CN115069756A - 一种石油烃污染土壤降解方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种石油烃污染土壤降解方法及装置，石油烃污染土壤降解方法是将将石油烃降解菌、石油烃污染土壤和菌株载体搅拌均匀，然后用直流电源通过电极给所述污染土壤间歇供电；其中，所述石油烃降解菌为芽孢杆菌（Bacillus.p），保藏编号为CGMCC No.17504，保藏机构为中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心。该降解方法具有处理流程简单和降解更加彻底的优点。
Description
技术领域
本发明涉及土壤污染治理领域，具体涉及一种石油烃污染土壤深度降解方法及装置。
背景技术
石油开采、生产、集输和加工过程中“跑冒滴漏”现象严重，大量原油进入生态环境中，污染水体和土壤环境，产生难以处置的石油烃污染土壤，形成油/水/泥非均质多相混合复杂体系，是石油及石油化工产业的主要污染物之一。其包含丰富的石油烃和有毒有害物质，如碳氢化合物、化学药剂、致病菌和重金属等，如果处置不当，不仅浪费资源，还会严重污染环境，危害人类健康。我国GB4284-84《农用污泥中污染物控制标准》对农用污泥中矿物油含量要求最高不得超过3000mg/kg，并将其列入《国家危险废物名录》（HW08）。
目前，国内外对石油烃污染土壤的资源化、无害化处理技术主要分为物理化学技术和生物处理技术，生物处理技术作为原位处理技术和无害化处理的研究重点，通过微生物深度降解油泥中石油烃类有机污染物，特别针对一些污染面积大、难迁移的石油烃污染土壤，经过降解后，使其达到建设用地相关标准。
当前本技术领域中的发展如下，在《油气田环境保护》2021年31卷第2期36-39页报道了姬伟的研究成果：从落地油泥中筛选出土著菌株邻单胞菌属和芽孢杆菌属，复合培养后，与电动力联合修复落地油泥，其修复效果明显优于单一技术修复效果。Esperanza等（Ramírez E M, Jiménez C S, Camacho J V, et al. Feasibility Of CouplingPermeable Bio-Barriers And Electrokinetics For The Treatment Of DieselHydrocarbons Polluted Soils[J]. Electrochimica Acta, 2015, 181: 192-199）使用电化学-生物组合技术对柴油烃污染粘土土壤的修复，在添加 10g·kg-1柴油和 1.0V·cm-1 恒定电压梯度的合成粘土中进行了336小时的试验，柴油降解率达39%，证明电化学-微生物组合技术对烷烃有较好的降解效果。中国专利公开号CN 112872014B的发明专利，公开了一种堆叠式可循环微生物电化学反应器、石油烃污染土壤的降解方法，利用水循环系统多角度提高微生物电化学降解土壤中石油烃的效率，富集电活性微生物和石油烃降解微生物，通过多层电极堆叠强化修复过程，实现石油烃场地污染的高效修复。
基于这些技术方法装置的处理设置一般为多级、流程较长且复杂，处理周期长，石油烃类污染物质降解不彻底。如中国专利公开号CN108817076A的发明专利，公开了微生物电化学呼吸器强化修复石油污染土壤的方法及系统，通过微生物电化学呼吸器耦合厌氧反应系统以及耦合好氧反应系统进行修复，反应系统包括石油污染土壤厌氧反应系统、石油污染土壤好氧反应系统以及微生物电化学呼吸器系统，需调节石油污染土壤pH值为中性，调节C、N、P、K比例为90～100:9～12:1:1，保证厌氧系统中降解石油烃降解菌在6.5×108cfu·kg-1～7.5×108cfu·kg-1，好氧系统中石油烃降解菌在8.5×108 cfu·kg-1～9.5×108cfu·kg-1， 同时要求土壤含氧量在25％～30％，才能实现对石油烃类物质的有效降解。
因此，迫切需要一种处理流程简单，降解更加彻底的新技术。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种石油烃污染土壤微生物-电化学协同降解方法及装置。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种石油烃污染土壤降解方法，将石油烃降解菌、石油烃污染土壤和载体搅拌均匀，然后用直流电源通过电极施加间歇供电。所述石油烃降解菌为芽孢杆菌（Bacillus.p），保藏编号为CGMCC No.17504，保藏机构为中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，以下简称为BBb菌。
作为技术方案的进一步改进，所述电源施加的电场强度为50～300 V·m-1。电压太低时，释放的电流无法有效刺激微生物，实现更高的降解能力；电压过高则微生物难以生存。本发明可采用清洁能源如太阳能供电，鉴于太阳能电池板在恶劣天气及晚上时，发电效率不高，也可使用民用电供电。
作为技术方案的进一步改进，保持石油烃污染土壤的水分含量为30～70%，水分过低时，影响土壤的导电性且无法给微生物提供充足的水分，同时，通电时水分聚集在阴极，阳极及其他区域均无水分，影响微生物生存；水分过高，影响空气交换，阻碍微生物获取氧气。
作为技术方案的进一步改进，所述载体是供菌株生长附着，优选不用回收的可在土壤中降解的生物材料，无毒无害。常见的如农业废弃物中麦秸秆、稻秸秆、玉米芯、花生壳、甘蔗渣等，易获得，成本低。其中优选玉米芯，其质量轻、表面孔隙度大，比表面积大，菌株易附着。
作为技术方案的进一步改进，所述载体的投加量为石油烃污染土壤质量的3～9%。投放量低于该范围，菌株不能良好的生长、影响处理的时长。投放量高于该范围，在降解过程中，载体间摩擦碰撞，菌株易脱落。
作为技术方案的进一步改进，所述电极的材料为石墨板、石墨棒、金属棒、金属网中的一种。优选石墨板，导电性强且与石油烃污染土壤有着更大的接触面积。
作为技术方案的进一步改进，所述电极的作用方式包括单阳极单阴极、单阳极多阴极、多阳极单阴极中的一种。优选单阳极单阴极，如采用单阳极多阴极、多阳极单阴极时，污染土壤中的石油烃物质和水，易发生聚集，土壤中石油烃和水分分布不均，微生物难生存，也难以降解。
作为技术方案的进一步改进，为了提高BBb菌的分解效率，所述间歇供电是每24h供电时间总时长为2～10 h，供电次数为两次。时间过短，菌株刺激程度不够；时间过长，菌株易死亡，因菌株白天比晚上生长的更迅速，所述供电时间发生在白天。
一种应用所述降解方法的石油烃污染土壤降解装置，它包括盛放石油烃污染土壤的容器、恒压直流电源和电极。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明的微生物-电化学协同降解方法提高了石油烃污染土壤中石油烃类物质的降解率，降解率最高可达到90.6%。进一步说，微生物电化学耦合降解后的产物均无毒无害无污染，实现了对石油烃污染土壤无害化的处理目标。本发明的方法采用间歇式通电可有效利用太阳能等清洁能源，降低了石油烃污染土壤深度降解的处理成本，缩减了降解流程。该方法具有降解率高、环保无污染和成本低的突出优点。
附图说明
图1为石油烃污染土壤的降解装置的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
各实施例中石油烃污染土壤处理前的含水率为46.5wt%，含油率为8.3wt%（脱水后的油泥含油量为155.1 g·kg-1），含固率为45.2wt%，外观为黑色，质地粗糙，无流动性，污染土壤中的各成分采用标准《HJ613-2011 土壤干物质和水分的测定 重量法》测定。各实施例中所用的菌液培养方法为：用挑菌棒从保存的划线平板上，挑取适量接入灭菌的液体培养基（牛肉膏1.25 g，氯化钠1.25 g，鱼粉蛋白胨2.5 g，无离子水250 ml，pH 7.2；灭菌温度120℃，时间20 min）中，振荡培养48h，用紫外分光光度计测得OD600值约为1。将培养好的BBb菌液与石油烃污染土壤按照质量比1:5（菌液投加量为200g，石油烃污染土壤1000 g）混合搅拌均匀加入电化学降解装置中。
电化学降解装置如图1所示，包括盛放土壤的容器、直流电源和与直流电源连接的电极，使用时将电极插入在土壤中即可，为了增大电极与土壤的接触面积，电极需尽可能全部插入在土壤中。
实施例1
一、按照石油烃污染土壤质量的6%，投加供菌株生长附着的玉米芯碎末载体，其规格为50-80目。
二、设置电场电极材料为石墨板，长宽高为12cm×10cm×1.5cm，电场作用方式为单阳极单阴极。
三、接入恒压直流电源，设置电场强度为150V·m-1，每隔1天补充水分，保持含水率约60wt%，并充分翻动装置中石油烃污染土壤。
四、采用间歇通电式运行，设置电场通电时间为上午3h，下午3h，即早上7:00-10:00，下午14:00-17:00。
五、经微生物电化学降解90d后，取样品检测其含油量，对比降解前后石油烃污染土壤中含油量，计算得出石油烃类物质降解率为90.6%。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处是采用麦秸秆碎末载体，其规格为50-80目。计算得出石油烃类物质降解率为78.9%。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处是按照石油烃污染土壤质量的3%投加供菌株生长附着的玉米芯碎末载体，计算得出石油烃类物质降解率为75.4%。
实施例4
本实施例与实施例1的不同之处是按照石油烃污染土壤质量的9%，投加供菌株生长附着的玉米芯碎末载体，计算得出石油烃类物质降解率为82.5%。
实施例5
本实施例与实施例1的不同之处是电极材料为石墨棒，规格为Φ1.5cm×10cm，计算得出石油烃类物质降解率为82.2%。
实施例6
本实施例与实施例1的不同之处是电极作用方式为1个阳极，5个阴极，计算得出石油烃类物质降解率为88.2%。
实施例7
本实施例与实施例1的不同之处是设置电场强度为100V·m-1，计算得出石油烃类物质降解率为84.4%。
实施例8
本实施例与实施例1的不同之处是设置电场强度为200V·m-1，计算得出石油烃类物质降解率为63.1%。
实施例9
本实施例与实施例1的不同之处是保持石油烃污染土壤含水率约40wt%，计算得出石油烃类物质降解率为68.9%。
实施例10
本实施例与实施例1的不同之处是保持石油烃污染土壤约70%左右，计算得出石油烃类物质降解率为85.0%。
实施例11
本实施例与实施例1的不同之处是设置电场通电时间为上午1h，下午1h，即早上7:00-8:00，下午14:00-15:00，计算得出石油烃类物质降解率为81.1%。
实施例12
本实施例与实施例1的不同之处是设置电场通电时间为上午5h，下午5h，即早上7:00-12:00，下午14:00-19:00，计算得出石油烃类物质降解率为63.8%。
从实施例1-12可知本发明方法中，投加供菌株生长附着的载体优选玉米芯粉末，玉米芯粉末载体投加量优选为6%；电场电极材料优选石墨板，电场作用方式优选单阳极单阴极，电场强度优选为150V·m-1；降解过程中含水率优选60%；间歇通电式时间优选为上午3h、下午3h。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (8)
1.一种石油烃污染土壤降解方法，其特征在于，将石油烃降解菌、石油烃污染土壤和菌株载体搅拌均匀，然后用直流电源通过电极给石油烃污染土壤间歇供电；其中，所述石油烃降解菌为芽孢杆菌（Bacillus.p），保藏编号为CGMCC No.17504，保藏机构为中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心。
2.根据权利要求1所述的降解方法，其特征在于，石油烃污染土壤的水分含量为30～70wt%。
3.根据权利要求1或2所述的降解方法，其特征在于，所述载体为麦秸秆、稻秸秆、玉米芯、花生壳和甘蔗渣中的一种或者混合物，所述载体的投加量为石油烃污染土壤质量的3～9%。
4.根据权利要求1或2所述的降解方法，其特征在于，所述电极的材料为石墨板、石墨棒、金属棒、金属网中的一种。
5.根据权利要求4所述的降解方法，其特征在于，所述电极的作用方式包括单阳极单阴极、单阳极多阴极、多阳极单阴极中的一种。
6.根据权利要求5所述的降解方法，其特征在于，所述电源施加的电场强度为50～300V·m-1。
7.根据权利要求6所述的降解方法，其特征在于，所述间歇供电是每24h供电时间总时长为2～10 h，供电次数为两次，所述供电时间发生在白天。
8.一种实施根据权利要求1-7任一项所述降解方法的降解装置，其特征在于，它包括盛放石油烃污染土壤的容器、直流电源和与所述电源连接的电极。
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