专利名称：一种去除河道底泥中重金属Cd的方法
技术领域：
本发明涉及一种河道底泥重金属处理方法，具体涉及一种生物淋滤法去除疏浚底泥中重金属Cd的技术方法。
背景技术：
河道底泥(沉积物)污染是全球当前的一个重要的环境问题。污染物通过大气沉降、废水排放、雨水淋溶与冲刷进入水体，最后沉积到底泥中并逐渐富集，底泥逐渐受到污染，最后把底泥变成污染物的汇集地。在对河流的外污染源进行了有效控制后，当水环境发生变化时，沉积在底泥中的氮磷营养元素、重金属和难降解有机物就会重新释放出来进入水体，影响上覆水体的水质，形成“二次污染”。此外，底泥是底栖生物的主要生活场所和食物来源，污染物质可直接或间接对底栖生物或上覆水生物产生致毒致害作用，并通过生物富集、食物链放大等过程，进一步影响陆地生物和人类健康。河道疏浚底泥具有数量大、含水率高、污染较严重、成分复杂等特性，如果疏浚底泥不采取任何工程措施而简易堆放，一方面会占用大量土地，另一方面又会因为雨水的冲刷造成二次污染。另外，由于底泥中含有丰富的N、P、K、微量的氨基酸和植物生长所需的多种微量元素，国内外广大学者普遍认同的是将疏浚底泥转为农林化利用。从长远来看这种疏浚底泥处置方法符合我国国情，构筑循环经济，实现资源化利用，有利于城市和农业的可持续发展，具有广阔的发展前景。目前针对重金属污染土壤及底泥治理的工程技术主要包括化学淋洗、电动修复、 土壤改换、固化技术等。(1)化学淋洗使用能促进土壤中重金属迁移或溶解的提取剂，使土壤固相结合的重金属转移到土壤液相，再把包含有重金属的液体从土层中抽提出来，进行分离和污水处理的技术。化学淋洗是有效处理难挥发性重金属污染土壤的有效手段之一，选择合适的提取剂是该项技术的关键。但是无论哪种提取剂都存在回收、二次污染等还未解决或完善的技术问题。(2)电动修复利用电极使重金属离子从土壤表面解吸及溶解， 定向迁移富集在阴极区域，再抽提去除。该技术目前在德国和美国已进行了大范围的工程试验，特别适合于低渗透性的黏土和淤泥土，经济合理。但是由于土壤系统组分的复杂性， 经常出现实际应用与实验结果相反的现象，如土壤的缓冲性能、组分、离子组成、污染金属离子的种类等都会影响电动修复的效果，金属电极本身容易被腐蚀，也会造成土壤的二次污染。(3)电热修复向土壤中通入热蒸汽或用射频加热等方法，对土壤进行加热，将挥发性重金属从土壤颗粒中解析出来，并收集起来进行处理。该技术的不足之处在于土壤有机质和结构水易遭到破坏，驱赶土壤水分需要消耗大量能源。(4)固化技术把受污染土壤与固化剂按一定比例混合，改变土壤的理化性质，通过重金属的吸附或沉淀作用来降低其生物有效性。污染土壤中的有毒金属被固定后，不仅可以在一定程度上缓解重金属对土壤生物和植物的生理毒害，而且可缓解重金属向土壤深层和地下水迁移。该方法具有一定效果， 原位固化重金属，大大降低成本，但也有一定局限性只是改变了重金属在土壤中的存在形态，对土壤长期稳定性和对生态系统的影响不甚了解，目前也缺乏这方面的研究。由于长期沉淀，导致河道底泥中含有少量重金属镉(Cd)，虽然镉含量相对较少，但当未经处理的河道疏浚底泥进入陆地生态系统后，重金属镉会随生态循环进入食物链并累积到食物链上层生物，进而最终危害人类健康，容易导致痛痛病、软骨症等病症。故如何解决去除河道疏浚底泥中重金属镉的问题，成为本领域研究方向。
发明内容
针对上述现有技术不足，本发明要解决的技术问题是怎样提供一种工艺简单，成本低廉，能够有效去除河道底泥中重金属镉的方法，使河道疏浚底泥能够用于农林化利用达到变废为宝的效果。为了解决上述技术问题，申请人研究了现有技术中处理河道底泥重金属的现有方法，与现有常规技术相比，采用微生物淋滤技术进行生物修复的方法具有安全性较高、费用较低和效果较好等优点，是一种环境友好型方法。其中，微生物淋滤技术是利用特异化能自养型的嗜酸性硫杆菌的催化氧化作用降低污泥体系的PH值，使难容形态的重金属从固相溶出进入液相，再通过污泥脱水，而达到去除污泥中重金属的目的。生物淋滤技术最初应用于难浸提矿石或贫矿中金属的溶出与回收，并与20世纪80年代后期开始应用于污泥中重金属的浸出。生物淋滤技术的优点在于(1)硫细菌不是人和动物的病原菌；(2)可以利用废酸对污泥进行预酸化，可以和好样城市污泥消化法结合，能充分利用已有的运行设施，运行费用低；(3)污泥中硫细菌生存能力适应性强，繁殖快，能快速启动淋滤重金属；(4)操作简单，运行过程无需特殊控制，在10 37°C范围内均能淋滤重金属；(5)生物淋滤既能有效去除污泥中重金属又能起到杀灭病原菌的作用。然而，生物淋滤法对河道疏浚底泥中重金属的去除研究还处于初级阶段，对于生物淋滤的去除机理、影响因素的研究以及生物淋滤对某些重金属的去除效率较低等问题，目前还没有得到很好的解决，仍需要做大量的研究。故申请人经大量研究后，基于微生物淋滤技术开发出下述技术方案来解决所述技术问题
一种去除河道底泥中重金属Cd的方法，其特点在于，采用了生物淋滤技术，以氧化亚铁硫杆菌为微生物淋滤细菌制作生物淋滤的接种液，将接种液与待处理的河道底泥混合后曝气并搅拌，使重金属Cd被去除。具体地说本技术方案为采用一具有振荡装置和曝气装置的反应器，将待处理的河道底泥加入反应器，加入反应底物RSO4 · 7H20,并将反应底物浓度控制在7. 5 ΧΙΟ"3 g/ ml ；采用氧化亚铁硫细菌接种液接种入反应器，并将氧化亚铁硫细菌接种液的体积比例控制为5% ；控制反应器内的温度为25 32°C，初始的pH值控制在4. 0 4. 5范围内；对反应器进行曝气和振荡促进反应，曝气程度控制在反应器溶解氧DO为7. 5 9. Omg/L，振荡往复频率lOOrpm，反应10 12d后将含有重金属Cd的上清液分离，从而使剩余的河道底泥中的重金属Cd含量降低。经试验验证，采用本方法对河道底泥进行处理，可以使得重金属Cd的去除率达到 16% 18%，经处理后的河道底泥，其重金属镉的含量能够达到农林使用标准，同时不会破坏底泥中肥料养分含量，可以用于农林业应用，达到变废为宝的效果。
其中作为优化，所述氧化亚铁硫细菌接种液采用如下方法制备，从煤矿的坑水和坑泥中吸取菌种样品IOml加入30ml躲液体培养基，在30°C的条件下开始培养，当溶液变为红棕色，吸取上清液IOml加入9k液体培养基90ml，在同样条件下再培养，如此转接5 次，至红棕色出现的时间由原来的5d变成ld，得到驯化的氧化亚铁硫细菌接种液；其中所述9K培养基由A组分和B组分混合组成，混合后pH值为2. 5，A组分包括(NH4) 2S04 3. 0g、 KCl 0. lg、K2HPO4 0. 5g、MgSO4 · 7H20 0. 5g、Ca(NO3)2 0. Olg、蒸馏水 700ml，混合前 A 组分于 121 °C，0. IMPa 下湿热灭菌 20min ；B 组分包括 FeS04 7H20 44. 2g,蒸馏水 300ml, 10ml/l H2SO4 1ml，混合前B组分于105°C下灭菌。此优化后的氧化亚铁硫细菌接种液制备方法， 具有制备简单，实施方便的特点。综上所述，本发明具有以下优点1、本方法对河道底泥进行处理，能够使得重金属 Cd的去除率达到16% 18%，处理效果较好。2、本方法对河道底泥进行处理，只需要寻常的带有搅拌振荡和曝气功能的反应器，便于实施，同时方法工艺也较为简单，实施成本较低， 易于推广。3、本方法由于是采用生物淋滤技术对河道底泥进行处理，不会产生二次污染，也不会破坏污泥里的养分含量，处理后的河道底泥，可以用于农林业应用，达到变废为宝的效果。
图1为本发明实施例中采用的反应系统示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的详细说明。本发明首先是硫细菌的培养驯化和生物淋滤接种液的制备，从煤矿的坑水和坑泥中吸取菌种样品IOml加入30ml 9k液体培养基，在30°C的条件下开始培养，当溶液变为红棕色，吸取上清液IOml加入9k液体培养基90ml，在同样条件下再培养，如此转接5次，至红棕色出现的时间由原来的5d变成ld，得到驯化的氧化亚铁硫细菌接种液(以下简称接种液)。9K培养基由A组分和B组分混合组成，混合后pH值为2. 5，A组分包括(NH4) 2S04 3. 0g,KCl 0. lg、K2HP04 0. 5g、MgS04 ·7Η20 0· 5g、Ca (NO3) 2 0· Olg、蒸馏水 700ml，混合前 A 组分于 121°C，0. IMPa 下湿热灭菌 20min ；B 组分包括 ^504 7Η20 44. 2g，蒸馏水 300ml，IOml/ 1 H2SO4 1ml，混合前B组分于105°C下灭菌。 取接种菌液IOml，加入躲培养基90ml，用蒸馏水稀释至200ml，置于500ml反应系统中，同时加入一定量的疏浚底泥，在曝气5 ml/min (控制反应器内的溶解氧DO为7. 5 9. Omg/L)、IOOrpm振荡频率下，并对底泥浓度、温度、底物种类(FeSO4 · 7H20、S粉和Na2S2O3) 和初始PH值等生物淋滤重要影响因素最优参数值进行选择，其最优参数值分别为30g/L、 25 32°C、FeSO4 · 7Η20、4· 0 4· 5。 最终，通过控制这些条件，经过10 12d的生物淋滤周期，使得污泥中重金属Cd 的去除率较高，能够达到16% 18%。
实验实例
图1为使用时采用的反应系统示意图。如图1所示，包括反应器1、恒温水浴振荡器2、 曝气机3和流量计4 ；其中反应器1位于恒温水浴振荡器2内，曝气机3通过气管接入反应器1底部，流量计4位于气管上，为增加结果可靠度，采用两套设备进行平行试验。实验时， 取上述驯化的接种菌液10ml，加入到9k培养基90ml，用蒸馏水稀释至200ml，分别置于两个500ml的反应器1中(其中一个反应器作为平行试验)，同时在反应器1内加入一定量的疏浚底泥，使其浓度为30g/L，将反应器1置于恒温水浴振荡器2内，启动曝气机3，调整流量计4使供气量为5 ml/min (反应器内的溶解氧DO为7. 5 9. Omg/L)，在IOOrpm振荡频率下，实验时以I^eSO4 ·7Η20为反应底物，控制其浓度在7. 5X10_3 g/ml，控制反应器温度为 25 321，反应起始？!1值为4.0 4.5。定期补充反应器内蒸发所耗掉的水分。每隔2d 的时间取样5ml，样品在离心机上以1600r/min离心45min，将上清夜和沉淀分离，分析上清液中的PH和ORP及溶液中重金属的浓度。经过10 12d生物淋滤周期后，其底泥中重金属Cd的去除率达到％ 18%，基本满足底泥农林化利用标准。
权利要求
1.一种去除河道底泥中重金属Cd的方法，其特征在于，采用了生物淋滤技术，以氧化亚铁硫杆菌为微生物淋滤细菌制作生物淋滤的接种液，将接种液与待处理的河道底泥混合后曝气并搅拌，使重金属Cd被去除。
2.如权利要求1所述的去除河道底泥中重金属Cd的方法，其特征在于，采用一具有振荡装置和曝气装置的反应器，将待处理的河道底泥加入反应器，加入反应底物!^SO4 · 7H20， 并将反应底物浓度控制在7. 5ΧΙΟ—3 g/ml ；采用氧化亚铁硫细菌接种液接种入反应器，并将氧化亚铁硫细菌接种液的体积比例控制为5% ；控制反应器内的温度为25 32°C，初始的 PH值控制在4. 0 4. 5范围内；对反应器进行曝气和振荡促进反应，曝气程度控制在反应器溶解氧DO为7. 5 9. Omg/L,振荡往复频率为lOOrpm，反应10 12d后将含有重金属Cd 的上清液分离，从而使剩余的河道底泥中的重金属Cd含量降低。
3.如权利要求2所述的去除河道底泥中重金属Cd的方法，其特征在于，所述氧化亚铁硫细菌接种液采用如下方法制备，从煤矿的坑水和坑泥中吸取菌种样品IOml加入30ml 9k 液体培养基，在30°C的条件下开始培养，当溶液变为红棕色，吸取上清液IOml加入9k液体培养基90ml，在同样条件下再培养，如此转接5次，至红棕色出现的时间由原来的5d变成 Id,得到驯化的氧化亚铁硫细菌接种液；其中所述9K培养基由A组分和B组分混合组成，混合后 PH 值为 2. 5，A 组分包括(NH4) 2S04 3. 0g、KCl 0. lg、K2HPO4 0. 5g、MgSO4 · 7H20 0. 5g、 Ca(NO3)2 0. 01g、蒸馏水700ml，混合前A组分于121 °C，0. IMPa下湿热灭菌20min ；B组分包括 FeSO4？ 7H20 44. 2g，蒸馏水 300ml，10ml/l H2SO4 1ml，混合前 B 组分于 105°C下灭菌。
全文摘要
一种微生物淋滤法去除河道底泥中重金属Cd的方法，涉及城市固体废弃物处理技术，是为解决城市内河底泥重金属Cd污染严重、疏浚底泥农林化利用受制约问题。具体步骤如下向反应体系内投加适量的培养驯化的接种液，并将底物浓度控制在30g/L，接种菌液控制在5%，溶解氧浓度7.5～9.0mg/L，温度控制在25～32℃，定期补充反应器内蒸发所耗掉的水分。本发明经过生物淋滤时间，使得重金属Cd的去除率达16%～18%。
文档编号C02F11/02GK102229462SQ20111013873
公开日2011年11月2日 申请日期2011年5月26日 优先权日2011年5月26日
发明者刘国涛, 刘斌, 彭绪亚, 李建华, 袁荣焕 申请人:重庆大学