WO2019085280A1 - 一种多塘藻水循环灌溉系统及其修复污染土壤的方法 - Google Patents

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Abstract

一种多塘-藻水循环灌溉系统修复土壤重金属污染及改良盐碱地并回收微藻进行资源化利用的方法,属于土壤修复和资源化利用领域。利用人造水塘、微藻与土壤的相互作用,以水塘-微藻联合修复系统为核心,配制、驯化土壤修复微藻,用多塘收集雨水并培养、扩繁微藻,将微藻喷洒到田间,通过循环灌溉多次喷洒并回收藻水,取走污染土壤中的重金属降低土壤盐份,提升土壤营养成分,恢复土壤肥力,通过水塘富集和絮凝、曝气方法收获微藻,结合藻生物炭制备工艺,实现资源化利用,该系统通过传感器、PC和控制元件实现自动化控制。所述修复方法包括重金属/盐碱地修复微藻培养系统、集水系统、智能喷灌单元、微藻回收系统及微藻资源利用系统。

Description

一种多塘藻水循环灌溉系统及其修复污染土壤的方法 技术领域
本发明属于土壤修复方法和资源化利用领域,涉及一种土壤重金属修复及盐碱地改良方法和系统,特别是涉及一种在干旱情况下降低土壤重金属总量及改良盐碱地的物理/微生物联合土壤修复方法和微藻回收、资源化利用方法和系统。
背景技术
人类活动导致的土壤问题日趋严峻,近年来土壤重金属污染和盐碱地问题尤为凸显。土壤重金属污染方面,人类活动如固体废弃物堆积、金属矿床开发、工业生产、汽车尾气、农药化肥使用和污水灌溉等都导致了土壤重金属污染问题,农业部环保监测系统对全国24个省市的320个严重污染区域约548万公顷土壤调查结果显示80%的污染土壤类型为重金属污染,因重金属污染每年所导致的粮食减产量达1000多万吨,被重金属污染的粮食每年多达1200万吨,尤其以铅、汞、铜、和多种重金属复合污染最为突出,造成超过200亿元的经济损失;盐碱地危害方面,全球有9.52亿hm 2的土地有不同程度的盐碱化问题,尤其在干旱及半干旱地区的土壤盐碱化和次生盐碱化问题最为严峻,成为阻碍世界灌溉农业可持续发展的巨大障碍。中国盐碱地面积巨大,盐碱地类别繁多,各类盐碱地总面积高达9913.3万hm 2,其中潜在盐碱地面积约为1733万hm 2,现代盐碱地面积约为3693万hm 2,残余盐碱地约为4487万hm 2,分布于23个省、市、自治区的盆地、平原和滨海地区等,尤其在滨海、东北西部和华北地区分布广泛,每年由于盐碱化问题造成的净经济损失高达129亿元。盐碱地的改良、修复不仅可以确保农业的可持续发展,增加可耕种耕地总面积,更可以改善生态环境,促进区域经济、人文等发展。为此,国家发改委、科技部等10部门于2014年出台了《关于加强盐碱地治理的指导意见》等多项政策大力推动盐碱地修复技术研发并推广盐碱地改良项目。
现有的土壤重金属修复方法包括化学修复方法、材料吸附方法、工程淋洗方法、植物修复及微生物修复方法等。重金属化学修复方法包括采用化工产品对土壤pH进行调节,并对土壤中的污染物进行氧化还原、沉淀络合等化学反应,从而达到修复目标,例如重金属稳定化方法,但化学修复方法的适用范围窄,在不与其他生物、工程修复方法联用的情况下很难维持修复效果的长期稳定性,并且化学修复方法易产生次生污染问题;材料吸附方法利用粘土矿物、腐殖酸、生物炭等材料的结构特性对土壤重金属污染进行吸附,起到降低重金属生物有效毒性的作用,但吸附方法存在修复效果有限、在环境调节改变的情况下易再次出现解吸问题,并且吸附材料不能将隐蔽包裹起来的重金属吸附,导致修复效果不彻底、不具备长期稳定性;工程淋洗的成本高,耗水量大,工程量大,同时由于多次化学药剂的淋洗,改变 了土壤孔隙度,带走土壤营养成分,破坏土壤结构,大规模的土壤淋洗也带来水资源浪费问题,淋洗后的污水仍需进行处理;植物修复方法利用植被的吸收、吸附作用将污染土壤中的重金属或盐类吸收到植物体内,但存在修复过程缓慢、修复效果不彻底等问题。
现有的盐碱地修复方法包括物理修复法、化学修复法和生物修复法三个主要方法。物理修复方法包括水利工程措施、材料覆盖、材料掺拌法等。水利工程措施采用排水、冲洗结合的方式进行排灌,一方面降低地下水位,控制地下水位在临界深度以下,从而降低土壤盐分。但盐碱地地区大多集中在干旱、半干旱区域,排水冲洗水利工程造价昂贵,淡水需求量巨大,同时冲洗过程也带走土壤营养元素,限制了该方法的推广。覆盖、掺拌材料法通过覆盖材料减小土壤水分蒸发,从而降低含盐量,然而该方法对覆盖、掺拌材料的使用量要求巨大,往往需要多次施工,其修复改良效果也较为有限。盐碱地的化学修复方法利用化工产品降低土壤pH的同时置换或沉淀土壤种的盐类,但利用该方法修复易导致二次污染问题,化学反应的可逆性导致化学修复效果可能出现反弹,同时该方法如果不与其他方法结合使用,很难保持长期稳定效果;盐碱地生物修复方法分为植物修复和微生物修复方法,目前常用的成熟技术为植物修复法,通过筛选、利用适生耐盐植物,吸收土壤中的盐分,并降低土壤蒸发量,从而控制反盐现象,而植物修复方法是一种被动、长期的盐碱地改良技术,其往往需要辅助工程,且修复周期长。
以上各修复方法所存在的问题都限制了土壤重金属污染修复和盐碱地改良工程的展开,此外,重金属及盐类总量的降低也是土壤修复的一项重要难题,很多如化学吸附、固化稳定化、微生物等成熟方法只能降低重金属或盐类的生物有效毒性,但无法降低重金属及盐类总量。而针对重金属、盐碱地的微生物修复方法起步较晚,研究较少,目前成熟技术鲜有。微生物修复方法是近年来兴起的一种土壤修复方法,利用微生物的吸附、氧化还原、吸收代谢等作用针对重金属污染土壤的治理和盐碱地改良技术愈发得到重视,微生物修复技术结合了多种修复机理,效率高,成本低,修复过程绿色环保,是一种极具潜力的土壤修复技术。微藻作为微生物中重要一员,因其复杂球状多孔结构特点、高效繁殖速度、多元化官能团及分泌物、具备植物的光合作用等特性在土壤修复技术研究中得到大力重视。目前在印度、西班牙及国内已有部分关于固氮蓝藻改良盐碱地技术的研究,但微藻改良盐碱地的研究工作仍然较少,没有高效的盐碱地修复微藻,并且该方法也受限于水资源问题,难以在干旱地区土壤中应用,同时,藻类的死亡又会将重金属、无机盐等盐类重新释放到环境中,此外,一次性使用微藻进行污染土壤修复效果并不彻底,这些都限制了微藻土壤修复技术的发展。重金属修复方面,国内外已有部分应用螺旋藻等藻类修复污水中的重金属的研究,但对于重金属污 染土壤的微藻修复方法研究和成熟应用尚处于相对滞后状态。微藻本身具备快速、大量繁殖的特性,其无限制的生长繁殖在自然界中容易造成生态环境问题,但该特性结合微藻本身球状或杆状的多孔结构以及其细胞内所含有的多种活性物质却成为重要的资源利用研究对象。目前,关于可食用微藻、微藻蛋白质、微藻医学活性物质提取及微藻生物炭等研究方向尤为得到重视。微藻的资源化利用仍然存在诸多难点,如高效回收微藻的方法,微藻资源化加工、生物精炼的方法,微藻活性物质的研究等。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种土壤重金属污染和盐碱化问题的物理和微生物联合修复改良方法及微藻回收、资源化利用的方法。本发明将人造储水塘和微藻技术联合使用,应用人造储水塘收集干旱地区雨水并培育、扩繁微藻,利用微藻进行土壤修复,以循环灌溉的方式喷洒、回收微藻,将污染物从土壤中取出,实现土壤修复目标并通过絮凝、曝气气浮方法高效回收微藻,进行资源化利用。本发明结合了微生物土壤修复技术和工程淋洗修复手段,一方面,通过微藻群落的筛选、特殊培育、多步骤耐性驯化得到高效土壤修复微藻,应用该微藻配方自身耐盐碱机理改变重金属及盐类的化学形态,同时利用微藻的吸收、代谢、吸附及固定化作用等综合机理高效、快速针对土壤多种重金属、盐类污染问题进行修复。该修复过程中,微藻胞外分泌物、微藻细胞壁组成特性及微藻的沉积分解也改善了土壤的理化环境(pH、土壤营养盐成分、土壤孔隙度及结构等),同步实现土壤污染修复和肥力改良。另一方面,设计人造多塘灌溉系统,一塘多用,充分收集雨水、灌溉产生的径流水,解决干旱地区灌溉问题,利用多塘培育微藻,将微藻液多次喷灌到土壤中进行土壤修复,从田间冲洗回收部分微藻,实现重金属及盐类总量的降低,在储水塘中通过絮凝、曝气气浮及微藻回收装置的综合手段回收微藻,并进行资源化利用。其中,重金属及盐类总量的降低,一方面来自于滞留在田间的微藻对重金属及盐类的吸收、转化、吸附等作用,另一方面,通过冲洗过程,灌溉水自身会洗脱部分重金属及盐类,回流到人造多塘中,同时也将藻类冲洗回收到多塘中,直接把藻类所吸附、吸收的重金属及盐类从土壤中取出,从而实现多机理综合、高效、节水、低成本的多种污染土壤修复目标。
本发明的技术方案:
为实现本发明专利之目的,将采用以下技术方案:
本发明是一种人造多塘藻水循环灌溉系统修复土壤重金属污染及改良盐碱地并回收微藻进行资源化利用的方法,其特征步骤如下:
1)微藻筛选驯化及扩繁:根据污染物种类和浓度的不同,将杜氏耐盐藻、小球藻、固 氮蓝藻、叉鞭金藻、螺旋藻和从当地土壤中筛选的藻类中的几种按比例混合,该比例将由具体土壤污染物种类(重金属种类、盐碱地盐的种类)和污染程度确定,其中,针对盐碱地的修复将提高杜氏耐盐藻和固氮蓝藻的比例,对Cd 2+的修复将提高小球藻的比例,对Cu 2+的修复将提高叉鞭金藻的比例,对其他二价阳离子重金属的修复主要提高螺旋藻的比例等。筛选配置后的原微藻混合液放入培养基中进行半连续培养,所选择的培养基为SE改进型保种培养基、BG11培养基、BBM培养基和掺有当地土壤的半固体培养基,其改进特点在于,在培养基中引入当地土壤浸提浓缩液组分,并在应用以上改进培养基保种培养后,再用该当地土壤浸提浓缩液进行若干周期的培养,而后进行驯化,根据培养过程中藻种质量、微藻生活力强弱和生长旺盛情况,适当改变培养基配方,培养基初始配方如下:
SE改进型保种培养基:
Figure PCTCN2018073247-appb-000001
其中的土壤浓缩提取液制备方法为:选取待修复地区周边的较洁净土壤100g,放置于烧杯中,瓶口用透气塞封口,加入1L的去离子水,水浴2小时,经冷却后取上清液,再将上层清液在40℃下蒸发掉90%的液体,剩余部分即为土壤提取液。其中的微量元素营养液根据不同微藻组合而异,主要成分为H 3BO 3,MnSO 4·7H 2O,ZnSO 4·7H 2O,MnCl 2·6H 2O,CuSO 4·5H 2O。
BG11培养基:
Figure PCTCN2018073247-appb-000002
A5微量元素组成:
Figure PCTCN2018073247-appb-000003
BBM固体培养基:
Figure PCTCN2018073247-appb-000004
Figure PCTCN2018073247-appb-000005
应用以上培养基进行初步保种,在室温25℃、合适的光照条件下(光照8000勒克斯),使用100-3000ml的三角烧瓶,经严格消毒(高温消毒)后使用,采用半连续培养方式,在一次培养的基础上,当藻类细胞达到一定浓度后,待群落稳定,每天从培养基中收获一部分浓藻液,并加入新的营养液继续培养,一般第一次培养从育种到微藻细胞群落稳定,生长周期为6-8天。所收获的浓藻液将进行耐性驯化。驯化培养方法根据污染物种类而定,具体步骤如下:
●所有收获的浓藻液都放置于当地土壤浓缩浸提液中进行初步适应性驯化,驯化周期为2-3个生长周期,镜检活性强、繁殖快、生物量大的微藻群落进行下一步耐性驯化。
●针对NaCl类型盐碱地,将NaCl浓度从初始浓度逐渐增加到8g/L,经耐盐度驯化后,选取镜检活性强(主要体现细胞形态完整,色素体完整)、水质检测NaCl浓度低的微藻配方进行下一步驯化。
●针对其他重金属,将该种重金属离子浓度逐渐增加到待修复区域重金属污染浓度平均值的1.2~1.5倍,经耐重金属驯化后,选取镜检活性强、水质检测重金属浓度低的微藻配方进行下一步驯化。
●针对其他盐类,将培养基中该盐类的浓度逐渐增加到与待修复区域相同的浓度,经2-3个周期驯化后,选取镜检活性强、水质检测重金属浓度低的微藻组项进行下一步驯化。
经耐性驯化后的微藻进行环境适应性驯化,主要模拟待修复区域土壤背景值的氮、磷、有机碳源含量及土壤pH值,将营养液中相应的指标逐渐降低至该背景值,经过3-5个生长周期的驯化后,选取镜检活性较强的藻种,选用当地污染土壤提取液,再驯化3-5个生长周期,选取优势微藻种群,进行耐旱性驯化。耐旱性驯化过程主要目的是使得所筛选微藻可以适应土壤的生存环境,可以在土壤环境中维持较长时间的生存、新陈代谢和繁殖过程。逐渐降低培养基中水的比例,增加单位面积微藻的接种重量,继续上述驯化过程,直至培养基固体成分与水的重量比在1:4~2:1之间,经过2-3个生长周期,完成最终驯化。
随后在实验室进行扩繁培养,采集当地雨水和污染土壤按2L雨水对1Kg当地土壤的比例,将水土搅拌成泥浆状,将混合的泥浆与培养基按体积比1:4~1:8的比例接种,在25℃、 10000-30000勒克斯的光照、pH7.0~9.0(针对盐碱地可适当提高培养调节的pH),在密闭反应容器中培养7天,经过滤后,检测微藻细胞干重和活性。所得微藻即为强效土壤重金属污染/盐碱地修复微藻藻种。
2)场地布置:根据场地情况、设备情况及工程能力,储水塘、防渗层、导水渠的设计尺寸各异。针对普遍中等规模场地,其具体布设和尺寸情况如下:
2.1)对于渗透系数较差、污染集中在表层土(0-20cm)的场地,无需将污染土壤开挖布设防渗层,将场地分割为若干块正方形场地(建议面积20*20m 2),每块场地中央建设人造储水塘,储水塘塘体为半球体(建议尺寸为半径为0.1-10m),半球体人造储水塘整体位置低于周围土壤,以便收集回流的径流水,储水塘四周做水泥硬化防渗,以储存雨水。将地表平整为向中心储水塘以1~90°角倾斜的形式,在该区域内的对角线处挖出宽为1-200cm、深度为1-50cm的导水渠,并采用HDPE膜和土工布将导水渠底部进行防渗处理,周围土壤中的雨水、灌溉水会经过自然倾斜角度直接流入中心储水塘或汇聚到导水渠中,形成径流,流入中心储水塘。为更好的调节雨水和灌溉水在场地中的停留时间并有效控制藻液的回收量,在导水渠与储水塘连接端端口开始,每间隔一定距离设有一处控水阀门,该阀门由两部分组成:密闭阀门体和滤网格栅。通过调节控水阀门位置,可以调节雨水、灌溉水及藻水在场地内的分布和水力停留时间,控制回流速度、回收率,此外,滤网格栅可以防止场地中的异物、大块碎石等进入储水塘内,对储水塘系统造成不良影响。
2.2)针对渗透系数大、保水能力差的场地,首先将待修复区域土壤挖出,堆放于场地空闲处,使用挖机将土地平整,并使场地向中央储水塘以一定角倾斜(1-90°),按照从下到上布设土工布、HDPE膜、土工布的顺序布设整个区域防渗层,每个储水塘的辐射范围建议为20*20m 2的正方形区域(具体大小根据场地及设备情况可变)。防渗层布设完成后,将待修复污染土壤均匀回填到场地上,回填高度为1-50cm,回填时,正方形对角线区域留出导水渠,不做土壤回填,导水渠宽度1-200cm,导水渠中每间隔一定距离布设与2.1中相同的控水阀门。
3)储水塘接种,扩繁培育:将步骤1中所得藻种液与现场储水塘中的水源按体积比1:500的比例接种,在当地天然环境下露天培育9-13天。在池中扩繁阶段,传感器实时监测水体氮、磷、DO、pH、微藻生物量、重金属含量等数据,该数据将反馈给终端PC,根据实时监控数据对池中的营养成分进行调整,可通过终端PC控制开启营养液储存罐,通过喷头调节喷洒距离将营养液均匀喷洒到储水塘中,确保水池接种过程微藻的健康、快速扩繁。
4)藻水喷洒:待步骤2中所述的储水塘接种扩繁稳定,微藻生物量稳定,微藻个体活动性较强时,完成初步储水塘接种培育,进行藻水喷灌和灌溉补水,其具体操作方法为:喷 洒前,关闭控水阀门,使用藻水吸收盘(7)反向曝气,配合曝气气浮装置(14),缓慢改变两个装置的深度,进行对流式曝气,以达到充分将藻水混合的目的,持续以上操作5分钟后,停止藻水吸收盘(7)的曝气,保持曝气气浮装置(14)继续曝气工作,将藻水吸收盘停留在水池中部深度处,将双向泵(6)调节到朝向喷头方向,开始向喷头供水,调节喷洒调节器和喷头孔径,实现不同距离的藻水灌溉,控制出水速度,缓慢、多次移动式喷洒藻水,使得最终田间藻种接种量在0.03-0.05g/m 2,不断调节喷灌半径,实现辐射区域均匀的藻种接种。
5)喷灌:保持控水阀门关闭,藻水喷洒完毕后,根据土壤渗透系数和保水情况进行适当喷灌,以确保微藻高效存活并可促进微藻的均匀扩散。喷灌的水源在储水塘储水充足的情况下,与藻水喷洒同出一塘,不同之处在于取消曝气并调节藻水吸收盘在塘中的位置,必要时先适当向储水塘中喷洒藻类絮凝剂,适当沉淀絮凝微藻到储水塘底部,再进行喷灌。具体操作方法如下:停止曝气气浮装置以及藻水吸收盘的曝气,使人造储水塘处于平静状态,维持该状态小时以上,待微藻集中到水面上(例如蓝藻的趋光性,多聚集在水面)或絮凝到水底后,将藻水吸收盘位置下降,使之处于储水塘深度约为0.5-0.7米处,缓慢从收集盘向喷头供水,此时所供水为浓度较低的藻水,供水速率和总量不宜过大,确保土地达到湿润状态(土壤饱和持水度的60%)即可,喷灌过程少量、多次进行。
6)养护:修复区域被接种微藻后需进行养护,养护阶段根据污染物类别、污染物浓度及修复目标和现场水文地质调件略有差异,整个养护过程保持控水阀门的关闭状态。
6.1)针对盐碱地的修复,其养护周期较长,步骤较为复杂,具体操作如下:一般,在向场地中进行藻水喷洒后,需对修复区域土壤进行一个月的养护,需要频繁进行喷灌补水,并根据微藻在盐碱地中的存活、繁殖情况,判断是否需要进行若干次补充喷洒藻水以接种微藻,在喷洒接种微藻后的当天需要进行一次大量补水,随后观察微藻在场地中的存活及水平、垂直分布情况,根据场地情况可逐渐减少补水量。此外,盐碱化程度不同,土壤的贫瘠程度各异,在盐碱化程度高、土壤过于贫瘠的场地,其土壤环境不利于或达不到微藻生存的基本调件,此时需要借助喷灌系统启动营养液储罐,向该区域土壤中喷洒适量营养液,以确保微藻的首次存活和健康扩繁。盐碱地的修复周期较长,往往需要几个周期的修复,其时间跨度可达一年或几年,每年可能需要1次到2次的修复,该修复过程可与正常农耕灌溉过程一并完成,以节省工程劳动力。
6.2)针对常见重金属污染(Pb、Cr、Cd、Ni、Cu、As、Hg、Zn),其养护周期较短,一般,第一次向土壤中接种微藻后,需要一周的养护时间,对土壤进行适量补水或根据微藻存活情况补充喷洒接种微藻。在一周的养护周期内,补水量逐渐递减,当微藻种群发育繁殖稳定后, 便无需继续养护,只进行定期土壤污染物监测,根据田间微藻种群发展情况,可利用微藻回收系统,按比例回从田间和储水塘中收一定量的微藻。
7)微藻场地回收:微藻在待修复土壤中扩繁量不宜过大,会对土壤本身结构造成影响,微藻从场地中的回收,可以控制微藻在土壤中的含量,并可将污染物从场地中彻底取出,实现重金属、盐类总量的降低。将控水阀门打开,保持储水塘中呈无曝气状态,当人造储水塘中微藻浓度过高时,先向人造储水塘中投加絮凝剂,将微藻絮凝沉淀,使水质变清,再将藻水吸收盘位置至于储水塘0.6-0.8米深度,调节喷头喷水半径及喷水量,使水大量、快速喷洒到待修复区域,使该区域形成瞬时径流,控制控水阀门,打开除最后一道控水阀门外所有其他阀门,使径流水携带微藻通过导水渠快速流回至导水渠末端,并逐渐打开末端控水阀门,使径流形成的藻水缓慢流回到储水塘中而不至于产生较大湍流。冲洗过程,大量喷水持续较短时间,每次30-60秒,待径流水全部留回水池中,水池中的水重新稳定后,再次启动快速大量喷水,根据情况,反复几次冲洗,直到达到既定目的,保证有适量微藻保留在待修复土壤中,另一部分微藻被回收到中央人造储水塘中。
8)微藻水池回收:通过终端PC或人工手动操作,可开启絮凝剂储存罐,通过调节喷头的辐射半径范围到0.1-1m,将絮凝剂均匀喷洒到中央人造储水塘中,在喷洒絮凝剂的过程中,开启两个曝气装置,进行缓慢对流曝气,使絮凝剂与微藻充分接触,絮凝沉淀,待微藻絮凝成团后,关闭上端曝气装置,增大下端曝气气浮装置功率,使絮凝成团的微藻定向漂浮到水面,集中回收,再做进一步资源化利用。定期的絮凝气浮回收微藻也可保证储水塘中水体的洁净,确保正常的灌溉工作不受微藻大量繁殖的影响。
9)水质调节:人造储水塘中所收集的雨水、灌溉回流水携带部分微藻和重金属/盐类污染物,会对人造储水塘中灌溉水的水质造成影响。在整个藻水循环灌溉、回收过程中,借助传感器和水样采集实时检测人工储水塘中的水质情况,当重金属含量超标、盐类总量超标或微藻生物量过高时,通过喷头、喷洒调节器和絮凝剂储罐的调节,向多塘水体中投加重金属絮凝剂、盐类沉淀絮凝剂或微藻絮凝剂,并定期回收微藻,清理塘低沉淀,以确保多塘水质安全。在微藻喷洒工作结束后,该多塘系统中的水还需继续作为灌溉用水,因此,需定期对多塘水质进行监测、净化。
10)微藻资源化利用:所收集的微藻进行纯化处理及脱水后,进行碱活化、预处理,经过不同温度和含氧量的低温水热裂解后制备成微藻生物炭,具备高效吸附能力,可用于土壤重金属修复、土壤改良或与其他药剂、营养剂联合使用具备缓释功能。
有益效果:
本发明实现了广谱、高效、低成本修复土壤多种重金属污染及盐碱地问题,解决干旱地区土壤修复耗水量大的问题,保证了修复过程绿色环保,充分利用当地水文地质等环境条件,使得修复过程对生态扰动最小化。与传统化学修复技术(固化、稳定化)相比,该发明可以实现广谱重金属修复,并在降低重金属总量的同时不破坏土壤结构,增加土壤肥力,而传统固化稳定化技术不能降低土壤重金属总量,传统淋洗技术破坏土壤结构,带来土壤养分流失问题;与传统植物修复方法相比,该发明可以实现高效、快速的对土壤重金属进行修复,减小种植植物、回收植物和后期处置的工程量;与传统微生物修复方法相比,大部分微生物修复方法无法解决重金属污染土壤的修复问题,同时微生物方法针对盐碱地的改良效果有限,而利用微藻对土壤中的重金属进行修复研究仍处于空白阶段,在盐碱地改良方面,现有利用微藻改良盐碱地的技术存在耗水量巨大、微藻死亡后盐分被重新释放到土壤中、修复效率低等问题。通过使用本发明的技术手段,充分利用当地雨水并充分收集径流水,实现节水目的,使得在干旱、半干旱地区的土壤修复成为可能;采用混合微藻群的配方,经过特殊驯化,可实现快速稳定扩繁、高效土壤修复的目的;同时,微藻按比例的回收,可以彻底将微藻所吸收、吸附、代谢转化的重金属和盐分从土壤中剥离出来,实现降低总量的目标;在盐碱地修复方面,该发明也可短周期、高效率改良盐碱地,降低盐碱地盐度,调节盐碱地pH,改善土壤营养结构和土壤本身结构,部分死亡微藻在土壤表层所形成的微藻层可有效防止反盐现象,从而经过数个周期修复,彻底改良盐碱地。
附图说明
附图1是一种用于修复土壤污染的多塘藻水循环灌溉系统的俯视图
附图2是该多塘结构的侧视结构示意图
图中:1、导水渠;2、控水阀门;3、储水塘;4、喷头;5、喷洒调节器;6、双向水泵;7、藻水吸收盘;8、营养液储灌;9、微藻絮凝剂储罐;10、智能开关;11、水质监测仪;12、终端PC;13、防渗层;14、曝气气浮装置。
具体实施方式
首先对附图中显示的示例性系统及其组成元件进行描述。
一种用于修复土壤污染的多塘藻水循环灌溉系统共包括土壤重金属和盐碱地修复微藻培养系统、人造多塘集水系统、智能喷灌系统、微藻回收系统及微藻资源化利用系统5个子系统。其中,土壤重金属和盐碱地修复微藻培养系统在实验室进行针对不同重金属和盐碱地的高效耐性及修复型微藻的筛选、培养和驯化,通过该系统获得特异性高效修复微藻;人造多塘集水系统由导水渠1、控水阀门2、储水塘3和防渗层13组成,防渗层13协助导水渠1使 雨水、灌溉水更好形成径流,通过控水阀门2的调控可调节回收、收集速率,控制藻水及灌溉水在田间的水力停留时间,最终将部分雨水、藻水收集到储水塘3中;智能喷灌系统由藻水吸收盘7、双向泵6、喷洒调节器5、喷头4、智能开关10及终端PC12组成,通过终端PC12的远程指令输入,调控智能开关10的开闭,藻水吸收盘7通过上下移动将某一深度藻水吸入喷洒管道,通过双向泵6的作用将水输送到喷洒调节器5,喷洒调节器5调控喷洒半径、喷洒水量,通过喷头4的方向调控将藻水或灌溉水喷洒到田间特定位置;微藻回收系统由导水渠1、控水阀门2、储水塘3、微藻絮凝剂储罐9、曝气气浮装置14及防渗层13构成,通过智能喷灌系统快速、大量喷灌将微藻通过导水渠1及控水阀门2的调控回收到储水塘3中,通过喷灌系统将微藻絮凝剂储罐9中的絮凝剂喷洒到储水塘3中,对藻类进行絮凝,利用曝气气浮装置14将絮凝微藻进行浮选回收;微藻资源化利用系统将收集到的微藻进行水热处理,在较低温度情况下制备微藻生物炭,所得生物炭具备小球多孔结构,具有较好的吸附性能。
接下来描述本发明的一些可行实施方式。
实施例1:
改良某滨海地区中度盐碱化土地
步骤1:微藻群配制及驯化
选取两种固氮蓝藻和一种杜氏盐藻混合配制成微藻群,固氮蓝藻A、固氮蓝藻B、杜氏盐藻比例为2:1:1、3:2:1、1:1:1和1:1:3,共四组不同组合。采用SE改进保种培养基:
SE改进保种培养基
Figure PCTCN2018073247-appb-000006
其中的土壤提取液制备方法为:选取待修复地区周边的较洁净土壤100g,放置于烧杯中,瓶口用透气塞封口,加入1L的去离子水,水浴2小时,经冷却后取上清液,再将上层清液在40℃下蒸发掉90%的液体,剩余部分即为土壤提取液。其中的微量元素营养液主要成分为260mg H 3BO 3,15mg ZnSO 4·7H 2O,120mg MnCl 2·6H 2O,5mg CuSO 4·5H 2O,加蒸馏水定 容至1L。
应用以上培养基进行初步保种,在室温25℃、合适光照条件下(光照8000勒克斯),使用100-3000ml的三角烧瓶,经严格消毒后使用,采用半连续培养方式,在一次培养的基础上,经过8天的生长周期,群落达到稳定后,每天收获10%的浓藻液,并加入新的营养液继续培养。所收获的浓藻液进行一个周期的当地土壤浓缩提取液培养,随后进行耐盐性驯化培养,由于该实施例中为滨海类型盐碱地,主要引起盐碱化的成分为NaCl,针对NaCl浓度进行抗性驯化:将NaCl浓度从初始浓度逐渐增加到8g/L,其中,设计NaCl梯度为1g/L、2g/L、4g/L、6g/L、8g/L,每个梯度维持5天的培养周期,每个周期结束,选取镜检活性强(主要体现细胞形态完整,色素体完整)、水质检测NaCl浓度低的微藻组项进行下一步驯化。
经过耐盐驯化后,将培养基中的氮、磷、pH、有机碳源逐渐调整到与待修复盐碱地接近的状态,在该条件下驯化3个周期,所得微藻进行耐旱驯化,在培养基中逐渐加入土壤而减少液相,直至土壤与液体质量比为2:1,选取镜检活性强、扩繁速度快的微藻混合群落作为最终筛选微藻群,进行随后步骤,最终固氮蓝藻A、固氮蓝藻B和杜氏盐藻的混合比例为2:1:1的组分成为优势藻群。
步骤2:场地布置
本实施例1的待修复区域为滨海盐碱地,其土壤孔隙度小,透水、透气和保水能力差,土壤易于板结,土壤有机质含量低,C、N矿化程度低,场地无需进行防渗层布设。如图1所示,该待修复区域为15*15m 2的正方形场地,将该盐碱地进行松土,松土深度20cm,松土后将土地向中心区以5°的角度倾斜平整,在该区域中心修建半径为1m的半球体储水塘3,在该正方形区域的对角线处修建宽度20cm、深度20cm的导水渠1,导水渠1分别与储水塘3相通,如图1所示,导水渠1底部布设土工布和HDPE膜所组成的防渗层,在导水渠1与储水塘3相通的那一端端口开始,每2m距离设有一处控水阀门2,控水阀门2由密闭阀门体和滤网格栅组成。
步骤3:设备连接
按照图2所示,将喷洒系统、曝气系统和雨水回收系统的相应装置组装到实施例1的待修复区域,其中喷洒系统自下而上由藻水吸收盘7、双向水泵6、喷洒调节器5和喷头4组成,藻水吸收盘7可上下移动调节藻液或灌溉水进水位置,双向水泵6通过方向和压力改变可实现向田间喷洒或向储水塘曝气,喷洒调节器5可控制喷洒范围、时间、频次,喷头控制喷洒方向和喷洒水流大小;曝气系统由曝气气浮装置14和双向水泵6组成,将双向水泵6的方向调整为向储水塘曝气,通过曝气气浮装置14的上下调节、孔径调节,可实现对储水塘内藻水 的不同程度曝气及混拌作用;雨水回收系统由导水渠1、控水阀门2、储水塘3及防渗层13组成,雨水汇集导导水渠1后通过控水阀门2的调节控制雨水回流流速,防渗层13协助汇集雨水形成有效径流,最终将雨水回收导储水塘3中。同时,将上述系统与智能开关、监测传感器与终端PC连接,实时监控数据,调试手动操作各个调节阀门、开关的可靠性。
步骤4:储水池微藻扩繁
打开控水阀门2,收集雨水,在雨水不足情况下,人工向储水塘3中补充当地水源,使储水塘3中储水深度大于0.75m。将筛选驯化过的微藻群分批次投入到储水塘3中,共3次,每次投放干重为500g的强化微藻群,投放时间间隔为2天。根据水质监测传感器11的数据和微藻群落扩繁、生长情况,应用营养液储罐8和喷头4适当向储水塘3中添加营养液,确保微藻扩繁顺利。
步骤5:土壤微藻接种
经过16天的扩繁,微藻大量扩繁,向待修复区域中少量、多次、缓慢喷洒微藻,喷洒微藻与喷水灌溉间歇式进行,确保微藻水平、垂直分布均匀,最终使得微藻在该盐碱地的生物量为0.05g/m 2,整个接种过程保持控水阀门关闭。
步骤6:养护
养护阶段,实时关注微藻在盐碱地中的生长情况,适当补充水分,当微藻分布不均匀时,可通过人工耕作方式适当对微藻分布进行干预。养护周期为1个月。养护阶段对塘内水藻进行人为调控,当微藻生物量过高时,进行絮凝、气浮回收,确保多塘内水质可以满足灌溉用。
步骤7:回收
利用该回收系统,通过打开控水阀门2向土壤中大量、快速而短暂喷灌清水,将微藻按一定比例从土壤中回收到储水塘3,该回收、冲洗过程分多次进行,本场地共进行8次冲洗回收。藻类回收到储水塘3内后,在储水塘3中进一步利用絮凝剂使微藻絮凝成团,利用曝气气浮装置14和回收装置定量回收微藻,保证储水塘3中的水质并定量回收微藻,资源化再利用。在冲洗5次后,监测到储水塘中的Na +含量过高,进行一次人工加水稀释,并回收塘中40%的微藻,以降低喷灌藻水的含盐量。
该发明所涉及的微藻培育、生长的最佳温度在22~28℃,需要土壤保持一定湿度,土壤保持田间饱和持水度的60%以上,除冬天外,该方法均可以在户外情况下进行修复。用该发明方法处理的盐碱地,经过一个周期的处理,土壤孔隙度增加35%,土壤透气、透水性增加,土壤中N、P、有机物含量大幅提升,土壤持水能力提升40%,土壤全盐总量下降34%,土壤可交换态盐量下降47%,土壤pH由8.7下降到7.5。
实施例2:
修复某Cd污染土壤实例
步骤1:微藻群配制及驯化
选取小球藻、固氮蓝藻、螺旋藻混合配制成微藻群,小球藻、固氮蓝藻和螺旋藻的比例为3:1:1、3:2:1、1:1:1、1:1:2和2:1:2,共五组不同组合。采用BG11改进型保种培养基:
BG11培养基
Figure PCTCN2018073247-appb-000007
A5微量元素组成
Figure PCTCN2018073247-appb-000008
其中的土壤提取液制备方法为:选取待修复地区周边的较洁净土壤100g,放置于烧杯中,瓶口用透气塞封口,加入1L的去离子水,水浴2小时,经冷却后取上清液,再将上层清液在40℃下蒸发掉90%的液体,剩余部分即为土壤提取液。
应用以上培养基进行初步保种,在室温25℃、合适光照条件下(光照8000勒克斯),使用1000ml的三角烧瓶,使用高温高压消毒锅,经严格消毒后使用,采用半连续培养方式,在一次培养的基础上,经过8天的生长周期,群落达到稳定后,每天收获10%的浓藻液,并加入新的营养液继续培养。所收获的浓藻液进行耐盐性驯化培养,由于该实施例中为Cd污染土壤,Cd总量为500mg/kg,Cd水浸出量为350mg/kg,针对Cd 2+浓度进行抗性驯化:将Cd 2+浓度从初始浓度逐渐增加到0.7g/L,其中,设计Cd 2+梯度为0.1g/L、0.2g/L、0.3g/L、0.5g/L、0.7g/L,每个梯度维持5天的培养周期,每个周期结束,选取镜检活性强(主要体现细胞形态完整,色素体完整)、水质检测Cd 2+浓度低的微藻组项进行下一步驯化。
经过耐盐驯化后,将培养基中的氮、磷、pH、有机碳源逐渐调整到与待修复盐碱地接近 的状态,在该条件下驯化3个周期,所得微藻进行耐旱驯化,在培养基中逐渐加入土壤而减少液相,直至土壤与液体质量比为2:1,选取镜检活性强、扩繁速度快的微藻混合群落作为最终筛选微藻群,进行随后步骤,最终小球藻、固氮蓝藻和螺旋藻的混合比例为3:1:1的组分成为优势藻群。
步骤2:场地布置
本待修复场地为Cd污染棕地,场地为20*20m 2的正方形区域,其土壤渗水能力较强,保水能力较弱,首先对待修复区域进行防渗层布设。首先将待修复区域土壤用挖机开挖,将待修复土壤堆放于场地空闲处,将下层土壤平整,使场地四周向中央储水塘3以3°角倾斜,按照从下到上布设土工布、HDPE膜、土工布的顺序布设整个区域防渗层13。在待修复区域中心使用挖机建造半径为1米的储水塘3,平整储水塘3表面,使用水泥做硬化防渗层。将待修复污染土壤均匀回填到场地上,回填高度为30cm,回填时如图1所示,在正方形对角线区域留出宽度为20cm的导水渠1,导水渠1中每间隔2m布设控水水阀2。
步骤3:设备连接
按照图2所示,将喷洒系统、曝气系统和雨水回收系统的相应装置组装到实施例2的Cd污染待修复区域,将智能开关10、监测传感器11与终端PC12连接,实时监控数据,调试手动操作各个调节阀门、开关的可靠性,并校验传感器传输数据与实验室检测数据的准确性。
步骤4:储水池微藻扩繁
打开控水阀门2,收集雨水,在雨水不足情况下,人工向储水塘3中补充当地水源,使储水塘3中储水深度大于0.75m。将筛选驯化过的微藻群分批次投入到储水塘3中,共3次,每次投放干重为1kg的强化微藻群,投放时间间隔为2天。根据水质监测传感器11的数据和微藻群落扩繁、生长情况,应用营养液储罐8和喷头4适当向储水塘3中添加营养液,确保微藻扩繁顺利。
步骤5:土壤微藻接种
经过12天的扩繁,微藻大量扩繁成功,向待修复区域中少量、多次、缓慢喷洒微藻,喷洒藻水过程保持曝气装置14持续曝气,喷洒微藻与喷水(低浓度藻水)灌溉间歇式进行,确保微藻水平、垂直分布均匀,最终使得微藻在该Cd污染场地的生物量为0.07-0.1g/m 2,整个接种过程保持控水阀门关闭。
步骤6:养护
养护阶段,实时关注微藻在Cd污染土壤中的生长情况,适当补充水分,当微藻分布不均匀时,可通过人工耕作方式适当对微藻分布进行干预。养护周期为2周。养护过程中,实 时对水中重金属Cd 2+的含量进行监测,在冲洗几次后,监测到储水塘3中的重金属Cd 2+的含量明显上升,进行步骤7中所述的微藻回收和重金属絮凝处理。
步骤7:回收
利用该回收系统,通过打开控水阀门2、向土壤中大量、快速而短暂喷灌清水,将微藻按一定比例从土壤中回收到储水塘3。在储水塘3中进一步利用絮凝剂使微藻絮凝成团,利用曝气气浮装置14和回收装置定量回收微藻,保证储水塘3中的水质并定量回收微藻,资源化再利用。养护进行1周时,储水塘3中微藻生物量交高,水体重金属Cd 2+含量较高,在絮凝储罐9中首先添加微藻絮凝剂,通过喷头4向储水塘3内投加微藻絮凝剂,通过曝气气浮对微藻进行回收,经过本次回收,储水塘3内微藻含量降低35%。随后在絮凝剂储罐中加入重金属Cd 2+絮凝剂,通过喷头向储水塘3内水体投加Cd絮凝剂,降低水体内80%的Cd 2+,进行池底絮凝物质清理,该塘内水体可继续作灌溉及藻水喷洒之用。
该发明所涉及的微藻培育、生长的最佳温度在23~26℃,需要土壤保持一定湿度,土壤保持田间饱和持水度的60%以上,除冬天外,该方法均可以在户外情况下进行修复。用该发明方法处理的Cd污染场地,经过一个周期(2周)的处理,土壤孔隙度增加28%,土壤透气、透水性增加,土壤中N、P、有机物含量大幅提升,土壤持水能力提升20%,土壤总Cd下降60%,土壤可交换态盐量下降74%。
需要指出,这里针对本发明的方法描述的各种特征适用于本发明的系统中,同样,这里针对本发明的系统描述的各种特征也适用于本发明的方法中。

Claims (10)

  1. 一种利用多塘藻水循环灌溉修复土壤并回收资源利用微藻的方法,其特征在于:用人造水塘与藻水灌溉相结合的方法修复重金属污染及盐碱地土壤,以人造多塘收集干旱地区雨水,通过循环灌溉将筛选驯化的微藻液喷洒到污染土壤中,微藻停留在土壤中一段时间进行土壤修复,通过循环灌溉将微藻回收到水塘中并通过絮凝气浮收获微藻,从而将污染物从土壤中取出并进行藻类资源化利用。
  2. 根据权利要求1所述的利用多塘藻水循环灌溉修复土壤并回收资源利用微藻的方法,其特征在于:实验室培育驯化重金属\盐碱地修复藻株,利用人造多塘收集雨水并将藻株在人造水塘中扩繁,通过智能喷灌单元将藻水多次喷洒到污染土壤中,通过快速喷灌从土壤中回收微藻至人造水塘,将污染物从土壤中取出,利用微藻回收系统从多塘回收微藻,净化水体及土壤,将藻类收集后进一步资源化利用。
  3. 一种用于修复土壤并回收资源利用微藻的多塘藻水循环灌溉系统,其特征在于:包括土壤重金属和盐碱地修复微藻培养系统、人造多塘集水系统、智能喷灌系统、微藻回收系统及微藻资源化利用系统,微藻培养系统培养强效修复微藻,通过人造多塘扩繁微藻,同时人造多塘系统收集雨水及灌溉经流水,将藻液和灌溉水通过只能喷灌系统向田间喷灌,最终通过回收系统回收微藻并进行资源化利用,多系统通过传感器、终端PC及自动化控制程序相互配合,实现土壤修复目标。
  4. 根据权利要求3所述的多塘藻水循环灌溉系统,其特征在于:在所述土壤重金属和盐碱地修复微藻培养系统中,所述微藻群由固氮蓝藻、杜氏盐藻、螺旋藻、小球藻、叉鞭金藻和当地优势藻种中的至少两种按一定配比混合配制而成,针对土壤不同浓度的镉、铬、镍、砷、铅、汞、铜、锌污染及盐碱干旱问题有不同微藻配方,所配制的微藻群进行耐性驯化后在多塘中扩繁,用于土壤重金属污染修复及盐碱地改良。
  5. 根据权利要求3所述的多塘藻水循环灌溉系统,其特征在于:所述人造多塘集水系统包括导水渠、至少2个控水阀门、储水水塘以及至少两个水质监测传感器,集水系统以人造水塘为核心,导水渠向水塘中心以1-90度坡倾斜,其末端与人造水塘连接,导水渠贯穿待修复区域,宽度为1-200cm,深度为1-50cm,导水渠下部布设有由土工布和HDPE膜等防水材料组成的防渗层,导水渠中部及与储水塘连接处设有多个控水阀门,每个控水阀门之间间隔一定距离,用以调节水力停留时间和田间藻水、灌溉水回流速率,若干水质监测传感器分布于水塘不同位置,将水位、DO、氨氮、磷、温度、TOC、pH、微藻 生物量、重金属含量等多个指标数据实时传输到终端PC,根据反馈数据对水塘内水质进行调节,通过该集水系统实现干旱地区雨水收集、藻水回收和微藻扩繁的功能。
  6. 根据权利要求3所述的多塘藻水循环灌溉系统,其特征在于:所述智能喷灌系统包括藻水吸收盘、双向泵、喷洒调节器、喷头及导管,藻水吸收盘深度可调,盘体上下移动可调节所吸收喷洒的藻水的浓度,盘体通过导管与双向泵连接,并与喷洒调节器串联,共同调节喷头压力、流量、喷洒辐射半径,双向泵可通过盘体向塘内曝气搅拌使微藻均匀分布,所述喷头出水量在0.1~500方/小时,喷洒半径在0.1m~30m,喷洒方向为全方向,为避免喷头某些喷孔堵塞造成喷洒不均,喷头可360°旋转,该喷灌单元可实现向待修复区域喷洒不同浓度藻水、灌溉冲洗、向塘内投加营养液或絮凝剂的功能。
  7. 根据权利要求3所述的多塘藻水循环灌溉系统,其特征在于:所述微藻回收系统包括絮凝剂、絮凝剂投加喷头、曝气气浮装置及微藻打捞回收设备,利用喷灌单元中的喷头将特制微藻絮凝剂或重金属和盐类絮凝剂投加到水塘中,将塘内微藻絮凝成团并絮凝沉淀污染物,曝气气浮装置将絮凝的微藻团气浮到水塘表面,应用打捞回收设备将微藻回收。
  8. 根据权利要求3所述的多塘藻水循环灌溉系统,其特征在于:在所述土壤重金属和盐碱地修复微藻培养、驯化系统中,多种培养基配方针对不同微藻组合,培养基中加入从当地土壤浸提、浓缩的营养液,提升微藻适生能力,驯化分多步进行,将污染物分浓度梯度与液体培养基及掺入当地土壤的半固体培养基混合,进行多步驯化,驯化过程实现藻液对盐碱及重金属环境的耐性,并使藻液具备吸附、吸收、代谢和转化污染物的能力。
  9. 根据权利要求3所述的多塘藻水循环灌溉系统,其特征在于:在所述微藻回收资源化利用系统中,所回收的微藻经纯化及修饰预处理后采用低温热解方法制备吸附性生物炭材料,通过不同修饰手段和热解方法制备针对镉、铬、镍、砷、铅、汞、铜、锌及盐碱地修复的靶向吸附材料。
  10. 根据权利要求3所述的多塘藻水循环灌溉系统,其特征在于:终端PC通过分析传感器实时传输的数据,可实现自动化运行和人工操作相结合,对控水阀门的开闭程度、藻水喷洒半径、藻水喷洒量、营养液及絮凝剂的投加进行自动控制或人工操作,系统控制参数直接影响修复效果,终端PC中设计了最优控制参数,包括:通过控水阀门控制的藻水和灌溉水的水力停留时间,喷头、喷洒调节器和双向泵共同控制的喷灌量、喷灌半径、速率、频率、次数,从田间回收的微藻的比例,水塘内微藻的回收比例。
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