一种处理中低浓度石油烃污染土壤的系统及方法与流程

本发明属于有机污染土壤生物修复技术领域，具体涉及一种处理中低浓度石油烃污染土壤的系统及方法。

背景技术：

随着石油生产与消费的不断增长，石油类物质进入环境造成的污染问题日益严重。土壤石油污染主要来自事故性渗漏和泄露、油田及炼油厂、石油类废水灌溉等。据不完全统计、油田区重污染场地有20余万处，高浓度石油污染土壤及油泥积存量逾200万吨，约15万公顷土地石油含量超过安全值。土壤石油烃污染不仅影响土壤的理化性质与正常功能，还会引起其他环境要素的改变，如土著微生物和动植物种群分布。土壤中的石油污染物可能随地表径流进入地表水体或通过土壤淋溶渗滤作用进入地下，引起地表及地下水体污染。石油烃可以通过呼吸、皮肤接触、食物摄入等方式进入人体或动物体内，引起致癌、致畸、致突变作用。土壤石油污染已成为当前环境领域研究的焦点和亟需解决的重大问题之一。目前有利用物理、化学或生物技术改变土壤中污染物的结构，降低污染物的毒性、迁移性或体积清洁、治理污染。20世纪80年代以前欧美国家多使用物理和化学方法进行土壤污染治理，如焚烧、气相抽提、土壤清洗和化学氧化等。但物理和化学修复技术一般需要特定的场地(如焚烧法)，或相应的专业设备(如气相抽提法)，或使用大量的化学试剂(如土壤清洗法和化学氧化法)，因而具有修复成本高及产生二次污染的缺点。生物方法因成本低、对环境影响低、无二次污染、不破坏土壤环境的优点，逐步发展成熟并成为欧美发达国家修复技术体系的重要组成部分，在国内具有广阔的应用前景，但仍处于起步阶段。

现有的石油烃污染土壤生物处理手段多数条件下是单独采用微生物或单独采用植物，修复效率不高，处理周期长。

目前尚未见有将微生物、动物与植物集合构建成人工生态系统用于修复石油烃污染土壤的相关报道。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种处理中低浓度石油烃污染土壤的系统及方法，该系统集微生物、动物和植物为一体的人工生态系统，通过加强植物-微生物根系互作、土壤动物与微生物以及根系间互作作用处理中低浓度石油烃污染土壤，达到提高生物降解石油烃的效率。

本发明以如下技术方案解决上述技术问题：

本发明一种处理中低浓度石油烃污染土壤的系统，该系统包括堆体基础防渗系统，在堆体基础防渗系统上方堆置中低浓度石油烃污染土壤，形成堆体，同时在堆体中铺设可通入空气的堆体充气系统、可通入营养液与降解菌的堆体充液系统，并在堆体中设置可监测温湿度及氧气含量的堆体土壤监测系统以及废气收集系统、渗滤液收集处理系统，同时在堆体的上方铺设防雨覆盖系统，并在堆体的表面上移栽培育好的植物以及在堆体中添加培养好的蚯蚓，从而构建成微生物、动物、植物的人工生态系统，以处理中低浓度石油烃污染土壤。

本发明所述堆体基础防渗系统包括地表混凝土层，在地表混凝土层上铺设两层hdpe防渗膜，两层防渗膜中间铺设土工布。

所述地表混凝土层为斜坡式地表混凝土层，在地表混凝土层的坡底处设置隔断墙，隔断墙的外侧放置活性炭吸收塔、渗滤液储罐、渗滤液处理器，隔断墙的内侧设置渗透液收集区和废气收集区，所述渗透液收集区设有渗滤液收集管，渗滤液收集管与渗滤液储罐的入口端相连接，渗滤液储罐的出口端与渗滤液处理器相连接；所述废气收集区设有引风机，引风机经管路与活性炭吸收塔相连接。

所述堆体充气系统包括数根通风支管、充气干管和鼓风机，数根通风支管平行排布，其一端与充气干管相连接，另一端为封闭端，数根通风支管上均布出风口，充气干管与设在堆体外侧的鼓风机相连接。

所述堆体充液系统包括数根排液支管、充液干管、营养液罐、降解菌罐，数根排液支管平行排布，其一端与充液干管相连接，另一端为封闭端，数根排液支管上均布出液口，充液干管与设在堆体外侧的营养液罐和降解菌罐相连接，营养液罐和降解菌罐放置在地表混凝土层的坡顶处。

所述堆体土壤监测系统包括土壤温湿度传感器和含氧量测定传感器，通过土壤温湿度传感器和含氧量测定传感器定期监测堆体的温湿度和氧气含量。

所述防雨覆盖系统由一层覆盖在堆体上表面的hdpe膜构成。

本发明一种处理中低浓度石油烃污染土壤的方法，包括如下操作步骤：

(1)土壤前期检测：对准备处理的石油烃污染土壤进行检测，以评估生物修复所需的处理参数以及工程建设的参数；

(2)土壤预处理：对土壤进行筛分，然后根据检测结果在土壤中添加修复所需的营养液与降解菌含量，并调整土壤含水量，同时添加豆粕末与生物表面活性剂，以增加石油烃污染土壤透气度与石油烃的生物可利用度；

(3)土壤堆体堆建：首先在地表上建设呈斜坡状的堆体基础防渗系统，然后在堆体基础防渗系统的上方铺设堆体充气系统；在堆体充气系统的上方堆放一层预处理后的土壤后再铺设堆体充液系统；以此交错布设堆体充气系统和堆体充液系统，直至堆放完预处理后的土壤，然后在堆体中设置用于监测土壤温湿度和氧含量的堆体土壤监测系统；最后在堆体上方铺设防雨覆盖系统；

(4)生物堆体构建：将培育好的植物移栽至土壤堆体表面，并将培育好的蚯蚓添加至土壤堆体内，形成由微生物、植物、动物构建的生物堆体；

(5)生物堆体日常监测与维护：每日定时监测堆体温湿度及氧气含量，每月定期对堆体土壤进行检测，及时充气及补充营养菌液；

(6)废气废液处理：将生物堆体产生的废气引入废气收集区，并通过相连接的引风机和活性炭吸附塔处理达标后排放进入大气；将生物堆体产生的渗滤液引入渗透液收集区，并通过渗滤液收集管进入渗滤液储罐，然后再通过渗滤液处理器处理达标后回用或排放。

所述步骤(1)中，检测的项目包括土壤最大持水量、ph、有机质、有机碳、有效氮、有效磷、含水量、微生物菌落总量、石油烃降解菌菌落总量、污染物浓度及具体组成成分，这些检测指标用于土壤的生物修复可行性评估及工程设计参数。

步骤(2)中，所述对土壤进行筛分，是指利用格栅去除杂物，然后使用三七灰土拌合机或allu筛分破碎铲斗将土壤与添加的修复物质混合均匀，土壤颗粒粒径小于15mm；所述添加的营养液能使土壤中有机碳：有效氮：有效磷的摩尔质量比为100:10:1，将土壤含水量调整为土壤最大持水量的80％；添加的降解菌菌液用量为土壤质量的0.1‰—1％；添加的豆粕末用量为土壤质量的2％；添加的生物表面活性剂为鼠李糖脂，其用量为土壤质量的0.1‰—1％。

步骤(2)中，所述降解菌为石油烃污染土壤驯化后的降解菌菌群，包含假单胞菌属(pseudomonas)菌株、芽孢杆菌属(bacillus)菌株和不动杆菌属(acinetobacter)菌株。

步骤(3)中，所述堆体基础防渗系统的建设方法是：在地表上建设斜坡式地表混凝土层，在地表混凝土层的上方铺设两层hdpe防渗膜，在两层防渗膜中铺设一层土工布，在地表混凝土层的坡底处铺设渗滤液收集管以及隔断墙，从而构成堆体基础防渗系统。

步骤(3)中，所述堆体充气系统的建设方法是：在堆体基础防渗系统的上方铺设通风支管，通风支管与充气干管相连接，充气干管与鼓风机相连接，从而形成堆体充气系统。

所述堆体充液系统的建设方法是：在堆体充气系统以及堆体基础防渗系统的上方堆放一层预处理后的土壤后再铺设排液支管，排液支管与充液干管相连接，充液干管与营养液罐和降解菌罐相连接，从而形成堆体充液系统。

步骤(3)中，所述堆体土壤监测系统包括土壤温湿度传感器和含氧量测定传感器；所述防雨覆盖系统为一层铺设在堆体上方的hdpe膜。

所述移栽的植物包括紫花苜蓿(medicagosativa)和黑麦草(loliumperenne)，两种植物交叉种植，所述紫花苜蓿接种根瘤菌(sinorhizobiummeliloti)，所述黑麦草接种菌根真菌(glomusconstrictum)。

步骤(4)中，所述蚯蚓为赤子爱胜蚓(eiseniafoetda)，体重为0.3-0.4g，在无光条件下清肠24h后健康的具有环节的成熟蚯蚓。

步骤(6)中，所述渗滤液处理器是指固定化曝气生物滤池，固定化曝气生物滤池内填充有活性炭，且采用的固定化微生物主要为铜绿假单胞菌(pseudomonasaeruginosa)和红平红球菌(rhodococcuserythropolis)。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

1)本发明通过微生物、动物与植物结合构建人工生态系统，强化生物堆体污染物降解效率，绿色、经济、高效实现中低浓度石油烃污染土壤的修复。

2)本发明采用的微生物利用石油烃作为碳源；采用的植物通过直接吸收或根系活动促进降解菌生长与分泌相关降解酶来降解石油烃，菌根也能促进降解；采用的动物通过吸收、转化和分解的直接作用，或改善土壤理化性质、提高土壤肥力、促进植物和微生物生长的间接作用修复石油烃污染土壤，实现综合修复处理，提高土壤的修复效率。

附图说明

图1是本发明一种处理中低浓度石油烃污染土壤的系统的结构示意图。

图2是图1中堆体基础防渗系统及生物堆体相结合的侧视示意图。

图中：1-营养液罐；2-液泵a；3-降解菌罐；4-堆体基础防渗系统；5-渗滤液收集管；6-通风支管；7-排液支管；8-充气干管；9-充液干管；10-土壤温湿度传感器；11-含氧量测定传感器；12-鼓风机；13-阀门a；14-电磁流量计；15-阀门b；16-阀门c；17-渗滤液储罐；18-阀门d；19-液泵b；20-滤液处理器；21-阀门e；22-植物育苗室；23-蚯蚓培养室；24-生物堆体；25-引风机；26-活性炭吸附塔；27-地表混凝土层；28-隔断墙；29-两层hdpe防渗膜；30-碎石沙；31-hdpe膜；32-下方设备安装区；33-植物；34-上方设备安装区。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1、图2所示，本发明一种处理中低浓度石油烃污染土壤的系统包括堆体基础防渗系统4，在堆体基础防渗系统4上方堆置预处理后的中低浓度石油烃污染土壤，形成生物堆体24，在生物堆体24中铺设可通入空气的堆体充气系统、可通入营养液与降解菌的堆体充液系统，并在生物堆体24中设置可监测温湿度及氧气含量的堆体土壤监测系统以及废气收集系统、渗滤液收集处理系统，同时在生物堆体24的上方铺设防雨覆盖系统，并在生物堆体24的表面上移栽培育好的植物33以及在生物堆体24中添加培养好的蚯蚓，从而构建成微生物、动物、植物相结合的人工生态系统，以处理中低浓度石油烃污染土壤。

所述堆体基础防渗系统4包括地表混凝土层27，在地表混凝土层27上铺设两层hdpe防渗膜29，两层防渗膜29中间铺设一层土工布。

所述堆体充气系统包括数根通风支管6、充气干管8和鼓风机12，数根通风支管6平行排布，其一端与充气干管8相连接，另一端为封闭端，数根通风支管6上均布有出风口，充气干管8经管路与设在堆体外侧的鼓风机12相连接，且在连接管路上设有阀门a13。

所述堆体充液系统包括数根排液支管7、充液干管9、营养液罐1、降解菌罐3，数根排液支管7平行排布，其一端与充液干管9相连接，另一端为封闭端，数根排液支管7上均布出液口，充液干管9与设在堆体外侧的营养液罐1和降解菌罐3相连接，营养液罐1和降解菌罐3之间并联连接，且营养液罐1和降解菌罐3的出口分别设有阀门c16和阀门b15，营养液罐1和降解菌罐3的出口汇合管路上设有液泵a2和电磁流量计14。

所述堆体土壤监测系统包括土壤温湿度传感器10和含氧量测定传感器11，通过土壤温湿度传感器10和含氧量测定传感器11定期监测堆体的温湿度和氧气含量。

所述防雨覆盖系统由一层覆盖在生物堆体24表面上的hdpe膜31构成。

如图2所示，本发明所述地表混凝土层27设置为斜坡式地表混凝土层，在地表混凝土层的坡底处设置隔断墙28，隔断墙28的外侧设置下方设备安装区32，下方设备安装区32可安装鼓风机12、渗滤液储罐17、渗滤液处理器20和活性炭吸收塔26；隔断墙28的内侧设置渗透液收集区和废气收集区(图中未示出)，生物堆体24产生的渗透液和废气分别引入渗透液收集区和废气收集区，渗透液收集区设有渗滤液收集管5，渗滤液收集管5与渗滤液储罐17的入口端相连接，并在连接管路上设置阀门d18和液泵b19，渗滤液储罐17的出口端与渗滤液处理器20经管路相连接，并在管路上设置阀门e21；渗滤液收集管5的上方可投放碎石沙30，以增加防渗效果；所述废气收集区设有引风机25，引风机25经管路与活性炭吸收塔26相连接。

所述地表混凝土层的坡顶处设置上方设备安装区34，上方设备安装区34安装营养液罐1和降解菌罐3。

本发明在生物堆体24的外侧设置植物育苗室22和蚯蚓培养室23。

本发明一种处理中低浓度石油烃污染土壤的方法，包括如下操作步骤：

(1)土壤前期检测：对准备处理的石油烃污染土壤进行检测，检测指标包括土壤最大持水量、ph、有机质、有机碳、有效氮、有效磷、含水量、微生物菌落总量、石油烃降解菌菌落总量、污染物浓度及具体组成成分，这些检测指标用于土壤的生物修复可行性评估及工程设计参数。

(2)土壤预处理：将石油烃污染土壤经过筛分，利用2cm×2cm格栅去除杂物，然后使用三七灰土拌合机或allu筛分破碎铲斗将土壤与添加的修复物质混合均匀，土壤颗粒粒径小于15mm，然后通过液泵a2将营养液罐1中的kno3与kh2po4混合溶剂输送到土壤中，以调整土壤中有机碳：有效氮：有效磷的摩尔质量比为100:10:1，并调节土壤含水量为土壤最大持水量的80％，同时添加粒径为1.0mm-2mm的豆粕末，豆粕末的添加量为土壤质量的2％，以增加石油烃污染土壤的透气度；同时根据土壤中微生物及降解菌菌落总量，按常规处理要求添加降解菌罐3中的降解菌菌液，其添加量为土壤质量的0.1‰-1％，还可以根据修复需要添加生物表面活性剂鼠李糖脂，其用量为土壤质量的0.1‰-1％，混合均匀，以增加石油烃的生物可利用度。

所述降解菌为石油烃污染土壤驯化后的降解菌菌群，包含假单胞菌属(pseudomonas)菌株、芽孢杆菌属(bacillus)菌株和不动杆菌属(acinetobacter)菌株，降解菌能成为蚯蚓食物源并加强植物的根系效应。

(3)土壤堆体堆建：首先在地表上建设呈斜坡状的堆体基础防渗系统4，然后在堆体基础防渗系统4的上方铺设堆体充气系统；在堆体充气系统的上方堆放一层预处理后的土壤(厚度为50cm)，然后再铺设堆体充液系统，以此交错布设堆体充气系统和堆体充液系统，直至堆放完预处理后的石油烃污染土壤，形成堆体，然后在堆体中插入土壤温湿度传感器10和含氧量测定传感器11，最后在堆体上方铺设一层hdpe膜31作为防雨覆盖系统。

所述堆体基础防渗系统的建设方法是：在堆场地面进行土建，建设斜坡式地表混凝土层27，斜坡式地表混凝土层27的厚度至少50mm，坡度3°-5°；在地表混凝土层27的上方铺设两层hdpe防渗膜29，两层防渗膜29中间铺设一层土工布，在地表混凝土层27的坡底处铺设渗滤液收集管5以及隔断墙28，从而构成堆体基础防渗系统4。所述渗滤液收集管5的上方可铺碎石沙30等过滤大块物质；所述隔断墙28可分离废气废液处理设备与生物堆体渗透液收集区。

所述堆体充气系统的建设方法是：在堆体基础防渗系统4的上方铺设通风支管6，通风支管6与充气干管8相连接，充气干管8与鼓风机12相连接，从而形成堆体充气系统。

所述堆体充液系统的建设方法是：在堆体充气系统以及堆体基础防渗系统的上方堆放一层预处理后的土壤后再铺设排液支管7，排液支管7与充液干管9相连接，充液干管9与营养液罐1和降解菌罐3相连接，从而形成堆体充液系统。

步骤(4)中，所述蚯蚓为赤子爱胜蚓(eiseniafoetda)，体重为0.3-0.4g，在无光条件下清肠24h后健康的具有环节的成熟蚯蚓。

步骤(6)中，所述渗滤液处理器是指固定化曝气生物滤池，固定化曝气生物滤池内填充有活性炭，且采用的固定化微生物主要为铜绿假单胞菌(pseudomonasaeruginosa)和红平红球菌(rhodococcuserythropolis)。

(4)生物堆体构建：在植物育苗室22中，用浓度为10％的h2o2对紫花苜蓿和黑麦草种子消毒，利用光照培养箱催芽，使用接种液对紫花苜蓿接种根瘤菌及黑麦草接种菌根真菌。三天后对接种后的紫花苜蓿及黑麦草移栽至生物堆体24上，在生物堆体24表面上的hdpe膜31打孔，孔间距10-70cm，交叉种植两种植物。在蚯蚓培养室23中培养赤子爱胜蚓，选择体重在0.3-0.4g之间，在无光条件下清肠24h后健康的具有环节的成熟蚯蚓添加至生物堆体24中，每立方土施加1-10kg蚯蚓，从而构建成集微生物、植物、动物为一体的人工生态系统的生物堆体24。

(5)生物堆体日常监测与维护：每日定期监测生物堆体24的温湿度及氧气含量，根据传感器检测结果，通过鼓风机12与阀门a13使新鲜空气通过充气干管8及通风支管6进入堆内，使堆体含氧量不低于8％。根据定期检测土壤生物堆堆体含水量，每月土钻采样获取堆体土壤有机碳、有效氮、有效磷、污染物浓度组成与降解功能菌种类数量，通过营养液罐1配制kno3与kh2po4混合溶剂，使生物堆体24在修复过程及时添加营养源，通过降解菌罐3添加降解菌，估算污染物的去除速率，及时调整堆体营养及降解菌数量维持污染物的高效去除。

(6)废气废液处理：当堆体充气系统对堆体充气时，利用手持便携式pid对废气收集区的空气实施监测，如检测到挥发性有机物，则开启引风机25将产生的废气引入活性炭吸附塔26处理达标后排放进入大气。堆体产生的渗滤液自流进入渗透液收集区，并经渗滤液收集管5进入渗滤液储罐17，然后再经过阀门e21进入渗滤液处理器20中处理达标后回用或排放。

所述的渗滤液处理器采用固定化曝气生物滤池，固定化曝气生物滤池内填充有活性炭，固定化曝气生物滤池中的固定化微生物主要为铜绿假单胞菌(pseudomonasaeruginosa)和红平红球菌(rhodococcuserythropolis)。

本发明所述的生物堆体高为1m-3m，长度、宽度可根据场地调整。

本发明所述充气干管8采用外径50mm的pvc管，充液干管9采用外径15mm的pvc管。铺设时在通风支管6与排液支管7上包裹一层棉纱布，以起到防护、过滤的作用。为避免鼓风过程造成短路，支管距离土堆边缘不小于0.2m，支管距生物堆堆体宽度方向两侧边缘各0.5m，支管间距为1m。

本发明所述移栽的植物包括紫花苜蓿(medicagosativa)和黑麦草(loliumperenne)，两种植物交叉种植，主根粗长根系发达的紫花苜蓿结合须根系发达的黑麦草能与生物堆体内的降解菌形成有效的根系效应，加强石油烃的生物降解，同时植物落叶与枯草等可作为蚯蚓食物。

本发明采用的蚯蚓能够提高生物堆体的通透性、保水性与保肥力，代谢产物有利于微生物的繁殖和植物根系的吸收利用。

本发明利用微生物-植物-动物多效耦合强化石油烃污染土壤中的生物降解，在3-6个月内实现污染去除率70％-90％。