一种工业污染场地有机污染土壤原位修复的方法

1.本发明涉及一种工业污染场地有机污染土壤原位修复的方法，属于环境污染治理技术领域。


背景技术：

2.石油化工、焦化煤气及农药等行业在生产和加工过程中会产生大量的多环芳烃、石油烃、氯代烃等有机污染物，这些污染物会由于大气沉降、废水排放以及泄漏等原因导致场地土壤出现严重的污染。多环芳烃、石油烃、氯代烃等有机污染物具有致癌、致畸和致突变作用，而且工业场地有机污染土壤可做为新的污染源通过扬尘、地表径流及地下水使污染物进入周边环境，进而危害人体健康和生态环境。因此，工业场地有机污染土壤治理受到了国内外学者的高度重视。
3.目前工业污染场地土壤治理的方法包括换土、深耕翻土、客土喷播、热脱附、化学修复、原位覆盖及生物降解等。其中原位覆盖能够切断土壤中污染物的传输途径，是一种既能控制风险便于土地利用，又能降低治理费用的方法，目前在国内多个大型场地已经开始了推广应用。传统的原位覆盖主要是通过覆盖层的砂石、粉土、粘土、矿石碎屑以及活性炭等材料来吸附、阻隔污染物，切断污染物的传输途径。然而这些覆盖材料的吸附、阻隔能力有限，且受环境影响阻隔层的污染物会二次释放，不能达到有效治理的目的。而生物降解是有机污染土壤治理的常用方法，但原位覆盖后深层土壤中的有机污染物会由于氧气缺乏导致生物降解过程受到阻碍。当污染土壤经过长期的覆盖后，仍存在较高浓度的有机污染物时，这些污染物仍有向周边环境扩散的风险。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种工业污染场地有机污染土壤原位修复方法，该方法是采用改进原位覆盖和电动强化生物降解联合原位修复工业污染场地有机污染土壤，其包括阻隔和降解两个过程，阻隔过程由改进的原位覆盖的阻隔层完成、降解过程由电化学氧化和生物降解完成。
6.(二)技术方案
7.为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
8.一种工业污染场地有机污染土壤原位修复的方法，其包括如下步骤：
9.s1、将活性炭，石英砂，零价铁及降解菌混合压实，制成阻隔层，覆盖在有机污染土壤之上，形成原位覆盖；
10.s2、在有机污染土壤的底层及阻隔层上层的水平方向分别铺设有电极，将污染土壤底层和阻隔层上层的电极与直流电源相连形成电场，电场为周期性极性切换电场。
11.如上所述的方法，优选地，在步骤s1中，活性炭为生物活性炭，粒径为20～50目；石英砂的粒径为40～60目，零价铁粒径为20～50目。
12.如上所述的方法，优选地，在步骤s1中，所述活性炭、石英砂、零价铁按重量比为1：0.3～0.5：0.3～0.5及降解菌混合压实形成。
13.如上所述的方法，优选地，所述降解菌为从有机污染土壤中筛选出的降解菌。
14.如上所述的方法，优选地，将降解菌扩增培养后制成吸光度为0.4～1.0的菌悬液进行添加，使阻隔层中的降解菌数量达到1.0～2.0
×
106cfu/g干物质。
15.如上所述的方法，优选地，所述降解菌的筛选步骤为：向灭菌无机盐液体培养基中加入有机污染土壤，25～30℃振荡培养3天后取培养液加入到含有有机污染物的无机盐液体培养基中25～30℃振荡培养，有机污染物与污染土壤中污染物相同，3天后取培养液再加入含有有机污染物的无机盐液体培养基中，继续培养3天后采用稀释涂布法进行降解菌的分离，获得单一菌落为降解菌。
16.如上所述的方法，优选地，上述方法获得降解菌为多种时，将降解菌按等比例进行配制降解菌菌悬液。
17.如上所述的方法，优选地，在步骤s1中，阻隔层厚度为30mm～50mm。
18.如上所述的方法，优选地，在步骤s2中，所述电场的强度应控制在0.8～2.0v/cm。
19.本发明建立的一种改进的原位覆盖和电动强化生物降解联合修复方法，改进的原位覆盖方法的阻隔层由活性炭、石英砂和零价铁以及降解菌混合压实制成，该阻隔层既能有效吸附有机污染物阻断其扩散，同时也可以通过降解降低有机污染物的浓度。而电动强化生物降解可以增强阻隔层及污染土壤中污染物、营养物质和降解菌之间的传质过程，也可为微生物提供生长所需的电子和氧气等，或通过电化学反应直接去除污染物。此外，电场还可以直接刺激微生物促进微生物对污染物的降解。
20.(三)有益效果
21.本发明的有益效果是：
22.1.本发明提供了一种工业污染场地有机污染土壤原位修复方法，该方法采用的阻隔层包括活性炭、石英砂和零价铁，并加入了降解菌，不仅可以吸附有机污染物，还可以降解有机污染物，能更有效的阻隔污染物向上迁移扩散。
23.2.本发明提供的方法，采用电动强化生物修复的方法，可以有效促进阻隔层和污染土壤中微生物的降解过程，提高生物降解效率。
24.3.本发明提供的修复方法，不会产生二次污染，对环境友好；阻隔层厚度小，所占垂直空间较少；阻隔层寿命延长；所需经济成本较低。
25.4.本发明提供的方法，通过将改进的原位覆盖和电动强化生物降解的优势结合起来，实现了对工业污染场地的土壤治理及对有机污染物的扩散风险控制。
附图说明
26.图1为实施例提供的修复方法构建流程图；
27.图2为实施例提供的模拟实验装置示意图。
具体实施方式
28.本发明经过大量实验研究发现采用活性炭、石英砂、零价铁及降解菌混合形成的原位阻隔层，不仅可以通过吸附作用拦截污染物，同时也可利用铁炭微电解及微生物的降
解过程将污染物去除，减少了污染物从阻隔材料中二次释放的风险。
29.本发明采用电动强化生物修复，其基本原理是通过电动效应来增强土壤中污染物、营养物质和降解菌之间的传质过程，或通过电化学反应提供微生物生长所需的电子和氧气等，或通过电化学反应直接去除污染物。此外，电场还可以直接刺激微生物促进微生物对污染物的降解。
30.为有效原位治理工业污染场地有机污染土壤，本发明建立了改进的原位覆盖和电动强化生物降解联合使用的原位土壤修复方法，以期为工业污染场地有机污染土壤的治理与土地开发利用提供技术支撑。
31.具体的，本发明提供的一种工业污染场地有机污染土壤原位修复方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
32.s1、将活性炭，石英砂，零价铁及降解菌混合压实，制成阻隔层，覆盖在污染土壤之上，形成原位覆盖；
33.s2、在有机污染土壤的底层及阻隔层上层的水平方向分别铺设有电极，将水平放置于污染土壤底层和阻隔层上层的电极与直流电源相连形成电场，电场为周期性极性切换电场。
34.优选地，在步骤s1中，活性炭，石英砂，零价铁，及降解菌进行混合压实制成阻隔层进行原位覆盖，其中：活性炭、石英砂、零价铁重量比为1：0.3～0.5：0.3～0.5，活性炭优选为生物活性炭，粒径为20～50目，其可以吸附污染物、固定降解菌，为降解菌提供良好的生长环境；石英砂粒径为40～60目，其可增加阻隔层的渗透系数、防止阻隔层在电场作用下发生板结；零价铁粒径为20～50目，零价铁和活性炭之间可以产生铁碳微电解效应，增强有机污染物可生化性，并去除部分有机污染物。
35.优选地，步骤s1中，所述降解菌为从有机污染土壤中筛选出的降解菌，具体筛选步骤如下：
36.向灭菌无机盐液体培养基中加入1％(w/v)有机污染土壤，在25～30℃摇床中振荡培养3天后，取1ml培养液加入含有有机污染物的无机盐液体培养基中25～30℃振荡培养，有机污染物浓度与污染土壤中污染物浓度相同，培养3天后再取其1ml培养液加入新的含有有机污染物的无机盐液体培养基中，继续培养3天后取培养液采用稀释涂布法进行菌株分离，培养5d后，挑取长势好、数量多的细菌菌落在固体培养基中进行多次划线纯化培养，菌株分离及纯化培养所用的培养基为含有有机污染物的无机盐固体培养基，有机污染物与污染土壤中有机污染物相同，纯化后的菌株保存于牛肉膏蛋白胨固体培养基中。
37.将筛得的菌株进行扩繁培养，制成od
600
为0.5的菌悬液，如果是多株降解菌混合则各菌按等比例混合制成降解菌菌悬液。
38.步骤s1中，所述步骤中的阻隔层，优选其厚度范围为30mm～50mm，该厚度能够在最少用料的情况下保证污染物的阻隔效果。
39.步骤s2中，电场的强度应控制在0.8～2.0v/cm，该电压为电动强化微生物修复有机污染土壤的最适电压范围。
40.为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述，若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
41.实施例1
42.污染土壤及实验装置：
43.本实施例所修复的有机污染土壤来源于沈阳某焦化场地的高浓度多环芳烃污染土壤，去除土壤中碎石、煤渣及垃圾后风干，然后过2mm筛备用。该土壤中总多环芳烃浓度913.33mg/kg，将筛分过的污染土壤与无机盐液体培养基混合，使土壤含水率达到20％(w/w)，然后装入实验装置，压实，在装污染土壤时底层铺设电极3。实验装置如图1所示，装置高为33cm，长为10cm，宽为8cm，装置中装入多环芳烃污染土壤1，在多环芳烃污染土壤1上方覆盖阻隔层2，在阻隔层2的上层铺设电极3。
44.降解菌的筛选及菌悬液的制备：
45.向灭菌无机盐液体培养基中加入1％(w/v，1g/100ml)上述多环芳烃污染土壤，在28℃摇床中振荡培养3天后，取1ml培养液加入含有多环芳烃的无机盐液体培养基100ml中28℃振荡培养，其中，多环芳烃为从污染土壤中提取，浓度与土壤中多环芳烃浓度相同，3天后再取1ml培养液加入新的含有多环芳烃的无机盐液体培养基100ml中，继续培养3天后取培养液采用稀释涂布法进行菌株分离，培养5d后，挑取长势好、数量多的细菌菌落在固体培养基中进行反复划线纯化培养。菌株分离及纯化步骤所用的培养基皆为含有多环芳烃的无机盐固体培养基，纯化后的菌株保存于牛肉膏蛋白胨固体培养基中。共分离获得4株多环芳烃降解菌，经鉴定分别为ralstonia sp.(罗尔斯顿菌)、rothia sp.(罗斯氏菌)、streptococcus sp.(链球菌)、pelomonas sp.(污泥单胞菌)，上述菌株保存于中国科学院沈阳应用生态研究所。
46.将上述筛得的菌株分别在牛肉膏蛋白胨培养基中进行扩繁培养，制成od
600
值为0.5的菌悬液，然后将各菌悬液按等比例混合制成混合降解菌菌悬液。
47.其中，灭菌的无机盐培养基配方为：mgso4·
7h2o 0.2g/l；cacl2·
2h2o 0.01g/l；feso4·
7h2o 0.005g/l；k2hpo
4 0.4g/l；mnso4·
h2o 0.02g/l；nh4no
3 1.0g/l；na2hpo
4 0.6g/l，ph为7.2-7.4，121℃高压灭菌30min。
48.含有多环芳烃的无机盐液体培养基：将从污染土壤中提取的多环芳烃溶入相应的丙酮溶液中，然后在无菌环境中过0.22μm有机微孔滤膜后将其加入灭菌无机盐培养基中，继续在无菌条件下放置直至丙酮挥发殆尽。
49.含有多环芳烃的无机盐固体培养基：在无机盐液体培养基中加入1.8-2.0％的琼脂粉，121℃高压灭菌30min；在无菌操作下将从污染土壤中提取出的多环芳烃溶入丙酮溶液中，过0.22μm有机微孔滤膜后加入尚未凝固的含有琼脂的灭菌无机盐培养基中，然后制成平板培养基。
50.牛肉膏蛋白胨固体培养基的制备：牛肉膏5g/l，蛋白胨10g/l，nacl 5g/l，加入1.8-2.0％的琼脂粉，ph为7.0，121℃高压灭菌30min，然后制成平板培养基。
51.一种工业污染场地有机污染土壤原位修复方法，如图2所示，具体实施步骤：
52.s1、将活性炭，石英砂，零价铁及上述获得的多环芳烃降解菌菌悬液混合压实，制成阻隔层2，覆盖在多环芳烃污染土壤1之上，形成原位覆盖；
53.具体的，(1)将活性炭，石英砂，零价铁以1：0.3：0.3的重量比充分搅拌，其中三者粒径均为50目，活性炭为由硬果壳制成的生物活性炭，再加入上述制备好的多环芳烃降解菌菌悬液，混合均匀，阻隔层中的降解菌数量最终为1.3
×
106cfu/g干物质，干物质指活性
炭，石英砂，零价铁的总和。
54.(2)将制备好的阻隔层2(厚度为50mm)填入污染土壤1上方，压实，在阻隔层2的上方水平方向铺设有电极。
55.s2、将污染土壤底层和阻隔层上层的电极3与直流电源4和继电器5相连形成电场，电场为周期性极性切换电场，其中，所施加电场为1.2v/cm。
56.为考察该方法的效果，在阻隔层上方覆盖5cm的清洁土壤(即不含多环芳烃)。实验运行21天，每隔7天采集阻隔层及污染土壤样品，使用布琦e-916快速溶剂萃取仪提取样品中多环芳烃，并采用高效液相色谱仪测定多环芳烃含量，测定结果见表1。结果表明，在实验过程中，清洁土壤中均未检出多环芳烃，这表明阻隔层可以有效防止多环芳烃向上迁移。阻隔层中的多环芳烃含量随着时间不断增加，而污染土壤中的多环芳烃含量则随着时间呈下降趋势，从阻隔层和污染土壤中多环芳烃总量变化来看，多环芳烃总量降低了540.87mg，说明阻隔层和污染土壤中的多环芳烃在电场及生物降解的作用下得到了高效去除。
57.表1清洁土壤、阻隔层及污染土壤中多环芳烃浓度及总多环芳烃量
[0058][0059]
实施例2
[0060]
按照实施例1中的方法，不用在于，处理的是有机污染土壤来源于某钢铁公司内的多环芳烃污染土壤，筛得的菌株是pseudomonas fluorescens(荧光假单胞菌)pb4、exiguobacterium mexicanum(墨西哥微小杆菌)jm1，保存于中国科学院沈阳应用生态研究所。
[0061]
在阻隔层中加入pseudomonas fluorescens(荧光假单胞菌)pb4、exiguobacterium mexicanum(墨西哥微小杆菌)jm1，按等比例混合制成混合降解菌菌悬液，按实施例1修复的方法进行处理，处理前的有机污染土壤多环芳烃浓度的浓度为225.38mg/kg，21天后清洁土壤中未检出多环芳烃，多环芳烃总量降低了68.29mg/kg，说明阻隔层和污染土壤中的多环芳烃在电场及生物降解的作用下得到了高效去除。
[0062]
对比例1
[0063]
在实施例1的基础上，与实施例1的不同在于阻隔层不加降解菌剂，其它条件不变，
监测结果表明(表2)，21天后阻隔层中多环芳烃的含量明显高于实施例1，这说明降解菌的加入有利于阻隔层中多环芳烃的降解。此外，从第14天开始在清洁土壤中检测到了少量的多环芳烃，而实施例1没有出现这种现象，这说明施加降解菌的阻隔层可以有效防止多环芳烃的迁移。
[0064]
表2清洁土壤、阻隔层及污染土壤中多环芳烃浓度及总多环芳烃量
[0065][0066]
对比例2
[0067]
在实施例1的基础上，与实施例1的不同在于阻隔层仅由石英砂构成，其它条件不变，监测结果表明(表3)，21天后阻隔层及清洁土壤中多环芳烃的含量均显著高于实施例1与对比例1。以对比例2为空白对照，比较21天后实施例1和对比例1的迁移出的污染土壤的多环芳烃的含量发现，电场条件下采用活性炭+零价铁+石英砂及活性炭+零价铁+石英砂+降解菌剂的阻隔层对迁移出污染土壤的多环芳烃的降解效果分别提升了44％和62％。
[0068]
表3清洁土壤、阻隔层及污染土壤中多环芳烃浓度及总多环芳烃量
[0069][0070]
对比例3
[0071]
在实施例1的基础上，与实施例1的不同在于没有施加电场，其它条件不变，监测结果表明(表4)，21天后污染土壤中多环芳烃的残存含量明显高于实施例1，这说明电场的施加可以有效提升污染土壤中多环芳烃的降解程度。此外，阻隔层中的多环芳烃含量小于实施例1，这说明电场可以促使污染土壤中多环芳烃迁移到阻隔层中，进入到阻隔层的多环芳烃可以不断的为微生物提供碳源，保持微生物活性。
[0072]
表4清洁土壤、阻隔层及污染土壤中多环芳烃浓度及总多环芳烃量
[0073][0074][0075]
对阻隔层(活性炭+零价铁+石英砂+降解菌剂)在电场作用下的耐久性，比较了21后施加电场及不施加电场的阻隔层的细菌数量及微生物群落的α多样性，测试方法分别为实时定量荧光pcr及高通量测序分析。
[0076]
实时定量荧光pcr测定阻隔层细菌数量步骤：使用fastspin kit for soils(mp biomedicals)从冻干的阻隔层样品中提取总基因组dna，以8f/518r为引物，使用premix ex taq
tm ii试剂盒和sybr green i在25μl的反应体系中进行实时定量荧光pcr，以此估算细菌数量。扩增程序为95℃预变性30s，95℃变性15s、60℃退火30s，72℃延伸45s，共计40个扩增循环，最后在72℃延伸5min。高通量测序分析由上海派森诺生物科技有限公司(中国上海)使用illuminanovaseq平台完成。
[0077]
微生物群落的α多样性用chao1、shannon和simpson指数来表征。chao1指数用来表征微生物群落丰富度，shannon和simpson指数用来表征微生物群落多样性，结果见表5。
[0078]
表5阻隔层中微生物数量及多样性
[0079]
指标不施加电场施加电场chao16771155shannon2.8566.412simpson0.5920.955细菌数量(cfu/g干物质)5.00
×
1043.67
×
105[0080]
结果表明，本发明的阻隔层在电场条件下的微生物数量及微生物群落α多样性显著提升，这说明该阻隔层在电场条件下具有长期保持降解矿化有机污染物的能力。
[0081]
由上述可见，本发明提供的改进的阻隔层(活性炭+零价铁+石英砂+降解菌剂)可以有效阻隔高浓度多环芳烃污染土壤中的多环芳烃向上迁移。电场的施加可以有效促进阻隔层和污染土壤中多环芳烃的生物降解，提高生物降解效率，减少了修复过程中多环芳烃向周边迁移扩散的风险。该修复方法成本较低，对高浓度有机污染土壤兼具阻隔与强化降
解的功能，满足工业场地污染土壤的风险控制要求。
[0082]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何本领域技术人员可以利用上述公开的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。