机物基质持续释放出有机碳和氢离子，支持微生物长期增殖并持续降解cVOC污染物。
有机物基质的碳源种类可以是醋酸、乳酸、葡萄糖蜜、乳化油或菜籽油等，功能为提供氢离子作为电子供体。根据上述原理和机制，EIB处理系统所提供的营养基质注入地下后，可经由发酵作用分解产生氢离子，随后由具脱氯能力的微生物(Dhc.)以氢离子作为电子供体，cVOC污染物作为电子受体，在厌氧环境下进行脱氯反应。Dhc.脱卤菌以氢离子取代卤化物分子中的氯而获得能量，使得cVOC污染物中的氯离子逐步脱离，最终降解为无害的乙烯或乙烷。因此，只要污染场地地下水中有Dhc.脱卤菌，并提供足够的有机碳源和氢离子，将可迅速完成厌氧还原脱氯作用。
cVOC污染场地的地下水一旦产生完整的厌氧还原脱氯机制，即表示含水层已出现驯化的Dhc.菌群。判断含水层中厌氧还原脱氯机制是否存在，可通过采集地下水现场检测溶解氧与氧化还原电位，以及实验室检测原始的cVOC(PCE,TCE,TCA)与各项降解产物(DCE,VC与乙烯)的浓度与摩尔百分比变化确认。也可以直接采集水样送交实验室以DNA聚合酶连锁反应(Polymerase Chain Reaction,PCR)及变性梯度胶体电泳(Denaturing GradientGel Electrophoresis,DGGE)技术(PCR-DGGE)分析微生物菌种，确认场地含水层存在还原脱氯菌种(Dhc.)的存在，指示菌种包括Dehalococcoides sp.strain BAV1、Dehalococcoidesethenogenes 195及Dehalococcoides sp.strain CBDB1。
在本发明实施例中，就是将EIB技术中的高效脱氯菌在确保厌氧环境的基础上，实现地下水中已经驯化和富集的有机脱卤菌群的快速采集及安全移植，加速土壤和地下水的cVOC污染修复进程，提高修复的效率。
请参考图1-2，本申请提供一种厌氧菌采植装置，包括：
厌氧供气设备1，设置于地面上，用于储存厌氧压缩气体，采植前通过氮气自下而上挤压排空储菌器3内空气，维持储菌器内厌氧环境，并在采植过程中提供高压气体使得气囊泵21从菌种采集井内抽汲地下水入储菌器3，或以微压为储菌器3灌注地下水到植菌井内提供动力；
厌氧气体输送系统2，包括：气囊泵21、气囊泵控制器22及气体输送管路，该气囊泵21设置于地下水采集井4中，厌氧供气设备1出气口通过第一管路11与气囊泵控制器22可拆卸连接，该气囊泵控制器22通过第二管路12与气囊泵的进气口相连通；
储菌器3，设置于地面上，其顶部分别设置有气体入口G1和气体出口/入口G2，底部设置有液体出/入口W1，该液体出/入口W1通过第三管路13与气囊泵21的出液口可拆卸连接。
厌氧供气设备1出气口通过第一管路11与储菌器3进气口可拆卸连接，用以在采集前从储菌器充入厌氧压缩气体。一些实施例，第一管路11上还设置有阀门，用于开启/关闭第一管路11。
采植作业前，开启储菌器气体出口G2，关闭底部液体出/入口W1；厌氧供气设备1将压力气体(高压氮气)沿着第一管路进入储菌器气体入口G1，使得空气由PE管从储菌器内底部往上经G2逐渐排出，直到储菌器充填满氮气维持无氧状态，再关闭G2和G1，准备含菌地下水采植作业。
进行采植作业时，先利用水位计测量地下水位与井深，再将气囊泵21设置于地下水采集井4中，气囊泵21的机体入水口放置于地下水位以下靠近采集井底部。从储菌器3进气口拆卸下第一管路或关闭第一管路上的阀门，第一管路11连接厌氧供气设备1与气囊泵控制器22，第三管路13与储菌器底部液体出/入口W1连接，开启W1。压力气体(高压氮气)沿着第一管路11通过气囊泵控制器22进入气囊泵21，利用气囊泵控制器22的间歇供气使气囊膨胀与压缩，并在其内部产生吸力；此时，地下水便由泵体底部地下水引入口吸入泵体的气囊内，底部地下水引入口内含球形逆止阀，可阻止地下水回流；经由气体间断性释压与充气挤压循环操作，采集井内地下水得以进入泵体气囊内，并逐步推挤地下水沿着第三管路13上升至地表，并经由W1进入储菌器3内，从而完成采集含Dhc.菌的地下水。
进一步，第一管路11还可与气体入口/出口G2可拆卸连接；第三管路13从气囊泵21拆卸下后可设置于地下水中。
进行灌注时，关闭或拆卸第二管路12和第一管路，第一管路11改为与气体入口/出口G2相连接，第三管路13从气囊泵21拆卸下后置于植菌井底部地下水中；厌氧供气设备1将压力气体(高压氮气)沿着第一管路11进入气体入口G2，以微压为储菌器3灌注地下水到植菌井内提供动力，含Dhc.菌群地下水从液体出/入口W1排出，沿第三管路13进入植菌井地下水中，从而完成把所采集的含Dhc.菌群地下水灌注到需要修复的污染含水层的灌注过程。
在一些实施例，第二管路12上还设置有阀门(未示出)，用于关闭第二管路12，以便进行灌注操作。
具体地，采植过程中储菌器3内上部储存厌氧气体，下部容纳所采集的含Dhc.菌的地下水，两个气体出入口(G1、G2)，采用快速接头阀门，方便拆卸；G1与G2作为厌氧气体入口，G2还作为空气排出口，G1下方连接一条PE管到储菌器内底部。储菌器底部另设一液体出/入口(W1)，以球型阀控制。
在一些实施例，厌氧供气设备1为氮气钢瓶，存储高压氮气。
在一些实施例，气囊泵21可根据液位计测量的地下井中含菌水的液位，并利用其内部气囊和流量控制阀实现含菌地下水的缓慢吸入和释放，避免地下水采集过程中受到扰动而干扰厌氧环境。
在一些实施例，储菌器3在采植含菌地下水过程中内部完全处于厌氧环境，以保持菌种的活性，保证修复的效果。
与现有传统的EIB技术修复含氯有机污染场地相比，本发明克服了传统方法菌体自然增长繁殖等待周期长，无法实现不同区域的菌种共享和异地移植；也避免从国外引进强化菌种可能面临检疫问题等的弊端。本申请可实现原生高效厌氧菌群的采集和移植，并保持了高效的生物活性，使得原生高效菌群能够在不同的区域充分发挥作用，利用环境自然菌群实现了土壤和地下水含氯有机污染物的高效降解，加速了整个场地EIB技术修复的效率。
由此可见，利用上述厌氧菌采植装置，可实现从场地内已经出现厌氧脱氯机制的区域采集含有增殖驯化原生Dhc.菌群的地下水，再将采集的含菌地下水灌注到场地内其它需要区域(或类似污染场地)尚无驯化菌种但需要修复的污染含水层。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种厌氧菌采植装置,其特征在于，包括：
厌氧供气设备，设置于地面上，用于储存厌氧压缩气体；
厌氧气体输送系统，包括：气囊泵、气囊泵控制器及气体输送管路，所述气囊泵设置于地下水采集井中，所述厌氧供气设备出气口通过第一管路与储菌器进气口可拆卸连接，第一管路也可与所述气囊泵控制器可拆卸连接，所述气囊泵控制器通过第二管路与气囊泵的进气口相连通；第一管路还可与储菌器的气体出口/入口可拆卸连接。
储菌器，设置于地面上，其顶部设置分别有气体入口和气体出口/入口，底部设置有液体出/入口，所述液体出/入口通过第三管路与所述气囊泵的出液口可拆卸连接。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一管路既可与储菌器的一个进气口连接，也可与气囊控制泵可拆卸连接，还可与所述储菌器的气体入口/出口可拆卸连接；所述第三管路从气囊泵的出液口拆卸下后可设置于地下水中。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一管路上还设置有阀门，用于开启/关闭第一管路。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二管路上还设置有阀门，用于关闭第二管路。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气体入口设置有快速接头阀门。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述储菌器采植过程中上部储存厌氧气体，下部容纳所采集的含有Dhc.菌的地下水。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述厌氧供气设备为氮气钢瓶。
8.如权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述气囊泵为长圆柱体，可升降植入地下井采集地下水；所述气囊泵控制器内置有小型气体流量控制阀，所述气囊泵还可加装落管部件。
9.一种厌氧菌采植方法，用于权1至8任一项所述的装置，其特征在于，包括：
采植作业前，先以第一管路连接储菌器进气口，通过压缩氮气充填储菌器，排出容器内的空气以维持无氧状态；
进行采植作业，压缩气体沿着第一管路通过气囊泵控制器进入气囊泵，经第二管路释压后在泵体内部产生吸力，使得含Dhc.菌的地下水从气囊泵底部入口进入泵体的气囊内，循环操作，采集井内地下水逐步推挤地下水沿着第三管路上升至地表并进入储菌器内；
进行灌注作业，关闭或拆卸第二管路，拆卸第一管路，连接第一管路与储菌器气体入口/出口，第三管路从气囊泵拆卸下后置于植菌井地下水中；压缩气体沿着第一管路进入气体入口/出口，以微压为储菌器灌注地下水到植菌井内提供动力，含Dhc.菌群地下水从液体出/入口排出，沿第三管路进入植菌井地下水中；
当完成含Dhc.菌群地下水灌注入植菌井时，储菌器內部饱含厌氧气体，可回到采集井，重复前述采植作业，继续采集含Dhc.菌群地下水。
10.一种储菌器，其特征在于，包括：瓶体、设置于瓶体顶部的气体入口和气体出口/入口以及设置于瓶体底部的液体出/入口，采植过程中瓶内上部用于储存厌氧气体，瓶内下部用于容纳所采集的含有Dhc.菌的地下水，所述气体入口连接一条PE管到瓶内底部，所述液体出/入口设置有球型阀。
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