CN104226679B

CN104226679B - 一种采用微生物—植物联合修复煤制气厂污染土壤的方法

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Publication number: CN104226679B
Application number: CN201410496568.7A
Authority: CN
Inventors: 鲁莽; 吴雪姣
Original assignee: Jingdezhen Ceramic Institute
Current assignee: Jingdezhen Ceramic Institute
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2034-09-25
Also published as: CN104226679A

Abstract

本发明公开了一种采用微生物—植物联合修复煤制气厂污染土壤的方法，在受污染土壤加入电子受体制剂，以促进厌氧降解多环芳烃重金属的解析，再与猪粪和调理剂混合堆肥处理若干天，堆肥后土壤用清水洗脱部分重金属，再向土壤混合栽种东南景天和高羊茅以提取土壤重金属并促进土壤多环芳烃的微生物降解。植物生长期间阶段性喷洒添加剂以增强修复效果。本发明具有很高的环境友好性，修复成本低，可有效恢复污染土壤的生态环境，因此具有广阔的市场前景。

Description

一种采用微生物—植物联合修复煤制气厂污染土壤的方法

技术领域

本发明涉及污染场地土壤修复技术领域，具体涉及一种采用微生物—植物联合修复煤制气厂污染土壤的方法。

背景技术

煤制气曾在我国乃至世界各国城市燃气化的进程中起过重要的作用。随着天然气的不断开发和利用, 煤制气逐渐被取代，一些煤制气厂也随之关闭。在长期的运行过程中，这些厂区土壤受到不同程度的多环芳烃和重金属的复合污染（文献1：Thavamani P,Megharaj M, Krishnamurti GSR, et al. 2011. Finger printing of mixedcontaminants from former manufactured gas plant (MGP) site soils:implications to bioremediation. Environmental International, 37(1):184–189）。

近年来，随着我国城市化进程和产业调整转移步伐的加快，原先处于郊区的煤制气厂如今已置身于闹市。当前多数此类场地面临用地功能的转换和二次开发，如商业用地和居民住宅等。许多关闭的人工制气厂, 将土地平整后, 即在原址盖房屋和其他建筑物,或改为绿地等, 而这些场地中潜存的污染土壤对周边居民的健康和环境安全构成了潜在的威胁，已成为亟需解决的环境问题。

煤制气厂污染土壤的修复技术主要有物理法、化学法、微生物法和植物法。常用的一种修复方法是将受污染土壤挖取并移至填埋场进行填埋处理。但异地填埋并不是一项合理的处理方法，因为其仅仅是将污染进行了转移，而且操作成本较高（文献2： EnvironmentProtection Authority, Victoria, 2009. Landfill levies: information bulletin.http://www.epa.vic.gov.au. Accessed 30 July 2009）。

相比物理和化学方法而言，生物修复法具有成本低和环境友好性的优势，因此生物修复技术已被广泛研究和应用于多环芳烃污染土壤的修复（文献3：Haritash AK,Kaushik CP, 2009. Biodegradation aspects of polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs): a review. Journal of Hazardous Materials, 169(1–3):1–15）。然而，由于多环芳烃具有被土壤有机质的吸附和锁定的行为，生物修复技术很难将土壤多环芳烃含量降低到法定的土壤质量标准（文献4：Reichenberg F, Karlson UG, Gustafsson Ö, et al.2010. Low accessibility and chemical activity of PAHs restrict bioremediationand risk of exposure in a manufactured gas plant soil. EnvironmentalInternational, 158(5):1214–1220）。此外，还有一个常被忽视的事实是，煤制气厂污染土壤常含有较高浓度的多环芳烃和重金属（如As、Cd、Cu、Pb和Zn等）两类不同性质的污染物。煤制气厂污染土壤中的高浓度重金属可抑制多环芳烃的生物降解。这些状况使得修复煤制气厂污染土壤面临艰巨性和复杂性。

目前，已有多例修复有机－重金属复合污染土壤的报道。申请号：200910219623.7和200910219798.8提供了一种利用EGTA柠檬酸＋水杨酸强化植物修复镉－多环芳烃污染土壤的技术，但该方法获得的多环芳烃去除率较低，仅为25.3%－30.2%，且针对的重金属仅为镉一种，因此不适合高污染的煤制气厂污染土壤。申请号201010558286.7提供了一种淋洗修复有机－重金属复合污染土壤的方法，该方法主要使用十二烷基硫酸钠和乙二胺二琥珀酸对受污染土壤进行漫灌处理，但该方法针对的有机污染物主要是氯苯和三氯乙烯类物质，但其实例里涉及的土壤五氯苯酚浓度仅为6.8 mg/kg，如果污染物浓度较高，可能需要大量的淋洗液多次洗涤，造成成本大大增加，且其使用的化学淋洗剂对污染土壤的生态功能恢复具有潜在风险。申请号201310129100.X提供了一种修复有机物与重金属复合污染土壤的光化学法，但该法需要连续不断的翻动土壤，否则光催化降解反应只能作用于土壤表面，另外该法要用到人工光源，增加了成本，如果采用自然光照，则易受到季节和天气影响，而且该法针对的是低浓度的农药和除草剂污染土壤，此外虽然重金属离子被还原为单质或低毒性的低价态金属离子，但其停留在土壤里而并未被从土壤中去除，因此这些重金属仍然会进一步被空气中的氧气氧化为高价态的毒性金属离子。与本发明最接近的现有技术是化学－微生物联合修复法。申请号201210486441.8提供了一种修复多环芳烃和重金属复合污染场地的方法，该方法主要使用甲基β环糊精对土壤进行淋洗，之后再接入多环芳烃降解菌进行生物修复处理，但该法淋洗过程中涉及到加热及超声仪器的使用，如果针对大规模的修复工程实践，则其实施难度较大且成本较高。此外，申请号201010002824.4提供了一种通过添加生物表面活性剂和多环芳烃降解菌来强化动物粪便堆肥化处理污染土壤的方法，但该法引入的外源降解菌在一些情况下不能对土著微生物形成竞争优势而有效发挥作用，且未涉及重金属污染的问题。

现有技术的主要缺陷是针对的有机－重金属污染物类型较少，化学淋洗剂的环境友好性较差，对于修复后土壤环境的生态功能多样性恢复的考虑较少。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种环境友好型、成本低廉、操作简便的采用微生物—植物联合修复煤制气厂污染土壤的方法。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：一种采用微生物—植物联合修复煤制气厂污染土壤的方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步：向受污染土壤加入电子受体制剂，再与猪粪和调理剂混合堆肥处理若干天；

第二步：堆肥后土壤用清水淋洗，再向土壤混合栽种重金属超富集植物和富集植物，以提取土壤重金属并促进土壤多环芳烃的微生物降解；

第三步：植物生长期间喷洒添加剂以增强修复效果;

第四步：每3个月收割重金属超富集植物和富集植物一次。

所述电子受体制剂为NaNO₃和K₂SO₄的混合物。

所述NaNO₃和K₂SO₄的摩尔比为0.2~1.0:0.1~0.5。

所述电子受体制剂的施用方法为将NaNO₃和K₂SO₄按摩尔比混合后溶于水中，每5天喷洒于土壤中并将土壤翻动混匀，最终的总投加量为0.1~0.5 g/kg土壤。

所述猪粪取自养殖场的新鲜样品，与污染土壤干重的重量比为20~40 g/kg。

所述调理剂为稻草，取自当地农田，与污染土壤干重的重量比为50~80 g/kg。

所述添加剂为NH₄Cl、K₂HPO₄和-氨基丁酸的混合物，其组成的摩尔比为 7~70:0.1~1:0.01~0.1。

所述添加剂的施用方法为将NH₄Cl、K₂HPO₄和-氨基丁酸按摩尔比混合后溶于水中，每5天于土壤表面一次，每次按每千克土壤50–200 mL的量喷洒。

所述重金属超富集植物为东南景天，富集植物为高羊茅。

所述收割重金属超富集植物和富集植物时保留其离地面1 cm高的茬。

本发明的工作原理如下：

（1）猪粪含大量的有机质和土壤微生物所必需的氮磷钾等营养成份，因此，加入畜禽粪便提高污染土壤中的有机质含量，为降解多环芳烃提供碳源，改变土壤环境，增强土壤中微生物群落活性，改变堆肥***中堆体的空隙率，增强多环芳烃降解效果；此外，猪粪在堆肥过程中会产生大量的腐植酸，腐植酸因带负电且阳离子代换量高，对土壤重金属离子具有显著的络合吸附作用，可增强重金属离子流动性，有助于后续的淋洗去除，可有效降低土壤游离态重金属离子含量，减轻重金属离子对土壤微生物的毒害。

（2）调理剂稻草可提高堆肥***中堆体的空隙率，增强多环芳烃降解效果。此外，稻草还可吸附大量的微生物，增加土壤微生物的密度，提高多环芳烃的降解效果。

（3）虽然猪粪和稻草等可增加堆肥***中堆体的空隙率，但堆体中央部位总是处于缺氧和厌氧状态，通过添加NaNO₃和K₂SO₄作为电子受体，可刺激缺氧和厌氧状态部位的厌氧微生物活性，提高多环芳烃的厌氧降解；通过阶段性的翻动堆体，可使得污染土壤在堆肥过程中处于厌氧－好氧交替状态充分利用各种微生物群落的降解功能，且厌氧微生物的活动可促进被土壤有机质吸附的多环芳烃的释放。

（4）堆肥处理后，各种流动性重金属离子（包括各类酸络和的）可通过清水淋洗的方式部分的洗脱。

（5）水洗后残留在土壤中的重金属离子，通过种植东南景天和高羊茅得到进一步的去除，东南景天对Zn和Cd具有超富集作用，但对其他重金属离子如Pb的富集能力不强，而高羊茅对Pb具有很强的富集作用，因此两种植物混合种植可起到互相弥补的作用，此外高羊茅还是一种有效的根际调节植物，可促进根际土壤微生物活性，增强土壤多环芳烃的微生物降解。

（6）猪粪中的氮磷营养在堆肥阶段已基本耗尽，添加剂中的NH₄Cl和K₂HPO₄可作为植物修复阶段土壤微生物和植物的氮源和磷源，而本发明中所述的少量多次的添加方式，可避免一次性向土壤中添加这些无机盐带来的土壤溶液渗透压的增加而产生的对微生物的抑制影响。此外，添加剂中的P的比例为通常标准(N:P=10:1)的2倍，这样可弥补添加的磷酸盐在土壤中部分形成难溶性沉淀而带来的磷源损失。添加剂中的g-氨基丁酸可作为东南景天体内氨基酸代谢中一种重要的信号物质，调控东南景天根系对重金属胁迫的反应，增强东南景天对重金属的提取效率。

本发明的有益效果：（1）除了电子受体和添加剂外，不引入其他化学药剂，具有很高的环境友好性；（2）所使用的猪粪和稻草量大易得，降低了修复成本；（3）不需要接种外源微生物，完全依靠在长期的污染物胁迫下污染中进化出的功能微生物群落来实现多环芳烃的降解；（4）修复效果好，费用低，管理与操作简便，不需要专门的设备；（5）可良好实现污染土壤的生态环境恢复。

附图说明

图1为堆肥处理煤制气厂污染土壤过程中多环芳烃去除率变化。图例表示不同处理：■实验组1，未进行任何添加的污染土壤；○实验组2，污染土壤添加猪粪和稻草；□实验组3，污染土壤添加电子受体制剂；●实验组4，污染土壤添加猪粪和稻草及电子受体制剂。

图2为淋洗过程中，污染土壤中重金属去除率变化。图例表示不同处理：■实验组1，未进行任何添加的污染土壤在堆制处理49天后；○实验组2，污染土壤添加猪粪和稻草并堆肥处理49天后；□实验组3，污染土壤添加电子受体制剂并堆肥处理49天后；●实验组4，污染土壤添加猪粪和稻草及电子受体制剂并堆肥处理49天后。

具体实施方式

以下结合实例对本发明作进一步的描述。应理解的是，所述的实施例仅仅是用于说明而不是限制本发明。

供试土壤采自南昌市某关闭的煤制气厂污染场地。土壤样品风干，拣出石块、树枝等杂质，过10目筛后混匀备用。土壤基本理化性质为pH 7.3，有机质含量35.1 g/kg，总氮0.65 g/kg，有效态氮38.3 mg/kg，总磷116 mg/kg，有效磷25.6 mg/kg。土壤中总多环芳烃含量为578 mg/kg。Pb，Cd，Zn，Cr，Cu和As含量分别为365，57.4，276，75.2，44.3和4.6 mg/kg。土壤中总好氧细菌，总厌氧细菌和多环芳烃降解菌含量分别为5.15×10⁶，7.21×10⁴和3.36×10⁵ CFU/g。所有试验在花房温室内进行，周围没有重金属和多环芳烃污染源，所有试验组均重复三次，取其平均值。

（1）煤气厂污染土壤的堆肥化修复

此项实验包括四个实验处理组：实验组1，未进行任何添加的污染土壤；实验组2，污染土壤添加猪粪(40 g/kg)和稻草(80 g/kg)；实验组3，污染土壤添加电子受体制剂(0.5g/kg)；实验组4，污染土壤添加猪粪(40 g/kg)和稻草(80 g/kg)及电子受体制剂(0.5 g/kg)。每个处理组中，将100 kg土壤与对应的加料混合均匀后，加水调节混合物的含水率为其持水能力的70%，将堆料自然堆积成圆锥状，裸放在环境中常温堆肥，每5天翻动一次并加水。在堆肥过程中，各处理分别按时测定土壤中多环芳烃的含量。从图1中可知，在没有进行任何添加（除水外）的污染土壤中（实验组1），多环芳烃去除率最低，仅为9.5%。而在添加了猪粪和稻草及电子受体的土壤中（实验组4），多环芳烃去除率最高，为77.6%。添加猪粪和稻草的促进作用非常明显，可使得多环芳烃的去除率从9.5%（实验组1）提高到62.8%（实验组2），而电子受体的添加则可将多环芳烃去除率进一步提高到72.6%（实验组4）；这是由于电子受体的添加可在堆体的厌氧区域促进微生物厌氧降解多环芳烃。仅添加电子受体（实验组3）的情况下，多环芳烃最终去除率仅为23.0%，这主要是因为虽然电子受体中的NaNO₃可作为微生物的氮源，但土壤缺乏微生物易利用的有机质和其他营养元素，导致堆肥后期微生物的降解活性丧失，这可从21天后该处理土壤中多环芳烃去除率的增加变得非常缓慢可知。从图1中亦可发现，在堆肥处理35天后，各处理土壤中多环芳烃去除率的增加越来越缓慢。为提高处理效率并利于接下来的重金属洗脱，堆肥处理仅进行49天。

在多环芳烃的去除过程中，微生物降解是主要因素，因此对堆肥过程中主要的优势微生物种群进行筛选鉴定。其中主要分离到的主要微生物种群有：芽抱杆菌、气单胞菌、拜叶林克氏菌属、白腐真菌、小克银汉菌、假单胞菌、黄色杆菌、毛霉菌、硫酸盐还原菌和反硝化细菌等菌属。其中芽抱杆菌、气单胞菌、拜叶林克氏菌、白腐真菌、小克银汉菌、假单胞菌在好氧条件下可降解多环芳烃，而一些硫酸盐还原菌和反硝化细菌则可在厌氧条件下降解多环芳烃。

(2)清水淋洗堆肥化后的污染土壤

为考察堆肥处理方式对淋洗去除重金属的影响，将堆肥处理中的各实验组土壤，在49天的堆肥处理后，取每个堆体的所有土壤，置于建筑用泥浆搅拌机中，加入2倍体积的清水，开启搅拌30 min，之后静止沉降30 min，以板框压滤脱水，完成第一次淋洗，之后重复以上操作4次。从图2中可知，在4次淋洗后，实验组1（即未进行添加的土壤在49天堆制处理后再进行淋洗）重金属去除率最低（仅为11.3%），而实验组4（即添加污染土壤添加猪粪和稻草及电子受体制剂并堆肥处理49天后再进行淋洗）重金属去除率最高（为53.5%）。此外，对比实验组2和3发现，添加电子受体相比猪粪和稻草更能明显促进重金属的淋洗去除。据分析这是因为添加了电子受体后，堆体厌氧区域可发生活跃的厌氧微生物降解活动，除了降解多环芳烃外，一些大分子的土壤有机质亦会被厌氧微生物降解而释放出有机质结合态的重金属，从而有利于重金属的淋出，而这些大分子有机质在好氧条件下的降解较困难。在4次淋洗后，实验组4土壤中Pb，Cd，Zn，Cr，Cu和As含量分别降低至168，36.6，115，34.5，26.1和1.8 mg/kg；此外，淋洗使得土壤中多环芳烃含量从158 mg/kg降低至126 mg/kg，由此可见清水淋洗对多环芳烃去除效果不明显。

(3)植物修复清水淋洗后的污染土壤

对淋洗处理后实验组4的土壤进行植物修复试验。东南景天幼苗在营养液中预培育2 周后,选取长势大小相近的植株10株移至每个土培盆中。高羊茅以种子直接播种，待发芽两周后按每盆20株进行间苗。采用温室盆栽试验，每盆装供试土壤10 kg(以干重计) ，共设4 个处理，分别为：实验组a，种植东南景天；实验组b，种植高羊茅；实验组c，种植东南景天和高羊茅；实验组d，种植东南景天和高羊茅，按摩尔比NH₄Cl：K₂HPO₄：-氨基丁酸＝10:1: 0.1的比例配置成总质量浓度为0.5 g/L的水溶液。每个处理设3次重复，随机排列。每5天喷洒一次添加剂溶液，每次按每千克土壤50 mL的量喷洒。每天浇适量去离子水，保持含水量在土壤最大田间持水量的70%左右。每3个月留1 cm茬割取植株地上部分。试验进行1年后，采集土壤样品进行分析。

下表列出了到实验结束时，各处理土壤中多环芳烃(PAHs)和重金属的残留浓度(mg/kg)，括号内为各污染物在植物修复前的初始浓度。从表中数据可发现，实验组d的多环芳烃和重金属的去除率最高，分别达到83.8%和49.6%。

Claims

1.一种采用微生物—植物联合修复煤制气厂污染土壤的方法，其特征在于包括以下步骤：

第三步：植物生长期间喷洒添加剂以增强修复效果；

第四步：每3个月收割重金属超富集植物和富集植物一次；

所述电子受体制剂为NaNO₃和K₂SO₄的混合物；

所述NaNO₃和K₂SO₄的摩尔比为0.2~1.0:0.1~0.5；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述猪粪取自养殖场的新鲜样品，与污染土壤干重的重量比为20~40 g/kg。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述调理剂为稻草，取自当地农田，与污染土壤干重的重量比为50~80 g/kg。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述添加剂为NH₄Cl、K₂HPO₄和-氨基丁酸的混合物，其组成的摩尔比为 7~70:0.1~1:0.01~0.1。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述添加剂的施用方法为将NH₄Cl、K₂HPO₄和-氨基丁酸按摩尔比混合后溶于水中，每5天喷洒于土壤表面一次，每次按每千克土壤50~200 mL的量喷洒。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述重金属超富集植物为东南景天，富集植物为高羊茅。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述收割重金属超富集植物和富集植物时保留其离地面1 cm高的茬。