一种污染土壤生物修复方法及设施 【技术领域】
本发明涉及污染土壤修复技术，具体地说是一种污染土壤生物修复方法及设施。
背景技术
生物修复有机物污染土壤包括石油污染土壤，目前主要有原位处理和异位处理两类，原位生物处理方法是在受污染地区直接采用生物修复技术，该技术适合大面积轻度污染的土壤，费用低，但由于环境条件不易控制，所以处理周期长。异位生物修复技术是将受污染土壤运输到特定工程地点进行生物修复，这种方法可保证生物降解的较理想条件，因而对污染土壤处理效果好，还可防止污染物转移，被视为一项具有广阔应用前景的处理技术。无论那种方法目前都没有成熟的技术，国际国内都在探讨，而且多局限在实验室规模，还没有成熟的实用工程和技术。文献1：真菌对石油污染土壤的降解研究(丁克强、孙铁珩、李培军、张海荣，《微生物学杂志》，1999，19(4)：25-26，34)公开一种处理辽河油田污染土壤时在实验室用培养箱控制温度(28℃理想条件下)，对含油65g/kg的污染土壤的修复技术，50天后原油总量的去除率为61％～66％；此工作仅是实验室的小试，用100ml的烧杯代替处理设施，对10g油污染土壤进行实验研究。文献2：报道了野外中等规模的实验研究。生物技术处理冀东油田含油土壤(王洪君、吴任钢、王嘉麟，《环境科学研究》，2000，13(5)：20-23)公开了一种生物处理技术和处理场地。在地面上铺土4cm厚，围成1m2大小的实验田，加入原油，待其自然下渗，翻耕上层20cm左右，使油分布均匀。采用加水、加菌、加矿渣、加营养、2次翻耕/每周等措施，处理183天，土壤原油浓度从85g/kg，下降到16g/kg，降解率为81.6％；其中所加入的菌是细菌，2株假单胞菌属，1株黄单胞菌属，其中营养物为尿素、磷酸二氢钾，但由于没有合适的处理设施影响实验条件的有效控制，且容易造成对环境和地下水的二次污染。另外，实验条件单一，又不便于控制。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种污染土壤生物修复方法，它环境条件便于控制，无污染、去除污染物速度快、效率高。
本发明的目的在于提供一种有机物污染土壤生物修复方法所用的实验设施，采用所述设施容易改变有机物污染土壤的处理条件，以满足微生物的生存、繁殖需要，适于工程规模的应用。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
按照预处理污染土壤重量加入：1)肥料营养，使堆料中C∶N∶P＝(80～120)∶(9～11)∶(1～2)，2)1～5％固体菌剂，3)14～25％水，调节pH值至6～8，混合均匀后放到堆腐池中，将预处理堆料铺平，自然温度下堆腐处理；
在所述堆腐处理过程中控制堆料中空气含量至15～25m3/min；在自然温度下调节pH、水分、空气流量、营养；所述自然温度为15℃以上的温度；所述固体菌剂为白腐真菌和/或土著真菌；分别取所述菌种1株，经斜面培养、摇瓶培养、固体培养得单一固体培养物。
所述污染土壤生物修复设施为由顶棚和棚壁构成、具有防雨性能地棚状结构，内设堆腐池，其上为污染土壤堆料，在堆腐池下方设防渗层，堆腐池上方通过自来水管安装喷头，其中设有壁上布满通气孔的通气管；顶棚上铺设塑料布，通气管通过输气管道与鼓风机相连；
在每一堆腐池中的通气管与鼓风机之间的输气管道上均安装有气体控制阀门，鼓风机处安装一总气体阀门；每一堆腐池中的通气管与气体控制阀门之间可加设气体流量计；鼓风机与总气体阀门之间有压力表；所述鼓风机可提供空气，通过输气管道输送到通气管中，压力表和气体流量计用来严格控制堆腐池中需要的空气，总气体阀门用来控制压力表；顶棚上所述铺设的塑料布的一部分是可随时卷起的活动式结构；其特征在于：所述通气管在试验前可用尼龙网眼纱将其包住(防止泥土进入管道中)；其特征在于：所述顶棚和棚壁采用透明塑料材料；所述堆腐池为砖混材料，防渗层采用水泥材料；所述堆腐池的数量可以为2～10个。
与现有技术相比，本发明可以进行工艺条件的优化，为有机污染土壤生物修复技术提供理论依据，更具有如下优点：
1.能应用于中等规模试验。本发明污染土壤修复方法及设施简单、适用性能强，能控制环境条件，使该技术实用化、产业化的实现成为可能。
2.环境条件多种、且可控。本发明能够提供微生物菌种的选择试验，所述设施可同时选择多个(如条件KB、CK、P或F个)不同堆腐条件进行污染土壤的修复。本设施的堆腐池中设计带通气孔的通气管，还安装水管和喷头，每个堆腐池的通气管和水管分别设计控制开关。还可选择不同的污染物堆料、不同的通气量、不同的水分、不同的pH等修复污染土壤，以满足微生物的生存和繁殖需求(如：氧气、水分、营养物等)。
3.可防止对周围环境和地下水造成二次污染。由于本发明设施的堆腐池底部设防渗层，具有混凝土结构，可防止对地下水造成污染，堆腐池周围有12.5cm高的砖混池壁，可防止污染土壤对周围环境造成污染。
4.可满足微生物的生存需要。本发明所述设施有顶棚，是半透光塑料材质，可防雨但不遮光；还有水管道和喷头可以根据需要及时均匀补充水分。本发明生物修复方法利用所投加的菌剂，可为污染土壤添加降解石油的优势菌种，同时起到蓬松的作用。另外本发明方法还添加了微生物需要的营养(尿素和过磷酸钙)。使待处理石油污染土壤增加了N、P、Ca等，可使微生物获得比较理想的生存和繁殖环境，从而增强了微生物的活性，使生物修复具备了有利条件。
5.处理有机物污染土壤效果好。采用本发明专用设施和生物修复方法处理石油污染土壤，除温度外各种环境条件便于控制，因此去除污染物效率高，对高浓度(＜100g/kg)的污染短时间内即可有良好的治理效果，以本发明一个实验为例，处理时间49天，土壤中石油污染物降解率可达30.0％。
【附图说明】
图1为本发明污染土壤修复设施结构示意图。
图2为图1的所用通气管结构示意图。
图3为本发明一个实施例堆腐池分布图。
【具体实施方式】
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，本发明修复设施：为由顶棚12和棚壁11构成、具有防雨性能的棚状结构，内设堆腐池1，其上为污染土壤堆料10，在堆腐池1下方设防渗层4，堆腐池1中央1米高处的上方通过自来水管3安装喷头2(可方便补充水分，根据试验对水分含量的要求随时用来喷水)，其中设有壁上布满通气孔7的通气管5，分别平行设置于堆腐池1；顶棚12上铺设塑料布，通气管5通过输气管道9与鼓风机14相连，在每一堆腐池1中的通气管5与鼓风机14之间的输气管道9上均安装有气体控制阀门8，鼓风机14处安装一总气体阀门15；
每一堆腐池1中的通气管5与气体控制阀门8之间可加设气体流量计6；鼓风机14与总气体阀门15之间有压力表13；所述鼓风机14可提供空气，通过输气管道9输送到通气管5中，压力表13和气体流量计6用来严格控制堆腐池1中需要的空气，总气体阀门15用来控制压力表13；利用鼓风机14提供空气，气体通过总气体阀门15和压力表13控制，气体通过输气管道9输送到通气管5中，堆腐池1中需要的空气再由气体流量计6控制。
顶棚12上所述铺设的塑料布的一部分是活动式结构，根据需要可随时卷起和放下，方便排放气味和保温；试验前可用尼龙网眼纱将通气管5包住，防止泥土进入管道中；所述棚壁11是木制构架，顶棚12和棚壁11铺设透明塑料；所述堆腐池1用于堆放有机污染土壤，砖混材料，长118cm，宽70cm，高12.5cm。池底是防渗层4，水泥材料，可有效防止污染物下渗。
污染土壤在进行治理和生物修复过程中有多个影响因素，为了选择比较理想的处理条件，需要进行影响因素的调控实验，为此本发明设计了具有多个堆腐池1的实验设施，堆腐池1的数量可以为2～10个(本实施例为6个，2个用于比照例1条件KB，2个用于比照例2条件CK，2个用于本发明条件P)。所述设施主要功能是改变处理条件以满足微生物的生存、繁殖需要等条件，例如在自然温度下可以改变水分、氧气、营养含量，可以控制pH，还可以投加不同的微生物菌种等。
本发明方法如下：
油泥废弃物和石油污染土壤磨碎，加入客土，使污染土壤含油量为：100克/kg＞污染土壤含油量＞20克/kg。添加一定量的客土，其目的一方面是调节预处理堆料，使堆料石油浓度在20g/kg～100g/kg，另一方面也为堆料添加更多的土著微生物，特别是当处理油泥废弃物时，在回收油过程中采用物理-化学工艺产生的油泥废弃物，大量的微生物已失活，土壤理化性质被破坏，化学浸提剂的残留等，均为生物修复带来困难，此时投加一定量的客土。
按照所述预处理污染土壤体积比例加入营养，所述营养即C、N、P及其微生物生长和繁殖需要的其它物质，通过投加油泥、尿素、过磷酸钙等获得，本发实施例使堆料中C∶N∶P＝100∶10∶1；2％固体菌剂，20％水，调节pH值至6.8，混合均匀，堆放在处理堆腐池中，并分散堆放均匀，在自然温度下(一般温度15℃以上)进行堆制处理，当污染物浓度达到排放标准时(即：当土壤中矿物油含量＜500mg/kg时)，运回原地或改做其它用途。
所述尿素和过磷酸钙为市售肥料产品。所述固体菌剂具体为：白腐真菌(White rot fungi)1株为黄孢原毛平革菌(Phanerochaete Chrysosporium)通过购买获得。将其经斜面培养、摇瓶培养、固体培养得单一培养物，具体操作步骤为：
(1)斜面培养：采用上述菌种，用常规方法制备的马铃薯培养基，具体步骤为：马铃薯去皮，切成小块，称取200g，煮沸30min，然后用纱布过滤，在上清液中加20g蔗糖，加20g琼脂，加水至1000ml，pH自然，在1个大气压下(1.05kg/cm2，121.3℃)灭菌30min，将菌种接到准备好的斜面上，菌种在28℃培养5天，待孢子形成备用；
(2)摇瓶培养：上述斜面培养菌种采用马铃薯综合培养基，培养基pH为自然，其具体步骤为：称取去皮的马铃薯200g，加水煮25min，过滤，上清液定容至体积为1000ml，然后加入蔗糖20g，磷酸二氢钾(KH2PO4)1.2g，硫酸镁(MgSO4.7H2O)1.6g，Vb微量，将所述马铃薯综合培养基分装到500ml容积的三角瓶中，每瓶装量为100ml，在1个大气压下灭菌20min，冷却至40℃以下时，在无菌室中接种，即接入上述斜面培养好的菌体。将斜面上的菌苔用10ml无菌水洗下制成菌悬液，每瓶接2ml。然后置于摇床上，调节摇床速度125转/分钟，25℃培养5天，待孢子长好后进行固体培养；
(3)固体培养：称取2.5kg固体培养基，所述固体培养基成分为高压灭菌后的稻壳和锯末，稻壳：锯末比例为4∶1，将3瓶摇瓶中的液体培养菌体倒入上述采用的4升马铃薯综合培养基中混合均匀，与灭菌后的稻壳和锯末固体培养基混合均匀，使含水率60％，于25℃室内培养，培养5天，即得固体菌剂。
本发明污染土壤生物修复技术的基本原理就是利用微生物将土壤中有机污染物降解为无害的无机物质(H2O和CO2)的过程。采用本发明设施处理石油污染土壤，能够提供良好的生物降解条件，除寒冷的冬季外一般可保证微生物生长繁殖的温度；用带通气孔7的通气管5可保证需氧量，可以满足好氧微生物对氧气的需要。设计的水管和喷头2可补充需要的水分，并根据需要可以投加C、N、P等营养物质。对于石油污染土壤当污染物浓度在20g/kg～100g/kg时，污染物浓度越高降解速度越快，效果越明显。当油泥或土壤中石油污染物浓度＞100g/kg时，可对石油回收处理后再采用此方法处理。
本实施例将曙光采油厂油井附近的落地原油和油井周围的污染土壤，石油类型为稠油，其密度为0.97g.cm-3，胶质+沥青含量为35.7％，腊含量6.2％，粘度为3026.5mPa.s(50℃)。客土采自本地区远离油井的未污染土壤，均属于盐化草甸土，通过卡车运输到试验地点。
将大块状的油土磨碎，过5mm筛。预处理土壤配制具体如下：
KB：80kg油污染土壤加入20kg客土(比照例1)；
CK：80kg油污染土加入20kg客土加入1.36kg尿素和0.5kg过磷酸钙(比照例2)；
P：80kg油污染土加入20kg客土加入1.36kg尿素和0.5kg过磷酸钙，加入2％固体菌剂。以上三种处理均将水分调节到20％，用硫酸调节pH＝6.8，然后将以上各种物质混合均匀，放到堆腐池1中，通气量调节到22.37m3/min。
经过3个多月的试验处理，本发明处理堆料中的去除率可达60％，处理过程三种不同处理的TPH降解率变化见表1。
表1实施例1堆料的处理效果(降解率％)
时间(天) KB CK P
0 0 0 0
12 1.5 1.8 4.0
29 1.5 1.8 17.0
49 5.0 5.1 30.0
69 5.0 5.5 35.0
89 5.0 6.0 39.0
109 5.6 6.1 60.0
实施例2
与实施例1不同之处在于：本实施例将曙光采油厂油井附近的落地原油和油井周围的污染土壤，原油为稠油，其密度为0.97g.cm-3，胶质+沥青含量为35.7％，腊含量6.2％，粘度为3026.5mPa.s(50℃)。客土采自本地区远离油井的未污染土壤，均属于盐化草甸土，通过卡车运输到试验地点。
将大块状的油土磨碎，油泥及污染土壤均过5mm筛。预处理土壤配制具体如下：
KB：80kg油污染土壤加入20kg客土(比照例1)；
CK：80kg油污染土加入20kg客土加入1.36kg尿素和0.5kg过磷酸钙(比照例2)；
F：80kg油污染土加入20kg客土加入1.36kg尿素和0.5kg过磷酸钙，加入2％固体菌剂。
其中：固体菌剂取土著真菌的镰刀菌(Fusarium sp.)一株(保藏号CGMCC NO.0498，2000年10月18日)，是降解能力较强的优势菌种，将其经实施例1所述斜面培养、摇瓶培养、固体培养得单一培养物。再按照预处理污染土壤重量加入：肥料营养，使堆料中C∶N∶P＝120∶11∶2，保持15％的水，用硫酸调节pH值至8，混合均匀后放到堆腐池中，将预处理堆料铺平，自然温度下堆腐处理，在所述堆腐处理过程中控制空气含量至15m3/min。
经过109天的试验处理，投加菌剂的本发明堆料中去除率可达50％，处理过程三种不同处理的TPH降解率变化见表2。
表2实施例1堆料的处理效果(降解率％)
时问(天) KB CK F
0 0 0 0
12 1.5 1.8 10.0
29 1.5 1.8 17.0
49 5.0 5.1 23.0
69 5.0 5.5 32.0
89 5.0 6.0 32.0
109 5.6 6.1 50.0