CN116441304A - 多外场强化生物处理有机磷有机氯及苯污染土壤的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多外场强化生物处理有机磷有机氯及苯系物污染土壤的装置，其包括破碎混匀机构、电磁驯化机构、扩大培养机构、接种搅拌机构；本发明装置使用时将含有机磷、有机氯及苯系污染物土壤进行破碎，同时利用电磁驯化受污染土壤，改变土壤中中微生物种群结构，然后将驯化处理的土壤接种到破碎土壤中，利用驯化后微生物降解处理受污染土壤中的有机磷、有机氯及苯系有机物污染物，实现受有机污染土壤的无害化处理。
Description
技术领域
本发明属于有机污染土壤无害化处理技术领域，具体为一种多外场强化生物处理有机磷、有机氯及苯系有机物污染土壤的装置。
背景技术
土壤中的有机污染物一直以来成为困扰土壤有效利用的重大影响因素，有机磷虽作为土壤中的重要营养成分之一，但其大量存在使其在雨水径流作用下而易从土壤中析出，并进入周围水体，而造成水体富营养化现象的出现，对周遭水体水质造成严重影响，有机氯化物及苯系物则由于其高毒特性而使得土壤中的作物难以成活，即使成活的作物也因食物链作用而积累大量毒性，使得有机氯化物、苯系物等有毒有害物质易经食物链积累最终进入人体，严重危害人类的生命健康安全。因此，如何高效且便捷地处理有机磷、有机氯及苯系物等物质污染的土壤成为环境安全领域需要解决的重大问题之一。以往常见的化学方法在处理此类物质时往往捉襟见拙，且大量化学物质的使用虽然在一定程度上可以降低此类污物质所带来的环境安全问题，但化学处理方法在使用过程中往往易对环境造成二次污染。所以，在面对此类问题时，科研人员提出了利用生物方法对受污染土壤中的有害污染物质进行降解的方法，但生物法处理存在的最大弊端在于其处理速度慢，降解效率低，而大幅增加此类受污染土壤的处理成本。
CN202121802201 .5公开了一种电动力强化微生物处理石油烃污染土壤的系统，此发明虽然利用水幕提高了营养物质在受污染土壤中的流通效果，但相较于外加搅拌的异位处理，其分布均匀程度仍有待提高，且其仅仅考虑了电动力对微生物处理效果的提升作用，而没有考虑磁场作用同样对于微生物处理效果的提升具有的重要促进作用。CN201910790382 .5公开了一种电阻加热耦合微生物修复有机污染土壤的实验装置及方法，该方法考虑了温度场对微生物修复有机污染土壤的作用效果，但并没有考虑到电场、磁场等其他外场对于微生物降解效率的提高同样具有良好促进效果，且单纯地利用温度场难以实现受污染土壤之中微生物种群向着功能型微生物占优势的趋势发展，而难以产生良好的高毒性有机污染物质的降解效果。
发明内容
随着工业生产能力的不断提高，在生产过程中产生了大量毒害污染物，在制药、纺织、印染等行业，有机污染更是成为此类行业所面临的巨大挑战，其中有机磷、有机氯及苯系物污染成为行业污染的代表，此类有机污染物质的不当排放造成工厂周围土壤遭受严重的生态安全问题。为了解决受有机磷、有机氯及苯系物污染土壤的生态修复问题，本发明提供了一种多外场强化生物处理有机磷、有机氯及苯系有机物污染土壤的装置，本发明装置是将干扰溶液与受污染土壤混合后进行电磁驯化，经驯化后的土壤部分进入扩大培养机构进行功能型微生物的扩大培养，扩大培养后含有丰富功能型微生物的菌液进入接种搅拌装置与受污染土壤充分混匀后返回取土地，利用丰富的微生物作用对受污染土壤中的有机磷、有机氯及苯系物进行降解，大幅度增强原位功能型微生物对有机磷、有机氯及苯系物等有机污染物质的降解效果，实现受污染土壤的无害化处理。
本发明装置包括破碎混匀机构、电磁驯化机构、扩大培养机构、接种搅拌机构；其中破碎混匀机构包含壳体，壳体顶部设有进料口，壳体内装有破碎轮，壳体底部设有带齿转盘Ⅰ；破碎混匀机构通过螺旋送料槽与接种搅拌机构连通；接种搅拌机构内设有由步进机Ⅰ驱动的搅拌桨，搅拌桨下端活动设置在搅拌轴支架上，接种搅拌机构内顶部设置有若干个喷淋器，喷淋器通过输送泵Ⅰ与扩大培养罐连通，接种搅拌机构顶部开有废气排出口，接种搅拌机构底部设有物料出口Ⅰ；扩大培养机构包括培养基配置罐、扩大培养罐，培养基配置罐上开有溶剂进口Ⅰ、溶质进口Ⅰ，培养基配置罐底部出口通过输送泵Ⅱ与扩大培养罐连接，扩大培养罐顶部通过输送泵Ⅲ与电磁驯化箱相连接，培养基配置罐与扩大培养罐内均设有由步进电机驱动的螺旋搅拌器；电磁驯化机构包括电磁驯化箱、干扰物质配置罐，干扰物质配置罐上设有溶剂进口Ⅱ、溶质进口Ⅱ，电磁驯化箱内两侧设有磁性电极板，磁性电极板分别与电源正负极相连接，电磁驯化箱底部设有倾斜的带齿转盘Ⅱ，电磁驯化箱底部开有物料出口Ⅱ且其位于带齿转盘Ⅱ上方，干扰物质配制罐通过输送泵Ⅳ与电磁驯化箱连通。
所述接种搅拌罐罐顶设有菌液混合物喷淋器的喷淋角度为15°~180°，喷淋流量为0.2~15L/min，喷淋出的液体培养液经三级搅拌桨搅拌作用后与物料充分混合；
所述磁性电极板是将导电材料研磨至粒径小于300目，将粉碎的导电材料置于质量浓度15%~60%的乙醇溶液中制得0.1~0.4g/mL导电材料-乙醇混合物，在400~1500rpm下搅拌混合均匀后，加入PANI粘黏剂，PANI粘黏剂在乙醇溶液中的浓度为0.1~0.8g/mL，在400~1500rpm下搅拌10~15min后，加入研磨至300目以下的磁性材料，磁性材料在乙醇溶液中的浓度为0.1~0.4g/mL，在40~80℃继续搅拌混合40~80min得到混合浆料，将制得的混合浆料置于对辊机下反复对辊碾压成厚度为0.1~10cm的片状固体，干燥后制得。
所述导电材料为磁性碳、磁性碳硅、石墨烯、碳纳米管、富勒烯、银、铜中的一种；
所述磁性材料为电工钢、稀土合金、镍基合金和铁氧化材料的其中一种；
所述磁性电极板上开有孔，孔的孔径0.1~20mm，孔隙密度为1~50ppi，外加电场电压为0.2~35V；电磁驯化箱的倾斜底板的倾斜角度为5°~35°。
所述电磁驯化后土壤经输送泵Ⅲ进入扩大培养罐，扩大培养后的菌液经输送泵进入菌液混合物喷淋器，液体培养基辅助配料经培养基配置罐进入扩大培养罐；
所述扩大培养罐的温度为20~40℃，培养基配料由葡萄糖、豆饼粉、玉米粉、酵母粉、磷酸二氢钾、碳酸钙、硫酸镁、维生素中的一种或多种构成；
上述装置的使用方法是将含外加干扰物的水通过输送泵Ⅳ由干扰物质配置罐进入电磁驯化箱，在带齿转盘Ⅱ作用下与污染1年以上的含有机磷有机氯及苯系物的土壤充分混合，经电磁驯化后获得含有功能型微生物的土壤，土壤通过输送泵Ⅲ进入扩大培养罐进行扩大培养；将有机磷、有机氯及苯系物污染的土壤由进料口加入破碎混匀机构，土壤由破碎轮破碎，扩大培养后物料经输送泵Ⅰ作用进入接种搅拌机构与有机磷、有机氯及苯系物污染土壤充分混匀后，物料经物料出口Ⅰ排出；
所述外加干扰物选自由铁粉、KH2PO4、四氯化碳、C14H9Cl5、六氯环己烷、苯、甲苯、乙苯、二甲苯，其在水中的浓度为0.05~0.75mol/L，pH范围为4.5~8.5。
本发明的技术效果如下：
1、电磁驯化微生物作用在提高微生物降解速率的同时改变了土壤中微生物的种群结构，使得对有机磷、有机氯及苯系污染物降解行之有效的功能型微生物在土壤中占主导地位；
2、利用原位微生物驯化培养的方式无需购买外加菌剂，大幅度降低了受污染土壤处理过程的生产成本；
3、通过扩大培养微生物接种的方式大幅度提高微生物对受污染土壤中有机物的降解效率；
4、利用含有有机磷、有机氯及苯系物的干扰溶液协调电磁调控进行受污染土壤中微生物种群结构的调整，使得对有机磷、有机氯及苯系物由高强度耐受性和降解性能的微生物在种群结构中占主导地位。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图；
图2为实施例2污染土壤处理前后的污染物含量；
图3为实施例3污染土壤处理前后的污染物含量；
图4为实施例4污染土壤处理前后的污染物含量；
图中：1-进料口；2-破碎混匀机构；3-破碎轮；4-带齿转盘Ⅰ；5-螺旋送料槽；6-步进机；7-喷淋器；8-接种搅拌机构；9-搅拌桨；10-搅拌轴支架；11-废气排出口；12-输送泵Ⅰ；13-物料出口Ⅰ；14-扩大培养罐；15-培养基配制罐；16-输送泵Ⅲ；17-输送泵Ⅱ；18-溶剂进口Ⅰ；19-电磁驯化箱；20-磁性电极板；21-输送泵Ⅳ；22-干扰物质配制罐；23-溶剂进口Ⅱ；24-溶质进口Ⅱ；25-溶质进口Ⅰ；26-带齿转盘Ⅱ；27-物料出口Ⅱ；28-电源。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。
实施例1
如图1所示，本实施例使用的装置包括破碎混匀机构2、电磁驯化机构、扩大培养机构、接种搅拌机构8；破碎混匀机构包含壳体，壳体顶部设有进料口1，壳体内装有破碎轮3，壳体底部设有带齿转盘Ⅰ4；破碎混匀机构通过螺旋送料槽5与接种搅拌机构8连通；接种搅拌机构8内设有由步进机6驱动的搅拌桨9，搅拌桨9下端活动设置在搅拌轴支架10上，接种搅拌机构8内顶部设置有若干个喷淋器7，喷淋角度为150°，喷淋流量为10L/min，喷淋器7通过输送泵Ⅰ12与扩大培养罐14连通，接种搅拌机构8顶部开有废气排出口11，接种搅拌机构底部设有物料出口Ⅰ13；扩大培养机构包括培养基配置罐15、扩大培养罐14，培养基配置罐15上开有溶剂进口Ⅰ18、溶质进口Ⅰ25，培养基配置罐底部出口通过输送泵Ⅱ17与扩大培养罐14连接，扩大培养罐14顶部通过输送泵Ⅲ16与电磁驯化箱19相连接，培养基配置罐15与扩大培养罐14内均设有由步进电机驱动的螺旋搅拌器；电磁驯化机构包括电磁驯化箱19、干扰物质配置罐22，干扰物质配置罐22上设有溶剂进口Ⅱ23，顶部设有溶质进口Ⅱ24，电磁驯化箱内两侧设有磁性电极板20，磁性电极板上孔的孔径为1mm，孔隙密度为10ppi，磁性电极板分别与电源28正负极相连接，电磁驯化箱底部设有倾斜的带齿转盘Ⅱ26，倾斜底板的倾斜角度为20°，电磁驯化箱底部开有物料出口Ⅱ27且其位于带齿转盘Ⅱ上方，干扰物质配制罐22通过输送泵Ⅳ21与电磁驯化箱19连通；
其中磁性电极板是将磁性碳研磨至粒径小于300目，将粉碎的磁性碳置于质量浓度10%的乙醇溶液中制得0.1g/mL磁性碳-乙醇混合物，在500rpm下搅拌混合均匀后，加入PANI粘黏剂，PANI粘黏剂在乙醇溶液中的浓度为0.6g/mL，在500rpm下搅拌15min后，加入研磨至300目以下的电工钢，电工钢在乙醇溶液中的浓度为0.1g/mL，在60℃下继续搅拌混合50min得到混合浆料，将制得的混合浆料置于对辊机下反复对辊碾压成厚度为1cm的片状固体，干燥后制得；
采用上述装置处理受印染行业废水污染的土壤，土壤中有机磷含量为953mg/L，有机氯化物含量为23.4mg/L，甲苯含量为13.44mg/L；外加干扰物包括铁粉0.1g/mL、KH2PO4 0.05mol/L、四氯化碳0.05mol/L、甲苯0.05mol/L，pH为5.0；扩大培养基为含葡萄糖3%、豆饼粉2%、玉米粉1%、酵母粉0.5%、磷酸二氢钾0.1%、碳酸钙0. 2%、硫酸镁0.05%、维生素0.05%的水溶液，pH为5.0；
含外加干扰物的水通过输送泵Ⅳ21由干扰物质配置罐22进入电磁驯化箱19，在带齿转盘Ⅱ26作用下与污染2年受印染行业废水污染的土壤充分混合，外加电场电压5V，在电磁作用下驯化土壤微生物，驯化48h，获得能处理有机污染物微生物的土壤，土壤通过输送泵Ⅲ16进入扩大培养罐14在30℃下扩大培养；同时将受印染行业废水污染的土壤由进料口1加入破碎混匀机构2，土壤由破碎轮3破碎，扩大培养物经输送泵Ⅰ12进入接种搅拌机构8中与破碎土壤混合，搅拌桨搅拌混匀后，经物料出口Ⅰ13排出，静置72h；排出土壤中有机磷降解率达到98.33%、有机氯化物降解率达到99.12%、甲苯降解率达到99.34%（图2）。
实施例2：本实施例装置同实施例1，不同在于磁性电极板是将磁性碳硅研磨至粒径小于300目，将粉碎的磁性碳置于质量浓度20%的乙醇溶液中制得0.2g/mL磁性碳硅-乙醇混合物，在600rpm下搅拌混合均匀后，加入PANI粘黏剂，PANI粘黏剂在乙醇溶液中的浓度为0.2g/mL，在600rpm下搅拌10min后，加入研磨至300目以下的稀土合金，稀土合金在乙醇溶液中的浓度为0.2g/mL，在50℃下继续搅拌混合60min得到混合浆料，将制得的混合浆料置于对辊机下反复对辊碾压成厚度为3cm的片状固体，干燥后制得；磁性电极板上空的孔径为3mm，孔隙密度为15ppi；倾斜底板的倾斜角度为15°；扩大培养基为含葡萄糖3%、豆饼粉2%、玉米粉1%、酵母粉0.5%、磷酸二氢钾0.1%、碳酸钙0. 2%、硫酸镁0.05%、维生素0.05%的水溶液，pH为5.0；外加干扰物包括铁粉0.15g/mL、KH2PO4 0.15mol/L、C14H9Cl5 0.15mol/L、苯0.15mol/L，pH为6.0；喷淋器喷淋角度为150°，喷淋流量为11L/min；
使用上述装置处理受纺织行业废水污染土壤，土壤中有机磷含量为1344mg/L，有机氯化物含量为34.78mg/L，甲苯含量为17.98mg/L；
含外加干扰物的水通过输送泵Ⅳ21由干扰物质配置罐22进入电磁驯化箱19，在带齿转盘Ⅱ26作用下与污染2年受纺织行业废水污染土壤充分混合，外加电场电压10V，在电磁作用下驯化土壤微生物，驯化50h，获得能处理有机污染物微生物的土壤，土壤通过输送泵Ⅲ16进入扩大培养罐14在35℃下扩大培养；同时将受印染行业废水污染的土壤由进料口1加入破碎混匀机构2，土壤由破碎轮3破碎，扩大培养物经输送泵Ⅰ12进入接种搅拌机构8中与破碎土壤混合，搅拌桨搅拌混匀后，经物料出口Ⅰ13排出，静置72h；排出土壤中经电磁驯化微生物处理72h后有机磷降解率达到99.38%、有机氯化物降解率达到99.47%、甲苯降解率达到99.29%（图3）。
实施例3：本实施例装置同实施例1，不同在于磁性电极板是将石墨烯研磨至粒径小于300目，将粉碎的磁性碳置于质量浓度15%的乙醇溶液中制得0.3g/mL石墨烯-乙醇混合物，在1000rpm下搅拌混合均匀后，加入PANI粘黏剂，PANI粘黏剂在乙醇溶液中的浓度为0.7g/mL，在1000rpm下搅拌10min后，加入研磨至300目以下的镍基合金，镍基合金在乙醇溶液中的浓度为0.4g/mL，在70℃下继续搅拌混合60min得到混合浆料，将制得的混合浆料置于对辊机下反复对辊碾压成厚度为3cm的片状固体，干燥后制得；磁性电极板上空的孔径为8mm，孔隙密度为20ppi；倾斜底板的倾斜角度为25°；扩大培养基为含葡萄糖3%、豆饼粉2%、玉米粉1%、酵母粉0.5%、磷酸二氢钾0.1%、碳酸钙0. 2%、硫酸镁0.05%、维生素0.05%的水溶液，pH为5.0；外加干扰物包括铁粉0.2g/mL、KH2PO4 0.5mol/L、六氯环己烷0.5mol/L、乙苯0.5mol/L，pH为6.0；喷淋器喷淋角度为120°，喷淋流量为5L/min；
本实施实例中原材料为受制药行业废水污染土壤，土壤中有机磷含量为1450mg/L，有机氯化物含量为34.8mg/L，甲苯含量为27.85mg/L。
含外加干扰物的水通过输送泵Ⅳ21由干扰物质配置罐22进入电磁驯化箱19，在带齿转盘Ⅱ26作用下与污染2年受纺织行业废水污染土壤充分混合，外加电场电压20V，在电磁作用下驯化土壤微生物，驯化55h，获得能处理有机污染物微生物的土壤，土壤通过输送泵Ⅲ16进入扩大培养罐14在40℃下扩大培养；同时将受印染行业废水污染的土壤由进料口1加入破碎混匀机构2，土壤由破碎轮3破碎，扩大培养物经输送泵Ⅰ12进入接种搅拌机构8中与破碎土壤混合，搅拌桨搅拌混匀后，经物料出口Ⅰ13排出，静置72h；排出土壤中经电磁驯化微生物处理72h后有机磷降解率达到98.92%、有机氯化物降解率达到99.17%、甲苯降解率达到99.79%。
Claims (9)
1.一种多外场强化生物处理有机磷有机氯及苯系物污染土壤的装置，其特征在于：包括破碎混匀机构（2）、电磁驯化机构、扩大培养机构、接种搅拌机构（8）；
破碎混匀机构包含壳体，壳体顶部设有进料口（1），壳体内装有破碎轮（3），壳体底部设有带齿转盘Ⅰ（4）；破碎混匀机构通过螺旋送料槽（5）与接种搅拌机构（8）连通；接种搅拌机构（8）内设有由步进机（6）驱动的搅拌桨（9），搅拌桨（9）下端活动设置在搅拌轴支架（10）上，接种搅拌机构（8）内顶部设置有若干个喷淋器（7），喷淋器（7）通过输送泵Ⅰ（12）与扩大培养罐（14）连通，接种搅拌机构（8）顶部开有废气排出口（11），接种搅拌机构底部设有物料出口Ⅰ（13）；扩大培养机构包括培养基配置罐（15）、扩大培养罐（14），培养基配置罐（15）上开有溶剂进口Ⅰ（18）、溶质进口Ⅰ（25），培养基配置罐底部出口通过输送泵Ⅱ（17）与扩大培养罐（14）连接，扩大培养罐（14）顶部通过输送泵Ⅲ（16）与电磁驯化箱（19）相连接，培养基配置罐（15）与扩大培养罐（14）内均设有由步进电机驱动的螺旋搅拌器；电磁驯化机构包括电磁驯化箱（19）、干扰物质配置罐（22），干扰物质配置罐（22）上设有溶剂进口Ⅱ（23）、溶质进口Ⅱ（24），电磁驯化箱内两侧设有磁性电极板（20），磁性电极板分别与电源（28）正负极相连接，电磁驯化箱底部设有倾斜的带齿转盘Ⅱ（26），电磁驯化箱底部开有物料出口Ⅱ（27），带齿转盘Ⅱ（26）与物料出口Ⅱ（27）相接邻，干扰物质配制罐（22）通过输送泵Ⅳ（21）与电磁驯化箱（19）连通。
2.根据权利要求1所述的多外场强化生物处理有机磷有机氯及苯系物污染土壤的装置，其特征在于：接种搅拌罐（8）中的喷淋器（7）的喷淋角度为15°~180°，喷淋流量为0.2~15L/min，喷淋出的液体培养液经搅拌桨（9）搅拌作用后与物料充分混合。
3.根据权利要求1所述的多外场强化生物处理有机磷有机氯及苯系物污染土壤的装置，其特征在于：磁性电极板是将导电材料研磨至粒径小于300目，将粉碎的导电材料置于质量浓度15%~60%的乙醇溶液中制得0.1~0.4g/mL导电材料-乙醇混合物，在400~1500rpm下搅拌混合均匀后，加入PANI粘黏剂，PANI粘黏剂在乙醇溶液中的浓度为0.1~0.8g/mL，在400~1500rpm下搅拌10~15min后，加入研磨至300目以下的磁性材料，磁性材料在乙醇溶液中的浓度为0.1~0.4g/mL，在40~80℃继续搅拌混合40~80min得到混合浆料，将制得的混合浆料置于对辊机下反复对辊碾压成厚度为0.1~10cm的片状固体，干燥后制得。
4.根据权利要求3所述的多外场强化生物处理有机磷有机氯及苯系物污染土壤的装置，其特征在于：导电材料为磁性碳、磁性碳硅、石墨烯、碳纳米管、富勒烯、银、铜中的一种。
5.根据权利要求3所述的多外场强化生物处理有机磷有机氯及苯系物污染土壤的装置，其特征在于：磁性材料为电工钢、稀土合金、镍基合金、铁氧化材料中一种。
6.根据权利要求3所述的多外场强化生物处理有机磷有机氯及苯系物污染土壤的装置，其特征在于：磁性电极板上开有孔，孔的孔径0.1~20mm，孔隙密度为1~50ppi，外加电场电压为0.2~35V。
7.根据权利要求3所述的多外场强化生物处理有机磷有机氯及苯系物污染土壤的装置，其特征在于：电磁驯化箱（19）的倾斜底板的倾斜角度为5°~35°。
8.权利要求1所述的多外场强化生物处理有机磷有机氯及苯系物污染土壤的装置的使用方法，其特征在于：含外加干扰物的水通过输送泵Ⅳ（21）由干扰物质配置罐进入电磁驯化箱（19），在带齿转盘Ⅱ（26）作用下与污染1年以上的含有机磷有机氯及苯系物的土壤充分混合，经电磁驯化后获得含有功能型微生物的土壤，土壤通过输送泵Ⅲ（16）进入扩大培养罐（14）进行扩大培养；将有机磷、有机氯及苯系物污染的土壤由进料口加入破碎混匀机构，土壤由破碎轮破碎，扩大培养物经输送泵Ⅰ（12）作用进入接种搅拌机构（8）与有机磷、有机氯及苯系物污染土壤充分混匀后，混合物料经物料出口Ⅰ（13）排出。
9.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于：外加干扰物选自铁粉、KH2PO4、四氯化碳、C14H9Cl5、六氯环己烷、苯、甲苯、乙苯、二甲苯，其在水中的浓度为0.05~0.75mol/L，pH范围为4.5~8.5。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117263364A (zh) * | 2023-10-20 | 2023-12-22 | 昆明理工大学 | 一种外场协同微生物降解污水中有机磷、有机氯及苯系有机污染物装置及装置制备方法 |
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2023
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN117263364A (zh) * | 2023-10-20 | 2023-12-22 | 昆明理工大学 | 一种外场协同微生物降解污水中有机磷、有机氯及苯系有机污染物装置及装置制备方法 |
| CN117263364B (zh) * | 2023-10-20 | 2024-03-22 | 昆明理工大学 | 一种外场协同微生物降解污水中有机磷、有机氯及苯系有机污染物装置及装置制备方法 |
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