一种用于有机污染土壤强化自然降解处置的微元反应器及构建方法与流程

1.本发明属于有机污染土壤生物修复技术领域，进一步的说是一种用于有机污染土壤强化自然降解处置的微元反应器及构建方法。


背景技术：

2.随着工业化进程的不断发展，在结合城市布局合理规划的同时，诸多早期建立起的化工厂陆续进行厂区搬迁，集中至远离城市主城区发展，而遗留下来的原址区域大多位于城市市区内，并伴随有土壤污染问题。
3.针对城市市区内出现的场地污染问题，鉴于场地周边存在居民住宅，同时还存在污染场地的开发需求，致使污染场地的治理需求迫切，但在一般处置过程中又易造成二次污染威胁。如采用清挖处置模式的异位修复技术虽可以彻底将污染因子从污染场地内清除，但在挖掘过程中极易造成污染扩散，给周边居民带来潜在的人体健康风险问题，且异位处置成本较高，经济负担加重。对此，采用风险管控处置措施，针对污染场地区域进行有效隔离，可以实现区域上方的安全利用。对此，虽然实现了现阶段污染场地的低成本安全处置与利用，但场地内的污染因子并未得到有效削减，随着场地利用时间的延长，原污染区域内的潜在污染因子暴露风险不断增加，始终成为污染安全隐患。
4.为了高效、经济、可靠地实现污染场地的安全处置与场地所在区域的安全开发利用，并同时实现污染因子的安全阻隔管控与有效降解去除，可将阻隔措施与强化的生物降解过程相结合，通过构建持续稳定的原位土壤中微生物代谢微环境，达到污染因子持续降解与安全管控的目的。对此，本专利提供了一种兼具污染因子阻隔控制与强化自然降解过程的微元反应器，利用微元反应器持续向污染土壤层内通过物质交换过程输送营养物质与功能微生物，同时将交换至微元反应器内部的污染因子进行强化生物降解，进而逐步实现持续的污染因子降解过程。该种微元反应器针对污染区域的原位治理应用安全可靠，具有良好的应用于推广前景。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种用于有机污染土壤强化自然降解的微元反应器及其构建方法与应用
6.为实现上述目的本发明采用的技术方案为：
7.一种用于有机污染土壤强化自然降解处置的微元反应器，微元反应器为水养调和层与生物降解层，两层之间加设土工布；其中，水养调和层由清洁粘质土壤、膨润土、水养制剂构成；
8.生物降解层由轻度污染土壤、草炭土、功能微生物菌剂构成。
9.所述微元反应器原位构建于待处理污染土壤中，其中，反应器中生物降解层置于污染土壤上。
10.所述在水养调和层与生物降解层之间采用土工布进行分隔，土工布选用单位面积质量为400～600g/m2。
11.所述水养调和层制成后的总体渗透系数达到1～5
×
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cm/s，初始含水量达物料整体最大持水量的40％～90％，水养调和层适宜厚度范围达300～500mm；其由清洁粘质土壤、膨润土、水养制剂构成，
12.所述清洁粘质土壤占水养调和层70％～85％(w/w)，其中，清洁粘质土壤中粒径《0.002mm的组分占清洁粘质土壤的25％～65％(w/w)；
13.所述膨润土占水养调和层10％～20％(w/w)，其为粒径范围在200～300目的钠基膨润土；
14.所述水养制剂占水养调和层5％～10％(w/w)，由工业级(nh4)3po3、工业级kno3、秸秆生物炭构成；其中，加入后使混合物料中速效氮含量达200～300mg/kg、速效磷含量达80～120mg/kg、速效钾含量达1000～1500mg/kg、可溶性有机碳含量达200～500mg/kg；
15.所述生物降解层宜厚度范围为500～800mm，其由轻度污染土壤、草炭土和功能微生物菌剂构成；
16.所述轻度污染土壤占生物降解层70％～85％(w/w)；其，轻度污染土壤为土壤中所要处置的目标污染物，将其相应含量施加到清洁土壤中孵育120h后，使土壤中土著微生物丰度的致死率不超过初始含量的50％，即目标污染物含量不超过土著微生物致死效应的ec50值；
17.所述草炭土占生物降解层10％～25％(w/w)；其中，草炭土有机质含量≥30％(w/w)。
18.所述功能微生物菌剂占生物降解层5％～10％(w/w)。
19.所述功能微生物菌剂为凡具有有机污染物降解能力的菌株均可。
20.一种所述的用于有机污染土壤强化自然降解处置的微元反应器的构建方法，于待处理污染土壤上清挖，而后依次添加生物降解层、土工布和水养调和层。
21.一种所述的用于有机污染土壤强化自然降解处置的微元反应器的应用，所述反应器原位构建于待处理污染土壤中，在原位强化自然降解处置污染土壤中的应用。
22.所述通过微元反应器中通过水养调和层向生物降解层缓释水分与营养物质，保障生物降解层内稳定生境，再通过生物降解层与污染土壤层之间的污染物迁移与物质交换方式，实现针对污染土壤层中有机污染物的强化自然降解。
23.本发明所具有的优点包括：
24.1)本发明中所述的微元反应器由水养调和层和生物降解层构成，水养调和层兼具阻隔其下部污染物向上扩散暴露、保持生物降解层内稳定持续的微生物降解环境的功能；
25.2)本发明中所述的水养调和层具有向生物降解层内缓释释放水分与速效氮、速效磷、速效钾、可溶性有机碳的功能，保障生物降解层内的微生物代谢所需营养物质充足稳定；
26.3)本发明中所述的生物降解层，其功能在于将其下部的污染土壤中的污染物向上交换或扩散到生物降解层中时，可以快速将有机污染物代谢降解清除，与此同时，生物降解层内所含功能微生物还具有向污染土层中迁移补给功能微生物的作用，从而实现强化污染土层中有机污染物自然降解过程；
27.4)本发明中所述的生物降解层，通过自身的生物降解作用与强化原位污染土层的自然降解作用，总体表现为构建生物降解阻隔屏障，利用持续缓释的水养补给条件，维持可持续的良好的微生物降解环境与强化自然降解功能；
28.5)本发明中所述的生物降解层内，包含轻度污染土壤组分，有利于保持功能微生物针对其下部污染土壤内污染因子持续的代谢活性，由于绝大多数微生物的有机污染物代谢功能均为诱导型活性，一旦失去污染因子作为诱导物后，其降解能力将会丢失或弱化，长期条件下将难以维系功能微生物的降解活性，故而利用轻度污染土壤可以更好的保持其微生物修复功能，是强化自然降解的体现形式之一；
29.6)本发明中所述的位于水养调和层与生物降解层之间的土工布，具有维持生物降解层结构稳定的功能，同时，土工布的透水性进一步保障向生物降解层内进行均匀的水养补给调配；
30.7)本发明所提供的的微元反应器技术可根据污染场地或污染区域面积进行无限放大，完全覆盖污染区域即可实现针对原位污染土壤的强化自然降解效果。
附图说明
31.图1为本发明实施例提供的微元反应器结构组成示意图。
32.图2为本发明实施例提供的微元反应器用于svocs污染土壤强化自然降解处置小试试验设计图。
33.图3为本发明实施例提供的小试试验生物降解层中的svocs含量变化图。
34.图4为本发明实施例提供的小试试验污染土壤层中svocs的含量变化图。
35.图5为本发明实施例提供的svocs污染场地内中试试验微元反应器应用示意图。
具体实施方式
36.下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
37.本发明微元反应器由水养调节层、土工布与生物降解层从上至下叠加压实构建，其中，水养调节层由清洁粘质土壤、膨润土、水养制剂混合调配而成，总体渗透系数达1～5
×
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cm/s，兼具水分与养分固持、缓释、向生物降解层补给及污染物阻隔的功能；生物降解层由轻度污染土壤、草炭土、功能微生物菌剂混合调配而成，兼具有机污染物降解与强化其下部污染土壤层中有机污染物自然降解的功能。将微元反应器覆盖于完整的污染区域面积，通过污染物竖向迁移与微生物代谢过程，实现针对整个污染场地的强化自然降解处置过程。
38.本发明所述的用于有机污染土壤强化自然降解处置的微元反应器在svocs污染土壤的小试与中试的试验中均得到了较好的应用效果，实现有机污染场地在自然条件下通过微生物进行代谢降解，并实现该过程的强化作用。
39.实施例1微元反应器用于svocs污染土壤强化自然降解处置的小试试验
40.北方某焦化厂关闭后，厂区原址土壤存在svocs污染状况，依据厂区所在地的规划设计，原厂区域将建设公园绿地，为了满足公园用地土壤质量要求，急需对污染区域进行治理修复。鉴于以清挖为主的异位修复处置工艺成本较高，结合用地规划特征，场地内未来并无深度清挖建设需求，因而综合分析，采用原位阻隔管控与修复相结合的方式，将具有最佳
的处置成本优势。
41.基于此，设置本实施例微元反应器，通过强化自然降解的处置工艺，借助阻隔管控生物降解的双重作用，以期实现高效低耗的场地治理。为了探究该技术针对此类污染场地处置的适用性，需首先采用小试试验对微元反应器技术的应用效果进行评估。微元反应器的构成如图1所示，包括水养调和层、土工布、生物降解层及污染土壤层构成，从而发挥其强化自然降解的功能。
42.所述小试试验的反应装置为针对小试试验评估效果所特制的长期处置装置。反应装置设计如图2所示，反应装置设计为圆柱体结构，柱体总高度为120cm，横截面直径为20cm，柱体内部构成分别由上至下为：顶部预留出高5cm的补水空间，紧邻向下是5cm的清洁土壤层，清洁土壤层之下为水养调节层，水养调节层由80wt％的清洁粘质土壤、15wt％的300目膨润土及水养制剂混合而成；其中，清洁粘质土壤《0.002mm组分的占比为38％(w/w)，余量为水养制剂；所述水养制剂由工业级(nh4)3po3、工业级kno3和秸秆生物炭构成，加入后使混合物料中速效氮含量达265mg/kg、速效磷含量达110mg/kg、速效钾含量达1230mg/kg、可溶性有机碳含量达370mg/kg，均质混合后的物料填装入柱体装置内，总体渗透系数达到3.5
×
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cm/s，含水量达最大持水量的65％，水养调节层总厚度为300mm。
43.试验装置内水养调和层之下为土工布，土工布裁剪成直径为20cm的圆盘形，紧贴水养调和层与生物降解层，土工布选用质量为400g/m2的材料。
44.土工布下层为生物降解层，生物降解层由75wt％轻度污染土壤、20wt％草炭土，余量为功能微生物菌剂构成；其中，轻度污染土壤中svocs污染因子类型分别为苯并[a]蒽(24.6mg/kg)、苯并[a]芘(2.4mg/kg)、萘(98.3mg/kg)、二苯并[a,h]蒽(3.06mg/kg)，经预实验检测，将污染因子按上述剂量混入清洁土壤中，土壤中的初始微生物丰度达3.5
×
108cfu/g干土，培养120h后，污染土壤中微生物丰度达到2.3
×
108cfu/g干土，为初始含量的66％，符合轻度污染土壤条件；所用草炭土中有质含量占比约34.1％，所用功能微生物菌剂为具有高环数多环芳烃降解活性的微生物，接种量达5.6wt％，功能微生物菌剂构成为蜡样芽孢杆菌(bacillus cereus)、枯草芽孢杆菌(bacillus subtilis)、铜绿假单胞菌(pseudomonas aeruginosa)、地衣芽孢杆菌(bacillus licheniformis)和鞘氨醇单胞菌(sphingomonas sp.)，上述各菌株按常规方式活化，活化后按等体积比例混合；生物降解层的总厚度达500mm，同时，该层中布设一根曝气管路，管路外与气泵连接，每30～40天进行一次曝气处理。
[0045]
上述菌株均为公知菌株，均可市购获得，或，文献中记载的菌株可在公共流通渠道获得。
[0046]
生物降解层下部位为污染土壤层，污染土壤层内svocs类污染因子及含量如表1所示，污染土壤层厚度达300mm。
[0047]
表1
[0048][0049]
装置内物料填充完毕后开始进行阻隔与自然降解监测管理。该实验周期持续了两年时间，共计720天的监测周期，每60天进行一次样品采集，并分别采集表层清洁土壤层、生物降解层及污染土壤层的样品进行svocs各污染因子的含量测定。监测结果如图3和图4所示。结果表明，清洁土壤层中均未检出上述四种污染物，生物降解层中各类型污染因子含量均呈现先增加后减小的趋势，而污染土壤层中，各污染因子含量在两年的时间内呈现逐步下降的趋势，这表明污染因子分别通过生物降解层与污染土壤层内的自然降解作用得到了去除，污染土壤层中苯并[a]蒽、苯并[a]芘、萘和二苯并[a,h]蒽的去除率分别达到69.1％、67.1％、63.7％和77.3％，且污染土壤层中四种污染因子的含量均已符合二类建筑用地筛选值的要求；而在无任何处置措施的对照污染土壤组中，四种污染因子的去除率范围仅为16.2～25.7％，可见，在自然降解过程中，微元反应器技术显著实现了针对自然降解的强化作用。
[0050]
综上表明，这种微元反应器技术通过阻隔与强化自然降解的功能，有效实现了小试试验过程中有机污染土壤的强化自然降解，表现出良好的应用潜能。
[0051]
实施例2微元反应器用于svocs污染土壤强化自然降解处置的中试试验
[0052]
基于上述小试试验的数据特征，为了进一步评价微元反应器技术工艺在场地级别的污染土壤环境中的实际应用效果，在前述某焦化厂原厂区域内圈定面积为5m
×
5m的处置范围，进行微元反应器技术的中试试验处置。该场地污染区域的污染最大深度达到地下6.5m，污染因子的浓度分布范围分别为苯并[a]蒽23.7～48.2mg/kg(均值36.7mg/kg)、苯并[a]芘2.1～6.2mg/kg(均值4.3mg/kg)、萘86.7～273.2mg/kg(均值194.8mg/kg)和二苯并[a,h]蒽2.3～8.5mg/kg(均值5.8mg/kg)。
[0053]
参见图5，于上述某焦化厂原厂区域中构筑微元反应器，具体为：首先进行部分清挖，清挖深度达130cm，随后依次添加进行生物降解层(800mm厚)、土工布(400g/m2)、水养调和层(300mm厚)及表层清洁土层(200mm厚)，针对生物降解层与水养调和层的建设，其混合物料的制备与小试试验中各物料的组分构成基本一致。其中，差别之处包括：水养调和层中总物料含水量达饱和含水量的56％，物料压实后的渗透系数达2.3
×
10-6
cm/s，生物降解层混合物料中功能微生物菌剂的接种量达到7.3％，以及生物降解层内并未提供定期的曝气处置。
[0054]
在场地布设完成后依旧采用长期监测的方式进行中试试验区域管理。管理过程中每30天进行一次不同深度的取样监测，取样深度依次定为10cm、40cm、90cm及150cm，监测周期为360天。中试试验监测结果表明，10cm深度样品均为检出四种污染因子的存在，40cm与90cm处随检出少量污染物，但均未超过二类建筑用地筛选值标准(表1)，150cm处四种污染因子含量分别达到苯并[a]蒽28.2mg/kg、苯并[a]芘3.1mg/kg、萘146.7mg/kg和二苯并[a,h]蒽4.7mg/kg，以初始的均值含量为基准，总的污染因子去除率依次为23.2％、27.5％、
24.7％和19.2％。而对照组未进行微元反应器技术处置建设的区域，其污染因子的自然降解率仅为5.3％～9.3％。
[0055]
综上所述，本专利所提供的有机污染土壤微元反应器处置工艺在中试现场实践应用中有效实现了有机污染物如svocs类污染因子的强化自然降解处置过程，为大规模的推广应用提供了良好的使用经验，并为低成本、高效率的污染土壤治理技术市场提供了优良的技术储备资源。