申请/专利权人：中电建路桥集团有限公司;中国电建集团环境工程有限公司;浙江大学

申请日：2019-05-21

公开（公告）日：2024-06-18

公开（公告）号：CN110193512B

主分类号：B09C1/08

分类号：B09C1/08;B09C1/10

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.18#授权;2019.09.27#实质审查的生效;2019.09.03#公开

摘要：本发明公开了一种二维交流电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的装置及方法，本发明在石油类有机物污染土壤修复的生物反应器中施加二维正交的交流电场，利用交流电场作用下的电动效应和电化学氧化作用，强化石油降解菌剂对石油类有机物的降解效果。二维正交的交流电场诱导的电动效应可促进土壤中物质在平面内进行小尺度的往复运动，强化营养物质、污染物与石油降解菌剂之间的接触和传质，与此同时，电极表面发生的电化学氧化反应可协同石油降解菌剂降解石油类有机物，最终提高石油降解菌剂对石油类有机物的降解效果，提高修复效率。

主权项：1.一种应用石油类有机物污染土壤修复装置的二维交流电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的方法，所述石油类有机物污染土壤修复装置包括生物反应器（1）、带孔密封盖（2）、控制系统（3）、喷淋系统（4）、可移动搅拌系统（5）、可移动取样监测系统（6）和导轨（7）；所述生物反应器（1）设置在导轨（7）的中部，生物反应器（1）呈方形，其内部作为反应区域，生物反应器（1）的四面内壁上设有两对片状DSA电极（8）；所述带孔密封盖（2）设置在生物反应器（1）顶部，带孔密封盖（2）上设有若干圆孔；所述控制系统（3）包括交流电源和PLC自动控制系统，交流电源用于给两对片状DSA电极（8）施加正弦交流电，PLC自动控制系统用于控制喷淋系统（4）、可移动搅拌系统（5）和可移动取样监测系统（6）；所述喷淋系统（4）由储罐（9）和喷淋管路（10）组成，所述喷淋管路（10）一端与储罐（9）相连，另一端穿过带孔密封盖（2）上的圆孔伸入生物反应器（1）内；所述可移动搅拌系统（5）设置在导轨（7）的一端；包括第一升降轴和若干连接在第一升降轴上的搅拌辊（12）；所述可移动取样监测系统（6）设置在导轨（7）的另一端；包括第二升降轴和若干连接在第二升降轴上的取样器（13）；所述的可移动搅拌系统（5）在导轨（7）上的移动以及第一升降轴的升降由控制系统（3）中的PLC自动控制系统控制；搅拌辊（12）为实心不锈钢棒；所述的可移动取样监测系统（6）在导轨（7）上的移动以及第二升降轴的升降由控制系统（3）中的PLC自动控制系统控制；取样器（13）为空心不锈钢棒；所述方法包括如下步骤：1）向生物反应器（1）中加入污染土壤，盖上带孔密封盖（2），通过喷淋系统（4）向污染土壤注入土壤添加剂，在导轨（7）上移动可移动搅拌系统（5），使搅拌辊（12）位于带孔密封盖（2）上的圆孔正上方；控制第一升降轴收缩，搅拌辊（12）进入生物反应器（1）内部并插入污染土壤内，利用搅拌辊（12）的转动对污染土壤进行翻搅，以调节污染土壤的理化性质为土壤含水率在30%~35%，污染土壤的pH在6~8；调节完毕后，可移动搅拌系统（5）复位至初始位置；所述调节污染土壤的理化性质还包括调节土壤中碳∶氮∶磷的质量比为100∶5~10∶1，其中，调节所用的氮由硝酸钠和硫酸铵提供，磷由磷酸氢二钾提供，其中硝酸钠和硫酸铵的质量比为1:1；2）通过喷淋系统（4）向污染土壤喷洒活化后的石油降解菌剂并利用搅拌系统（5）翻搅均匀；所述的活化后的石油降解菌剂的制备方法为：将石油降解菌剂接种到葡萄糖培养基中活化3天，得到活化后的石油降解菌剂；步骤2）中所述的活化后的石油降解菌剂的喷洒量为每吨污染土壤中喷洒0.25-0.5L；3）利用控制系统（3）中的交流电源分别在两对DSA电极（8）上施加正弦交流电；所述的交流电场频率为50Hz，峰值强度为50-100Vm；4）每隔设定时间，在导轨（7）上移动可移动取样监测系统（6）；使取样器（13）位于带孔密封盖（2）上的圆孔正上方，控制第二升降轴收缩，取样器（13）进入生物反应器（1）内部并插入污染土壤内取样，用于分析检测。

全文数据：二维交流电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的装置和方法技术领域本发明属于异位微生物修复石油类有机物污染土壤的技术领域，具体涉及一种二维交流电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的装置和方法。背景技术相对于土壤重金属污染，有机污染由于组分复杂、种类繁多而处理难度更大。石油类有机物作为一种难降解的有机污染物，主要分为烷烃和芳烃单环芳烃和多环芳烃，进入土壤后将改变土壤的性状，肥力以及对该土壤上生长的作物以及食物链相关的人畜造成严重危害。因此，有必要寻找经济高效的修复技术处理石油类有机物污染土壤。微生物修复技术是目前常见的石油类有机物污染土壤修复技术之一，是指利用微生物的生长代谢作用将土壤中有毒有害的污染物降解为无毒无害的产物的过程。微生物修复技术具有经济成本低、无二次污染的特点，已在国内外广泛应用。但由于土壤中营养物质、污染物等传质限制，微生物修复技术也存在降解周期长，修复效率低的问题。有研究表明，电动修复技术通过在土壤介质中施加直流电场，诱导土壤中的物质发生电动效应电渗透、电迁移和电泳，强化土壤中各物质的运动，提高微生物对其他物质接触和利用的机率，从而提高微生物降解效率。与此同时，电极表面发生的电化学氧化反应可氧化降解部分污染物。因此，通过将电动修复技术与微生物修复技术相耦合，可强化微生物的修复效果，提高修复效率。发明内容针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种二维交流电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的装置和方法，将交流电场与石油降解菌剂修复相耦合。交流电场类似于不断变化方向的直流电场，可以促进土壤中的各种物质如离子、有机污染物、微生物等，在电动效应的作用下进行小尺度往复运动，强化营养物质、污染物与石油降解菌剂之间的接触和传质，最终提高石油降解菌剂对石油类有机物的降解效果，提高修复效率。本发明所采用的具体技术方案如下：本发明公布了一种二维交流电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的装置，包括生物反应器、带孔密封盖、控制系统、喷淋系统、可移动搅拌系统、可移动取样监测系统和导轨；所述生物反应器设置在导轨的中部，生物反应器呈方形，其内部作为反应区域，生物反应器的四面内壁上设有两对片状DSA电极；所述带孔密封盖设置在生物反应器顶部，带孔密封盖上设有若干圆孔；所述喷淋系统由储罐和喷淋管路组成，所述喷淋管路一端与储罐相连，另一端穿过带孔密封盖上的圆孔伸入生物反应器内；所述控制系统带有交流电源和PLC自动控制系统，交流电源用于给两对DSA电极施加交流电压，PLC自动控制系统用于控制喷淋系统、可移动搅拌系统和可移动取样监测系统；所述可移动搅拌系统设置在导轨上，包括第一升降轴和若干连接在第一升降轴上的搅拌辊；所述可移动取样监测系统设置在导轨上，包括第二升降轴和若干连接在第二升降轴上的取样器。作为优选，所述生物反应器四面内壁均贴靠有片状DSA电极。片状DSA电极可以保证施加电压后，土壤中的电场强度分布均匀，同时具有一定的电催化氧化作用，可协同石油降解菌剂降解污染物。作为优选，所述带孔密封盖带有4个用于电极安放的长方形孔。作为优选，所述控制系统包括交流电源和PLC控制系统。其中交流电源由变压器、交流稳压器和电压电流显示器组成，可以分别给两对DSA电极上施加稳定的正弦交流电。PLC自动控制系统用于控制喷淋系统的喷淋、可移动搅拌系统和可移动取样监测系统的移动。作为优选，所述的喷淋系统由储罐和喷淋管路组成。储罐分别用于存放土壤添加液和石油降解菌剂，可由控制系统控制自动喷淋。作为优选，所述的可移动搅拌系统包含升降轴和搅拌辊。搅拌辊为实心不锈钢棒，通过升降轴的升降将搅拌辊插入土壤中进行搅拌。系统在导轨上的移动以及升降轴的升降由控制系统中的PLC自动控制系统控制。作为优选，所述的可移动取样监测系统包含升降轴和取样器。取样器为空心不锈钢棒，通过升降轴的升降将插入土壤中进行取样。土样可从空心的取样器内取下。系统在导轨上的移动和升降轴的升降由控制系统中的PLC自动控制系统控制。本发明还提供了一种利用上述装置的二维交流电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的方法，包括如下步骤：1向生物反应器中加入污染土壤，盖上带孔密封盖，通过喷淋系统向污染土壤注入土壤添加剂，在导轨上移动可移动搅拌系统使搅拌辊位于带孔密封盖上的圆孔正上方；控制第一升降轴收缩，搅拌辊进入生物反应器内部并插入污染土壤内，利用搅拌辊的转动对污染土壤进行翻搅，以调节污染土壤的理化性质；调节完毕后，可移动搅拌系统复位至初始位置；2通过喷淋系统4向污染土壤喷洒活化后的石油降解菌剂并利用搅拌系统5翻搅均匀；3利用控制系统3中的交流电源分别在两对DSA电极8上施加正弦交流电；4每隔设定时间，在导轨上移动可移动取样监测系统；使取样器位于带孔密封盖上的圆孔正上方，控制第二升降轴收缩，取样器进入生物反应器内部并插入污染土壤内取样，用于分析检测。所述的石油降解菌剂的菌种为市售。将上述石油降解菌剂首先接种到葡萄糖培养基中活化3天，得到活化后的石油降解菌剂。活化后的石油降解菌剂的喷洒量为每吨污染土壤中喷洒0.25-0.5L。进一步优选，步骤1中所述的土壤添加剂用于调节土壤的理化性质，包括水、硝酸钠、硫酸铵、磷酸氢二钾。进一步优选，步骤1中所述的调节污染土壤的理化性质为调节污染土壤的含水率在30％～35％，调节污染土壤的pH在6～8。石油降解菌剂提供合适的土壤环境。进一步优选，步骤1中所述调节污染土壤的理化性质还包括调节污染土壤中碳∶氮∶磷的质量比为100∶5～10∶1。其中调节所用的氮由硝酸钠和硫酸铵提供，磷由磷酸氢二钾提供。因此需根据污染土壤中有机碳、速效氮和速效磷的浓度调节土壤添加剂中硝酸钠、硫酸铵、磷酸氢二钾的比例，其中硝酸钠和硫酸铵的质量比优选为1:1。进一步优选，步骤3中所述的交流电场频率为50Hz，峰值强度即电极两端的电压电极间距为50-100Vm。由于使用的是正弦交流电，所以上述的峰值强度为正弦交流电压为峰值时的电场强度。此过程中需保持电源输出的电压稳定。进一步优选，所述的石油类有机物污染为直链烃污染、支链烃污染或芳香烃污染中的一种或多种。本发明与现有技术相比，所具有的有益效果是：与传统生物反应器相比，施加的二维交流电场诱导的电动效应可使土壤中的物质在二维平面内进行小尺度的往复运动，强化营养物质、污染物与石油降解菌剂之间的接触和传质。与此同时，DSA电极具有较强的电化学催化氧化作用，可以协同石油降解菌剂降解，从而提高微生物修复效率，节约经济与时间成本。附图说明图1为交流电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的装置的示意图；图2为生物反应器的结构示意图；图3为带孔密封盖的结构示意图；图中：生物反应器-1，带孔密封盖-2，控制系统-3，喷淋系统-4，可移动搅拌系统-5，可移动取样监测系统-6，导轨-7，DSA电极-8，储罐-9，喷淋管路-10，升降轴-11，搅拌辊-12，取样器-13。具体实施方式下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域地技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明所描述的实例仅仅使本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。对于本领域地技术人员来说，其依然可以对前述所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换。基于本发明中的实例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。搭建如图1-3所示的二维交流电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的装置，包括生物反应器1、带孔密封盖2、控制系统3、喷淋系统4、可移动搅拌系统5、可移动取样监测系统6和导轨7。生物反应器1四壁均贴靠有片状DSA电极8，可以保证施加电压后，土壤中的电场强度分布均匀，同时具有一定的电催化氧化作用，可协同石油降解菌剂降解污染物。带孔密封盖带2有4个用于电极安放的长方形孔和4个用于喷淋、搅拌或取样监测用的圆孔。控制系统3包括交流电源和PLC控制系统，集成在一个箱体内。其中交流电源由变压器、交流稳压器和电压电流显示器，用于给两对DSA电极8施加正弦交流电，交流电频率为50Hz。PLC自动控制系统用于控制喷淋系统4、可移动搅拌系统5和可移动取样监测系统6。喷淋系统4包括两套储罐9和喷淋管路10，分别用于喷淋土壤添加剂及石油降解菌剂，可通过控制系统3控制自动喷淋。土壤添加剂用于调节土壤理化性质，包括水、硝酸钠、硫酸铵、磷酸氢二钾。石油降解菌剂从市场上购入，并将上述石油降解菌剂首先接种到葡萄糖培养基中活化3天，得到活化后的石油降解菌剂备用。每吨污染土壤中喷洒0.25-0.5L石油降解菌剂。可移动搅拌系统5包含升降轴11和搅拌辊12。搅拌辊12为实心不锈钢棒，通过升降轴11插入土壤中进行搅拌。系统在导轨7上的移动以及升降轴11的升降由控制系统3中的PLC自动控制系统控制。可移动取样监测系统6包含升降轴11和取样器13。取样器13为空心不锈钢棒，通过升降轴11插入土壤中进行取样。土样可从空心的取样器内取下。系统在导轨7上的移动和升降轴11的升降由控制系统3中的PLC自动控制系统控制。实施例1取机油污染土壤，过20目筛后加入生物反应器中，喷淋土壤添加剂调节土壤理化性质，调节土壤的含水率在30％～35％，土壤的pH在6～8范围内。根据土壤中有机碳、速效氮和速效磷的浓度，调节碳∶氮∶磷比例为100∶5∶1，其中氮由硝酸钠和硫酸铵提供，磷由磷酸氢二钾提供。向污染土壤中均匀喷洒经活化后的石油降解菌剂，翻搅均匀后分别在生物反应器中的两对片状DSA电极上施加正弦交流电，电场频率为50Hz，峰值电压强度为100Vm。电场施加两周后，取样测得污染物降解率为29.8％。实施例2取汽油污染土壤，过20目筛后加入生物反应器中，喷淋土壤添加剂调节土壤理化性质，调节土壤的含水率在30％～35％，土壤的pH在6～8范围内。根据土壤中有机碳、速效氮和速效磷的浓度，调节碳∶氮∶磷比例为100∶10∶1，其中氮由硝酸钠和硫酸铵提供，磷由磷酸氢二钾提供。向污染土壤中均匀喷洒经活化后的石油降解菌剂，翻搅均匀后分别在生物反应器中的两对片状DSA电极上施加正弦交流电，电场频率为50Hz，峰值电压强度为50Vm。电场施加两周后，取样测得污染物降解率为31.6％。以下为生物反应器中不施加交流电场的实验结果：对比例1取机油污染土壤，过20目筛后加入生物反应器中，喷淋土壤添加剂调节土壤理化性质，调节土壤的含水率在30％～35％，土壤的pH在6～8范围内。根据土壤中有机碳、速效氮和速效磷的浓度，调节碳∶氮∶磷比例为100∶5∶1，其中氮由硝酸钠和硫酸铵提供，磷由磷酸氢二钾提供。向污染土壤中均匀喷洒经活化后的石油降解菌剂，翻搅均匀后开始修复。修复两周后，取样测得污染物降解率为12.8％。对比例2取汽油污染土壤，过20目筛后加入生物反应器中，喷淋土壤添加剂调节土壤理化性质，调节土壤的含水率在30％～35％，土壤的pH在6～8范围内。根据土壤中有机碳、速效氮和速效磷的浓度，调节碳∶氮∶磷比例为100∶5∶1，其中氮由硝酸钠和硫酸铵提供，磷由磷酸氢二钾提供。向污染土壤中均匀喷洒经活化后的石油降解菌剂，翻搅均匀后开始修复。修复两周后，取样测得污染物降解率为14.5％。通过对比污染物降解度效果，本发明利用二维交流电场强化石油降解菌剂修复，即利用交流电场诱导产生的电动效应和电化学氧化作用强化石油降解菌剂对石油类有机物类有机物的降解效果。二维交流电场诱导的电动效应可促进土壤中物质在二维平面内的小尺度往复移动，强化营养物质、污染物与石油降解菌剂之间的接触和传质，电极表面发生的电化学氧化反应可协同石油降解菌剂降解石油类有机物，最终提高石油降解菌剂对石油类有机物的降解效果，提高修复效率。

权利要求：1.一种二维交流电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的装置，其特征在于：包括生物反应器1、带孔密封盖2、控制系统3、喷淋系统4、可移动搅拌系统5、可移动取样监测系统6和导轨7；所述生物反应器1设置在导轨7的中部，生物反应器1呈方形，其内部作为反应区域，生物反应器1的四面内壁上设有两对片状DSA电极8；所述带孔密封盖2设置在生物反应器1顶部，带孔密封盖2上设有若干圆孔；所述控制系统3包括交流电源和PLC自动控制系统，交流电源用于给两对片状DSA电极8施加正弦交流电，PLC自动控制系统用于控制喷淋系统4、可移动搅拌系统5和可移动取样监测系统6；所述喷淋系统4由储罐9和喷淋管路10组成，所述喷淋管路10一端与储罐9相连，另一端穿过带孔密封盖2上的圆孔伸入生物反应器1内；所述可移动搅拌系统5设置在导轨7的一端；包括第一升降轴和若干连接在第一升降轴上的搅拌辊12；所述可移动取样监测系统6设置在导轨7的另一端；包括第二升降轴和若干连接在第二升降轴上的取样器13。2.根据权利要求1所述的二维交流电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的装置，其特征在于，所述的可移动搅拌系统5在导轨7上的移动以及第一升降轴的升降由控制系统3中的PLC自动控制系统控制；搅拌辊12为实心不锈钢棒。3.根据权利要求1所述的二维交流电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的装置，其特征在于，所述的可移动取样监测系统6在导轨7上的移动以及第二升降轴的升降由控制系统3中的PLC自动控制系统控制；取样器13为空心不锈钢棒。4.一种应用如权利要求1所述装置的交流电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的方法，包括如下步骤：1向生物反应器1中加入污染土壤，盖上带孔密封盖2，通过喷淋系统4向污染土壤注入土壤添加剂，在导轨7上移动可移动搅拌系统5，使搅拌辊12位于带孔密封盖2上的圆孔正上方；控制第一升降轴收缩，搅拌辊12进入生物反应器1内部并插入污染土壤内，利用搅拌辊12的转动对污染土壤进行翻搅，以调节污染土壤的理化性质；调节完毕后，可移动搅拌系统5复位至初始位置；2通过喷淋系统4向污染土壤喷洒活化后的石油降解菌剂并利用搅拌系统5翻搅均匀；3利用控制系统3中的交流电源分别在两对DSA电极8上施加正弦交流电；4每隔设定时间，在导轨7上移动可移动取样监测系统6；使取样器13位于带孔密封盖2上的圆孔正上方，控制第二升降轴收缩，取样器13进入生物反应器1内部并插入污染土壤内取样，用于分析检测。5.根据权利要求4所述的交流电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的方法，其特征在于，步骤1中所述的土壤添加剂用于调节土壤的理化性质，包括水、硝酸钠、硫酸铵、磷酸氢二钾。6.根据权利要求4所述的交流电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的方法，其特征在于，步骤1中所述的调节污染土壤的理化性质为调节土壤含水率在30％～35％，调节污染土壤的pH在6～8。7.根据权利要求6所述的交流电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的方法，其特征在于，步骤1中所述调节污染土壤的理化性质还包括调节土壤中碳∶氮∶磷的质量比为100∶5～10∶1，其中，调节所用的氮由硝酸钠和硫酸铵提供，磷由磷酸氢二钾提供，其中硝酸钠和硫酸铵的质量比为1:1。8.根据权利要求4所述的交流电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的方法，其特征在于，步骤2中所述的活化后的石油降解菌剂的制备方法为：将石油降解菌剂接种到葡萄糖培养基中活化3天，得到活化后的石油降解菌剂；步骤2中所述的活化后的石油降解菌剂的喷洒量为每吨污染土壤中喷洒0.25-0.5L。9.根据权利要求4所述的交流电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的方法，其特征在于：步骤3中所述的交流电场频率为50Hz，峰值强度为50-100Vm。10.根据权利要求4所述的交流电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的方法，其特征在于，所述的石油类有机物污染为直链烃污染、支链烃污染或芳香烃污染中的一种或多种。

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