一种基于能源植物的高效土壤修复方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于能源植物的高效土壤修复方法，包括以下步骤：(1)在受重金属污染的土地上种植能源草；(2)将能源草粉碎至粒径1cm～2cm，进行厌氧干发酵；将甲烷回收，渗滤液进入干发酵装置下部设置的收集池；(3)将发酵残渣进行固液分离脱水并干燥，制成成型燃料；(4)将残余液体与渗滤液收集混合，通过搭载软性纤维填料的升流管式厌氧反应器进行厌氧发酵处理，得到甲烷并回收；(5)向出水发酵液中投入生物炭对重金属进行吸附处理。本发明对富集重金属的能源草进行厌氧干发酵，由于干发酵用水量少，发酵过程中产生的水分及发酵残渣中含水量很少，后续处理投入相较于其他能源利用方式更具有经济优势。
【专利说明】
一种基于能源植物的高效土壤修复方法
技术领域
[0001]本发明涉及属于生物技术能源领域，具体涉及一种基于能源植物的高效土壤修复方法。
【背景技术】
[0002]随着我国工农业的持续高速发展，土壤重金属污染日趋严重，威胁着粮食生产和人类健康，已成为最引人关注的环境问题之一。国家环境保护部和国土资源部在2014年4月联合发布了《全国土壤污染状况调查公报》，公报显示全国土壤总的点位超标率为16.1%，以镉(Cd)、萊(Hg)、砷(As)、铜(Cu)、铅(Pb)、络(Cr)、锌(Zn)、镍(Ni)为代表的无机污染类型占全部超标点位的82.8%。受污染土壤中存在的高浓度重金属会危害植物的生长发育，导致粮食减产和质量降低;改变土壤中生物种群，影响其生态系统的结构和功能，导致土壤生产力的退化。
[0003]植物修复具有成本低，可原位完成以及无二次污染等优点，正成为土壤修复的主流技术。目前普遍利用超富集植物进行土地修复，但是超富集植物的资源化利用价值低，长成的植物一般采用移走或焚烧处理，土地资源未能得到充分的利用。而利用能源植物进行土壤修复，在解决重金属污染的同时还能够获得清洁能源，兼具环境和经济双重效益，相关方面的研究也逐年增加。
[0004]目前，利用能源植物进行土壤修复的主要有徐恒，姬凌云等人公开的200810046469.3 “能源植物与蕈菌联合修复重金属污染土壤的方法”利用能源植物_蕈菌联合种植进行土壤重金属修复，成熟后的能源植物用于液体燃料(生物柴油/燃料乙醇)生产，蕈菌和其他植物残渣用于沼气生产。该方法仅考虑了利用化学方法对可能含有高浓度重金属的沼液进行沉淀处理，但是对来源于同样源于富集植物的生物柴油未提出任何处理方法，而该液体燃料中含有的重金属则可能在日后的利用中对重新回到环境中，产生二次污染。蒋丽娟，易心钰等人公开的201410179813.1“一种利用能源植物配置模式修复重金属污染土壤的方法”提出将含有重金属的生物柴油进行加氢脱金属处理，以此消除后续的利用风险。但是增加该步骤显著提高了利用成本，降低了生物柴油的价格优势。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种基于能源植物的高效土壤修复方法，克服现有技术不足的缺陷。
[0006]本发明是通过以下技术方案予以实现的:
[0007]—种基于能源植物的高效土壤修复方法，包括以下步骤:
[0008](I)在受重金属污染的土地上种植能源草，将所种植的能源草刈割；
[0009](2)将刈割后的能源草粉碎至粒径Icm?2cm，进行厌氧干发酵，干发酵浓度为18%_20%，发酵温度为37°C;干发酵后产生甲烷、发酵液和发酵残渣，将所述甲烷回收，所述渗滤液进入干发酵装置下部设置的收集池；
[0010](3)将步骤(2)中所述发酵残渣进行固液分离脱水并干燥，制成成型燃料；
[0011](4)将步骤(3)中发酵残渣进行固液分离脱水的残余液体与步骤(2)中产生的渗滤液收集混合，通过搭载软性纤维填料的升流管式厌氧反应器进行厌氧发酵处理，得到甲烷并回收；
[0012](5)向步骤(4)中厌氧发酵处理后的出水发酵液中投入生物炭对其中重金属进行吸附处理，将经吸附处理后的生物炭进行集中填埋处理。
[0013]本发明对富集了重金属的能源草进行厌氧干发酵处理，由于干发酵用水量少，发酵过程中产生的水分及发酵残渣中含水量都很少，后续处理投入相较于其他能源利用方式更具有经济优势。
[0014]优选地，步骤(I)中所述能源草为杂交狼尾草或柳枝稷。
[0015]优选地，步骤(I)中所述能源草栽植行株距为120 X 60cm。
[0016]优选地，步骤(I)中所述能源草刈割频率为2次/年。
[0017]优选地，步骤(3)中所述成型燃料经燃烧产生的灰渣进行熔融处理回收重金属。
[0018]优选地，步骤(4)中所述软性纤维填料为醛化纤纶，填料束上下间距为60-80mm，其直径为120?130mm。利用搭载有软性纤维填料的升流管式厌氧反应器对残余液和渗滤液进行二次发酵处理不仅能够对原料进行充分的能源回收利用，还有利于降低发酵液中的重金属浓度。
[0019]进一步的，步骤(4)中所述厌氧发酵处理的反应条件为37°C。
[0020]优选地，步骤(5)中所述生物炭为水稻秸杆生物炭。利用生物炭对厌氧处理出水中的重金属进行吸附替代化学沉淀，更加环境友好，处理完毕的发酵液不会由于过量沉淀剂的加入对环境产生二次污染。
[0021]本发明的有益效果是:
[0022](I)对富集了重金属的能源草进行厌氧干发酵处理，由于干发酵用水量少，发酵过程中产生的水分及发酵残渣中含水量都很少，后续处理投入相较于其他能源利用方式更具有经济优势。
[0023](2)利用搭载有软性纤维填料的升流管式厌氧反应器对残余液和渗滤液进行二次发酵处理不仅能够对原料进行充分的能源回收利用，同时由于填料上附着生物膜中，除菌体之外最主要的组成部分是由其分泌的胞外聚合物(EPS)，这种高分子聚合物的主要成分是多聚糖、蛋白质、核酸和脂类等，其表面的大量阴离子基团对不同类型金属离子表现出强烈的亲和性。由于胞外聚合物含有带负电荷的官能团，如多聚糖、蛋白质等的梭基官能团，因此生物膜可以通过带负电荷的配合基与重金属相互作用，从而能够逐渐吸附重金属离子。因此，有利于降低发酵液中的重金属浓度。
[0024](3)利用生物炭对厌氧处理出水中的重金属进行吸附替代化学沉淀，更加环境友好，处理完毕的发酵液不会由于过量沉淀剂的加入对环境产生二次污染。且生物炭来源于废弃的生物质原料(秸杆)，成本低，也是对有机废弃物的一种资源化利用方式。
【附图说明】
[0025]图1为本发明一种基于能源植物的高效土壤修复方法的流程图。【具体实施方式】:
[0026]以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
[0027]除特别说明，本发明使用的设备和试剂为本技术领域常规市购产品。
[0028]实施例1
[0029]如图1所示的流程图:在受重金属镉轻度污染，即镉浓度在2.l_3mg/Kg的土壤中种植杂交狼尾草，栽植行株距为120 X 60cm，6个月后进行收集，一年刈割频率为2次。收集的杂交狼尾草中镉浓度为0.56mg/Kg，生物富集系数为0.19。新鲜杂交狼尾草TS为28%，粉碎至粒径lcm-2cm。干发酵浓度控制在18%-20%，发酵温度为37 V ；将加热至37 V的接种物通过喷淋方式接种;发酵过程中产生的少量渗滤液进入发酵装置下部的收集池并进行加热，回流，喷淋至干发酵物料上，从而增加物料间的质热传递，同时回收甲烷。厌氧干发酵需少量接种液将发酵浓度从28%调节至18%-20%，lKg新鲜狼尾草的沼液用量仅为400-556g，而利用湿式发酵方法，同样质量狼尾草以发酵浓度8%计，所需要加入接种液及水的量为2500g ο发酵残渣通过固液分离，沼液中的Cd含量为0.016mg/L，沼渣中Cd含量为0.59mg/KgTS。该固体部分干燥造粒制成成型燃料，液体部分与发酵渗滤液混合，并调节酸碱度至
7.0-7.3后，栗入搭载软性纤维填料的升流管式厌氧反应器进行厌氧发酵，管式反应器直径为150mm，高900mm，径高比为1:6，总体积为16L ；软性纤维填料为醛化纤纶，直径为130mm，填料上下间距为80mm，通过间歇开启反应器内部循环栗，使得料液充分混合，提高传质效率，同时回收甲烷。该部分出水中投加过量秸杆生物炭吸附重金属离子，吸收完毕的生物炭进行集中填埋处理。通过生物膜及生物炭联合吸附，最终出水中Cd浓度低于0.01mg/L，符合GB18918—2002城镇污水处理厂污染物排放标准。发酵渣制成的成型燃料燃烧过后产生的灰渣在高温1400°C的状况下，通过熔融，重金属得到固化回收。
[0030]实施例2
[0031]如图1所示的流程图:在受重金属铅轻度污染，即铅浓度在88-95mg/Kg的土壤中种植杂交狼尾草，栽植行株距为120 X 60cm，6个月后进行收集，一年刈割频率为2次。收集的杂交狼尾草中铅浓度为4.3mg/Kg，生物富集系数为0.045。新鲜杂交狼尾草TS为28 %，粉碎至粒径lcm-2cm。干发酵浓度控制在18%-20%，发酵温度为37 V ；将加热至37 V的接种物通过喷淋方式接种;发酵过程中产生的少量渗滤液进入发酵装置下部的收集池并进行加热，回流，喷淋至干发酵物料上，从而增加物料间的质热传递，同时回收甲烷。厌氧干发酵需少量接种液将发酵浓度从28%调节至18%-20%，lKg新鲜狼尾草的沼液用量仅为400-556g，而利用湿式发酵方法，同样质量狼尾草以发酵浓度8%计，所需要加入接种液及水的量为2500g。发酵残渣通过固液分离，沼液中的Pb含量为0.12mg/L，沼渣中Pb含量为4.55mg/KgTS。该固体部分干燥造粒制成成型燃料，液体部分与发酵渗滤液混合，并调节酸碱度至
7.0-7.3后，栗入搭载软性纤维填料的升流管式厌氧反应器进行厌氧发酵，管式反应器直径为150mm，高900mm，径高比为1:6，总体积为16L ；软性纤维填料为醛化纤纶，直径为130mm，填料上下间距为80mm，通过间歇开启反应器内部循环栗，使得料液充分混合，提高传质效率，同时回收甲烷。该部分出水中投加过量秸杆生物炭吸附重金属离子，吸收完毕的生物炭进行集中填埋处理。通过生物膜及生物炭联合吸附，最终出水中Pb浓度低于0.lmg/L，符合GB18918—2002城镇污水处理厂污染物排放标准。发酵渣制成的成型燃料燃烧过后产生的灰渣在高温1400°C的状况下，通过熔融，重金属得到固化回收。
[0032]上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利保护范围中。
【主权项】
1.一种基于能源植物的高效土壤修复方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)在受重金属污染的土地上种植能源草，将所种植的能源草刈割； (2)将刈割后的能源草粉碎至粒径Icm?2cm，进行厌氧干发酵，干发酵浓度为18%-20 %，发酵温度为37 °C ;干发酵后产生甲烷、发酵液和发酵残渣，将所述甲烷回收，所述渗滤液进入干发酵装置下部设置的收集池； (3)将步骤(2)中所述发酵残渣进行固液分离脱水并干燥，制成成型燃料； (4)将步骤(3)中发酵残渣进行固液分离脱水的残余液体与步骤(2)中产生的渗滤液收集混合，通过搭载软性纤维填料的升流管式厌氧反应器进行厌氧发酵处理，得到甲烷并回收； (5)向步骤(4)中厌氧发酵处理后的出水发酵液中投入生物炭对重金属进行吸附处理，将经吸附处理后的生物炭进行集中填埋处理。2.根据权利要求1所述的基于能源植物的高效土壤修复方法，其特征在于，步骤(I)中所述能源草为杂交狼尾草或柳枝稷。3.根据权利要求1或2所述的基于能源植物的高效土壤修复方法，其特征在于，步骤(I)中所述能源草栽植间距为120 X 60cmo4.根据权利要求1或2所述的基于能源植物的高效土壤修复方法，其特征在于，步骤(I)中所述能源草刈割频率为2次/年。5.根据权利要求1或2所述的基于能源植物的高效土壤修复方法，其特征在于，步骤(3)中所述成型燃料经燃烧产生的灰渣进行熔融处理回收重金属。6.根据权利要求1或2所述的基于能源植物的高效土壤修复方法，其特征在于，步骤(4)中所述软性纤维填料为醛化纤纟仑，填料束上下间距为60-80mm，其直径为120?130mm。7.根据权利要求6所述的基于能源植物的高效土壤修复方法，其特征在于，步骤(4)中所述厌氧发酵处理的反应条件为37°C。8.根据权利要求1或2所述的基于能源植物的高效土壤修复方法，其特征在于，步骤(5)中所述生物炭为水稻秸杆生物炭。
【文档编号】B09C1/10GK105880279SQ201610223707
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月11日
【发明人】袁振宏, 王瑶, 孔晓英, 孙永明
【申请人】中国科学院广州能源研究所