CN112642856A - 一种微生物土壤修复系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微生物土壤修复系统和方法。该系统包括至少一个单元、自动加液器和控制模块；所述单元包括壳体、菌剂管道、排液分布管、温度传感器和湿度传感器；壳体包括顶面和底面，其内部设置有加热装置；菌剂管道布置于壳体内，并与自动加液器连接；排液分布管由菌剂管道的侧壁上延伸而出，并穿过壳体底面以向壳体外排液；温湿度传感器设置于壳体内；控制模块分别与温度传感器、湿度传感器、加热装置和自动加液器连接；控制模块根据温度传感器和湿度传感器所监测的温度与湿度控制加热装置和自动加液器，以使壳体内温度和土壤湿度保持在预设值。该系统基于滴灌技术和微生物的活动特性的结合，提高了微生物在现场原位修复时的效率。

Description

一种微生物土壤修复系统和方法
技术领域
本发明涉及土壤修复技术领域，具体涉及一种微生物土壤修复系统和方法。
背景技术
土壤污染成为全球性环境问题，如何安全、可持续利用和管理污染土壤是社会各界共同关注的热点话题。在中国，土壤污染对土地资源可持续利用与农产品生态安全已经构成严重威胁。全国受有机污染物污染的农田已达3600万公顷，污染物类型包括石油类、多环芳烃、农药、有机氯等；因油田开采造成的严重石油污染土地面积达1万公顷，石油炼化业也使大面积土地受到污染；在沈抚石油污水灌区，表层和底层土壤多环芳烃含量均超过600mg/kg，造成农作物和地下水的严重污染。全国受重金属污染土地也达2000万公顷，其中严重污染土地超过70万公顷，其中13万公顷土地因镉含量超标而被迫弃耕。土壤污染对生态环境造成的危害已经到了不容忽视的地步。正因为如此，中国的污染土壤修复研究，正经历着由实验室研究向实用阶段的过渡，即将进入一个快速、全面的治理时期。
我国土壤修复技术研究起步较晚，主要以植物修复为主，已建立许多示范基地、示范区和试验区，并取得许多植物修复技术的成果，以及修复植物资源化利用的成果。然而，由于我国各区域发展不均衡性，污染土壤类型多样化，污染场地特征变异性，污染类型复杂性，技术需求多样性等因素，土壤的修复治理在目前遇到要么效果甚微，要么修复成本高昂，甚至造成二次污染，很多区域仍属于起步阶段。
众所周知，利用微生物进行各类污染土壤的修复，比如重金属、有机物(农药，石油等)，以及贫瘠土壤的改良均有显著的效果。但是利用微生物修复时，仅在实验室条件下获得满意的效果，当其被用于现场的原位修复时，效果却差距明显，这是因为微生物一旦失去实验室控制的条件，极易受到外界的影响，微生物的活动受到极大的限制，从而导致微生物修复效果非常差。因此利用微生物进行现场的原位土壤修复时存在以下缺点：1)受环境条件影响很大，尤其是在低温地区，微生物修复经常无用；2)微生物生长活动明显受到限制；3)修复时间很长，修复缓慢，甚至在很多时候经常无效。
微生物在原位修复污染时，要达到满意的效果必须满足以下三个条件：第一，微生物获得爆炸式的生长；第二，微生物生长所需要的营养必须得到满足；第三，微生物最适生长温度得到控制。然而在原位修复中，现有的技术均无法满足以上的要求，通常是将微生物撒在土壤上就任其“自生自灭”，最后微生物无法获得足够的生长。根据现有的研究以及报告，市场上仍缺乏相关的装备能将实验条件“移植”到现场的原位修复中。
因此，现在亟需开发一种效果较好的微生物土壤修复系统，以获得较好的实际应用效果。
发明内容
本发明旨在提供一种微生物土壤修复系统和方法，该系统基于滴灌技术和微生物的活动特性的结合，提高了微生物在现场原位修复时的效率。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一方面提供一种微生物土壤修复系统，该系统包括至少一个单元、自动加液器和控制模块；所述单元包括：壳体、菌剂管道、排液分布管、温度传感器和湿度传感器；
所述壳体包括顶面和底面，其内部设置有加热装置；
所述菌剂管道布置于所述壳体内，并与所述自动加液器连接；
所述排液分布管由所述菌剂管道靠近壳体底面的侧壁上延伸而出，并穿过所述壳体底面以向壳体外排液；
所述温度传感器和湿度传感器设置于所述壳体内；
所述控制模块分别与温度传感器、湿度传感器、加热装置和自动加液器连接；所述控制模块根据所述温度传感器和湿度传感器所监测的温度与湿度控制加热装置和自动加液器，以使壳体内温度和土壤湿度保持在预设值。
优选地，所述壳体的内侧面均设置有加热层，所述加热层内设置有保温层覆盖所述加热层；
或者，所述壳体顶面和底面内分别设置有加热层，两个加热层中间设置有保温层；所述菌剂管道布置于所述保温层内。
加热层挨着壳体顶面和底面或者整个壳体内侧面，在控制模块的控制下进行加热；保温层覆盖住加热层，起到保温的作用，使得菌剂管道处于设定的温度环境内。
优选地，所述保温层的材料为聚苯乙烯泡沫板(EPS泡沫塑料板)。
优选地，所述菌剂管道呈S形水平分布于所述保温层。本领域技术人员容易理解的，S型水平分布是常规的增大管道分布面积的排布方式，除此之外还可以为水平盘旋状等。
优选地，所述加热层由电热丝构成。加热丝与控制模块连接，受到其控制调节功率进行加热。
优选地，所述壳体由低压聚乙烯板构成。
优选地，所述壳体为长方体形状，其中与顶面和底面垂直的两端侧面上分别设置有供所述菌剂管道通过的菌剂入口或菌剂出口。
优选地，所述控制模块包括温度控制模块、加液模块和湿度控制模块；
所述温度控制模块根据所述温度传感器所监测的温度控制加热装置；所述湿度控制模块根据所述湿度传感器所监测到的湿度控制所述加液模块，进而所述加液模块控制所述自动加液器。
优选地，所述排液分布管露出所述壳体的一段上分布有排液微孔。
优选地，所述壳体内还设置有pH值传感器；可以收集修复过程中的pH值。
优选地，该系统包括两个以上所述单元时，每个单元中的菌剂管道串联。当需要修复大面积土壤时，需要将多个单元串联，以扩大其处理面积，提高效率。
本领域技术人员容易理解的，多个单元之间可以通过串联或并联的方式按需自由组合，也可以先串联，后并联，以使其修复面积满足需求。
本发明另一方面提供一种微生物土壤修复方法，包括以下步骤：
将以上所述微生物土壤修复系统布置于需要修复的土壤中；
设定温度和湿度；
控制模块控制加热装置工作以使温度保持在设定值，控制自动加液器滴加微生物营养液并使湿度保持在设定值，对土壤进行修复。
优选地，所述温度设定为(22～35)±2℃，湿度设定为(33～37)±2％。
优选地，整个系统内的排液分布管的出水量为0.25L/h～0.5L/h。
本发明的微生物土壤修复系统结合了滴灌技术和微生物的活动特性，该系统具有可将微生物按需，例如不同的污染土壤需要的不同微生物种类，以及需要的微生物的种类的数量，播种微生物的时间等需求“种植”微生物。此外，本发明的系统还具有温度可控的性质。微生物在现场原位修复时的效果很差，最重要的一个原因就是温度不可控，外界的温度通常不是微生物的最适生长温度，微生物无法获得“爆炸式”的生长，在数量上无法与其它微生物竞争，因此受到其它微生物的抑制，导致其修复效果很差。此外，本发明系统还可以“按需”添加营养物。该系统结合了滴灌技术和微生物的生长的特性，能将实验室的条件最大程度地移植到现场的原位修复中，使微生物的生长处于最佳的生长条件中，使微生物修复效果达到最大化。
本发明的优点及积极效果：
1)本发明系统利用滴灌技术将微生物数量按时定量投放到污染土壤中。
2)本发明可进行智能化控温作用，按需控制温度，将微生物温度控制在其最可适的生长温度，克服之前的利用微生物修复时温度无法控制的问题。
3)本发明可进行智能化控制湿度在线监测作用，按需控制湿度，将微生物湿度控制在其最可适的生长温度，克服之前的利用微生物修复时湿度无法预知的问题。
4)本发明可实现按时按量将微生物需要的营养物添加到污染土壤中，克服之前的微生物原位修复营养物得不到补充的问题。
5)本发明可用于不同类型的污染土壤的异位和原位修复，包括重金属污染，有机污染物的污染。
6)本发明预期可用于低温环境下的土壤修复，尤其适用于冬季气温较低时，或者高原地区，克服因微生物无法获得生长导致修复效果很差的问题。
7)本发明可大大缩短现有的利用微生物原位修复的时间。由于微生物生长在营养、温度、湿度等方面得到有效的控制，因此可大大缩短其修复的时间。
8)本发明可自由组装，可根据需要，自由组装该装置，可将其串联，并联。
9)本发明对需要修复的土壤面积没有限制，由于该装置可以自由组装，因为也可以根据需要修复的土壤面积按需组装。
10)本发明可预期地适应不同的土壤类型，比如旱地、农田、高原、草地等土壤类型。
附图说明
图1为本发明优选实施例中的微生物土壤修复系统的示意图。
图2为本发明优选实施例中的微生物土壤修复系统的侧面图。
图3为本发明优选实施例中的微生物土壤修复系统的俯视图。
图4为将多个单元串联起来用于大面积污染土壤的修复平面图。
图5为菌剂管道的单管俯视图。
图6为菌剂管道的单管侧视图。
图7为实施例1中石油污泥有机污染物的异位修复小规模试验效果图。
图8为实施例2中重金属Cr6+污染的异位修复小规模试验效果图。
图9为实施例3中对石油污染的土壤进行原位小规模的修复试验效果图。
附图标记说明：
1-壳体，2-加热层、3-保温层、4-菌剂管道、5-排液分布管、6-排液微孔、7-温度探测器、8-湿度探测器、9-菌剂入口、10-菌剂出口。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明对于微生物土壤修复系统提供一个优选实施例，该微生物土壤修复系统包括至少一个单元、自动加液器和控制模块；所述单元如图1所示，包括壳体1，由低压聚乙烯板(HDPE板)制作成长方体，并在壳体的两端有两个孔与菌剂管道4相连通，即菌剂入口9与菌剂出口10。壳体内设有加热层2、保温层3、菌剂管道4、排液分布管5、温度探测器7、湿度探测器8。加热层2可将低温发热丝固定于壳体顶面和底面上构成，中间为保温层3，覆盖住加热层2；本领域技术人员容易理解的，整个壳体的内侧面均可设置加热层，其内部设置保温层覆盖加热层，如此可提高加热效率和整个保温效果。
如图1和图3所示，菌剂管道4呈S形水平分布于整个保温层3，与所述自动加液器连接。
如图2、图5和图6所示，所述排液分布管5上端与菌剂管道4底部连通，排液分布管5穿过壳体底面，在壳体外的下端有排液微孔6，整个排液分布管5的出水量是0.25L/h到0.5L/h左右。
如图2和图3所示，温度探测器7、湿度探测器8安装在壳体内，并与控制模块连接。其中湿度探测器8探头穿过壳体底面，以监测壳体下方土壤的湿度。
所述控制模块分别与温度传感器7、湿度传感器8、加热装置和自动加液器连接；所述控制模块根据所述温度传感器7和湿度传感器8所监测的温度与湿度控制加热装置和自动加液器，以使壳体内温度和湿度保持在预设值。所述控制模块包括温度控制模块、加液模块和湿度控制模块；所述温度控制模块根据所述温度传感器所监测的温度控制加热装置；所述湿度控制模块根据所述湿度传感器所监测到的湿度控制所述加液模块，进而所述加液模块控制所述自动加液器。
可将温度传感器7、湿度传感8连接到THM多路无纸记录仪。该THM多路无纸记录仪能够实现当环境温度达到设置的温度时自动控制，可以升温也可以降温，当温度超过设置温度时实现自动断电。同时该记录仪拥有ALM辅助模块，能够实现接报警功能。实现高低一组输出触点，功能类似于继电器接点，低是常闭点，总和高是常开点。湿度传感8连接到该记录仪后，实现如果湿度超过设定值时，自动加液器自动停止向滴带传送营养液，当湿度小于设定值时自动加液器可自动向滴带中输送液体。
本发明实施例中所添加的营养液为40g葡萄糖、0.2mg VH和0.3mg VB1，将其溶解于含有以下微量元素的1L的无菌水中(0.222g/L ZnSO4·7H2O,0.39g/L Na2MoO4·2H2O,0.079g/L CuSO4·5H2O,0.0494g/L Co(NO3)2·6H2O,5g/L NaCl,20g/L(NH4)2SO4,1.5g/LKH2PO4,0.3g/L MgSO4·7H2O,0.05g/L FeSO4·7H2O,0.01g/L MnSO4·H2O,和1.0g/LCH3COONH)。
实施例1
进行在自然条件下(最低温度15℃，最高温度25℃)的石油污泥有机污染物(采自于江汉油田储藏罐罐底)的异位修复小规模试验。
根据以上优选系统介绍完成实验的修复装备，根据重庆市涪陵区页岩气采气过程中有机钻削污染物污染的土壤为修复对象，利用该单件的装备(即只包括一个单元，30cm x30cm)，调查该产品在常温的环境下，面对有机污染物污染土壤的修复效果。
通过该系统设定恒定温度梯度为22±2℃，28±2℃，35±2℃，设定湿度为35±2％下，添加外源营养液下进行为期15天的修复，获得在不同温度下，利用该系统对有机污染物污染的土壤类型的修复参数和效果。同时与在自然条件下的修复结果进行对比。
结果如图7所示，结果表明利用该系统在三个梯度温度下对有机钻削的降解率均比在自然条件下的降解率高，尤其是在温度28±2℃下的修复结果达到最高，比基于自然条件的修复高65％，说明当利用微生物法修复降解有机钻削，石油等有机污染物时，通过该系统控制温度、湿度等因素，比在自然条件下降解率更高。进一步的，还可以在壳体内设置pH探测器，以监测pH值。
实施例2
进行在自然条件下(最低温度14℃，最高温度23℃)的重金属Cr6+污染的异位修复小规模试验。
重金属Cr6+污染土壤采用实验室模拟法，在实验室中配置重金属Cr6+污染土壤的浓度为5mg/L。
根据以上优选系统介绍完成实验的修复装备，以配置的六价铬污染土壤为修复对象，利用该单件的装备(30cm x 30cm)，调查该产品在常温的环境下，面对重金属Cr6+污染土壤的修复效果。
通过该装置设定恒定温度梯度为22±2℃，28±2℃，35±2℃，设定湿度为35±2％下，添加外源营养液下进行为期15天的修复，获得在不同温度下，利用该系统对重金属Cr6+污染土壤的修复参数和效果。同时与在自然条件下的修复结果进行对比。
结果如图8所示，结果表明利用该装置在三个梯度温度下对重金属Cr6+的降解率均比在自然条件下的降解率高，尤其是在温度35±2℃下的修复结果达到最高，比基于自然条件的修复高47％，说明当利用微生物法修复降解重金属Cr6+污染物时，通过该装置控制温度、湿度等因素，比在自然条件下降解率更高。
实施例3
经异位修复验证后，为了达到原位大面积修复的最终目标，需要预先进行原位修复的小规模试验。即便异位修复成功也不能证明原位修复时获得同样的修复效果，因为在原位修复中常遇到的不可控的复杂因素所影响。因此，对石油污染的土壤进行原位小规模的修复试验。
此实施方案也是为调查该系统是否适合应用于原位修复，调查确认该系统在原位修复中可能遇到的问题，包括温度控制模块的调试，向菌剂通道中定时添加微生物营养液的加液模块的调试，湿度控制模块的调试。此阶段进行原位修复的小规模面积(1.44m2)试验。为了进行原位修复实验，从江汉油田中采购受油泥污染的土壤，在1.44m2容器中装上油泥污染的土壤。将单个单元(30cm x 30cm)进行联用组成小面积的组合系统，如图4所示，对不同土壤污染类型进行原位小规模的修复试验，调查该产品在常温的环境下，面对石油污染土壤的修复效果。
通过该系统设定恒定温度梯度为22±2℃，28±2℃，35±2℃，设定湿度为35±2％下，添加外源营养液下进行为期15天的修复，获得在不同温度下，利用该系统对石油污染土壤的原位修复效果。同时与在自然条件下的修复结果进行对比。
结果如图9所示，结果表明利用该系统在三个梯度温度下对石油污染的降解率均比在自然条件下的降解率高，尤其是在温度28±2℃下的修复结果达到最高，比基于自然条件的修复高57.45％，说明当利用微生物法修复降解石油污染物时，通过该系统控制温度、湿度等因素，比在自然条件下降解率更高。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (14)

1.一种微生物土壤修复系统，其特征在于，该系统包括至少一个单元、自动加液器和控制模块；所述单元包括：壳体、菌剂管道、排液分布管、温度传感器和湿度传感器；
所述壳体包括顶面和底面，其内部设置有加热装置；
所述菌剂管道布置于所述壳体内，并与所述自动加液器连接；
所述排液分布管由所述菌剂管道靠近壳体底面的侧壁上延伸而出，并穿过所述壳体底面以向壳体外排液；
所述温度传感器和湿度传感器设置于所述壳体内，且所述湿度传感器穿过壳体底面；
所述控制模块分别与温度传感器、湿度传感器、加热装置和自动加液器连接；所述控制模块根据所述温度传感器和湿度传感器所监测的温度与湿度控制加热装置和自动加液器，以使壳体内温度和土壤湿度保持在预设值。
2.根据权利要求1所述的微生物土壤修复系统，其特征在于，所述壳体的内侧面均设置有加热层，所述加热层内设置有保温层覆盖所述加热层；
或者，所述壳体顶面和底面内分别设置有加热层，两个加热层中间设置有保温层；所述菌剂管道布置于所述保温层内。
3.根据权利要求2所述的微生物土壤修复系统，其特征在于，所述保温层的材料为聚苯乙烯泡沫板。
4.根据权利要求2所述的微生物土壤修复系统，其特征在于，所述菌剂管道呈S形水平分布于所述保温层。
5.根据权利要求2所述的微生物土壤修复系统，其特征在于，所述加热层由电热丝构成。
6.根据权利要求1所述的微生物土壤修复系统，其特征在于，所述壳体由低压聚乙烯板构成。
7.根据权利要求1所述的微生物土壤修复系统，其特征在于，所述壳体为长方体形状，其中与顶面和底面垂直的两端侧面上分别设置有供所述菌剂管道通过的菌剂入口或菌剂出口。
8.根据权利要求1所述的微生物土壤修复系统，其特征在于，所述控制模块包括温度控制模块、加液模块和湿度控制模块；
所述温度控制模块根据所述温度传感器所监测的温度控制加热装置；所述湿度控制模块根据所述湿度传感器所监测到的湿度控制所述加液模块，进而所述加液模块控制所述自动加液器。
9.根据权利要求1-8任一项所述的微生物土壤修复系统，其特征在于，所述排液分布管露出所述壳体的一段上分布有排液微孔。
10.根据权利要求1-9任一项所述的微生物土壤修复系统，其特征在于，所述壳体内还设置有pH值传感器。
11.根据权利要求1-10任一项所述的微生物土壤修复系统，其特征在于，该系统包括两个以上所述单元时，每个单元中的菌剂管道串联。
12.一种微生物土壤修复方法，其特征在于，包括以下步骤：
将权利要求1-11任一项所述微生物土壤修复系统布置于需要修复的土壤中；
设定温度和湿度；
控制模块控制加热装置工作以使温度保持在设定值，控制自动加液器滴加微生物营养液并使湿度保持在设定值，对土壤进行原位修复。
13.根据权利要求12所述的微生物土壤修复方法，其特征在于，所述温度设定为(22～35)±2℃，湿度设定为(33～37)±2％。
14.根据权利要求12所述的微生物土壤修复方法，其特征在于，整个系统内的排液分布管的出水量为0.25L/h～0.5L/h。
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