PCE污染地下水修复的厌氧‑好氧型生物反应格栅系统及方法与流程

本发明涉及四氯乙烯(PCE)污染地下水的生物修复技术领域，特别涉及一种以微生物降解为核心，集营养和碳供给、溶解氧调控、微生物固定为一体的厌氧-好氧型生物反应格栅系统及方法。

背景技术：

地下水污染是目前一个严重的环境问题。四氯乙烯(PCE)是污染地下水中最常检出的有机氯代溶剂之一。PCE作为一类重要的难降解性有机化合物，被认为具有“致癌、致畸、致突变”三致效应，并被多国列为优先控制污染物之一。利用生物技术修复PCE污染地下水过程中，PCE在好氧条件下很难降解，只有在厌氧环境并补充适当的碳源作为共代谢基质，PCE才能发生还原脱氯反应，依次脱氯为三氯乙烯、二氯乙烯以及氯乙烯等毒性更强的低氯代烯烃，但很难完成和维持PCE完全脱氯为环境可接受的乙烯。对于PCE降解过程中产生的低氯代烯烃等中间产物，只有在好氧且适当的碳基质存在条件下，才可最终转化为无毒无害的乙烯。在自然条件下，地下水环境中的溶解氧含量是一个不可调控的因素，因此在利用生物技术修复PCE污染的地下水过程中，其无法既是厌氧环境满足PCE的厌氧降解，同时又是好氧环境满足低氯代烯烃等中间产物的好氧降解。

技术实现要素：

本发明的目的在于调控地下水中的溶解氧含量，提供一种新颖、高效、经济可行的PCE污染地下水修复的厌氧-好氧型生物反应格栅体系，即以微生物降解为核心，集营养和碳供给、溶解氧调控及微生物固定为一体的厌氧-好氧型生物反应格栅系统，人为制造厌氧环境满足PCE的厌氧降解，同时再改变厌氧环境为好氧环境，满足低氯代烯烃等中间产物的好氧降解，最终实现PCE污染地下水的完全无害化处理。

本发明的技术方案如下：

一种用于PCE污染地下水修复的厌氧-好氧型生物反应格栅系统，其特征是沿着地下水流方向顺序依次安装捕氧反应格栅4、厌氧生物降解格栅5、释氧反应格栅6和好氧生物降解格栅7。

捕氧反应格栅4中装填捕氧材料，厌氧生物降解格栅5中装填固定化的厌氧微生物，释氧反应格栅6中装填释氧材料，好氧生物降解格栅7中装填固定化的好氧微生物。

捕氧反应格栅4中装填捕氧材料，捕氧材料的组成如下：捕氧化合物为5％～15％；葡萄糖为15％～20％；酵母粉为5％～8％；水泥为25％～28％；石英砂为25％～27％；KH₂PO₄为3％～6％；K₂HPO₄为3％～6％；微量元素为1％～2％，其余组分为水。

释氧反应格栅6中装填释氧材料，释氧材料的组成如下：释氧化合物为5％～15％；葡萄糖为12％～15％；酵母粉为3％～5％；(NH₄)₂SO₄为4％～8％；KH₂PO₄为4％～8％；石英砂为25％～27％；水泥为25％～28％；微量元素为1％～2％，其余组分为水。

所述捕氧化合物为优选还原铁粉。

所述释氧化合物为优选CaO₂。

捕氧反应格栅中微量元素是由NH₄Cl,、H₂NCSNH₂、KH₂PO₄、Na₂CO₃和CaCl₂按10:20:1:4:2的质量比组成。

释氧反应格栅微量元素是由Na₂HPO₄、KH₂PO₄、MgSO₄·7H₂O、NH₄Cl、MnSO₄·7H₂O、FeSO₄·7H₂O和CaCl₂按11:6:100:250:1:5:10的质量比组成。

本发明是通过下述技术方案加以实现的：当PCE从污染源1渗流至地下后，会在重力作用下垂直向下迁移，直至进入地下含水层后，在地下水流2作用下发生横向扩散，从而造成地下水污染。通过对地下水污染现状的调查，在地下水污染羽状体3的下游，即尚未被污染的地下水区域，一般与地下水流2方向相垂直的某处，通过挖—填手段，按照捕氧反应格栅4，厌氧生物降解格栅5，释氧反应格栅6，好氧生物降解格栅7的顺序修建安装厌氧-好氧型生物反应格栅系统。捕氧反应格栅4内装填捕氧材料，厌氧生物降解格栅5内装填固定化的厌氧微生物，释氧反应格栅6内装填释氧材料，好氧生物降解格栅7内装填固定化的好氧微生物。当含有PCE的地下水在天然水力梯度下进入捕氧反应格栅4，格栅内装填的捕氧材料不仅消耗地下水中的溶解氧，同时也向地下水中释放厌氧微生物生长所必需的营养物质；之后含有PCE的地下水进入厌氧生物降解格栅5，PCE在该格栅装填的固定化的厌氧微生物作用下，厌氧降解为一系列的低氯代烯烃等中间产物；携带着低氯代烯烃等中间产物的地下水随后进入释氧反应格栅6，格栅内装填的释氧材料向地下水中释放出氧气，同时也向地下水中释放好氧微生物生长所必需的营养物质；之后携带着低氯代烯烃等中间产物的地下水进入好氧生物降解格栅7，低氯代烯烃等中间产物在该格栅装填的固定化的好氧微生物作用下，好氧降解为无毒无害的乙烯。经过本专利的厌氧-好氧型生物反应格栅系统，PCE污染的地下水最终得到完全的无害化处理。

本发明的独特之处如下几点：

厌氧-好氧型生物反应格栅系统由捕氧反应格栅4、厌氧生物降解格栅5、释氧反应格栅6和好氧生物降解格栅7四层组成，该系统集营养和碳供给、溶解氧调控、微生物固定为一体。当含有PCE的污染地下水穿过第一层格栅后，会变成低含氧量和富含厌氧微生物生长所需营养物质的地下水，从而保证其进入第二层格栅后，PCE能够厌氧降解成一系列的低氯代烯烃等中间产物；之后处于贫氧状态并含有低氯代烯烃等中间产物的地下水穿过第三层格栅后，会变成富含氧气和好氧微生物生长所需营养物质的地下水，从而保证其进入第四层格栅后，低氯代烯烃等中间产物能够好氧降解成无毒无害的乙烯。

通过捕氧反应格栅4与释氧反应格栅6对地下水中的溶解氧含量进行调控，人为的创造适合PCE及其中间产物-低氯代烯烃生物降解的厌氧和好氧环境，使遭受PCE污染的地下水得到完全的无害化处理，降解效率可达到99.3％以上。

附图说明

图1：厌氧-好氧型生物反应格栅系统示意图

其中：1—污染源，2—地下水流，3—污染羽状体，4—捕氧反应格栅，5—厌氧生物降解格栅，6—释氧反应格栅，7—好氧生物降解格栅

具体实施方式

下面结合附图1对本发明的系统和方法作进一步说明。

一种用于PCE污染地下水修复的厌氧-好氧型生物反应格栅系统，沿着地下水流方向顺序依次安装捕氧反应格栅4、厌氧生物降解格栅5、释氧反应格栅6和好氧生物降解格栅7。捕氧反应格栅4中装填捕氧材料，厌氧生物降解格栅5中装填固定化的厌氧微生物，释氧反应格栅6中装填释氧材料，好氧生物降解格栅7中装填固定化的好氧微生物。

捕氧反应格栅4中装填捕氧材料，捕氧材料的组成如下：捕氧化合物(还原铁粉)为5％～15％；葡萄糖为15％～20％；酵母粉为5％～8％；水泥为25％～28％；石英砂为25％～27％；KH₂PO₄为3％～6％；K₂HPO₄为3％～6％；微量元素为1％～2％，其中微量元素是由NH₄Cl,、H₂NCSNH₂、KH₂PO₄、Na₂CO₃和CaCl₂等组分按10:20:1:4:2的质量比组成；其余组分为水。捕氧材料的作用是消耗地下水环境中的溶解氧，为厌氧生物降解格栅5中的厌氧微生物创造适合PCE降解的厌氧环境，同时又能为厌氧微生物提供其生长所必需的营养物质。

厌氧生物降解格栅5中装填固定化的厌氧微生物，厌氧微生物是经过前期的厌氧富集与驯化得来的，厌氧富集驯化过程采用微生物培养通用方法。其作用是将具有降解PCE能力的微生物固定在该格栅之内，从而保证地下水中的PCE进入该格栅后，在厌氧微生物作用下进行厌氧生物降解，依次脱氯为三氯乙烯、二氯乙烯以及氯乙烯等毒性更强的低氯代烯烃。

释氧反应格栅6中装填释氧材料，释氧材料的组成如下：释氧化合物(CaO₂)为5％～15％；葡萄糖为12％～15％；酵母粉为3％～5％；(NH₄)₂SO₄为4％～8％；KH₂PO₄为4％～8％；石英砂为25％～27％；水泥为25％～28％；微量元素为1％～2％，其中微量元素是由Na₂HPO₄、KH₂PO₄、MgSO₄·7H₂O、NH₄Cl、MnSO₄·7H₂O、FeSO₄·7H₂O和CaCl₂等组分按11:6:100:250:1:5:10的质量比组成；其余组分为水。释氧材料的用是向地下水环境中补充溶解氧，为好氧生物降解格栅7中的好氧微生物创造适合低氯代烯烃等中间产物降解的好氧环境，同时又能为好氧微生物提供其生长所必需的营养物质。

好氧生物降解格栅7中装填固定化的好氧微生物，好氧微生物是经过前期的好氧富集与驯化的来的，好氧富集驯化过程采用微生物培养通用方法。其作用是将具有降解低氯代烯烃等中间产物能力的微生物固定在该格栅之内，从而保证上游地下水中PCE厌氧降解后的低氯代烯烃等中间产物进入该格栅后，在好氧微生物作用下最终降解为无毒无害的乙烯。

实施例1：

1)捕氧材料的制作过程是：将还原铁粉、葡萄糖、酵母粉、KH₂PO₄、K₂HPO₄、微量元素、石英砂、水泥混合均匀，加入一定质量的水后送入造粒机造粒，即得捕氧材料固体颗粒。上述混合物的质量百分比如下：还原铁粉为5％；葡萄糖为15％；酵母粉为5％；KH₂PO₄为6％；K₂HPO₄为6％；微量元素为1％；石英砂为27％；水泥为28％；水为7％。

2)释氧材料的制作过程是：将CaO₂、葡萄糖、酵母粉、(NH₄)₂SO₄、KH₂PO₄、微量元素、石英砂、水泥混合均匀，加入一定的水后送入造粒机造粒，即得释氧材料固体颗粒。上述混合物的质量百分比如下：CaO₂为5％；葡萄糖为12％；酵母粉为3％；(NH₄)₂SO₄为8％；KH₂PO₄为8％；微量元素为1％；石英砂为27％；水泥为28％；水为8％。

3)当PCE从污染源1渗流至地下后，会在重力作用下垂直向下迁移，直至进入地下含水层后，在地下水流2作用下发生横向扩散，从而造成地下水污染。通过对地下水污染现状的调查，在地下水污染羽状体3的下游，即尚未被污染的地下水区域，一般与地下水流2方向相垂直的某处，通过挖—填手段，按照捕氧反应格栅4，厌氧生物降解格栅5，释氧反应格栅6，好氧生物降解格栅7的顺序修建安装厌氧-好氧型生物反应格栅系统。捕氧反应格栅4内装填捕氧材料，厌氧生物降解格栅5内装填固定化的厌氧微生物，释氧反应格栅6内装填释氧材料，好氧生物降解格栅7内装填固定化的好氧微生物。当含有PCE的地下水在天然水力梯度下进入捕氧反应格栅4，格栅内装填的捕氧材料不仅消耗地下水中的溶解氧，同时也向地下水中释放厌氧微生物生长所必需的营养物质；之后含有PCE的地下水进入厌氧生物降解格栅5，PCE在该格栅装填的固定化的厌氧微生物作用下，厌氧降解为一系列的低氯代烯烃等中间产物；携带着低氯代烯烃等中间产物的地下水随后进入释氧反应格栅6，格栅内装填的释氧材料向地下水中释放出氧气，同时也向地下水中释放好氧微生物生长所必需的营养物质；之后携带着低氯代烯烃等中间产物的地下水进入好氧生物降解格栅7，低氯代烯烃等中间产物在该格栅装填的固定化的好氧微生物作用下，好氧降解为无毒无害的乙烯。经过本实施例1处理后的地下水中PCE的去除效率达到99.3％，去除效果良好。

实施例2：

1)捕氧材料的制作过程是：将还原铁粉、葡萄糖、酵母粉、KH₂PO₄、K₂HPO₄、微量元素、石英砂、水泥混合均匀，加入一定质量的水后送入造粒机造粒，即得捕氧材料固体颗粒。上述混合物的质量百分比如下：还原铁粉为10％；葡萄糖为15％；酵母粉为5％；KH₂PO₄为5％；K₂HPO₄为5％；微量元素为1％；石英砂为25％；水泥为27％；水为5％。

2)释氧材料的制作过程是：将CaO₂、葡萄糖、酵母粉、(NH₄)₂SO₄、KH₂PO₄、微量元素、石英砂、水泥混合均匀，加入一定质量的水后送入造粒机造粒，即得释氧材料固体颗粒。上述混合物的质量百分比如下：CaO₂为10％；葡萄糖为12％；酵母粉为5％；(NH₄)₂SO₄为6％；KH₂PO₄为6％；微量元素为2％；石英砂为25％；水泥为25％；水为7％。

3)当PCE从污染源1渗流至地下后，会在重力作用下垂直向下迁移，直至进入地下含水层后，在地下水流2作用下发生横向扩散，从而造成地下水污染。通过对地下水污染现状的调查，在地下水污染羽状体3的下游，即尚未被污染的地下水区域，一般与地下水流2方向相垂直的某处，通过挖—填手段，按照捕氧反应格栅4，厌氧生物降解格栅5，释氧反应格栅6，好氧生物降解格栅7的顺序修建安装厌氧-好氧型生物反应格栅系统。捕氧反应格栅4内装填捕氧材料，厌氧生物降解格栅5内装填固定化的厌氧微生物，释氧反应格栅6内装填释氧材料，好氧生物降解格栅7内装填固定化的好氧微生物。当含有PCE的地下水在天然水力梯度下进入捕氧反应格栅4，格栅内装填的捕氧材料不仅消耗地下水中的溶解氧，同时也向地下水中释放厌氧微生物生长所必需的营养物质；之后含有PCE的地下水进入厌氧生物降解格栅5，PCE在该格栅装填的固定化的厌氧微生物作用下，厌氧降解为一系列的低氯代烯烃等中间产物；携带着低氯代烯烃等中间产物的地下水随后进入释氧反应格栅6，格栅内装填的释氧材料向地下水中释放出氧气，同时也向地下水中释放好氧微生物生长所必需的营养物质；之后携带着低氯代烯烃等中间产物的地下水进入好氧生物降解格栅7，低氯代烯烃等中间产物在该格栅装填的固定化的好氧微生物作用下，好氧降解为无毒无害的乙烯。经过本实施例2处理后的地下水中PCE的去除效率达到99.5％，去除效果良好。

实施例3：

1)捕氧材料的制作过程是：将还原铁粉、葡萄糖、酵母粉、KH₂PO₄、K₂HPO₄、微量元素、石英砂、水泥混合均匀，加入一定质量的水后送入造粒机造粒，即得捕氧材料固体颗粒。上述混合物的质量百分比如下：还原铁粉为15％；葡萄糖为15％；酵母粉为5％；KH₂PO₄为3％；K₂HPO₄为3％；微量元素为1％；石英砂为25％；水泥为25％；水为8％。

2)释氧材料的制作过程是：将CaO₂、葡萄糖、酵母粉、(NH₄)₂SO₄、KH₂PO₄、微量元素、石英砂、水泥混合均匀，加入一定质量的水后送入造粒机造粒，即得释氧材料固体颗粒。上述混合物的质量百分比如下：CaO₂为10％；葡萄糖为13％；酵母粉为4％；(NH₄)₂SO₄为6％；KH₂PO₄为6％；微量元素为2％；石英砂为27％；水泥为28％；水为4％。

3)当PCE从污染源1渗流至地下后，会在重力作用下垂直向下迁移，直至进入地下含水层后，在地下水流2作用下发生横向扩散，从而造成地下水污染。通过对地下水污染现状的调查，在地下水污染羽状体3的下游，即尚未被污染的地下水区域，一般与地下水流2方向相垂直的某处，通过挖—填手段，按照捕氧反应格栅4，厌氧生物降解格栅5，释氧反应格栅6，好氧生物降解格栅7的顺序修建安装厌氧-好氧型生物反应格栅系统。捕氧反应格栅4内装填捕氧材料，厌氧生物降解格栅5内装填固定化的厌氧微生物，释氧反应格栅6内装填释氧材料，好氧生物降解格栅7内装填固定化的好氧微生物。当含有PCE的地下水在天然水力梯度下进入捕氧反应格栅4，格栅内装填的捕氧材料不仅消耗地下水中的溶解氧，同时也向地下水中释放厌氧微生物生长所必需的营养物质；之后含有PCE的地下水进入厌氧生物降解格栅5，PCE在该格栅装填的固定化的厌氧微生物作用下，厌氧降解为一系列的低氯代烯烃等中间产物；携带着低氯代烯烃等中间产物的地下水随后进入释氧反应格栅6，格栅内装填的释氧材料向地下水中释放出氧气，同时也向地下水中释放好氧微生物生长所必需的营养物质；之后携带着低氯代烯烃等中间产物的地下水进入好氧生物降解格栅7，低氯代烯烃等中间产物在该格栅装填的固定化的好氧微生物作用下，好氧降解为无毒无害的乙烯。经过本实施例3处理后的地下水中PCE的去除率达到99.4％，去除效果良好。

实施例4：

1)捕氧材料的制作过程是：将还原铁粉、葡萄糖、酵母粉、KH₂PO₄、K₂HPO₄、微量元素、石英砂、水泥混合均匀，加入一定质量的13％的水后送入造粒机造粒，即得捕氧材料固体颗粒。上述混合物的质量百分比如下：还原铁粉为5％；葡萄糖为20％；酵母粉为8％；KH₂PO₄为5％；K₂HPO₄为5％；微量元素为1％；石英砂为25％；水泥为27％；水为4％。

2)释氧材料的制作过程是：将CaO₂、葡萄糖、酵母粉、(NH₄)₂SO₄、KH₂PO₄、微量元素、石英砂、水泥混合均匀，加入一定质量的水后送入造粒机造粒，即得释氧材料固体颗粒。上述混合物的质量百分比如下：CaO₂为8％；葡萄糖为12％；酵母粉为4％；(NH₄)₂SO₄为8％；KH₂PO₄为8％；微量元素为2％；石英砂为26％；水泥为27％；水为5％。

3)当PCE从污染源1渗流至地下后，会在重力作用下垂直向下迁移，直至进入地下含水层后，在地下水流2作用下发生横向扩散，从而造成地下水污染。通过对地下水污染现状的调查，在地下水污染羽状体3的下游，即尚未被污染的地下水区域，一般与地下水流2方向相垂直的某处，通过挖—填手段，按照捕氧反应格栅4，厌氧生物降解格栅5，释氧反应格栅6，好氧生物降解格栅7的顺序修建安装厌氧-好氧型生物反应格栅系统。捕氧反应格栅4内装填捕氧材料，厌氧生物降解格栅5内装填固定化的厌氧微生物，释氧反应格栅6内装填释氧材料，好氧生物降解格栅7内装填固定化的好氧微生物。当含有PCE的地下水在天然水力梯度下进入捕氧反应格栅4，格栅内装填的捕氧材料不仅消耗地下水中的溶解氧，同时也向地下水中释放厌氧微生物生长所必需的营养物质；之后含有PCE的地下水进入厌氧生物降解格栅5，PCE在该格栅装填的固定化的厌氧微生物作用下，厌氧降解为一系列的低氯代烯烃等中间产物；携带着低氯代烯烃等中间产物的地下水随后进入释氧反应格栅6，格栅内装填的释氧材料向地下水中释放出氧气，同时也向地下水中释放好氧微生物生长所必需的营养物质；之后携带着低氯代烯烃等中间产物的地下水进入好氧生物降解格栅7，低氯代烯烃等中间产物在该格栅装填的固定化的好氧微生物作用下，好氧降解为无毒无害的乙烯。经过本实施例4处理后的地下水中PCE的去除率达到99.3％，去除效果良好。

本发明提出的用于PCE污染地下水修复的厌氧-好氧型生物反应格栅系统及方法，已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的系统、填充物和制作方法进行改动或适当变更与组合，来实现本发明技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。