CN113787093B - 一种利用负载芽孢杆菌的电石渣活化过硫酸钠修复有机污染土的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用负载芽孢杆菌的电石渣活化过硫酸钠修复有机污染土的方法，首先对有机污染土壤进行预处理，测试有机污染土壤的含水率，计算干土质量，测试有机污染物的浓度；接着采用芽孢杆菌发酵菌液制备负载芽孢杆菌的电石渣；往有机污染土壤中加入过硫酸钠和负载芽孢杆菌的电石渣，过硫酸钠与有机污染土壤中有机污染物的摩尔比为10～50：1，加水控制有机污染土壤中的含水率，然后拌合反应，得到修复后的土壤。本发明采用负载芽孢杆菌的电石渣来活化过硫酸钠，以废治废，绿色环保，能实现对老化高浓度有机污染土，特别是苯系物、多环芳烃有机污染土的快速修复，同时芽孢杆菌不仅可以增强修复过程还可以降低土壤的盐碱性，减少二次污染。

Description

一种利用负载芽孢杆菌的电石渣活化过硫酸钠修复有机污染 土的方法

技术领域

本发明属于环境岩土技术领域，具体涉及一种利用负载芽孢杆菌的电石渣活化过硫酸钠 修复有机污染土的方法。

背景技术

有机污染物的种类存在复杂的空间分布，我国东北地区主要污染物为多环芳烃，华北和 中部地区主要污染物为苯系物、有机氯农药，华东和华南地区主要污染物是多氯联苯，且在 人口密集、工业化程度高的地区，还存在更为复杂的复合有机污染。因此，必须开发出一种 绿色、高效的修复技术。

目前应用较为广泛的为化学氧化修复技术，化学氧化修复技术中，较为常见的有：过氧 化氢氧化法、高锰酸钾氧化法及过硫酸盐氧化法。过氧化氢氧化法，可以产生较多的自由基 进行氧化有机物，但其在地下土体环境中，自由基产生后又很快被反应，持久性较差，不利 于土体有机污染物的处理；而采用高锰酸钾氧化有机物，可有效处理的有机物种类不够广泛， 适用性较差；使用过硫酸盐(常用的为过硫酸钠)可以避免上述两种主要问题，比较适宜处 理高浓度有机污染土，但单独添加过硫酸钠修复有机污染土，效果较差，修复周期长，需要 采用一些活化技术来大幅提高氧化效率。

现有技术中，有采用氢氧化钠等强碱来进行活化的，例如，(Zhao,Liao etal.2013)将7.5ml 的0.5mol/l过硫酸钠溶液添加至5g多环芳烃污染土中，添加氢氧化钠调节pH＝12时，可在 72h，氧化掉70％左右的污染物。使用氢氧化钠活化过硫酸钠的修复效率依然比较低，并且主 要存在以下缺点：1、大量使用氢氧化钠等强碱，会造成成本增加；2、使用氢氧化钠等强碱， 不符合低碳绿色的土壤修复原则，增加了修复过程中的碳足迹；3、使用氢氧化钠等强碱会造 成土壤的盐碱化，不利于土壤的二次利用。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种利用负载芽孢杆菌的电石渣活化过硫酸 钠修复有机污染土的方法。与采用氢氧化钠进行活化相比，本发明方法修复效率高、成本低、 以废制废、施工简便安全，并且采用电石渣的碱性持久性较强，同时可以生成硫酸钙，便于 修复后的污染土资源化利用。

本发明采用负载芽孢杆菌的电石渣活化过硫酸钠，作为有机污染土的修复剂，电石渣可 以提供足够的碱性，以活化过硫酸钠，其原理是：

SO₄ ^·-+OH^-→SO₄ ^2-+OH^· (2)

在碱性环境下，促进过硫酸钠分解产生硫酸根自由基及超氧自由基，进而硫酸根自由基和氢 氧根离子反应可生成羟基自由基。碱活化后，可大量产生稳定的超氧自由基、羟基自由基及 硫酸根自由基，快速氧化有机物，且对大多数有机物均有良好的效果。芽孢杆菌也具有一定 的氧化性，也氧化有机污染物，同时其可以缓解土壤的盐碱性。

技术方案

一种利用负载芽孢杆菌的电石渣活化过硫酸钠修复有机污染土的方法，包括如下步骤：

(1)将有机污染土壤进行预处理，然后测试有机污染土壤的含水率，计算干土质量，测 试有机污染土壤中的有机污染物的浓度；

(2)制备芽孢杆菌发酵菌液，然后利用热溶液化学沉积法制备负载芽孢杆菌的电石渣；

(3)往有机污染土壤中加入过硫酸钠和负载芽孢杆菌的电石渣，过硫酸钠的添加量与有 机污染土壤中有机污染物的摩尔比为10～50：1，然后进行拌合反应，得到修复后的土壤。

进一步，步骤(1)中，所述预处理是指：将有机污染土壤中的大块碎石去掉，然后将有 机污染土壤破碎混匀。

进一步，步骤(2)中，制备芽孢杆菌发酵菌液的方法是：

1)将在-90℃下冷冻保存的芽孢杆菌菌种接种于平板培养基内活化培养，活化条件为： 温度38±2℃，避光，活化12h；

2)使用接种环选取平板培养基内生长的单克隆菌落，并接种于装有500mL灭菌种子液 培养基内，该培养基的配方为：蛋白胨10g，酵母提取物5g，氯化钠10g，pH值为7.2，并放置于38±2℃温度下的200rpm水平摇床内振荡培养10h，得到芽孢杆菌发酵菌液。

进一步，步骤(2)中，制备负载芽孢杆菌的电石渣混合物的方法为：

1)将电石渣完全干燥后，磨碎，过75μm筛网，取筛下的电石渣备用；

2)将芽孢杆菌发酵菌液在室温下，以5000r/min的速度离心20min，以1:1的质量比将 菌体离心沉淀物加入到半乳糖保护剂中，在无菌条件下真空冷冻干燥，得到固态发酵芽孢杆 菌，粉碎后过75μm筛；

3)将固态发酵芽孢杆菌和电石渣以(5-10):(90-95)的质量比混合后加入到无菌超纯 去离子水中，固液比为1：20g/mL，室温下以200rpm的转速在水平摇床内振荡12h，然后烘干至恒重，得到负载芽孢杆菌的电石渣。

制得的负载芽孢杆菌的电石渣中，每克负载芽孢杆菌的电石渣中含芽孢杆菌活芽孢数为 1×10¹⁰–2×10¹⁰个，最优负载活菌数为1.5×10¹⁰。

进一步，步骤(3)中，所述负载芽孢杆菌的电石渣与过硫酸钠的质量比为1:3。

进一步，步骤(3)中，拌合反应的温度为23±1℃。

进一步，步骤(3)中，拌合反应前，加水使有机污染土壤中的含水率为30-35％。

本发明的有益效果：本发明提供了一种利用负载芽孢杆菌的电石渣活化的过硫酸钠修复 有机污染土的方法，本发明采用负载芽孢杆菌的电石渣来活化过硫酸钠，以废治废，绿色环 保，能实现对老化高浓度的有机污染土，特别是苯系物、多环芳烃、石油烃等的高效、低碳 足迹的修复，为难处理的老化高浓度有机污染土修复提供了较好的解决办法。

附图说明

图1为实施例1利用电石渣活化的过硫酸钠修复有机污染土的方法的流程图；

图2为采用实施例1、对比例1和对比例2方法修复甲苯污染土壤的修复效率曲线；

图3为采用实施例1、对比例1和对比例2方法修复甲苯污染土壤后土壤的pH值；

图4为采用实施例2、对比例3和对比例4方法修复萘污染土壤的修复效率曲线；

图5为采用实施例2、对比例3和对比例4方法修复萘污染土壤后土壤的pH值。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所 描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

实施例1：修复以甲苯为代表的老化高浓度挥发性有机污染物

一种利用负载芽孢杆菌的电石渣活化过硫酸钠修复有机污染土的方法，流程图如图1所 示：

制备有机物污染土壤：将待污染的土壤分选，筛去大块砂石，破碎，待污染的土壤的相 关物理化学指标详见表1；往待污染的土壤中添加污染物甲苯，使其浓度为2400mg/kg，得到 甲苯污染的土壤。采用本发明的方法对其进行修复。

表1试验用未污染土的主要物理化学指标

修复方法包括如下步骤：

(1)将甲苯污染的土壤破碎混匀后，测试污染土壤的含水率，计算干土质量，甲苯污染 浓度为2400mg/kg；

(2)制备芽孢杆菌发酵菌液，然后利用热溶液化学沉积法制备负载芽孢杆菌的电石渣；

芽孢杆菌发酵菌液的制备方法是：

1)将在-90℃下冷冻保存的芽孢杆菌菌种接种于平板培养基内活化培养，活化条件为： 温度38±2℃，避光，活化12h；

2)使用接种环选取平板培养基内生长的单克隆菌落，并接种于装有500mL灭菌种子液 培养基内，该培养基的配方为：蛋白胨10g，酵母提取物5g，氯化钠10g，pH值为7.2，并放置于38±2℃温度下的200rpm水平摇床内振荡培养10h(使用16层灭菌纱布封口以保证溶氧量)。

制备负载芽孢杆菌的电石渣的方法：

1)将电石渣完全干燥后，磨碎，过75μm筛网，取筛下的电石渣备用；

2)将芽孢杆菌发酵菌液在室温下，以5000r/min的速度离心20min，以1:1的质量比将 菌体离心沉淀物加入到半乳糖保护剂中，在无菌条件下真空冷冻干燥(-80℃，12小时)，得 到固态发酵芽孢杆菌，粉碎后过75μm筛；

3)将固态发酵芽孢杆菌和电石渣以10:90的质量比混合后加入到无菌超纯去离子水中， 固液比为1：20g/mL，室温下以200rpm的转速在水平摇床内振荡12h，然后120℃烘干至 恒重，得到负载芽孢杆菌的电石渣。

(3)往甲苯污染的土壤中加入过硫酸钠和负载芽孢杆菌的电石渣，过硫酸钠的添加量与 甲苯污染土壤中甲苯的摩尔比为10：1(过硫酸钠添加量为62g/kg)，负载芽孢杆菌的电石 渣添加量为21g/kg，接着加水控制有机污染土壤中的含水率在液限左右(本实施例中含水率 为35％)，然后在23℃下进行拌合反应，监测0h、7h、14h、1d、3d、7d、14d、28d、56d、90d时的污染物浓度，观察修复效率，修复完成后得到修复后的土壤。

对比例1

污染土同实施例1。

不采用负载芽孢杆菌的电石渣，仅采用62g/kg的过硫酸钠进行污染土的修复，其余与实 施例1一致。

对比例2

污染土同实施例1。

不采用负载芽孢杆菌的电石渣，采用氢氧化钠和过硫酸钠进行污染土修复，其中过硫酸 钠添加量为62g/kg，氢氧化钠的添加量为21g/kg，其余与实施例1一致。

采用实施例1、对比例1和对比例2方法修复甲苯污染土壤的修复效率曲线见图2，可以 看出，实施例1和对比例2的修复效率曲线均展示了相同的规律，即前期快速氧化有机物(第 一段过程)，随后一段时间是稳定增加(第二段过程)，直至达到修复要求。同时，可以看 出，负载芽孢杆菌的电石渣活化过硫酸钠可以明显提高修复效率，修复第三天即达到98.97％ 的修复率，而对比例1中需要近56d才达到99.88％的修复率。

图2为采用实施例1、对比例1和对比例2方法修复甲苯污染土壤后土壤的pH值，可以 看出，对比例中pH值明显升高，超过10，特别是添加氢氧化钠的对比例2，pH达到了12 以上，盐碱性过高造成非常不利于土壤的二次资源化利用；而实施例1大幅度将pH降至9 左右，缓解了土壤的盐碱性。

实施例2：修复以多环芳烃中的代表性物质--萘为代表的难挥发性有机污染物

制备有机物污染土壤：将待污染的土壤(同实施例1)分选，筛去大块砂石，破碎，往待污染的土壤中添加污染物萘，使其浓度为1400mg/kg，得到萘污染的土壤。采用本发明的方法对其进行修复。

修复方法包括如下步骤：

(1)将萘污染的土壤破碎混匀后，测试污染土壤的含水率，计算干土质量，萘污染浓度 为1400mg/kg；

(2)制备芽孢杆菌发酵菌液，然后利用热溶液化学沉积法制备负载芽孢杆菌的电石渣；

芽孢杆菌发酵菌液的制备方法是：

1)将在-90℃下冷冻保存的芽孢杆菌菌种接种于平板培养基内活化培养，活化条件为： 温度38±2℃，避光，活化12h；

2)使用接种环选取平板培养基内生长的单克隆菌落，并接种于装有500mL灭菌种子液 培养基内，该培养基的配方为：蛋白胨10g，酵母提取物5g，氯化钠10g，pH值为7.2，并放置于38±2℃温度下的200rpm水平摇床内振荡培养10h(使用16层灭菌纱布封口以保证溶氧量)。

制备负载芽孢杆菌的电石渣的方法：

1)将电石渣完全干燥后，磨碎，过75μm筛网，取筛下的电石渣备用；

2)将芽孢杆菌发酵菌液在室温下，以5000r/min的速度离心20min，以1:1的质量比将 菌体离心沉淀物加入到半乳糖保护剂中，在无菌条件下真空冷冻干燥，得到固态发酵芽孢杆 菌，粉碎后过75μm筛；

3)将固态发酵芽孢杆菌和电石渣以5:95的质量比混合后加入到无菌超纯去离子水中， 固液比为1：20g/mL，室温下以200rpm的转速在水平摇床内振荡12h，然后烘干至恒重， 得到负载芽孢杆菌的电石渣。

(3)往萘污染的土壤中加入过硫酸钠和负载芽孢杆菌的电石渣，过硫酸钠的添加量与甲 苯污染土壤中甲苯的摩尔比为30：1(过硫酸钠添加量为78g/kg)，负载芽孢杆菌的电石渣 添加量为26g/kg，接着加水控制有机污染土壤中的含水率在液限左右(本实施例中含水率为 35％)，然后在23℃下进行拌合反应，监测0h、7h、14h、1d、3d、7d、14d、28d、56d、90d 时的污染物浓度，观察修复效率，修复完成后得到修复后的土壤。

对比例3

污染土同实施例2。

不采用负载芽孢杆菌的电石渣，仅采用78g/kg的过硫酸钠进行污染土的修复，其余与实 施例2一致。

对比例4

污染土同实施例2。

不采用负载芽孢杆菌的电石渣，采用氢氧化钠和过硫酸钠进行污染土修复，其中过硫酸 钠添加量为78g/kg，氢氧化钠的添加量为26g/kg，其余与实施例1一致。

采用实施例2、对比例3和对比例4方法修复萘污染土壤的修复效率曲线见图4，可以看 出，实施例2和对比例4的修复效率曲线均展示了相同的规律，即前期快速氧化有机物(第 一段过程)，随后一段时间是稳定增加(第二段过程)，直至达到修复要求，但萘污染土的 修复效率低于甲苯污染土。本发明负载芽孢杆菌的电石渣活化过硫酸钠可以明显提高修复效 率，在28d时，完成萘污染土的修复，修复率达到99.11％，而没有采用负载芽孢杆菌的电石 渣活化时(对比例4)，在反应90d后的修复效率仅为74.59％，而对比例3中的修复率则可 忽略不计(90d时仅为6.11％)。

图5为采用实施例2、对比例3和对比例4方法修复萘污染土壤后土壤的pH值，可以看 出，同样的，实施例2大幅度将pH降低，至9左右，这有效的缓解了土壤的盐碱性。

综上所述，使用负载芽孢杆菌的电石渣提供碱性环境可以有效的活化过硫酸钠，使其更 好的应用于修复老化高浓度有机污染土壤，并有效缓解土壤盐碱化，使土壤能够具有二次利 用潜力，达到以废制废，实现了高效率、低碳足迹的目的，在可以预见的未来，负载芽孢杆 菌的电石渣活化过硫酸钠高级氧化技术作为一种绿色修复手段，在有机污染土的修复领域有 广阔的应用价值。

以下所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任 何形式下的限制，任何所述技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的 范围内，利用本发明所揭示技术内容所做出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发 明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims (6)

1.一种利用负载芽孢杆菌的电石渣活化过硫酸钠修复有机污染土的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将有机污染土壤进行预处理，然后测试有机污染土壤的含水率，计算干土质量，测试有机污染土壤中的有机污染物的浓度；

（2）制备芽孢杆菌发酵菌液，然后利用热溶液化学沉积法制备负载芽孢杆菌的电石渣；

（3）往有机污染土壤中加入过硫酸钠和负载芽孢杆菌的电石渣，过硫酸钠的添加量与有机污染土壤中有机污染物的摩尔比为10~50：1，然后进行拌合反应，得到修复后的土壤；

步骤（2）中，制备负载芽孢杆菌的电石渣混合物的方法为：

1）将电石渣完全干燥后，磨碎，过75 μm筛网，取筛下的电石渣备用；

2）将芽孢杆菌发酵菌液在室温下，以5000 r/min的速度离心20 min，以1:1的质量比将菌体离心沉淀物加入到半乳糖保护剂中，在无菌条件下真空冷冻干燥，得到固态发酵芽孢杆菌，粉碎后过75 μm筛；

3）将固态发酵芽孢杆菌和电石渣以（5-10）:（90-95）的质量比混合后加入到无菌超纯去离子水中，固液比为1：20 g/mL，室温下以200 rpm的转速在水平摇床内振荡12 h，然后烘干至恒重，得到负载芽孢杆菌的电石渣。

2.如权利要求1所述利用负载芽孢杆菌的电石渣活化过硫酸钠修复有机污染土的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述预处理是指：将有机污染土壤中的大块碎石去掉，然后将有机污染土壤破碎混匀。

3.如权利要求1所述利用负载芽孢杆菌的电石渣活化过硫酸钠修复有机污染土的方法，其特征在于，步骤（2）中，制备芽孢杆菌发酵菌液的方法是：

1）将在−90℃下冷冻保存的芽孢杆菌菌种接种于平板培养基内活化培养，活化条件为：温度38±2℃，避光，活化12 h；

2）使用接种环选取平板培养基内生长的单克隆菌落，并接种于装有500 mL灭菌种子液培养基内，该培养基的配方为：蛋白胨10 g，酵母提取物5 g，氯化钠10g，pH 值为7.2，并放置于38±2℃温度下的200 rpm水平摇床内振荡培养10 h，得到芽孢杆菌发酵菌液。

4.如权利要求1所述利用负载芽孢杆菌的电石渣活化过硫酸钠修复有机污染土的方法，其特征在于，步骤（3）中，所述负载芽孢杆菌的电石渣与过硫酸钠的质量比为1:3。

5.如权利要求1所述利用负载芽孢杆菌的电石渣活化过硫酸钠修复有机污染土的方法，其特征在于，步骤（3）中，拌合反应的温度为23±1℃。

6.如权利要求1至5任一项所述利用负载芽孢杆菌的电石渣活化过硫酸钠修复有机污染土的方法，其特征在于，步骤（3）中，拌合反应前，加水使有机污染土壤中的含水率为30-35%。

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