CN114029339A - 一种利用微生物降解技术修复污染土壤的系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种利用微生物降解技术修复污染土壤的系统与方法，对土壤样本进行提取，利用二次离子质谱分析法对不同时期的污染元素的同位素丰度比值进行测定，利用稳定同位素分析方法计算剩余污染元素的浓度，从而对所述微生物输入系统的输入量进行控制。实现了实时掌握土壤中污染物的变化情况，对土壤修复情况与微生物输入量形成一个反馈机制，保证了土壤中的微生物的平衡。
Description
技术领域
本发明涉及污染土壤修复技术领域，具体涉及一种利用微生物降解技术修复污染土壤的系统与方法。
背景技术
生物修复是指通过微生物消化将有毒的环境污染化合物转化为无害物质。生物修复已经成功地用于处理地上处理系统、地上浆料生物反应器、浆料坑、地上土壤堆、堆肥材料和原位中的污染土壤。
通过向感兴趣的土壤和/或水中添加营养物、pH调节剂和氧气(如果使用需氧微生物)来加速生物修复。通过调节这些参数，土著微生物将繁殖并变得更活跃，从而导致更快的废物降解。如果本土微生物不具有产生降解污染物所必需的酶所需的基因，如果污染物的浓度高到以至于危害天然微生物或者如果污染物浓度低到以至于微生物的天然水平不能进一步将其降解到可接受的水平，则有必要将“外来”微生物添加到污染环境中。
而现有技术中的污染土壤修复系统，均是一次性加入降解所需的微生物，要么导致微生物输入量过高，要么导致微生物输入量不足，究其根本，是该系统中，没有补给与反馈的过程，导致污染土壤修复过程并不彻底，效果不佳。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种利用微生物降解技术修复污染土壤的系统，包括：微生物输入系统、土壤样本提取系统和分析控制系统；
所述微生物输入系统包括微生物存储罐和微生物输入管道；所述微生物输入管道用于向被污染的土壤中输送微生物和营养液的混合液，所述微生物存储罐上层用于存储微生物溶液，下层用于存储营养物控释放颗粒；
所述土壤样本提取系统用于提取、处理和存储土壤样本；
所述分析控制系统用于周期性地对所述土壤样本进行检测和分析，并对所述微生物输入系统的输入量进行控制。
进一步地，所述土壤样本提取系统包括土壤样本提取管道、真空吸入泵、固液分离装置、液体存储箱和固体存储箱；所述土壤样本提取管道深入被污染的土壤深处，用于周期性地抽取土壤样本，并送入固液分离装置进行离心处理，离心脱出的污水进入所述液体存储箱，离心处理后的土壤样本经震动过滤后，进入所述固体存储箱。
进一步地，所述分析控制系统包括污染物检测单元、数据输入单元、分析控制器和主控器；所述污染物检测单元用于分别对提取的土壤样本和污水样本中的污染物种类和含量进行检测；所述数据输入单元用于将污染物检测单元的检测结果输入到分析控制器中，所述分析控制器基于数据输入单元输入的检测数据分析污染土壤的修复的程度，并根据污染土壤的修复程度而调整微生物输入的量，所述主控器用于对微生物输入系统的输入量进行控制。
进一步地，所述分析控制器采用稳定同位素分析方法，
首先按照下式计算污染物中元素的同位素丰度比值的千分比α:
α＝(TCQ/TQ-1)×1000；
式中:TCQ是污染物中元素的同位素的丰度比值；TQ是标准物质中所述元素的同位素的丰度比值；
其次，计算污染物中所述元素的剩余浓度Ct与初值浓度C0之比f,
f＝e(α-α')/∈；
f＝Ct/C0；
式中:ε是富集系数,α’为降解前的所述元素的千分比初值。
进一步地，所述营养物控释放颗粒外层是控制包衣，内层为包封在控制包衣中的水溶性营养物核。
进一步地，所述微生物输入管道由细长中空管构成，细长中空管沿着长度方向上形成有多个释放孔，以允许混合液在大致垂直于微生物输入管道的中心轴线的方向上向外释放。
进一步地，所述微生物存储罐上层和下层之间通过生物膜隔开，所述生物膜允许微生物溶液自由渗透，而不允许营养物控释放颗粒透过。
进一步地，所述土壤样本提取管道由细长中空管构成，细长中空管在沿着长度方向上形成有多个提取槽，以允许在真空吸入泵的驱动下在土壤的不同深度上抽取土壤样本。
本发明还提出了一种利用微生物降解技术修复污染土壤的系统实现的修复污染土壤的方法，包括：周期性地对土壤样本进行提取，利用二次离子质谱分析法对不同周期的污染元素的同位素丰度比值进行测定，利用稳定同位素分析方法计算污染元素的剩余浓度，从而对所述微生物输入系统的输入量进行控制。
与现有技术相比，本发明的利用微生物降解技术修复污染土壤的系统与方法具有如下技术效果：
(1)土壤样本提取系统可实现实时掌握土壤中污染物的变化情况；(2)通过将微生物输入系统、土壤样本提取系统和分析控制系统相耦合，可实现对土壤修复情况与微生物输入量形成一个反馈机制，保证了土壤中的微生物的平衡；(3)通过营养物控释放颗粒连续地向微生物溶液提供有效的微生物生长和活性促进水平的营养物，保证了微生物的活性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图1为本发明的利用微生物降解技术修复污染土壤的系统的结构示意图；
附图2为微生物存储罐的结构示意图；
附图3为本发明的为分析控制系统结构示意图；
附图4为本发明的利用微生物降解技术修复污染土壤的方法的结构示意图。
10：微生物输入管道；20：土壤样本提取管道；11：释放孔；13：微生物存储罐；21：提取孔；22：真空吸入泵；23：固液分离装置；24：液体存储箱；25固体存储箱；分析控制系统30。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
如图1所示，为本发明的利用微生物降解技术修复污染土壤的系统的结构示意图，包括微生物输入系统、土壤样本提取系统和分析控制系统。
微生物输入系统包括微生物存储罐13和微生物输入管道10；微生物输入管道10用于向被污染的土壤中输送微生物和营养液的混合液，该微生物输入管道10由细长中空管构成，细长中空管在沿着长度方向上形成有多个释放孔11，以允许混合液在大致垂直于微生物输入管道的中心轴线的方向上向外释放。
根据待净化的土壤地层的状况，例如，透水性沙砾、沙子、粘性土等，不同的土质的状态是不同的，因此微生物的注入速率需要有所调整。
如图2所示，为微生物存储罐的结构示意图，微生物存储罐分为上下两层结构，上层用于存储含有微生物的溶液，下层用于存储营养物控释放颗粒，上层和下层之间通过生物膜隔开，该生物膜允许微生物溶液自由渗透，而不允许营养物控释放颗粒透过。当含有微生物的溶液进入下层空间时，营养物控释放颗粒不断地释放营养物质，使得微生物溶液中变为微生物营养物混合溶液，该微生物营养物混合溶液向上透过生物膜，使得上层的微生物溶液也变为微生物营养物混合溶液，通过微生物输入管道将微生物营养物混合溶液输入到被污染的地下土层中，使用该富有营养液的微生物在时间周期内降解环境中存在的污染性有机化合物。
在下层结构中，该营养物控释放颗粒能够在至少约两个月的时间内连续地向所述微生物溶液提供有效的微生物生长和活性促进水平的营养物,该营养物控释放颗粒外层是控制包衣，内层为包封在控制包衣中的水溶性营养物核。具体地，控制包衣为亚麻籽油/DCPD共聚树脂，所述营养物包含氮和磷、硫、维生素、缓冲剂中的一种或多种。该营养物控释放颗粒直径为约0.1mm至约5mm的颗粒材料。
土壤样本提取系统用于对土壤样本进行提取、处理和存储，土壤样本提取系统包括土壤样本提取管道20、真空吸入泵22、固液分离装置23、液体存储箱24、固体存储箱25。
土壤样本提取管道20深入被污染的土壤深处，用于周期性地抽取土壤样本，土壤样本提取管道20同样由细长中空管构成，细长中空管在沿着长度方向上形成有多个提取槽21，以允许在真空吸入泵22的驱动下在土壤的不同深度上抽取土壤样本。
被土壤样本提取管道20抽取上来的土壤样本进入固液分离装置23，固液分离装置23对土壤样本进行离心处理，因离心而脱出的污水进入液体存储箱24。固液分离装置23优选地采用高速离心脱水器，高速离心脱水器产生远大于重力加速度的离心力，从而在其内部通过比重差对抽取上来的土壤样本进行固液分离。优选地，对于土壤样本为包含有生活垃圾或工业垃圾等物质时，在离心作用前，需先对抽提取上来的土壤样本进行破碎处理，使其体积最小化，然后再进行离心作用。
对脱水后的土壤样本进过震动过滤，过滤掉大颗粒的垃圾，过滤后的土壤样本进入固体存储箱25。
在上述震动过滤过程中，根据需要处理的沙土泥渣或污泥的种类，适当调节相应过滤板的网眼及其脱水处理的时间。
分析控制系统分别对液体存储箱24中存储的污水样本和固体存储箱25存储的土壤样本进行污染物质检测。
如图3所示为分析控制系统结构示意图，分析控制系统包括污染物检测单元、数据输入单元、分析控制器和主控器。
污染物检测单元用于分别对提取的土壤样本和污水样本中的污染物种类和含量进行检测。
数据输入单元用于将污染物检测单元的检测结果输入到分析控制器中，分析控制器基于数据输入单元输入的污染物检测单元的检测数据，分析污染土壤的修复的程度，并根据污染土壤的修复程度而调整微生物输入的量，控制主控器对微生物输入系统的输入量进行控制。例如当土壤样本中的污染物质逐渐下降后，也可同步地降低微生物输入系统的输入量。
本发明分析控制器优选地采用稳定同位素分析方法，具体地：
构成污染物的碳、氢、氯等元素都存在稳定同位素,并且污染物中这些元素的同位素丰度比值有一个相对固定的范围,用相对于标准物质的同位素丰度比值的千分比α值来表示。下面以C元素为例，给出计算千分比α的公式:
α＝(TCQ/TQ-1)×1000；
式中:TCQ是污染物中13C和12C的丰度比值；TQ是标准物质中13C和12C的丰度比值。
与含有较重稳定同位素的分子相比,含有较轻同位素的分子化学键较弱,更容易被离解，倾向于更快地反应，导致降解产物中使重同位素聚集在反应物当中。例如,由于13C比12C稍重,在发生反应时优先转化的是含12C的分子，这样随着反应的进行,剩余的污染物中含13C的分子的相对含量不断增加,也就千分比α值不断增加,检测污染物中C元素的千分比α值相对于污染物降解前的C元素的千分比初值α’的变化,可以得出污染物当前C元素剩余浓度Ct与C元素初值浓度C0之比f,f通过下式进行计算:
f＝e(α-α')/∈；
f＝Ct/C0；
式中:ε是富集系数,不同反应或降解途径的同位素丰度比值、C元素的初值浓度C0由实验室测定。
这样通过污染物检测单元对不同周期的同位素丰度比值进行测定，即可计算出污染土壤样本中的α值、α’值，进而计算得出污染物当前C元素剩余浓度Ct与C元素初值浓度C0之比f，若已知初值浓度C0就可以进一步推算出污染物的剩余浓度Ct，这一剩余浓度反映了污染土壤的修复的程度。那么微生物输入系统就可以根据污染物的修复的程度而调整微生物输入的量。
污染物检测单元对不同周期的同位素丰度比值进行测定具体可利用二次离子质谱分析法，按每个测定范围二维地获取与含有目标稳定同位素的样本接触的对象物表面上的稳定同位素的丰度比。
如图4所示，为本发明的利用微生物降解技术修复污染土壤的方法的流程图，包括如下步骤：
周期性地对土壤样本进行提取，利用二次离子质谱分析法对不同周期的污染元素的同位素丰度比值进行测定，利用稳定同位素分析方法计算污染元素的剩余浓度，从而对所述微生物输入系统的输入量进行控制。
微生物与污染物发生的反应多种多样,需要根据受污染的土壤的污染物质的种类筛选出在微生物生长的情况下,对污染物有较高降解效率的菌株，使得土壤中的土著微生物与外源微生物相互促进、共同作用，增强修复效果。
该修复污染土壤的系统方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
本发明中提供的利用微生物降解技术修复污染土壤的系统与方法可以针对性地去除大部分污染物，去除污染物范围广，去除效果好，处理难度和工艺流程简单，操作更加方便，大大缩短土壤修复周期，处理之后的土壤和水均是达标的。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例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等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种利用微生物降解技术修复污染土壤的系统，其特征在于，包括：微生物输入系统、土壤样本提取系统和分析控制系统；
所述微生物输入系统包括微生物存储罐和微生物输入管道；所述微生物输入管道用于向被污染的土壤中输送微生物和营养液的混合液，所述微生物存储罐上层用于存储微生物溶液，下层用于存储营养物控释放颗粒；
所述土壤样本提取系统用于提取、处理和存储土壤样本；
所述分析控制系统用于周期性地对所述土壤样本进行检测和分析，并对所述微生物输入系统的输入量进行控制。
2.如权利要求1所述的利用微生物降解技术修复污染土壤的系统，其特征在于，所述土壤样本提取系统包括土壤样本提取管道、真空吸入泵、固液分离装置、液体存储箱和固体存储箱；所述土壤样本提取管道深入被污染的土壤深处，用于周期性地抽取土壤样本，并送入固液分离装置进行离心处理，离心脱出的污水进入所述液体存储箱，离心处理后的土壤样本经震动过滤后，进入所述固体存储箱。
3.如权利要求2所述的利用微生物降解技术修复污染土壤的系统，其特征在于，所述分析控制系统包括污染物检测单元、数据输入单元、分析控制器和主控器；所述污染物检测单元用于分别对提取的土壤样本和污水样本中的污染物种类和含量进行检测；所述数据输入单元用于将污染物检测单元的检测结果输入到分析控制器中，所述分析控制器基于数据输入单元输入的检测数据分析污染土壤的修复的程度，并根据污染土壤的修复程度而调整微生物输入的量，所述主控器用于对微生物输入系统的输入量进行控制。
4.如权利要求3所述的利用微生物降解技术修复污染土壤的系统，其特征在于，所述分析控制器采用稳定同位素分析方法，
首先按照下式计算污染物中元素的同位素丰度比值的千分比α:
α＝(TCQ/TQ-1)×1000；
式中:TCQ是污染物中元素的同位素的丰度比值；TQ是标准物质中所述元素的同位素的丰度比值；
其次，计算污染物中所述元素的剩余浓度Ct与初值浓度C0之比f,
f＝e(α-α')/∈；
f＝Ct/C0；
式中:ε是富集系数,α’为降解前的所述元素的千分比初值。
5.如权利要求1所述的利用微生物降解技术修复污染土壤的系统，其特征在于，所述营养物控释放颗粒外层是控制包衣，内层为包封在控制包衣中的水溶性营养物核。
6.如权利要求1所述的利用微生物降解技术修复污染土壤的系统，其特征在于，所述微生物输入管道由细长中空管构成，细长中空管沿着长度方向上形成有多个释放孔，以允许混合液在大致垂直于微生物输入管道的中心轴线的方向上向外释放。
7.如权利要求1所述的利用微生物降解技术修复污染土壤的系统，其特征在于，所述微生物存储罐上层和下层之间通过生物膜隔开，所述生物膜允许微生物溶液自由渗透，而不允许营养物控释放颗粒透过。
8.如权利要求2所述的利用微生物降解技术修复污染土壤的系统，其特征在于，所述土壤样本提取管道由细长中空管构成，细长中空管在沿着长度方向上形成有多个提取槽，以允许在真空吸入泵的驱动下在土壤的不同深度上抽取土壤样本。
9.一种利用权利要求1-8中任意一项所述的利用微生物降解技术修复污染土壤的系统实现的修复污染土壤的方法，其特征在于，包括：周期性地对土壤样本进行提取，利用二次离子质谱分析法对不同周期的污染元素的同位素丰度比值进行测定，利用稳定同位素分析方法计算污染元素的剩余浓度，从而对所述微生物输入系统的输入量进行控制。
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