CN112570444A - 多环芳烃污染土壤的低温热强化化学氧化-微生物耦合修复系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多环芳烃污染土壤的低温热强化化学氧化‑微生物耦合修复系统及方法，可采用原位或异位两种修复模式，包括：根据多环芳烃污染土壤堆体的厚度，在多环芳烃污染土壤堆体内上下水平布设由多层补水通风管；其中，多环芳烃污染土壤堆体内均匀混合有氧化剂，通过补水通风管向多环芳烃污染土壤堆体内添加微生物菌剂、生物表面活性剂、营养液或通风；在多环芳烃污染土壤堆体布设多层电加热棒和多个温度、湿度、氧气含量的监测点；修复方法包括：先加热进行低温热强化化学氧化修复，而后通过补水通风管进行微生物菌剂、生物表面活性剂和营养液的投加，进行低温加热微生物降解。本发明可实现多环芳烃污染土壤的经济、高效、绿色修复。

Description

多环芳烃污染土壤的低温热强化化学氧化-微生物耦合修复 系统及方法

技术领域

本发明涉及多环芳烃污染土壤修复技术领域，具体涉及一种多环芳烃污染土壤的低温热强化化学氧化-微生物耦合修复系统及方法，可采用原位或异位两种修复模式。

背景技术

土壤中的多环芳烃(PAHs)是一类具有致癌、致畸、致突变效应的持久性有机污染物，严重危害人类健康。

PAHs污染土壤的修复是当前国内外土壤和环境领域研究的热点之一，目前所采用的修复技术主要包括水泥窑协同处置、热脱附、化学氧化、微生物修复等；其中，水泥窑协同处置受当地水泥窑处理能力的限制；热脱附修复技术适合处理高浓度污染土壤，该技术能耗较高且具有一定的安全隐患、脱附产生废气易对周边环境产生二次污染；化学氧化技术适合处理中低浓度污染土壤，大量使用氧化药剂易产生二次污染且不经济；微生物修复技术处理周期较长，限制其应用。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种多环芳烃污染土壤的低温热强化化学氧化-微生物耦合修复系统及方法。

本发明公开了一种多环芳烃污染土壤的低温热强化化学氧化-微生物耦合修复系统，包括：

根据多环芳烃污染土壤堆体的厚度，在所述多环芳烃污染土壤堆体内上下水平布设由多层补水通风管；其中，所述多环芳烃污染土壤堆体内均匀混合有氧化剂，通过所述补水通风管向所述多环芳烃污染土壤堆体内添加微生物菌剂、生物表面活性剂、营养液或通风；

在所述多环芳烃污染土壤堆体布设多层电加热棒和多个温度、湿度、氧气含量的监测点。

作为本发明的进一步改进，所述多环芳烃污染土壤堆体上覆盖有苫布。

作为本发明的进一步改进，最上层的多个第一补水通风管的上表面为封闭半管，下表面为开有筛孔的半管；其余每层的多个第二补水通风管的上下表面均开有筛孔。

作为本发明的进一步改进，多层所述补水通风管与多层所述电加热棒上下间隔布设，且所述补水通风管为前后水平布设，所述电加热棒为左右水平布设。

作为本发明的进一步改进，所述多环芳烃污染土壤堆体上设有多个竖直的监测点，所述监测点避让所述补水通风管和电加热棒的安装位置。

作为本发明的进一步改进，所述氧化剂为热活化的过硫酸盐，添加量为所述多环芳烃污染土壤堆体重量的0.5％～1％；

所述氧化剂的以溶液形式进行投加，投加后土壤含水率达到25％～30％；所述电加热棒的加热温度为40～45℃。

作为本发明的进一步改进，低温热强化化学氧化修复完成后，通过补水通风管进行微生物菌剂的投加，微生物菌剂添加量为0.6～1.1kg/m³；

所述微生物菌剂的以溶液形式进行投加，投加后土壤含水率达到30％～35％。

作为本发明的进一步改进，微生物菌剂投加完毕后，通过补水通风管进行生物表面活性剂和营养液的投加，生物表面活性剂添加量为30～60mg/kg；微生物降解土壤中的污染物，适宜的营养条件为C:N:P＝100:5:1，氮源选择尿素，磷源选择磷肥，根据污染土壤总有机碳含量计算所需添加量；

生物表面活性剂以溶液形式同营养液一并投加，投加后土壤含水率达到40％～45％。

作为本发明的进一步改进，生物表面活性剂和营养液投加完毕后，通过补水通风管进行堆体通风。

本发明还公开了一种多环芳烃污染土壤的低温热强化化学氧化-微生物耦合修复方法，包括：

步骤1、多环芳烃污染土壤进行筛分破碎，使土壤粒径＜50mm；

步骤2、将氧化剂加入步骤1所得的多环芳烃污染土壤中，并搅拌混合均匀；

步骤3、基于步骤2所得的均匀混合有氧化剂的多环芳烃污染土壤，构建上述的修复系统；

步骤4、启动电加热棒，氧化剂和多环芳烃污染土壤堆体中的PAHs进行低温热强化化学氧化反应；

步骤5、低温热强化化学氧化修复完成后，通过补水通风管进行微生物菌剂的投加；

步骤6、微生物菌剂投加完毕后，通过补水通风管进行生物表面活性剂和营养液的投加；

步骤7、生物表面活性剂和营养液投加完毕后，通过补水通风管进行堆体通风；

步骤8、在生物表面活性剂和营养液的条件下，微生物菌剂与土壤堆体中的PAHs进行低温加热微生物降解；

步骤9、通过监测点对修复效果进行监测，达标后完成修复。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明利用化学氧化和微生物修复的优势，首先利用低剂量化学氧化药剂破坏土壤有机质和土壤结构，释放被吸附固定的PAHs，并进一步改变有机物的结构，通过增加亲水基团来提高有机污染物的生物可利用性或降低其生物毒性，从而提高微生物的修复效率；低温热强化在化学氧化修复阶段用于激活氧化药剂，在微生物降解阶段为微生物提供适宜的温度环境，提高修复效率；可实现多环芳烃污染土壤的经济、高效、绿色修复。

附图说明

图1为本发明一种实施例公开的低温热强化化学氧化-微生物耦合修复系统的修复流程图；

图2为本发明一种实施例公开的低温热强化化学氧化-微生物耦合修复系统的正视图；

图3为本发明一种实施例公开的低温热强化化学氧化-微生物耦合修复系统的侧视图；

图4为本发明一种实施例公开的低温热强化化学氧化-微生物耦合修复系统的第一俯视图；

图5为本发明一种实施例公开的低温热强化化学氧化-微生物耦合修复系统的第二俯视图；

图6为本发明一种实施例公开的第一补水通风管的截面示意图；

图7为本发明一种实施例公开的第二补水通风管的截面示意图。

图中：

1、多环芳烃污染土壤堆体；2、苫布；3、电加热棒；4、第一补水通风管；5、第二补水通风管；6、监测点；7、未开筛位置；8、开筛位置。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

如图2～7所示，本发明提供一种多环芳烃污染土壤的低温热强化化学氧化-微生物耦合修复系统，基于该修复系统可依次实现低温热强化化学氧化修复与微生物修复，在修复过程中无需破坏堆体结构等；其包括：苫布2、电加热棒3、第一补水通风管4、第二补水通风管5和监测点6；其中，

本发明的可采用原位或异位两种修复模式，在多环芳烃污染土壤堆体1上覆盖苫布2，防止修复过程中挥发有机物、微生物菌剂、生物表面活性剂、营养液或通风的逸散等。

本发明可根据多环芳烃污染土壤堆体1的厚度，在多环芳烃污染土壤堆体1内上下水平布设由多层补水通风管；例如，在多环芳烃污染土壤堆体1的厚度方向上间隔20cm布设一层补水通风管，每层补水通风管包括多个补水通风管。具体的，本发明的多环芳烃污染土壤堆体在构件堆体前，可先将氧化剂与多环芳烃污染土壤混合均匀，而后将混合有氧化剂的多环芳烃污染土壤构成堆体；或者，也可通过补水通风管向多环芳烃污染土壤堆体内加入氧化剂药液；其中，先混合而后构建堆体的方式混合均匀，先构建堆体而后通过多层补水通风管加入氧化剂药液的方式操作简单，效率高；在实际应用时，可根据具体的需求，择一选择。

进一步，本发明的最上层的多个第一补水通风管4的上表面为封闭半管，下表面为开有筛孔的半管，如图6所示；其余每层的多个第二补水通风管5的上下表面均开有筛孔，如图7所示；上述第一补水通风管4的设置方式避免药液向上流出，第二补水通风管5的结构使药剂与堆体混合更为均匀。

本发明可通过补水通风管(第一补水通风管4和第二补水通风管5)向多环芳烃污染土壤堆体1内添加微生物菌剂、生物表面活性剂、营养液或通风；具体为：将微生物菌剂药罐、生物表面活性剂药罐、营养液药罐、风机通过第一连接管、第二连接管、第三连接管、第四连接管与第一补水通风管4和第二补水通风管5相连，第一连接管、第二连接管、第三连接管、第四连接管并联设计且连接管上设有阀门，为了实现药罐内的药剂流入补水通风管中，可在药罐内或连接管上设有输送泵。使用时，当需要加入微生物菌剂时，打开第一连接管上的阀门和对应的输送泵，将微生物菌剂药罐中的微生物菌剂加入多环芳烃污染土壤堆体1内；同理，当需要同时加入生物表面活性剂和营养液时，同时打开第二连接管、第三连接管上的阀门和对应的输送泵，将生物表面活性剂药罐中的生物表面活性剂和营养液药罐中的营养液同时加入多环芳烃污染土壤堆体1内；同理，当需要通风时，打开风机、第四连接管上的阀门和对应的输送泵，输送风至多环芳烃污染土壤堆体1内。

进一步，本发明在修复时的加入顺序为：先加入氧化剂进行低温热强化化学氧化反应，低温热强化化学氧化修复完成后，通过补水通风管进行微生物菌剂的投加；微生物菌剂投加完毕后，通过补水通风管进行生物表面活性剂和营养液的投加；生物表面活性剂和营养液投加完毕后，通过补水通风管进行堆体通风；在生物表面活性剂和营养液的条件下，微生物菌剂与土壤堆体中的PAHs进行低温加热微生物降解。

本发明在多环芳烃污染土壤堆体1内布设多层电加热棒3和多个用于监测温度、湿度、氧气含量的监测点6；具体的，多层补水通风管4、5与多层电加热棒3上下间隔布设，且补水通风管4、5为前后水平布设，电加热棒3为左右水平布设。多环芳烃污染土壤堆体1上设有多个竖直的监测6点，监测点6避让补水通风管4、5和电加热棒2的安装位置。

进一步，本发明除电加热棒3外还可采用其他加热设备，其与外部电源相连接；监测点6可为监测孔等，通过在监测孔上安装温度、湿度、氧气监测传感器，实现对温度、湿度、氧气含量的监测。

在上述修复系统中，本发明所使用的药剂可具体选择如下：

本发明的氧化剂为热活化的过硫酸盐，活化过硫酸盐具有良好的稳定性、半衰期远超其他药剂、pH适应范围广等优势。过硫酸盐的添加量为多环芳烃污染土壤堆体重量的0.5％～1％；氧化剂的以溶液形式进行投加，投加后土壤含水率达到25％～30％；电加热棒的加热温度为40～45℃。

本发明在低温热强化化学氧化修复完成后，通过补水通风管进行微生物菌剂的投加，微生物菌剂添加量为0.6～1.1kg/m³；微生物菌剂的以溶液形式进行投加，投加后土壤含水率达到30％～35％。

本发明在微生物菌剂投加完毕后，通过补水通风管进行生物表面活性剂和营养液的投加，生物表面活性剂添加量为30～60mg/kg；微生物降解土壤中的污染物，适宜的营养条件为C:N:P＝100:5:1，氮源选择尿素，磷源选择磷肥，根据污染土壤总有机碳含量计算所需添加量；生物表面活性剂以溶液形式同营养液一并投加，投加后土壤含水率达到40％～45％。

本发明在生物表面活性剂和营养液投加完毕后，通过补水通风管进行堆体通风。

如图1所示，本发明一种多环芳烃污染土壤的低温热强化化学氧化-微生物耦合修复方法，包括：

步骤1、多环芳烃污染土壤进行筛分破碎；

具体为：

为保障修复效果，污染土壤清挖后需先进行筛分破碎，确保土壤粒径＜50mm，筛上物进行单独处置，不进入修复系统。

步骤2、将氧化剂加入步骤1所得的多环芳烃污染土壤中，并搅拌混合均匀；

具体为：

筛分破碎后，将氧化药剂以一定比例加入污染土壤，由于本发明对氧化药剂使用量有限制，为确保氧化药剂与污染土壤的混合均匀性，将氧化药剂配制成溶液进行添加，溶液浓度按照土壤含水率要求进行设计；其中，

本发明采用过硫酸盐进行污染土壤的化学氧化，活化方式选用热活化，与传统的高级氧化技术相比，活化过硫酸盐具有良好的稳定性、半衰期远超其他药剂、pH适应范围广等优势。化学氧化药剂的添加量对本发明至关重要，高浓度氧化剂不仅增加修复成本，还可能对土壤有机质、土壤结构以至土壤生态系统造成严重破坏，影响微生物的降解效率。氧化药剂的投加应在增加PAHs生物可利用性的同时，又减少对土壤中微生物的影响并保障土壤可持续利用。本发明氧化药剂过硫酸盐的添加质量比范围为0.5％～1％，为确保药剂与污染土壤混合均匀，药剂以溶液形式进行投加，浓度根据土壤自身含水率情况进行计算，投加后土壤含水率达到25％～30％。

步骤3、基于步骤2所得的均匀混合有氧化剂的多环芳烃污染土壤，构建图2～5所示的修复系统；

具体为：

氧化药剂与污染土壤混合均匀后，利用挖机将污染土壤按设计要求进行打堆，打堆过程配合加热/补水通风/监测系统的安装；

加热系统建议采用电加热方式，按照设计方案在污染土壤堆体内安装若干加热棒，根据热激活氧化药剂和微生物生长对温度的要求，本发明加热温度设定40～45℃；

按照设计方案在污染土壤堆体内安装若干补水通风管，主要作用为微生物菌剂、生物表面活性剂、营养液的添加及水分补充，同时在微生物降解阶段可利用该管道进行通风，保证堆体内的氧气含量，促进微生物降解；

按照设计方案在污染土壤堆体内安装若干温度、湿度、氧气含量监测点位，实时对堆体进行监测，确保各项参数满足设计要求，并根据监测结果及时优化调整设计，确保修复效果；

堆体加热/补水通风/监测系统安装完毕后，用苫布对堆体进行覆盖；

按照设计方案要求加热一定周期，确保氧化药剂与污染土壤充分反应。

步骤4、启动电加热棒，氧化剂和多环芳烃污染土壤堆体中的PAHs进行低温热强化化学氧化反应。

步骤5、低温热强化化学氧化修复完成后，通过补水通风管进行微生物菌剂的投加；

具体为：

微生物通过分泌鼠李糖脂、单双加氧酶、CYP450酶、木质素酶等物质，吸附与降解土壤中的PAHs，从而获取自身生存繁殖所需要的能力和物质。本发明选用PAHs专性降解菌，包括细菌和真菌等，细菌主要以芽孢杆菌属、分歧杆菌属、黄杆菌属等为主；真菌以木霉菌属、酵母属等为主。

本发明微生物菌剂添加量范围为0.6～1.1kg/m³，为确保菌剂与污染土壤混合均匀，菌剂以溶液形式进行投加，浓度根据土壤自身含水率情况进行计算，投加后土壤含水率达到30％～35％；

步骤6、微生物菌剂投加完毕后，通过补水通风管进行生物表面活性剂和营养液的投加；

具体为：

PAHs由于较强的疏水性和吸附性，易吸附于土壤颗粒上或形成非水相液体，微生物难以吸收非溶解态PAHs，因而限制PAHs进入细胞的传递效率；同时受陈化或隔离作用影响，微生物难以接触PAHs使其进入细胞内部，导致生物利用性降低，自然情况下难以被降解，添加生物表面活性剂可以增加溶解态PAHs，增加微生物表面疏水性，增强微生物对PAHs的吸附利用，强化PAHs生物降解；

本发明生物表面活性剂添加量范围为30～60mg/kg，为确保生物表面活性剂与污染土壤混合均匀，以溶液形式进行投加(同营养液一并投加)，浓度根据土壤自身含水率情况进行计算，投加后土壤含水率达到40％～45％。

微生物降解土壤中的污染物，适宜的营养条件为C:N:P＝100:5:1，氮源选择尿素，磷源选择磷肥，根据污染土壤总有机碳(TOC)含量计算所需添加量。

步骤7、生物表面活性剂和营养液投加完毕后，通过补水通风管进行堆体通风。

步骤8、在生物表面活性剂和营养液的条件下，微生物菌剂与土壤堆体中的PAHs进行低温加热微生物降解。

步骤9、通过监测点对修复效果进行监测，达标后完成修复。

本发明的优点为：

本发明利用化学氧化和微生物修复的优势，首先利用低剂量化学氧化药剂破坏土壤有机质和土壤结构，释放被吸附固定的PAHs，并进一步改变有机物的结构，通过增加亲水基团来提高有机污染物的生物可利用性或降低其生物毒性，从而提高微生物的修复效率；低温热强化在化学氧化修复阶段用于激活氧化药剂，在微生物降解阶段为微生物提供适宜的温度环境，提高修复效率；可实现多环芳烃污染土壤的经济、高效、绿色修复。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)

1.一种多环芳烃污染土壤的低温热强化化学氧化-微生物耦合修复系统，其特征在于，包括：

根据多环芳烃污染土壤堆体的厚度，在所述多环芳烃污染土壤堆体内上下水平布设由多层补水通风管；其中，所述多环芳烃污染土壤堆体内均匀混合有氧化剂，通过所述补水通风管向所述多环芳烃污染土壤堆体内添加微生物菌剂、生物表面活性剂、营养液或通风；

在所述多环芳烃污染土壤堆体布设多层电加热棒和多个温度、湿度、氧气含量的监测点。

2.如权利要求1所述的修复系统，其特征在于，所述多环芳烃污染土壤堆体上覆盖有苫布。

3.如权利要求1所述的修复系统，其特征在于，最上层的多个第一补水通风管的上表面为封闭半管，下表面为开有筛孔的半管；其余每层的多个第二补水通风管的上下表面均开有筛孔。

4.如权利要求1所述的修复系统，其特征在于，多层所述补水通风管与多层所述电加热棒上下间隔布设，且所述补水通风管为前后水平布设，所述电加热棒为左右水平布设。

5.如权利要求1所述的修复系统，其特征在于，所述多环芳烃污染土壤堆体上设有多个竖直的监测点，所述监测点避让所述补水通风管和电加热棒的安装位置。

6.如权利要求1所述的修复系统，其特征在于，所述氧化剂为热活化的过硫酸盐，添加量为所述多环芳烃污染土壤堆体重量的0.5％～1％；

所述氧化剂的以溶液形式进行投加，投加后土壤含水率达到25％～30％；所述电加热棒的加热温度为40～45℃。

7.如权利要求6所述的修复系统，其特征在于，低温热强化化学氧化修复完成后，通过补水通风管进行微生物菌剂的投加，微生物菌剂添加量为0.6～1.1kg/m³；

所述微生物菌剂的以溶液形式进行投加，投加后土壤含水率达到30％～35％。

8.如权利要求7所述的修复系统，其特征在于，微生物菌剂投加完毕后，通过补水通风管进行生物表面活性剂和营养液的投加，生物表面活性剂添加量为30～60mg/kg；微生物降解土壤中的污染物，适宜的营养条件为C:N:P＝100:5:1，氮源选择尿素，磷源选择磷肥，根据污染土壤总有机碳含量计算所需添加量；

生物表面活性剂以溶液形式同营养液一并投加，投加后土壤含水率达到40％～45％。

9.如权利要求8所述的修复系统，其特征在于，生物表面活性剂和营养液投加完毕后，通过补水通风管进行堆体通风。

10.一种多环芳烃污染土壤的低温热强化化学氧化-微生物耦合修复方法，其特征在于，包括：

步骤1、多环芳烃污染土壤进行筛分破碎，使土壤粒径＜50mm；

步骤2、将氧化剂加入步骤1所得的多环芳烃污染土壤中，并搅拌混合均匀；

步骤3、基于步骤2所得的均匀混合有氧化剂的多环芳烃污染土壤，构建如权利要求1～9中任一项所述的修复系统；

步骤4、启动电加热棒，氧化剂和多环芳烃污染土壤堆体中的PAHs进行低温热强化化学氧化反应；

步骤5、低温热强化化学氧化修复完成后，通过补水通风管进行微生物菌剂的投加；

步骤6、微生物菌剂投加完毕后，通过补水通风管进行生物表面活性剂和营养液的投加；

步骤7、生物表面活性剂和营养液投加完毕后，通过补水通风管进行堆体通风；

步骤8、在生物表面活性剂和营养液的条件下，微生物菌剂与土壤堆体中的PAHs进行低温加热微生物降解；

步骤9、通过监测点对修复效果进行监测，达标后完成修复。

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