一种用于石油污染土壤修复的多重生物炭联合微生物复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种石油污染土壤修复材料，特别涉及一种利用生物炭作为微生物附着载体，通过微生物降解石油烃污染以及生物炭吸附重金属污染的联合修复石油污染土壤的方法，属于土壤修复技术领域。

背景技术：

随着石油行业的蓬勃发展，在对石油的勘探、开发、储运与加工及使用过程中，原油和原油制品跑、冒、滴、漏等造成采油区和炼厂附近大面积土壤污染，在我国东北地区存在大量油田，如辽河油田、大庆油田等地，石油开采区面积大，作业活动频繁，石油污染土壤中的有害物质严重危害土壤环境、动植物、人体健康。大量研究表明，土壤中含油量对于其中生物如细菌、蚯蚓和植物均会产生毒害作用，含油量大于3％的土壤中蚯蚓无法存活，且植物在萌发过程会受到抑制，玉米和小麦的发芽抑制率分别为51.3％和48.4％。因此，对石油污染土壤的治理势在必行。

在石油污染场地中，主要的污染物质为石油烃和重金属，它们不仅会大量存在于石油污染场地中，而且是潜在的持久性的有毒有害物质。由于生物累积及生物放大效应，土壤中一旦存在重金属或石油烃，其高毒性和致变异的特征将严重影响土壤质量、危害动植物及人体健康。当重金属与石油烃同时存在时，这种危害更是大大加深。据相关研究显示石油烃和重金属对土壤微生物活性的抑制作用远大于单个污染物的存在。因此，采用有效的处理方法对石油污染土壤进行修复是非常必要的，然而由于每种污染物类型都需要不同的修复方法，修复受石油烃和重金属共同污染的土壤面临挑战。

国内外常用的修复石油污染土壤的方法包括：物理修复、化学修复和生物修复方法，其中物理修复和化学修复对石油污染的修复成本高、效果一般，且对设备要求高。生物修复方法被广泛利用，利用微生物及其附着载体，对土壤污染物进行吸附，传统的固定微生物的载体有砂砾、碎石、煤炭、软纤维等填料，但是这些载体只能在其表面形成生物膜，生物量相对较少，种群相对单一。由于降解石油烃的微生物种类繁多，细菌类石油烃降解菌包括假单胞菌属、无色杆菌属、小球菌属等，其中最常见的是假单胞菌，可通过双加氧酶和单加氧酶共同作用，对短链和长链烷烃、芳烃均有降解能力；真菌类石油烃降解菌常见的有曲霉属、靑霉属、枝胞霉等，可通过氧化作用降解。但不是每种微生物都能有效降解石油污染物，因此，选择具有针对性且高效的降解菌是至关重要的。综上所述，急需寻找一种对石油污染土壤进行修复且成本低、效果好的方法。

技术实现要素：

针对现有技术对石油污染土壤修复技术存在的弊端，本发明的目的是在于提供一种耗时短、降解效率好、重金属去除效果好的用于石油污染土壤修复的多重生物炭联合微生物复合材料。

本发明的另一个目的是在于提供一种简单、低成本的制备多重生物炭联合微生物复合材料的方法，该方法充分利用现有废弃生物资源，原料成本低，其制备工业简单，有利于大规模生产应用。

本发明的第三个目的是在于提供所述多重生物炭联合微生物复合材料的应用，将其应用于原位修复石油污染土壤，可以快速高效降解石油污染土壤中有机质成分，同时去除重金属污染物。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种用于石油污染土壤修复的多重生物炭联合微生物复合材料，其具有三层结构；下层为附着真菌石油烃降解剂的甘蔗渣生物炭，中层为中药残渣生物炭，上层为附着细菌石油烃降解剂的茶叶加工废弃物生物炭。

本发明的多重生物炭联合微生物复合材料的设计主要依据不同的生物质炭的表面积、孔径、吸附力不同以及对微生物的附着能力不同而提出。经过大量实验表明：甘蔗渣生物炭对真菌石油烃降解剂的附着效果最佳，更有利于发挥真菌石油烃降解剂的生物活性，而茶叶加工废弃物生物炭对细菌石油烃降解剂的附着效果最好，更有利于发挥细菌石油烃降解剂的生物活性。但是真菌石油烃降解剂及细菌石油烃降解剂之间存在相互抑制作用难以形成很好的共存生物环境体系，因此通过设置中药残渣生物炭隔离层，可以保证复合材料同时具有真菌石油烃降解剂及细菌石油烃降解剂的生物活性。另外还通过实验表明将甘蔗渣生物炭、中药残渣生物炭、茶叶加工废弃物生物炭分层布置，不同的活性炭的比表面积、孔径、吸附力，吸附的重金属离子的能力和类型也不同，分层设置使用能发挥各自的最大吸附效率。且将下层设置为附着真菌石油烃降解剂的甘蔗渣生物炭以及上层为附着细菌石油烃降解剂的茶叶加工废弃物生物炭，分别为真菌和细菌提供良好生态环境。

优选的方案，所述细菌石油烃降解剂包含假单胞菌、无色杆菌和枯草芽孢杆菌。假单胞菌、无色杆菌和枯草芽孢杆菌均是降解效率较高的石油烃降解细菌，且三者共同培养和驯化可以获得很好的共存生态体系，能够提高对石油烃的降解效果。

较优选的方案，假单胞菌、无色杆菌和枯草芽孢杆菌的质量比为1.0～2.0：0.5～1.5：1.0～2.0。

优选的方案，所述石油烃降解真菌包含青霉属和曲霉属。青霉属和曲霉属均是降解效率较高的石油烃降解真菌，且两者共同培养和驯化可以获得很好的共存生态体系，能够提高对石油烃的降解效果。

较优选的方案，青霉属和曲霉属的质量比例为0.5～1.5：0.5～1.5。

优选的方案，附着真菌石油烃降解剂的甘蔗渣生物炭、中药残渣生物炭及附着细菌石油烃降解剂的茶叶加工废弃物生物炭的质量比为0.5～1.5：0.5～1.5：0.5～1.5。

本发明还提供了一种用于石油污染土壤修复的多重生物炭联合微生物复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)将甘蔗渣生物炭与真菌石油烃降解剂混合振荡培养，得到甘蔗渣生物炭菌悬液；将甘蔗渣生物炭菌悬液与海藻酸钠溶液混合，搅拌均匀，再滴入到至氯化钙溶液中，硬化后，采用纱布包裹，得到附着真菌石油烃降解剂的甘蔗渣生物炭；

2)将茶叶加工废弃物生物炭与细菌石油烃降解剂混合振荡培养，得到出茶叶加工废弃物生物炭菌悬液；将茶叶加工废弃物生物炭菌悬液与海藻酸钠溶液混合，搅拌均匀，再滴入到至氯化钙溶液中，硬化后，采用纱布包裹，得到附着细菌石油烃降解剂的茶叶加工废弃物生物炭；

3)将中药残渣生物炭采用无菌纱布包裹；

4)附着真菌石油烃降解剂的甘蔗渣生物炭、中药残渣生物炭、附着细菌石油烃降解剂的茶叶加工废弃物生物炭，逐层铺设成三层结构。

优选的方案，所述茶叶加工废弃物生物炭由茶叶加工废弃物通过350～450℃温度下隔氧热解得到。优选为在400℃温度下隔氧热解。

优选的方案，所述中药残渣生物炭由中药残渣通过250～350℃温度下隔氧热解得到。优选为在300℃温度下隔氧热解。

优选的方案，所述甘蔗渣生物炭由甘蔗渣通过550～650℃温度下隔氧热解得到。优选为在600℃温度下隔氧热解。

经过大量实验表明：茶叶加工废弃物、中药残渣及甘蔗渣通过在各自的优选条件下进行热解，可以获得最佳重金属吸附性能以及对微生物的附着性能。

优选的方案，甘蔗渣生物炭与真菌石油烃降解剂的质量体积比为1g:15～25ml。所述真菌石油烃降解剂的活性菌数量不低于1×10⁷cfu/ml。

优选的方案，茶叶加工废弃物生物炭与细菌石油烃降解剂的质量体积比为1g:15～25ml；所述细菌石油烃降解剂的活性菌数量不低于1×10⁷cfu/ml。

本发明的海藻酸钠主要起到粘结作用，在钙离子的作用下，海藻酸钠被钙离子交联固化。

本发明技术方案通过将假单胞菌、无色杆菌、枯草芽孢杆菌、青霉素、曲霉属五种微生物菌种进行接种活化，再将微生物菌群附着于由甘蔗渣和茶叶加工废弃物作为原材料制备的生物炭上，从上之下的三层吸附材料包覆于污染土壤中，进行原位土壤修复，该多重生物炭联合微生物复合材料对吸附石油污染土壤中的重金属、降解石油烃具有很好的效果。

本发明技术方法选取生物炭作为微生物载体，是由于其丰富的孔隙结构，较大的比较面积，能为微生物附着提供空间，同时多样化的表面官能团，能吸附土壤中的铜、铅、镉等重金属，原料来源广泛，能方便制备。基于生物炭载体进行微生物扩大培养，能有效增加微生物活菌数量，生物炭吸附土壤中的重金属的同时，微生物有效降解有机污染物，实现石油污染土壤修复的目标。

本发明的用于石油污染土壤修复的多重生物炭联合微生物复合材料的制备方法和应用方法：

1、生物炭的制备步骤：

(1)选用甘蔗渣、中药残渣、茶叶加工废弃物作为原材料制备生物炭；

(2)将原材料分别用去自来水清洗干净，放到烘干箱内70～80℃烘干，用粉碎机粉碎，将原材料粉末压实分别装入带盖坩埚中，在马弗炉内以5℃/min的加热速率加热(甘蔗渣生物炭加热到600℃、中药残渣生物炭加热到300℃、茶叶加工废弃物生物炭400℃)，恒温缺氧加热2小时；

(3)冷却至室温后，用0.1m的hcl溶液浸泡24h，以除去灰分，再用去离子水将生物炭洗至中性，最后在60～70℃下烘干。

2、微生物的培养步骤：

(1)购买假单胞菌、无色杆菌、枯草芽孢杆菌、青霉素、曲霉属五种微生物菌种进行接种活化。

(2)斜面活化菌株后，将单个菌种转接到固体培养基上培养实现菌种扩大，并标记菌株名称。假单胞菌用cn培养基培养，无色杆菌、枯草芽孢杆菌用lb培养基培养，青霉属、曲霉属用pda培养基培养；

cn培养基成分：明胶胨16g，胰蛋白胨10g，k2so410g,mgcl21.2g，琼脂15g,溴化十六烷基三甲胺0.2g，甘油10ml，去离子水定容1000ml，萘啶酮酸1.5mg，ph＝7.2；

lb培养基成分：蛋白胨10g,酵母膏5g，nacl10g，去离子水定容1000ml，ph＝7.2；

pda培养基成分：马铃薯200g，蔗糖20g，琼脂20g，去离子水定容1000ml，ph＝7.2。

(3)将不同培养基在恒温条件下(25-30℃)培养到稳定期，8000rpm下离心25min收集菌体，再用灭菌处理后的nacl溶液洗菌体3次后重悬，制备出5种不同菌的菌悬液。

(4)分别取假单胞菌、无色杆菌、枯草芽孢杆菌三种石油烃降解细菌的菌悬液2ml，加到50mg/l的由(nh4)2so43.0g，kh2po40.5g，na2hpo40.5g，mgso4·h2o0.3g，fecl30.3g，feso4·7h2o0.3g，mnso4·h2o0.15g，znso40.14g，cocl20.2g，用去离子水定容至1000ml，ph为7.2制备而成的基础培养基中培养，并把该混合菌悬液命名为石油烃细菌降解剂，活性菌数量不低于1×10⁷cfu/ml，且od600在0.8～1.0；再分别取青霉属、曲霉属二种石油烃降解真菌的菌悬液10ml，加到基础培养液充分混合，并把该混合菌悬液命名为石油烃真菌降解剂，活性菌数量不低于1×10⁷cfu/ml。

3、微生物附着及修复石油污染土壤的步骤：

(1)称取制备好的甘蔗渣生物炭1g与真菌石油烃降解剂20ml，混合振荡培养24h(120rpm)制备出甘蔗渣生物炭菌悬液，同样的称取茶叶加工废弃物生物炭1g与细菌石油烃降解剂20ml，混合振荡培养24h(120rpm)制备出茶叶加工废弃物生物炭菌悬液；

(2)将甘蔗渣生物炭菌悬液和茶叶加工废弃物生物炭菌悬液分别与4％(w/v)海藻酸钠溶液等体积混合，搅拌均匀，利用蠕动泵将混合液滴入到2％(w/v)氯化钙溶液中，硬化12h后将固定化小球用纱布包裹，无菌水清洗，整个过程无菌操作；

(3)将制备好的中药残渣生物炭直接用无菌纱布包裹；

(4)将包裹好的三种生物炭a:附着细菌石油烃降解剂的茶叶加工废弃物生物炭、b:中药残渣生物炭和c：附着真菌石油烃降解剂的甘蔗渣生物炭，形成一个三层结构(由下至上依次为c、b和a)，放进长×宽×高为1×1×0.5m的石油污染土堆中，再用原土壤填充、覆盖，监测实施后7～21天的污染土壤的石油烃及重金属污染物的变化情况。

与现有方法相比，本发明技术方案带来的有益效果为：

本发明技术方案以生物炭作为微生物载体，利用生物炭丰富的孔隙结构，较大的比较面积，能为微生物附着提供空间，能有效增加微生物活菌数量，从而有效降解有机污染物，同时利用生物炭多样化的表面官能团，吸附土壤中的铜、铅、镉等重金属，实现石油污染土壤修复的目标。

本发明的技术方案制备生物质炭的原料来源广泛，制备方法简单，微生物制剂可以购买，有利于大规模生产和应用。

本发明的技术方案采用了与以往不同的生物炭-微生物修复方法，本发明技术方案采用多种微生物负载的生物炭，以叠层的方式修复石油污染土壤，第21天重金属的去除率达到90％，石油烃达到85％，大大节省了修复时间，提高了修复效率，且不对土壤造成二次污染。

附图说明

图1为实施例2中，真菌菌悬液对四种生物炭中重金属及石油烃第21天的去除率柱状对比图；

图2为实施例3中，细菌菌悬液对四种生物炭中重金属及石油烃第21天的去除率柱状对比图；

图3为本发明实施5中abc三层生物炭的组成成分；

图4为实施例5中三层结构生物炭对重金属和石油烃的去除率随时间变化的曲线图。

具体实施方式

以下实施例旨在进一步说明本发明内容，而不是限制权利要求的保护范围。

实施例1

s1:生物炭的制备：将茶叶加工废弃物、甘蔗和中药残渣分别在在400℃、600℃和300℃的温度下进行厌氧燃烧，冷却至室温后分别用0.1m的hcl溶液浸泡24h，以除去灰分，再用去离子水将生物炭洗至中性，最后在60℃下烘干，成粉末状，将三种粉末进行均匀混合得到混合生物炭粉；

s2：微生物的培养：将假单胞菌、无色杆菌、枯草芽孢杆菌、青霉素、曲霉属五种微生物菌种接种活化，假单胞菌用cn培养基，无色杆菌、枯草芽孢杆菌用lb培养基，青霉属、曲霉属用pda培养基进行扩大培养至稳定期。将灭菌处理后的nacl溶液冲洗收集的菌体，分别制备出5种不同菌的菌悬液(具体按说明书记载的步骤进行)。再将5种菌悬液进行混合制成，活性菌数量不低于1×10⁷cfu/ml。

s3：取1g混合生物炭粉与20ml石油烃降解剂混合振荡培养，24h(120rpm)制备出混合生物炭菌悬液；将生物炭菌悬液与4％(w/v)海藻酸钠溶液等体积混合，搅拌均匀后滴入到2％(w/v)氯化钙溶液中，硬化12h后得到混合生物炭，再将固定化的混合生物炭用纱布包裹。

s4：将包裹好的生物炭放进石油污染土堆中，监测实施后7-21天的污染土壤的石油烃及重金属的变化情况。

实验发现，由真菌和细菌混合组成的菌悬液之间会产生抑制作用，无色杆菌菌群数较少，曲霉属菌群数较多，引起石油烃降解效果不佳。

实施例2：

s1：步骤与实施例1一致；

s2：将两种真菌菌悬液进行混合得到石油烃真菌降解剂，活性菌数量不低于1×10⁷cfu/ml，再分别与s1中1g茶叶生物炭、1g甘蔗生物炭粉、1g中药生物炭以及1g混合生物炭粉进行s3的步骤，得到4种不同的生物炭，放进石油污染土堆中，监测实施后7-21天的污染土壤的石油烃及重金属的变化情况。

实验发现：虽然混合生物炭的吸附重金属的效果较强，但降解石油烃效果较弱。综合来看，真菌菌悬液与甘蔗生物炭粉混合制成的生物炭吸附及降解污染物效果比另外三种更佳。

实施例3：

与实施例2不同的是，将两种真菌菌悬液换成三种细菌菌悬液，其余步骤一致，得到4种不同的生物炭。

实验发现：细菌菌悬液与茶叶生物炭粉混合制成的生物炭吸附及降解污染物效果比另外三种相对更好。

实施例4：

s1:生物炭的制备：将茶叶加工废弃物、甘蔗和中药残渣分别在400℃、600℃和300℃的温度下进行厌氧燃烧，冷却至室温后分别用0.1m的hcl溶液浸泡24h，以除去灰分，再用去离子水将生物炭洗至中性，最后在60℃下烘干。

s2:微生物的培养：将假单胞菌、无色杆菌、枯草芽孢杆菌、青霉素、曲霉属五种微生物菌种接种活化，假单胞菌用cn培养基，无色杆菌、枯草芽孢杆菌用lb培养基，青霉属、曲霉属用pda培养基进行扩大培养至稳定期。将灭菌处理后的nacl溶液冲洗收集的菌体，分别制备出5种不同菌的菌悬液(具体过程按说明书记载的过程)。再取假单胞菌、无色杆菌、枯草芽孢杆菌三种石油烃降解细菌制成石油烃细菌降解剂；取青霉属和曲霉属制成石油烃真菌降解剂，活性菌数量不低于1×10⁷cfu/ml。

s3:微生物的附着与污染物的去除：将1g甘蔗渣生物炭与20ml真菌石油烃降解剂混合振荡培养24h(120rpm)制备出甘蔗渣生物炭菌悬液，同样的将1g茶叶加工废弃物生物炭与20ml细菌石油烃降解剂混合振荡培养24h(120rpm)制备出茶叶加工废弃物生物炭菌悬液，活性菌数量不低于1×10⁷cfu/ml。

s4：将甘蔗渣生物炭菌悬液和茶叶加工废弃物生物炭菌悬液分别与4％(w/v)海藻酸钠溶液等体积混合，搅拌均匀后滴入到2％(w/v)氯化钙溶液中，硬化12h后再将固定化的小球用纱布包裹。

s4：将包裹好的生物炭从下至上摆放：c：甘蔗渣生物炭和a:茶叶加工废弃物生物炭，形成一个两层结构，放进石油污染土堆中，监测实施后7-21天的污染土壤的石油烃及重金属的变化情况。

实验发现：在生物炭c：甘蔗渣生物炭和a：茶叶加工废弃物生物炭的接触面，细菌受到了抑制作用，导致降解石油烃速度变慢。

实施例5：

与实施例4不同的是，在s3中，将制备好的中药残渣生物炭直接用无菌纱布包裹好，与另外两个生物炭按照从下至上的顺序依次摆放：c：甘蔗渣生物炭、b:中药残渣生物炭和a:茶叶加工废弃物生物炭，形成一个三层结构，放进石油污染土堆中，监测实施后7-21天的污染土壤的石油烃及重金属的变化情况。

实验发现：该方法降解速度最快、效果最好，第21天重金属降解率达到了90％，石油烃降解率达到85％。

实施例6：

与实施例5不同的是，将三层结构从下至上的顺序依次摆放为：a:茶叶加工废弃物生物炭、b:中药残渣生物炭和c：甘蔗渣生物炭，其余步骤一致。

实验发现：与实施例5相比降解效果较差，第21天重金属降解率达到了78％，石油烃降解率达到68％。