CN116639852B - 一种修复地下水微塑料污染的可渗透反应墙及其修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种修复地下水微塑料污染的可渗透反应墙及其修复方法，属于地下水修复技术领域。该修复地下水微塑料污染的可渗透反应墙，是采用微生物联合PRB修复系统主要用于修复地下水中微塑料污染，利用释氧材料、微生物填料+释碳材料和高岭土‑生物炭活性填料，将地下水中微塑料进行吸附富集后，再利用微生物填料进行生物降解，使其达到地下水修复标准。充分发挥生物降解技术处理地下水中的微塑料具有节能，环保，高效且不会产生二次污染的优点；结合PRB修复，实现防堵塞、使用年限长，耐久性好等特点，可以实现地下水中污染物的持续降解，具有非常广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于地下水修复技术领域，具体涉及一种修复地下水微塑料污染的可渗透反应墙及其修复方法。
背景技术
“微塑料”是一种污染物，亦是一种造成污染的主要载体，从而干扰水生生物的正常生命活动，甚至危害人类健康。虽然污水处理厂在水处理过程中能够去除水体中大部分较大的塑料颗粒，但仍有许多塑料纤维以及纳米级微塑料颗粒被排放入水体中，甚至渗透进入地下水中，造成更大的危害。目前在世界各地的河流、海洋乃至饮用水体中均已有研究表明发现了微塑料颗粒，甚至在母乳中也检测到了微塑料的存在。
PRB（permeable Reactive Barriers）技术就是在污染水土原位设置一个填充有活性反应介质材料的反应屏障区，当污染地下水通过该反应屏障区时，污染物质依靠自然水力运输通过预先设计好的介质，介质对溶解的有机物、金属、核素及其他污染物进行降解、吸附、沉淀或去除，达到对污染土壤及地下水进行修复的目标。
相关技术公开了一种基于吸附水中微塑料的改性生物吸附剂及其制备方法，可以实现利用白腐真菌降解微塑料。相关技术公开了一种用于微塑料处理的联合反应器，可以利用生物载体实现微塑料的有效降解。但是现有的公开研究主要是聚焦于污水处理厂的微塑料处理，并未涉及地下水中的微塑料处理。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种修复地下水微塑料污染的可渗透反应墙，针对地下水微塑料污染，涉及一种修复地下水微塑料污染的可渗透反应墙材料，重点解决微塑料污染地下水的处理。
本发明的第二目的在于提供一种修复地下水微塑料污染的可渗透反应墙，该墙是采用微生物联合PRB修复系统，充分发挥生物降解技术处理地下水中的微塑料具有节能，环保，高效且不会产生二次污染的优点；结合PRB修复，实现防堵塞、使用年限长，耐久性好等特点，可以实现地下水中污染物的持续降解，具有非常广阔的应用前景。
本发明通过以下技术方案实现：
一种修复地下水微塑料污染的可渗透反应墙，所述反应墙包括释氧区、生物降解区和吸附区；
所述释氧区包括第一穿孔墙和第一反应区，所述第一反应区内设有释氧材料填充层，内部填充释氧材料；
所述生物降解区包括第二穿孔墙和第二反应区，所述第二反应区中设有不少于一组微生物填料层，所述微生物填料层内部填充微生物填料；
每两个微生物填料层之间间插释碳材料层，所述释碳材料层内部填充释碳材料；
所述吸附区包括第三穿孔墙和第三反应区，所述第三反应区中设有吸附材料填充层，内部填充吸附材料；
所述第一穿孔墙、第一反应区、第二穿孔墙、第二反应区、第三穿孔墙和第三反应区顺次排布。
该修复地下水微塑料污染的可渗透反应墙，设计三个分区，第一区的作用在于释氧，为微生物降解微塑料提供氧气；第二区是生物降解区，地下水中的微塑料经过无纺布拦截后被生物填料中的生物菌剂降解；第三区是吸附区，采用高岭土-生物炭活性填料吸附其他的污染物。
作为优选地，所述释氧材料是粗砂30-35份、CaO230-35份、KH2PO415-20 份和(NH4)2SO415-20份组成。
作为优选地，所述释氧材料填充层厚度为0.2-0.3m；所述释氧材料的粒径为0.5-0.8mm。
上述释氧材料中，CaO2遇水缓慢释放出氧气，能够满足作为生物修复地下水技术的供氧源要求，然而释氧过程中碱性物质的生成，KH2PO4和(NH4)2SO4作为pH缓冲剂可有效控制pH值处于微生物适宜生存的6.5-8.5范围。
作为优选地，所述微生物填料是由生物炭20-30份，微生物菌泥25-35份和聚乙烯醇-海藻酸钠复合熔融液45-55份组成；
所述微生物填料的制备方法为：
（1）将生物炭破碎、筛分成粒径小于100目的颗粒备用；
（2）将经筛选、人工驯化培养的特异性微生物菌种离心后弃去上清液，得到微生物菌泥沉淀备用；
（3）将聚乙烯醇-海藻酸钠复合熔融液加热融化成黏稠液体，冷却到30℃以下备用；
（4）按照相应质量份数比，将生物炭、晾凉后聚乙烯醇-海藻酸钠复合熔融液、预处理后微生物菌泥混合均匀，用定型器加到含有1.0％CaCl2、50.0mol/LOP乳化液的饱和溶液HgBO3溶液中；
（5）用10％的Na2CO3溶液调节pH为7；
（6）滤出2-3mm的固定化颗粒，用蒸馏水洗净，即制成2-3mm吸附-包埋联合固定的微生物填料；
所述微生物填料外层包覆有无纺布层；
所述微生物填料层的厚度范围为0.3-0.5 m。
作为优选地，所述微生物菌泥是由枯草微生物菌泥和假单胞菌混合菌泥混合而成，混合比例为：枯草芽孢杆菌55%-65%，假单胞菌35%-45%。
所述微生物菌泥中枯草芽孢杆菌和假单胞菌的菌种数量均不低于108CFU/mL。
作为优选地，所述聚乙烯醇-海藻酸钠复合熔融液是由质量比为6-8:1的聚乙烯醇和海藻酸钠混合而成。
上述枯草芽孢杆菌/假单胞菌具有降解微塑料的能力，菌种是经筛选驯化培养离心后弃去上清液，得到菌泥沉淀得到的，将其与生物炭、聚乙烯醇-海藻酸钠复合熔融液混合，通过吸附-包埋法对微生物菌进行有效固定，提高其抗冲击负荷能力，外部用无纺布包裹制成填料。在微生物填料区间插释碳材料，为微生物生长补给碳源。
作为优选地，所述释碳材料是由玉米淀粉55-65份和PVA 35-45份混合而成，所述释碳材料层的厚度为0.2-0.3m，所述释碳材料的粒径为3-4mm。
上述释碳材料玉米淀粉作为碳源原料，PVA为骨架载体，通过湿法共混／低温冻胶技术成型。
作为优选地，所述吸附材料为高岭土-生物炭活性填料，所述高岭土-生物炭活性填料是由高岭土45-55份和生物炭45-55份，在250-350℃温度、氮气填充下煅烧60-150 min得到的；吸附材料填充层的厚度为0.6-0.8 m，吸附材料的粒径为3-5 mm。
上述吸附材料为高岭土-生物炭活性填料，作用是吸附微小的降解产物以及产生的老化生物膜。
一种修复地下水微塑料污染的可渗透反应墙的修复方法，将待处理的含微塑料的水通过第一穿孔墙进入第一反应区，经过释氧材料的释放氧气，并生成气体；出水经第二穿孔墙进入第二反应区，由无纺布包裹的微生物填料，拦截并富集微塑料，促使微生物材料中的微生物菌泥降解微塑料；出水经第三穿孔墙进入第三反应区，吸附材料进行吸附处理，达标后排出。
作为优选地，微塑料为尺寸小于5mm的微小塑料碎片、纤维和颗粒。
上述第一反应区，经过释氧材料，释放氧气，生成气体的过程中气泡能够起到一定富集微塑料的作用；第二反应区，无纺布可以起到拦截微塑料的作用，而膨胀珍珠岩能够富集微塑料，促使生物菌剂则进一步降解微塑料；第三反应区采用吸附材料对一些微量和微小的污染物进行吸附，使出水达到预期处理效果。
与现有技术相比，本发明至少具有如下技术效果：
本发明提供了一种修复地下水微塑料污染的可渗透反应墙，针对地下水微塑料污染，涉及一种修复地下水微塑料污染的可渗透反应墙材料，重点解决微塑料污染地下水的处理。
该修复地下水微塑料污染的可渗透反应墙，是采用微生物联合PRB修复系统主要用于修复地下水中微塑料污染，利用释氧材料、微生物填料+释碳材料和高岭土-生物炭活性填料，将地下水中微塑料进行吸附富集后，再利用微生物填料进行生物降解，使其达到地下水修复标准。充分发挥生物降解技术处理地下水中的微塑料具有节能，环保，高效且不会产生二次污染的优点；结合PRB修复，实现防堵塞、使用年限长，耐久性好等特点，可以实现地下水中污染物的持续降解，具有非常广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例2的修复流程图。
图中，1-第一穿孔墙；2-第一反应区；3-释氧材料层；4-第二穿孔墙；5-释碳材料层；6-第二反应区；7-微生物填料层；8-第三穿孔墙；9-吸附材料层；10-第三反应区；11-第四穿孔墙。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围，实施例中未注明的具体条件，按照常规条件或者制造商建议的条件进行，所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1：
一种修复地下水微塑料污染的可渗透反应墙的修复方法，可渗透反应墙（PRB）总厚度为1.9 m。
将各层填料同步装填到相应的位置，其中：
第一层：释氧填料，粒径0.6 mm，厚度0.3 m：
第二层：微生物填料+释碳填料，其中微生物填料设置2层，粒径2 mm，每层0.4 m，释碳材料1层，粒径3 mm，厚度为0.2m：
第三层：高岭土-生物炭填料厚度设置为0.6 m，粒径5 mm。
分别在各区设置穿孔墙，共四道，每层厚度为0.1 m。
然后向系统内注满含微塑料污水（原始浓度200颗/L），在连续进、出水的条件下开始启动系统，定期采集出口处样品，经30天运行后，地下水中微塑料出水浓度为8颗/L，去除率为96%。
实施例2：如图1所示，为修复流程示意图。
一种修复地下水微塑料污染的可渗透反应墙的修复方法，可渗透反应墙（PRB）总厚度为3.1 m。
将各层填料同步装填到相应的位置，其中：
第一层：释氧填料，粒径0.8 mm，厚度0.3 m；
第二层：微生物填料+释碳填料，其中微生物填料设置3层，粒径2 mm，每层0.4 m，释碳材料2层，粒径3 mm，厚度为0.3 m；
第三层：高岭土-生物炭填料厚度设置为0.6 m，粒径5 mm。
分别在各区设置穿孔墙，共四道，每层厚度为0.1 m。
将待处理的含微塑料的水通过第一穿孔墙1进入第一反应区2，经过释氧材料 3中的释氧材料释放氧气，并生成气体；出水经第二穿孔墙4进入第二反应区6，由无纺布包裹的微生物填料层7，拦截并富集微塑料，促使微生物材料中的微生物菌泥降解微塑料；每两个微生物填料层7之间设有释碳材料层5；出水经第三穿孔墙8进入第三反应区10，吸附材料层9进行吸附处理，达标后经第四穿孔墙11排出。
然后向系统内注满含微塑料污水（原始浓度400颗/L），在连续进、出水的条件下开始启动系统，定期采集出口处样品，经30天运行后，地下水中微塑料出水浓度为20颗/L，去除率为95%。
对比例1：
一种修复地下水微塑料污染的可渗透反应墙的修复方法，可渗透反应墙（PRB）总厚度为1.8 m。
将各层填料同步装填到相应的位置，其中：
第一层：释氧填料，粒径0.6 mm，厚度0.2 m；
第二层：微生物填料，粒径2 mm，厚度为0.6 m；
第三层：高岭土-生物炭填料厚度设置为0.6 m，粒径5 mm。
分别在各区设置穿孔墙，共四道，每层厚度为0.1 m。然后向系统内注满含微塑料污水（原始浓度200颗/L），在连续进、出水的条件下开始启动系统，定期采集出口处样品，由于缺乏碳源，经30天运行后，地下水中微塑料出水浓度为56颗/L，去除率为72%。
对比例2：
一种修复地下水微塑料污染的可渗透反应墙的修复方法，可渗透反应墙（PRB）总厚度为1.8 m。
将各层填料同步装填到相应的位置，其中：
第一层：释氧填料，粒径0.5 mm，厚度0.2 m；
第二层：微生物填料+释碳填料，其中微生物填料设置2层，粒径2 mm，每层0.4 m，释碳材料1层，粒径3 mm，厚度为0.2m。
分别在各区设置穿孔墙，共三道，每层厚度为0.1 m。然后向系统内注满含微塑料污水（原始浓度300颗/L），在连续进、出水的条件下开始启动系统，定期采集出口处样品，由于缺乏吸附拦截，经30天运行后，地下水中微塑料出水浓度为87颗/L，去除率为71%。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种修复地下水微塑料污染的可渗透反应墙的修复方法，其特征在于，所述反应墙包括释氧区、生物降解区和吸附区；
所述释氧区包括第一穿孔墙和第一反应区，所述第一反应区内设有释氧材料填充层，内部填充释氧材料；
所述释氧材料是粗砂30-35份、CaO2 30-35份、KH2PO4 15-20份和(NH4)2SO4 15-20份组成；
所述生物降解区包括第二穿孔墙和第二反应区，所述第二反应区中设有不少于一组微生物填料层，所述微生物填料层内部填充微生物填料；
每两个微生物填料层之间间插释碳材料层，所述释碳材料层内部填充释碳材料；
所述微生物填料是由生物炭20-30份，微生物菌泥25-35份和聚乙烯醇-海藻酸钠复合熔融液45-55份组成；所述微生物填料外层包覆有无纺布层；
所述微生物菌泥是由枯草微生物菌泥和假单胞菌混合菌泥混合而成，混合比例为：枯草芽孢杆菌55%-65%，假单胞菌35%-45%；
所述微生物菌泥中枯草芽孢杆菌和假单胞菌的菌种数量均不低于108CFU/mL；
所述释碳材料是由玉米淀粉55-65份和PVA 35-45份混合而成，所述释碳材料层的厚度为0.2-0.3m，所述释碳材料的粒径为3-4mm；
所述吸附区包括第三穿孔墙和第三反应区，所述第三反应区中设有吸附材料填充层，内部填充吸附材料；
所述吸附材料为高岭土-生物炭活性填料，所述高岭土-生物炭活性填料是由高岭土45-55份和生物炭45-55份，在250-350℃温度、氮气填充下煅烧60-150 min得到的；
吸附材料填充层的厚度为0.6-0.8 m，吸附材料的粒径为3-5 mm；
所述第一穿孔墙、第一反应区、第二穿孔墙、第二反应区、第三穿孔墙和第三反应区顺次排布；
所述可渗透反应墙的修改方法包括：将待处理的含微塑料的水通过第一穿孔墙进入第一反应区，经过释氧材料的释放氧气，并生成气体；出水经第二穿孔墙进入第二反应区，由无纺布包裹的微生物填料，拦截并富集微塑料，促使微生物材料中的微生物菌泥降解微塑料；出水经第三穿孔墙进入第三反应区，吸附材料进行吸附处理，达标后排出；所述微塑料为尺寸小于5mm的微小塑料碎片、纤维和颗粒。
2.根据权利要求1所述的一种修复地下水微塑料污染的可渗透反应墙的修复方法，其特征在于，所述释氧材料填充层厚度为0.2-0.3m；所述释氧材料的粒径为0.5-0.8mm。
3.根据权利要求1所述的一种修复地下水微塑料污染的可渗透反应墙的修复方法，其特征在于，所述微生物填料的制备方法为：
（1）将生物炭破碎、筛分成粒径小于100目的颗粒备用；
（2）将经筛选、人工驯化培养的特异性微生物菌种离心后弃去上清液，得到微生物菌泥沉淀备用；
（3）将聚乙烯醇-海藻酸钠复合熔融液加热融化成黏稠液体，冷却到30℃以下备用；
（4）按照相应质量份数比，将生物炭、晾凉后聚乙烯醇-海藻酸钠复合熔融液、预处理后微生物菌泥混合均匀，用定型器加到含有1.0％CaCl2、50.0mol/LOP乳化液的饱和溶液HgBO3溶液中；
（5）用10％的Na2CO3溶液调节pH为7；
（6）滤出2-3mm的固定化颗粒，用蒸馏水洗净，即制成2-3mm吸附-包埋联合固定的微生物填料；
所述微生物填料层的厚度范围为0.3-0.5 m。
4.根据权利要求1所述的一种修复地下水微塑料污染的可渗透反应墙的修复方法，其特征在于，所述聚乙烯醇-海藻酸钠复合熔融液是由质量比为6-8:1的聚乙烯醇和海藻酸钠混合而成。
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