专利名称：去除土壤中多环芳烃残留的受控堆肥系统与方法
技术领域：
本发明属于土壤生物修复技术领域，特别涉及去除土壤中多环芳烃残留的受控堆肥系统与去除土壤中多环芳烃残留的受控堆肥系统的应用方法。
背景技术：
多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbon，简称PAHs)指具有两个或两个以上苯环的一类有机化合物，其共轭体系使PAHs具有低溶解性和较强的憎水性，能强烈地分配到土壤有机质中，土壤已成为PAHs的重要归宿，承担着其90%以上的环境负荷。已有研究表明，我国大部分地区如东部沿海及北京、天津、江苏、山东、河北、浙江、珠江三角洲、贵州、福州等地均有不同程度的污染，且我国土壤PAHs污染程度呈不断增加的趋势，许姗姗等估算2020年我国多环芳烃排放量将从2004年的0. 8万吨预计到1. 5万吨左右。PAHs进入土壤后吸附在土壤有机质颗粒上，由于PAHs生物降解性差，在环境中存留时间长，土壤中的PAHs在降水、植物吸收和生物作业等因素影响下，会对地下水造成潜在的污染风险， 或通过挥发、迁移以及食物链等进入其它环境介质和生物体，PAHs强烈的致癌、致畸和致突变性，给人类健康带来风险。与此同时我国集约化畜禽养殖场大量兴起，截至2002年，全行业产值的60%为集约化养殖场创造。据不完全统计，畜禽养殖业排放的污染物量大，全国每年畜禽粪便产生量约为17. 3亿吨(约50%来自集约化畜禽养殖场)，是工业固体废弃物的2. 7倍。预计到 2010年，全国畜禽粪便的排放量将达到45亿吨。迅速发展的畜禽养殖业造成的环境污染已经到了非常严重的程度，畜禽养殖场已成为当前农村面源污染的主要原因之一，对自然环境和居民健康带来了巨大的危害，如水体富营养化、地下水污染、大气污染和病原菌危害等。但由于技术和经济的原因，加之管理方面的缺失，集约化畜禽养殖场的污染物排放在相当程度上处于放任自“流”的状态，大部分养殖场未能对禽畜粪便进行有效的处理和利用。多环芳烃污染土壤的处理技术(Carriere PPE, Mesania F A. Enhanced biodegradation waste Management[J]. Creosote contaminated soil,1996,15(8) 579 583 ；陈世和，张所明发表于1990年的《城市垃圾堆肥原理与工艺》，复旦大学出版社； 李法云，曲向荣，吴龙华等发表于2005年的《污染土壤生物修复理论基础与技术》，化学工业出版社)主要有土壤洗涤、客土、焚烧、化学氧化法以及生物处理。土壤洗涤是指利用各种化学和化学-生物复合洗涤药剂对污染土壤进行淋洗，洗涤液可能造成二次污染及处理不完全。客土法是指将污染土壤挖掘外运，将原场地更换为清洁的土壤，但该方法成本较高，外运的土壤会造成二次污染。焚烧法是指将污染土壤挖出进行高温焚烧处理，但在处理过程中会产生有毒副产品。化学氧化法是指利用各种氧化剂氧化土壤中的污染物，该方法存在二次污染风险。生物修复是指依靠生物的活动使土壤中的污染物得以降解或者转化为无毒、低毒物质的过程，生物修复则是近十年兴起的一项主要利用生物作用及其相应的配套辅助管理措施来减少甚至消除环境中污染物的工程技术，其中包括堆肥技术，20世纪80 年代末、90年代初，国外有人开始尝试采用堆肥法处理被有机污染物污染的土壤。近10年前，人们开始广泛采用堆肥技术对有机污染土壤进行生物修复，其中包括多环芳烃。由于其具有二次污染少、安全性高、成本低等优点，这种技术越来越受到重视受污染土壤中有机质含量不足1%，畜禽粪便中含有大量农作物所必需的氮磷钾等营养成分和大量的有机质，因此，利用在污染土壤中加入畜禽粪便提高堆体有机质含量， 为降解多环芳烃提供碳源，改变土壤环境，增强土壤中微生物群落活性，改变堆肥系统中堆体的空隙率，增强PAHs的降解效果。研究表明(邹德勋，骆永明，徐凤花等发表于2007年的《土壤环境中多环芳烃的微生物降解及联合生物修复》，39 (3) :334-340)，土壤中的多环芳烃一般通过微生物代谢来降解，是沉积环境中去除多环芳烃最主要的途径。微生物一般通过以下几种方式对PAHs进行代谢①微生物在生长过程中以PAHs作为唯一的碳源和能源，适合于土壤中低分子量的3 环和3环以下的多环芳烃类化合物。②微生物把PAHs与其它有机质共代谢(或共氧化)。 ③无氧途径相对于有氧代谢途径来说，PAHs的无氧降解过程极慢。目前的研究表明在反硝化条件下，PAHs可以以硝酸盐作为电子受体发生无氧降解；在硫酸盐还原环境中，PAHs 的微生物降解以磷酸盐还原作为电子受体。本发明的堆肥系统为好氧堆肥系统，堆肥过程中通过微生物产生单加氧酶和双加氧酶。真菌一般产生单加氧酶，把一个氧原子加到底物中形成芳烃化合物，继而氧化为反式双氢乙醇和酚类。细菌主要产生双加氧酶，它把两个氧原子加到底物中形成双氧乙烷，进一步氧化为顺式双氢乙醇。双氢乙醇可继续氧化为儿茶酸、原儿茶酸和龙姐酸等中间代谢物， 而后苯环断开，产生琥珀酸、延胡索酸、乙酸、丙酮酸和乙醛。所有这些产物都被微生物用来合成自身的细胞蛋白和能量，同时产生CO2和H2O,达到降解PAHs的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种去除土壤中多环芳烃残留的受控堆肥系统，可作为被有机污染物污染土壤的生物修复技术。本发明的另一目的在于提供一种去除土壤中多环芳烃残留的受控堆肥系统的应用方法。本发明的去除土壤中多环芳烃残留的受控堆肥系统如图1所示，包括温湿度记录仪、曝气泵、转子流量计、通风管、渗滤液排出管、穿孔板、温度传感器、湿度传感器、风室、时间继电器和堆肥反应器等。一所述的穿孔板将一容器(如圆桶形容器)分割成上下两部分，上为所述的堆肥反应器，下为所述的风室；在所述的堆肥反应器的顶部设置有密封盖，且在盖上开有出气口 ；在所述的堆肥反应器的外部设置有所述的温湿度记录仪，并且温湿度记录仪通过导线分别与所述的温度控制器和所述的湿度传感器连接，湿度传感器和温度传感器内置在所述的堆肥反应器中， 且温度传感器在所述的堆肥反应器的中部有第一温度监测点，在所述的堆肥反应器的底部有第二温度监测点；在所述的风室的一侧安装有所述的通风管，通风管的进气口通过管路与所述的转子流量计的出气口相连通，转子流量计的进气口通过管路与所述的曝气泵的出气口相连接；曝气泵的开关通过导线与所述的时间继电器的控制开关相连接；在通风管下方的风室的底部安装有所述的渗滤液排出管；所述的穿孔板是安装在所述的容器壁上的承托支架上。所述的穿孔板的孔隙率为 3 6%，孔径为5 8匪。本发明的去除土壤中多环芳烃残留的受控堆肥系统的应用方法将受多环芳烃污染的土壤、畜禽粪便、经过粉碎的调理剂加入水混合均勻后得到含水率在50 65%之间的堆料(优选使堆料的含水率控制在55 65%之间)，将该堆料通过物料输送系统装入堆肥反应器中，控制曝气泵为间歇性强制通风方式，使进入风室的空气经穿孔板均勻通过堆料，所述的堆料中内置温度传感器(分别检测堆体中心以及距离堆体底部以上IOcm处的温度)，在由堆料得到堆体上方放置有湿度传感器，通过温湿度记录仪监测堆体温度以及堆体上方的湿度变化。所述的控制曝气泵为间歇性强制通风方式，是曝气泵通过开关连接时间继电器， 控制曝气泵的开启和关闭的状态与时间，通风频率为开启10秒/关闭10分钟，通风量设定为 0. 5L mir^kgdOM。所述的堆体温度范围为10 45°C，堆体自然升温所得。所述的堆料中的受多环芳烃污染的土壤、畜禽粪便与调理剂的混合比例需根据堆料的含水率、土壤污染的程度与畜禽粪便、调理剂的特性来确定，优选受多环芳烃污染的土壤畜禽粪便调理剂的干重质量比为1 1 3 1。所述的畜禽粪便是猪粪、鸡粪、牛粪、羊粪或它们之间的任意混合物等。所述的调理剂是锯末、农作物秸秆、稻壳、玉米芯、蘑菇渣、枯枝落叶或它们之间的任意混合物等。本发明堆肥法所处理的土壤是受多环芳烃严重污染，对附近的生态环境造成潜在危害的土壤。本发明在堆肥过程中，不特意控制堆体的温度，堆体温度范围为10 45°C，利用此过程中的热效应和生物作用，降解受污染土壤中的多环芳烃。本发明的方法无需额外调节堆肥原料的PH值、有机质含量等指标便可顺利完成堆肥过程，堆肥成品基本腐熟，可有效去土壤中多环芳烃的残留。经过本发明的系统与应用方法处理后，土壤中的多环芳烃去除效果明显，且修复周期短，技术成本低。
图1.本发明的去除土壤中多环芳烃残留的受控堆肥系统的示意图。
图2.本发明实施例1的堆肥生物修复过程中土壤中的低、中、高、总多环芳烃平均
降解率。图3.本发明实施例1的堆肥生物修复过程中土壤中的多环芳烃残留浓度。
图4.本发明实施例1的堆肥生物修复过程中堆体温度变化。
附图标记1.温湿度记录仪 2.曝气泵 3.转子流量计 4.通风管 5.渗滤液排出管 6.穿孔板 7.承托支架 8.温度传感器 9.湿度传感器 10.出气口 11.时间继电器 12.堆肥反应器
13.风室a.b.温度监测点
具体实施例方式实施例1.请参见图1去除土壤中多环芳烃残留的受控堆肥系统包括温湿度记录仪1、曝气泵2、转子流量计3、通风管4、渗滤液排出管5、穿孔板6、承托支架7、温度传感器8、湿度传感器9、时间继电器11、堆肥反应器12和风室13等。一所述的穿孔板6将一圆桶形容器(有效容积21. 2L，圆柱体形的高径比是1. 17) 分割成上下两部分，上为所述的堆肥反应器12，下为所述的风室13 ；在所述的堆肥反应器12的顶部设置有密封盖，且在盖上开有出气口 10 ；在所述的堆肥反应器12的外部设置有所述的温湿度记录仪1(KSL/D-04RP2V0B1，北京昆仑海岸公司)，并且温湿度记录仪1通过导线分别与所述的温度控制器8 (JWB/P/C)和所述的湿度传感器9(JSL-6ATD)连接，用来记录堆肥反应器内堆料中部与底部温度和堆料上方的湿度； 湿度传感器9和温度传感器8内置在所述的堆肥反应器12中，且温度传感器8在所述的堆肥反应器12的中部有第一温度监测点a，在所述的堆肥反应器12的底部有第二温度监测点 b；在所述的风室13的一侧安装有所述的通风管4，通风管4的进气口通过管路与所述的转子流量计3的出气口相连通，转子流量计3的进气口通过管路与所述的曝气泵 2(AC0308，广东海利集团)的出气口相连接；曝气泵2的开关通过导线与所述的时间继电器 11的控制开关相连接，时间继电器11控制曝气泵2的开启和关闭的状态与时间；在通风管 4下方的风室的底部安装有所述的渗滤液排出管5 ；所述的穿孔板是安装在所述的容器壁上的所述的承托支架7上；所述的穿孔板的孔隙率为3 6%，孔径为5 8mm。应用上述的系统用于受控堆肥过程去除土壤中多环芳烃的残留温湿度记录仪每隔4小时对堆料中部、底部温度及堆料上方湿度进行记录。按照前期的研究结果，基于文献所公开的通风量计算的方法(Keener，H.M.，et al. ,Composting and value-added utilization of manure from a swine finishingfacility. Compost Science&Utilization, 2001. 9 (4) :p. 312-321)，试验系统所需的通风量设定为 0. 5L min^kg^OM，通风频率为 15s/10min。堆肥所用土壤来自北京某废弃焦化厂，猪粪来自北京郊区某养猪场，调理剂采用北京郊区某木材加工厂的锯末。将土壤、猪粪、锯末按照干重质量比为1 1 1与 1:3: 1分别混合均勻，加水混合后的两个堆料的湿重都为12. 5kg，两个堆料的含水率分别为 58. 35%与 64. 12%。将混合均勻后得到的湿的堆料通过物料输送系统装入堆肥反应器中，所述的堆料中内置温度传感器(分别检测堆体中心以及距离堆体底部以上IOcm处的温度)，在由堆料得到的堆体上方放置有湿度传感器，开启曝气泵，设定曝气泵为间歇性强制通风方式，间歇通风为开启10秒/关闭10分钟，使进入风室的空气经穿孔板均勻通过堆体，开始进行高温堆肥，通过温湿度记录仪监测堆体温度以及堆体上方的湿度变化。两个堆体均不予以任何保温等堆肥处理，让其自然升温。
分别在2007年冬12月与2008年春5月各进行一次实验。结果表明，冬季时，堆料(土壤猪粪锯末比例为1:1:1)和堆料(土壤猪粪锯末比例为1:3:1)的总PAHs降解率分别为78. 97%与71. 74%，低O 3个苯环)、中0 5个苯环)和高(6个苯环)环三类PAHs的降解率分别为70. 576%,81. 71%, 79. 51%和74. 02%,72. 75%,67. 22% ；堆肥过程结束后，受污染土壤中大部分PAHs残留量均彡lmg/kg(干重)，苯并[b]荧蒽两个堆体的残留量则均低于5mg/kg，堆料中总PAHs 浓度分别是12. 70mg/kg (干重)和9. 46mg/kg (干重)，符合荷兰国家较高的治理要求(总 PAHs < 20mg/kg)。春季时，堆料(土壤猪粪锯末比例为1:1:1)和堆料(土壤猪粪锯末比例为1:3:1)的总PAHs降解率分别为29. 09%与30. 52%，低O 3个苯环)、中0 5个苯环)和高(6个苯环)环三类PAHs的降解率分别为66. 71%、16. 23%, 18. 49%和53. 02%,36. 94%,28. 58%，堆肥过程结束后，受污染土壤中大部分PAHs残留量 (lmg/kg(干重)，苯并[b]荧蒽两个堆体的残留量分别为25mg/kg和20mg/kg，堆料中总 PAHs浓度分别是48. 73mg/kg(干重)和36. 35mg/kg(干重)，符合荷兰国家较低(总PAHs < 100mg/kg)的治理要求；春季试验时堆体温度为20 45°C之间，当时的环境温度为20 300C，堆体温度大部分时间保持在25°C以上；冬季试验时的环境温度为-1 ;TC，堆体温度受环境温度影响较大，堆体温度在15 25°C之间，大部分时间保持在10 20°C之间。结果见图2-4。
权利要求
1.一种去除土壤中多环芳烃残留的受控堆肥系统，包括温湿度记录仪、曝气泵、转子流量计、通风管、渗滤液排出管、穿孔板、温度传感器、湿度传感器、风室、时间继电器和堆肥反应器；其特征是一所述的穿孔板将一容器分割成上下两部分，上为所述的堆肥反应器，下为所述的风室；在所述的堆肥反应器的顶部设置有密封盖，且在盖上开有出气口 ；在所述的堆肥反应器的外部设置有所述的温湿度记录仪，并且温湿度记录仪通过导线分别与所述的温度控制器和所述的湿度传感器连接，湿度传感器和温度传感器内置在所述的堆肥反应器中，且温度传感器在所述的堆肥反应器的中部有第一温度监测点，在所述的堆肥反应器的底部有第二温度监测点；在所述的风室的一侧安装有所述的通风管，通风管的进气口通过管路与所述的转子流量计的出气口相连通，转子流量计的进气口通过管路与所述的曝气泵的出气口相连接；曝气泵的开关通过导线与所述的时间继电器的控制开关相连接；在通风管下方的风室的底部安装有所述的渗滤液排出管。
2.根据权利要求1所述的去除土壤中多环芳烃残留的受控堆肥系统，其特征是所述的穿孔板是安装在所述的容器壁上的承托支架上。
3.根据权利要求1或2所述的去除土壤中多环芳烃残留的受控堆肥系统，其特征是 所述的穿孔板的孔隙率为3 6%，孔径为5 8mm。
4.一种应用权利要求1 3任意一项所述的去除土壤中多环芳烃残留的受控堆肥系统的方法，其特征是将受多环芳烃污染的土壤、畜禽粪便、经过粉碎的调理剂加入水混合均勻后得到含水率在50 65%之间的堆料，将该堆料通过物料输送系统装入堆肥反应器中，控制曝气泵为间歇性强制通风方式，使进入风室的空气经穿孔板均勻通过堆料，所述的堆料中内置温度传感器，在由堆料得到的堆体上方放置有湿度传感器，通过温湿度记录仪监测堆体温度以及堆体上方的湿度变化。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征是所述的堆料中内置温度传感器，其温度传感器分别检测堆体中心以及距离堆体底部以上IOcm处的温度。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征是所述的控制曝气泵为间歇性强制通风方式， 通风频率为开启10秒/关闭10分钟，通风量设定为0. 5L mir^kg—OM。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征是所述的堆体的温度范围为10 45°C。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征是所述的堆料中的受多环芳烃污染的土壤 畜禽粪便调理剂的干重质量比为1 1 3 1。
9.根据权利要求4或8所述的方法，其特征是所述的堆料的含水率为55 65%。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征是所述的畜禽粪便是猪粪、鸡粪、牛粪、羊粪或它们之间的任意混合物；所述的调理剂是锯末、农作物秸秆、稻壳、玉米芯、蘑菇渣、枯枝落叶或它们之间的任意混合物。
全文摘要
本发明涉及去除土壤中多环芳烃残留的受控堆肥系统与应用方法。一穿孔板将一容器分割成上为堆肥反应器，下为风室；在堆肥反应器的顶部开有出气口，在外部设置有温湿度记录仪，并且温湿度记录仪通过导线分别与温度控制器和湿度传感器连接，湿度传感器和温度传感器内置在堆肥反应器中，且温度传感器在堆肥反应器的中部及底部设有温度监测点；在风室的一侧安装有通风管，通风管通过管路与转子流量计相连通，转子流量计通过管路与曝气泵的出气口相连接；曝气泵的开关通过导线与时间继电器的控制开关相连接；在通风管下方的风室的底部安装有渗滤液排出管。应用本发明的系统处理受多环芳烃污染的土壤，可以有效去除污染土壤中的多环芳烃。
文档编号B09C1/10GK102276322SQ201010205558
公开日2011年12月14日 申请日期2010年6月11日 优先权日2010年6月11日
发明者方云, 杨宇, 沈颖, 郑嘉熹, 魏源送 申请人:中国科学院生态环境研究中心