CN115532791A - 一种重金属污染垃圾细粒料的生物修复方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于垃圾修复相关技术领域，并公开了一种重金属污染垃圾细粒料的生物修复方法和系统。该方法包括下列步骤：对待处理重金属污染土进行筛分获得垃圾细粒料，制备生物浆，将生物浆与所述垃圾细粒料混合搅拌，静置，以此实现所述细粒料的生物修复，其中，所述生物浆由尿素‑氯化钙胶结液和发酵的巴氏芽孢杆菌菌液混合制备而成。本发明还公开了上述修复方法的修复系统。通过本发明，解决修复效率低和运输成本高的问题。

Description

一种重金属污染垃圾细粒料的生物修复方法和系统

技术领域

本发明属于垃圾修复相关技术领域，更具体地，涉及一种重金属污染垃圾细粒料的生物修复方法和系统。

背景技术

在我国，卫生填埋是城市生活垃圾处理的主要方式，具有简便和可集中处理等优势，但随着垃圾产量的不断增加，填埋场数量逐年递增，占地面积增加，体量趋于饱和，管理费用也逐年增加，且部分填埋场因为管理不规范，存在垃圾渗滤液污染和恶臭气体污染两大主要污染问题，对周边居民的正常生活和健康造成危害。因此，实现垃圾填埋场可持续化治理和资源化利用迫在眉睫。

目前，开挖筛分/转运等是治理垃圾填埋场的主要技术之一，然而大量研究表明，开挖后的垃圾细粒料普遍存在部分重金属超标的问题。因此，在将开挖后的垃圾土资源化利用于绿化用土或景观填土等用土时，应当对其中的重金属予以修复，以防止重金属对园林和农田用地进行二次污染。

小型垃圾填埋场的重金属超标问题也愈发得到关注。其在之前长期处于空白管理时期，垃圾没有得到有效处理，对填埋场以及周边环境造成污染，影响周边居民的生活与健康。尤其是西北高原、山地和西南山丘地带的“镇级”简易垃圾填埋场，由于村镇地处偏僻，处理垃圾方量较小，大型运输困难，不易搭建较为大型修复设施，且地方财政中小型垃圾填埋场专项治理费用普遍较少，难以支撑物理、化学固化等成本较高的修复方法，因此需要一种方便高效、成本低廉的方法来解决此类填埋场重金属污染问题。

微生物修复技术作为一种新兴重金属污染土壤修复技术，具有修复成本较低和清洁低碳等优点，符合可持续性修复陈腐垃圾的要求，在重金属污染垃圾修复领域具有巨大的潜力。而目前的生物修复技术在修复时间和修复对象上存在较为明显不足。例如基于MICP的微生物技术在处理固化部分重金属Cu、Ni和Zn等效果不佳，探其原因，与微生物的生长环境相关，相关菌种对部分重金属的耐受性不足，导致在修复过程中细菌被杀死，其脲酶活性也早已被破坏。因此亟需设计一种修复高效、便于运输和成本较低的重金属污染垃圾土修复方法及装置。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种重金属污染垃圾细粒料的生物修复方法和系统，解决修复效率低和运输成本高的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种重金属污染垃圾细粒料的生物修复方法，该方法包括下列步骤：

对待处理重金属污染图进行筛分获得垃圾细粒料，制备生物浆，将生物浆与所述垃圾细粒料混合搅拌，静置，以此实现所述细粒料的生物修复，其中，所述生物浆由尿素-氯化钙胶结液和发酵的巴氏芽孢杆菌菌液混合制备而成。

进一步优选地，所述生物浆中尿素-氯化钙胶结液和发酵的巴氏芽孢杆菌的体积比为2:1至1:1。

进一步优选地，所述生物浆制备过程中，所述尿素-氯化钙胶结液和发酵的巴氏芽孢杆菌菌液混合，反应时间为30min～60min。

进一步优选地，所述发酵的巴氏芽孢杆菌菌液的OD600约为5～25。

进一步优选地，所述生物浆与所述垃圾细粒料混合搅拌，其中搅拌时间为0.5h～2h，温度为30℃左右，所述静置时间为8h～12h。

进一步优选地，所述生物修复后获得的上层作为污水排出，下层沉淀物回收用于绿化。

按照本发明的另一个方面，提供了一种上述所述的一种重金属污染垃圾细粒料的生物修复系统，其特征在于，该系统包括车载式一体化装置、待处理垃圾供给单元、菌液供给单元、筛分单元和回收单元，其中：

所述菌液供给单元用于提供发酵的巴氏芽孢杆菌菌液；所述筛分单元用于将重金属污染垃圾进行筛分，以此获得待处理细粒料；

所述待处理垃圾供给单元用于供给待处理细粒料；

所述车载式一体化装置用于制备所需的生物浆和待处理细粒料修复的反应场所；

所述回收单元用于将生物修复后获得产物进行回收。

进一步优选地，所述车载式一体化装置包括移动单元和反应单元，其中，所述移动单元用于运输和移动所述反应单元，所述反应单元包括箱体，箱体中设置有温控机构和搅拌器，所述温控机构用于控制所述反应单元中的温度，所述搅拌器用于搅拌所述箱体中的反应物。

进一步优选地，所述筛分单元中设置有多层筛板。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明引入了生物浆(Bioslurry)技术替换传统的微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)方法来进行重金属污染垃圾细粒料的修复，通过微生物分泌脲酶预先将尿素分解成为铵根离子和碳酸根离子，生成的大量碳酸根离子与重金属离子结合生成碳酸盐沉淀，本发明中采用的巴氏芽孢杆菌是用于产生脲酶诱导生成重金属碳酸盐沉淀，包括了生物沉淀和生物转化，与现有技术中的生物淋滤和生物吸附不同；

2.本发明中提供的修复方法可以提高生物修复效果，较大程度解决了细菌耐受性问题，克服了生物修复中修复对象单一的缺点，且在保持细菌脲酶活性一定的情况下，生物浆产生量随尿素-CaCl2胶结液的浓度提高线性增加，即生物浆产量可控；

3.本发明提出的一种车载式一体化装置，菌液的冻存、生物浆的制备以及重金属污染垃圾细粒料的混合修复处理，本装置均可提供较佳环境，可运用于实际工程中生物修复重金属污染土工艺中；

4.本发明提出的一种重金属污染垃圾细粒料的生物修复方法及车载式一体化装置，具有简单易操作、低碳环保、成本低廉和运输方便等优点，可在小型“镇级”垃圾填埋场的环境治理中推广。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的重金属污染垃圾细粒料的生物修复方法的流程图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的重金属污染垃圾细粒料的生物修复系统修改流程的示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的车载化一体装置的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-巴氏芽孢杆菌制备单元，2-待处理垃圾供给单元，3-回收单元，4-车载式一体化装置，5-车载反应器上接口，6-搅拌叶片，7-车载反应器下接口，8-搅拌电机，9-温控机构，10-发酵的巴氏芽孢杆菌，11-传送带，12-大型筛箱，13-筛板，14-筛箱下接口，15-垃圾填埋场，16-绿化或景观场地。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种重金属污染垃圾细粒料的生物修复方法，包括如下步骤：

S1对小型填埋场开挖筛分，并检测筛分得到的细粒料，根据污染重金属种类及含量确定来确定菌液和反应液(尿素-氯化钙胶结液)浓度、水土比和处理次数等；

S2发酵得到巴氏芽孢杆菌菌液，利用车载式一体化装置将其运输至垃圾填埋场附近细粒料修复区域。制备反应液，混合菌液和反应液，静置待大量絮状沉淀生成后排出上清液；

S3依据S1所确定的修复方案，在车载式一体化装置的反应器中将细粒料及生物浆搅拌混合，静置一定时间完成修复处理，并将上层滤液排至污水收集系统中进行收集处理；

S4将修复完成的垃圾细粒料用于绿化用土或景观填土等。

作为进一步优选的，所述S1中，选取部分细粒料进行Tessier五步提取法，检测垃圾细粒料中游离态重金属含量，与国家重金属土壤相关标准进行对比，若超标，进行修复处理；若不修复，直接运输用于绿化用土或景观用土等。

作为进一步优选的，所述S1中，检测的重金属含量超标时，依据经验对菌液浓度、水土比和修复处理次数等参数进行确定，制定完成修复方案。

作为进一步优选的，所述S2中，发酵的巴氏芽孢杆菌菌液的OD600为5～25，运输过程中车载式一体化装置保持0℃环境对菌液进行冻存。

作为进一步优选的，所述S2中，一定浓度的尿素-CaCl₂胶结液与巴氏芽孢杆菌以体积比1：1在车载式反应器中混合反应30～60分钟，生成生物浆沉淀，上清液从上接口排出。

作为进一步优选的，所述S3中，垃圾细粒料和生物浆的混合体积比，即水土比依据修复方案确定，混合搅拌形1～2小时后，静置12小时完成修复。

作为进一步优选的，所述S1和S3中，开挖碾碎后的陈腐垃圾土通过传送带传送至大型筛箱中，筛分箱通过振动垃圾土通过两层的筛板将细粒料从中筛出，通过下接口装填至车载式一体化装置的反应器中，其中筛板的最小孔径为1mm。

作为进一步优选的，所述S2和S3中，为保证细菌及脲酶活性最佳，在制备生物浆和重金属污染垃圾细粒料修复过程中，车载式一体化装置的温控机构设置30℃环境。

作为进一步优选的，所述S4中，将修复完成的细粒料通过车载式一体化装置，运输到绿化或景观场地后通过下接口排出，用于填土等。

一种重金属污染垃圾细粒料生物修复系统，包括车载式一体化装置、菌液供给单元、待处理垃圾供给单元、筛分单元和回收单元，车载式一体化装置用于制备运输如前任一项所述的生物浆和修复处理的重金属污染垃圾细粒料，同时通过温控机构来发挥冻存菌液、提供较佳反应温度等作用。

作为进一步优选的，车载式一体化装置中，搅拌器电机接通车载电源，带动搅拌机叶片以60rpm的速度转动搅拌生物浆和垃圾细粒料。

作为进一步优选的，车载式一体化装置中，搅拌机叶片分三级焊接在搅拌轴上。

作为进一步优选的，车载式一体化装置中，其下接口为直径30cm的半弧状接口，位于反应器的底部；上接口为直径为10cm圆形出口，位于下接口正上方50cm处。

作为进一步优选的，车载式一体化装置中，温控机构连接车载电源，温度控制范围0～40℃，由反应器底部传导制冷、制热。

本实施例中，菌液供给单元采用巴氏芽孢杆菌制备单元1、筛分单元采用大型筛箱12，回收单元3采用绿化或景观场地，待处理垃圾供给单元2包括垃圾填埋场15和传送带11，其中：

巴氏芽孢杆菌制备单元1用于制备和运输活性良好的菌液到垃圾填埋场，其中包括发酵厂发酵的巴氏芽孢杆菌10。

如图1所示，所述垃圾填埋场15用于原有陈腐垃圾的填埋与封存；所述传送带11连接垃圾填埋场15和大型筛箱12，用于将开挖碾碎后的重金属污染垃圾土传送到大型筛箱12进行筛分；所述大型筛箱12包括筛板13和下接口14，其中筛板13筛分粒径小于1mm的重金属污染垃圾细粒料，下接口14连接筛板13下部，且位于车载式一体化装置4的正上方，用于将筛分完的粒径小于1mm的垃圾细粒料装填至车载式一体化装置的反应器中进行修复处理；所述车载式一体化装置4用于生物浆制备运输和重金属污染垃圾细粒料生物修复处理。

如图2所示，所述车载式一体化装置4包括搅拌电机8和搅拌叶片6，用于生物浆的制备和污染垃圾细粒料修复过程中的混合搅拌，车载式反应器上接口5和下接口7，分别用于排出生物浆制备及重金属污染垃圾细粒料修复处理完成后的上层滤液和沉淀，温控机构9用于提供菌液的冻存、生物浆的制备以及重金属污染垃圾细粒料修复处理的最佳温度环境。

如图3所示，本发明提出一种重金属污染垃圾细粒料的生物修复方法及车载式一体化装置，包括如下步骤：

S1对小型填埋场开挖筛分，将筛分后得到的部分陈腐垃圾土细粒料通过车载式反应器运输到特定的检测机构进行重金属检测，根据污染重金属种类及含量确定是否超标，若超标，依据已有经验，确定修复方案中的具体的菌液及反应液(尿素-氯化钙胶结液)浓度、水土比和修复处理次数等；若不超标，直接运输应用于绿化用土或景观填土；

S2依据修复方案，在发酵厂中发酵得到特定浓度的巴氏芽孢杆菌菌液，利用车载式一体化装置将其运输到垃圾填埋场附近细粒料修复区域。制备一定浓度的反应液(尿素-CaCl2胶结液)，将其加入车载式一体化装置的反应器中与菌液混合搅拌后，静置待大量絮状沉淀生成后排出上清液；

S3依据S1所确定的修复方案，将筛分后得到的重金属污染垃圾细粒料装填至车载式反应器中，与生物浆混合搅拌0.5～1小时，静置8～12小时完成修复处理，将上层滤液通过上接口排至污水收集系统中进行收集处理；

S4将修复完成的垃圾细粒料通过车载式一体化装置运输用于绿化用土或景观填土等。

下面将结合具体的实施例进一步说明本发明。

实施例1

对海南海口某垃圾填埋场的污染垃圾土进行多次修复包括以下步骤：

(1)制备污染垃圾土细粒料40kg：开挖筛分后垃圾土通过筛分筛箱获得粒径较小的细粒料，其中经检测重金属可交换态的重金属Cd和Pb超过相关标准值，根据其污染重金属含量确定来确定菌液和反应液(尿素-氯化钙胶结液)浓度，处理次数分别为1、2和3次，并将这些细粒料之后倾倒进车载式一体化装置中。

(2)配制反应液尿素-氯化钙溶液40L：反应液设计浓度为1M。

(3)生成生物浆80L:40L菌液和40L反应液以体积比1:1混合搅拌30min，其中，发酵的巴氏芽孢杆菌菌液的OD600约为5～25。

(4)生物浆修复处理污染垃圾土：混合搅拌生物浆与污染土30min。

(5)静置8～12h后去除上清液。

(6)重复3～5步骤3次。

(7)测定重金属可交换态参数。

经检测，随着修复处理次数的提高，可交换态重金属的减少率也随之提高。其中污染垃圾土修复处理1、2和3次后，垃圾土中可交换态的Cd的减少率可分别达到53.3％、75.5％和84.1％，垃圾土中可交换态的Pb的减少率可分别达到64.1％、78.6％％和90.9％。其中可交换的重金属污染物含量低于相关标准，重金属含量低于三级标准为保障农林业生产和植物正常生长的土壤临界值说明生物浆法修复重金属污染物的有效性。

实施例2

不同浓度的生物浆对卧旗山某垃圾填埋场的污染垃圾土进行修复包括以下步骤：

(1)制备污染垃圾土细粒料40kg：对卧旗山垃圾填埋场进行开挖筛分，并检测筛分得到的细粒料，其中重金属可交换态的重金属Cd超过相关标准值，根据其污染重金属种类及含量来确定菌液和反应液(尿素-氯化钙胶结液)浓度，处理次数为1次。

(2)运输巴氏芽孢杆菌和配制反应液尿素-氯化钙40L：菌液设计浓度OD₆₀₀为5、10、15、20和25，对应地，反应液尿素-氯化溶液钙设计浓度为0.5、1、1.5、2和2.5M。

(3)生成生物浆80L:40L菌液和40L反应液以体积比1:1混合搅拌60min。

(4)生物浆修复处理污染垃圾土：混合搅拌生物浆与污染土60min。

(5)静置8～12h后去除上清液。

(6)待自然烘干后，测定重金属可交换态参数。

单次修复完成后，经测定结果表明，对污染垃圾土的修复效果随着菌液和反应液浓度提高而提高，菌液和反应液浓度分别为25和2.5M时，污染垃圾土的重金属减少率Cd可达到82.25％，其中可交换的重金属污染物含量低于相关标准，修复效果较佳。

实施例3

不同体积比例反应液与菌液产生的生物浆对苏州某垃圾填埋场的污染垃圾土进行修复包括以下步骤：

(1)制备污染垃圾土细粒料40kg：对苏州某垃圾填埋场进行开挖筛分，并检测筛分得到的细粒料，其中重金属可交换态的重金属Pb超过相关标准值，根据其污染重金属种类及含量来确定菌液和反应液(尿素-氯化钙胶结液)的体积比例，处理次数为1。

(2)运输巴氏芽孢杆菌40L和配制反应液尿素-氯化钙40L、60L和80L：菌液设计浓度OD₆₀₀为5，对应地，反应液尿素-氯化溶液钙设计浓度为1M。

(3)分别生成生物浆80L、100L和120L:40L菌液分别和40L、60L和80L反应液以体积比1:1、1.5:1和2:1混合搅拌0.5h。

(4)生物浆修复处理污染垃圾土：混合搅拌生物浆与污染土30min。

(5)静置8～12h后去除上清液。

(6)待自然烘干后，测定重金属可交换态参数。

不同体积比下反应液和菌液混合生成的生物浆，经测定结果表明，对污染垃圾土的修复效果随着反应液体积的提高而提高，在反应液和菌液体积为1:1、1.5:1和2:1时，污染垃圾土的重金属减少率Pb可分别达到62.6％、72.42％和83.65％，其中可交换的重金属污染物含量低于相关标准，修复效果较佳。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种重金属污染垃圾细粒料的生物修复方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

对待处理重金属污染土进行筛分获得垃圾细粒料，制备生物浆，将生物浆与所述垃圾细粒料混合搅拌，静置，以此实现所述细粒料的生物修复，其中，所述生物浆由尿素-氯化钙胶结液和发酵的巴氏芽孢杆菌菌液混合制备而成。

2.如权利要求1所述的一种重金属污染垃圾细粒料的生物修复方法，其特征在于，所述生物浆中尿素-氯化钙胶结液和发酵的巴氏芽孢杆菌的体积范围为(1:1)～(2:1)。

3.如权利要求2所述的一种重金属污染垃圾细粒料的生物修复方法，其特征在于，所述生物浆制备过程中，所述尿素-氯化钙胶结液和发酵的巴氏芽孢杆菌菌液混合，反应时间为30min～60min。

4.如权利要求2所述的一种重金属污染垃圾细粒料的生物修复方法，其特征在于，所述发酵的巴氏芽孢杆菌菌液的OD600约为5～25。

5.如权利要求1或2所述的一种重金属污染垃圾细粒料的生物修复方法，其特征在于，所述生物浆与所述垃圾细粒料混合搅拌，其中搅拌时间为30min～60min左右，温度为10～40℃左右，所述静置时间为8h～12h。

6.如权利要求1所述的一种重金属污染垃圾细粒料的生物修复方法，其特征在于，所述生物修复后获得的上层作为污水排出，下层沉淀物回收用于绿化。

7.如权利要求1-6任一项所述的一种重金属污染垃圾细粒料的生物修复系统，其特征在于，该系统包括车载式一体化装置、待处理垃圾供给单元、菌液供给单元、筛分单元和回收单元，其中：

所述菌液供给单元用于提供发酵的巴氏芽孢杆菌菌液；

所述待处理垃圾供给单元与所述筛分单元连接，用于提供待处理垃圾并将其传送给所述筛分单元；

所述筛分单元接收来自所述待处理垃圾供给单元的垃圾，并将其进行筛分，以此获得待处理细粒料；

所述车载式一体化装置与所述筛分单元和菌液供给单元连接，用于接收来自筛分单元的细粒料和生物浆，该车载式一体化装置为所述生物浆和待处理细粒料修复的反应场所；

所述回收单元用于将生物修复后获得的产物进行回收。

8.如权利要求7所述的一种重金属污染垃圾细粒料的生物修复系统，其特征在于，所述车载式一体化装置包括移动单元和反应单元，其中，所述移动单元用于运输和移动所述反应单元，所述反应单元包括箱体，箱体中设置有温控机构和搅拌器，所述温控机构用于控制所述反应单元中的温度，所述搅拌器用于搅拌所述箱体中的反应物。

9.如权利要求7或8所述的一种重金属污染垃圾细粒料的生物修复系统，其特征在于，所述筛分单元中设置有多层筛板。

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