CN104923558A - 表面活性剂增溶洗脱-强化微生物修复OCPs污染土壤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面活性剂增溶洗脱-强化微生物修复OCPs污染土壤的方法，本发明首先利用表面活性剂的增溶洗脱作用，清洗土壤一次，去除土壤中85%以上的有机氯农药（OCPs）；经清洗后的土壤在工棚通风处直接堆放，利用残留的表面活性剂改善土著微生物的群落结构和活性，强化土著微生物降解土壤中残留的OCPs，最终使土壤达到环境安全标准；该技术操作简单、经济高效、绿色安全，可大规模应用于OCPs等有机污染场地/土壤的修复。

Description

表面活性剂增溶洗脱-强化微生物修复OCPs污染土壤的方法

技术领域

本发明涉及有机污染土壤修复技术领域，特别涉及一种利用单一或混合表面活性剂增溶洗脱-强化土著微生物降解一体化技术修复有机农药污染场地/土壤的方法。

背景技术

随着城市化进程的加速，城市用地功能调整，大量工业污染企业外迁，留下大约30个农药、化工等高风险工业污染场地，若直接用作居住、学校或公共设施用地，必将影响人群健康。我国是农药生产和使用大国，同时我国农药生产技术水平相对落后，生产过程中滴漏现象比较严重，有机农药生产厂区土壤污染严重。因此，为实现土地资源的持续利用，保障土壤环境安全，亟需修复有机农药污染等高风险工业污染场地/土壤。

目前，国内外常见的土壤污染修复方法主要有物理修复、化学修复、生物修复法等技术。有机农药污染场地中残留大量生产过程中渗漏的中间体及成品，其中很多成份具有挥发性、半挥发性和疏水性，因此通常应用较为成熟的热脱附、气相抽提等方法修复有机农药污染场地/土壤。但这些方法修复成本较高，易产生二次污染，难挥发有机污染物的去除效率较低，限制了其在有机污染场地/土壤修复中的应用。[文献1：Gao, Y.F., Yang, H., Zhan, X.H., Zhou, L.X. Scavenging of BHCs and DDTs from soil by thermal desorption and solvent washing. Environmental Science and Pollution Research,  2013, 20, 1482-1492.文献2：Zheng, G., Selvam, A., Wong, J.W. Enhanced solubilization and desorption of organochlorine pesticides (OCPs) from soil by oil-swollen micelles formed with a nonionic surfactant. Environmental Science & Technology, 2012,46, 12062-12068]。

表面活性剂增效修复技术是利用表面活性剂增溶洗脱土壤中的有机污染物，具有修复效果好、周期短等优点[文献3：Zhou W J, Zhu L Z. Enhanced desorption of phenanthrene from contaminated soil using anionic-nonionic mixed surfactant. Environmental Pollution, 2007,147(2): 350-357]。然而，常见有机农药污染场地/土壤修复工程中，用表面活性剂增溶洗脱3-4次才能达到环境质量标准。多次淋洗不仅耗水、耗能，还增加表面活性剂用量，增加修复成本。因此，亟需开发一种经济高效、绿色安全的有机农药污染场地/土壤的修复技术[文献:4：Mao, X., Jiang, R., Xiao, W., Yu, J., Use of surfactants for the remediation of contaminated soils: A review. Journal of Hazardous Materials, 2015,285, 419-435]。

研究发现，表面活性剂可增溶洗脱土壤中的疏水性有机污染物HOCs，还可强化微生物降解HOCs [文献5: Zhang, D.;Zhu, L. Z.; Li, F. Influences and mechanisms of surfactants on pyrene biodegradation based on interactions of surfactant with a Klebsiella oxytoca strain. Bioresource Technol, 2013,142,454-461]。另一方面，在实际场地/土壤中，直接喷洒表面活性剂，可增溶洗脱吸附在土壤固相上的有机污染物，增加土著微生物群落中细菌的含量，提高降解菌群的活性，从而强化土壤微生物原位修复有机污染土壤。然而，直接喷洒表面活性剂只能修复表层10cm的土壤，需要多次重复喷洒表面活性剂，不仅增大表面活性剂的用量，还容易造成微生物群落的生态风险等。

发明内容

本发明提出一种表面活性剂增溶洗脱-强化微生物修复OCPs污染土壤的方法。该方法是表面活性剂增溶洗脱-强化微生物降解的一体化技术，充分发挥了有机农药污染场地/土壤修复过程中表面活性剂的重要作用，是一种经济高效、绿色安全的有机农药污染场地/土壤修复技术。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种表面活性剂增溶洗脱-强化微生物修复OCPs污染土壤的方法，该方法通过表面活性剂的增溶洗脱作用，一次清洗去除土壤中85%以上的OCPs；清洗之后的土壤直接堆放，利用残留的表面活性剂改善土著微生物的种群结构和活性，强化土著微生物降解土壤中残留的OCPs，最终使土壤达到环境安全标准，该方法包括以下步骤：

步骤1：将待修复的有机氯农药污染场地中取出一批土壤，利用机械装置将土壤破碎，通过湿式筛分，去除粒径大于2mm的石块及粗砂；

步骤2：将步骤1中去除石块及粗砂的污染土壤倒入淋洗池进行清洗，向淋洗池按土水比1:5（kg/L）加入浓度为0.4~1.0 g/L的表面活性剂溶液（即每千克污染土壤加入5L的表面活性剂溶液），机械搅拌30分钟后，分离沉淀，将上清液回收利用；所述的表面活性剂为生物表面活性剂鼠李糖脂（rhamnolipid）、或阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、或非离子表面活性剂失水山梨醇单油酸酯聚氧乙烯醚（Tween 80）、或SDBS和Tween 80按照质量比1:2组成的混合表面活性剂；

步骤3：用水洗涤步骤2分离得到的土壤，使土壤中的表面活性剂浓度维持在10-50 mg/kg（即每kg的土壤中，表面活性剂的质量为10-50 mg），将洗涤后的土壤堆放至通风的工棚内，每隔1~2周翻动土壤，并保持土壤含水率25%~35%（含水率是水的质量与固体颗粒质量之比，以百分率表示），经洗脱后土壤中残留的表面活性剂影响微生物的群落结构，使得土壤中微生物总量增加，微生物降解有机氯农药的活性提高；每周检测土壤中OCPs含量，直至达到环境质量标准，完成该土壤的中有机氯农药的降解修复。

步骤4：重复步骤1~步骤3，修复下一批土壤，直至完成污染场地中所有土壤的修复。

步骤3中所述的微生物为土著微生物。环境质量标准是指《土壤环境质量标准》（GB15628-1995）或国家发布的相关土壤环境质量标准。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：表面活性剂溶液清洗一次，去除有机污染土壤中85%以上的OCPs；清洗过后固相分离得到的土壤中含微量表面活性剂，通过直接通风堆放，这部分表面活性剂改善了土壤土著微生物的群落结构，提高了降解菌群的数量和活性，最终促进了OCPs等有机污染物的微生物降解，使土壤OCPs等有机污染物达到环境安全标准；由此，整个修复过程中充分发挥了表面活性剂的增溶洗脱-强化微生物降解的双重作用。该方法成本低廉、绿色安全，可大规模应用于OCPs污染场地/土壤的修复。

附图说明

图1为表面活性剂增溶洗脱-强化微生物修复OCPs土壤一体化工艺流程图；

图2为残留表面活性剂强化土著微生物降解OCPs的效果；

图3为残留表面活性剂存在下土著微生物生长过程中微生物总量的变化；

图4为表面活性剂增溶洗脱-强化微生物修复OCPs污染土壤的效果；

图5为表面活性剂增溶洗脱与强化微生物降解OCPs各组份的效果。

具体实施方式

下面列举实施例进一步阐述本发明，应理解实施例，并非用于限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明一种表面活性剂增溶洗脱-强化微生物修复OCPs污染土壤的方法，包括以下步骤：1、称取1000 g自然风干的有机农药污染土样，去除枯枝及粒径大于2 mm的石块、粗砂；2、用配制好的表面活性剂溶液按照1:5（g/L）的土水比加入土样中，置于六联搅拌器下搅拌30分钟；3、离心分离土壤及表面活性剂溶液，用水洗涤土壤使其中的表面活性剂浓度维持在10-50 mg/kg；4、将土壤堆放在上方有遮挡的空地上，防止雨水直接冲刷土壤导致表面活性剂的流失，每隔1~2周翻动土壤；5、每隔一周检测土壤OCPs含量，约过45天，土壤OCPs完全达到环境质量标准。

实施例1

配制好400 mg/L鼠李糖脂-无机盐溶液，调节其离子强度为5.0 mg/L，pH为7.0，121℃高温灭菌30分钟，冷却后，量取5L鼠李糖脂溶液装入盛有待洗脱土壤的烧杯内，置于六联搅拌器下搅拌；其中，1000 g土样所需鼠李糖脂的量为2 g。

搅拌30min，离心分离洗脱后的土壤，均匀选取5 g 一次洗脱后的土样，冷冻干燥后，测得OCPs洗脱效率为89.0%（如图4所示），其中OCPs中DDE和DDT均未达到土壤环境质量标准（如图5所示）。

测定上清液中鼠李糖脂的含量，用清水将土壤中鼠李糖脂浓度洗至10-50 mg/kg的浓度范围。

将上述一次洗脱后的土壤堆放在上覆工棚通风的空地上，按需喷洒水以保持土壤含水率为30%，每隔2周翻动土壤。每周结束后，以四分法收集土壤样品。检测土壤样品中OCPs的含量。42天后，场地中OCPs微生物降解率达到75.7%，总修复效率达到97.3%（如图2-5所示）。此时，土壤OCPs含量均达到土壤环境质量标准的要求（如图5所示）。

实施例2

配制好1000 mg/L SDBS-无机盐溶液，调节其离子强度为5.0 mg/L，pH为7.0，121℃高温灭菌30分钟，冷却后，量取5 L SDBS溶液装入盛有待洗脱土壤的烧杯内，置于六联搅拌器下搅拌；其中，1000 g土样所需SDBS的量为5 g。

搅拌30min，离心分离洗脱后的土壤，均匀选取5 g 一次洗脱后的土样，冷冻干燥后，测定总OCPs洗脱效率为89.3%（如图4所示），其中OCPs中的DDE和DDT均未达到土壤环境质量标准（如图5所示）。

测定上清液中SDBS的含量，用清水将土壤中SDBS浓度洗至10-50 mg/kg的浓度范围。

将上述一次洗脱后的土壤堆放在上覆工棚通风的空地上，按需喷洒水以保持土壤含水率为30%，每隔2周翻动土壤。每周结束后，以四分法收集土壤样品。检测土壤样品中OCPs的含量。42天后，场地土壤中总OCPs微生物降解率达到72.1%，总修复效率达到97.0%（如图2-5所示），此时，土壤中OCPs含量均达到环境质量标准的要求（如图5所示）。

实施例3

配制好800 mg/L Tween 80-无机盐溶液，调节其离子强度为5.0 mg/L，pH为7.0，121℃高温灭菌30分钟，冷却后，量取5 L Tween 80溶液装入盛有待洗脱土壤的烧杯内，置于六联搅拌器下搅拌；其中，1000 g土样所需的Tween 80量为4 g。

搅拌30min，离心分离洗脱后的土壤，均匀选取5 g一次洗脱土样，冷冻干燥后，测定总OCPs洗脱效率为88.2%（如图4所示），其中OCPs中的DDE和DDT均未达到环境质量标准的要求（如图5所示）。

测定上清液中Tween 80的含量，用清水将土壤中Tween 80浓度洗至10-50 mg/kg的浓度范围。

将上述一次洗脱后的土壤堆放在上覆工棚通风的空地上，按需喷洒水以保持土壤含水率为30%，每隔2周翻动土壤。每周结束后，以四分法收集土壤样品。检测土壤样品中OCPs的含量。42天后，场地中总OCPs微生物降解率达到76.0%，总修复效率达到97.2%（如图2-5所示）。此时，土壤中OCPs含量均达到环境质量标准的要求（如图5所示）。

实施例4

将实例2和实例3中SDBS、Tween 80两种表面活性剂溶液按体积比2:5的比例均匀混合成SDBS-Tween 80混合表面活性剂，此时SDBS-Tween 80质量比1:2。调节其离子强度为5.0 mg/L，pH为7.0，121℃高温灭菌30分钟，冷却后，量取5 L SDBS-Tween 80（质量比1:2）溶液装入盛有待洗脱土壤的烧杯内，置于六联搅拌器下搅拌；其中，1000 g土样所需SDBS-Tween 80量为4.3 g。

搅拌30min，离心分离洗脱后的土壤，均匀选取5 g一次洗脱后的土样，冷冻干燥后，测定总OCPs洗脱效率为89.8%（如图4所示），其中OCPs中的DDT没有达到环境质量标准的要求（如图5所示）。

将上述一次洗脱后的土壤堆放在上覆工棚通风的空地上，按需喷洒水以保持土壤含水率为30%，每隔2周翻动土壤。每周结束后，以四分法收集土壤样品。检测土壤样品中OCPs的含量。42天后，场地中总OCPs微生物降解率达到74.9%，总修复效率达到97.4%（如图2-5所示）。此时，土壤中OCPs含量均达到环境质量标准的要求（如图5所示）。

从以上结果可以看出，用鼠李糖脂、SDBS、Tween 80或SDBS-Tween 80（质量比为1:2）作为表面活性剂，均能高效增溶洗脱-强化微生物降解OCPs（图2,4-5）。这些浓度范围内的表面活性剂可改善场地/土壤内微生物群落结构的变化，诱导降微生物的增加（图3）。

实施例1~4中，OCPs的检测方法如下：

土壤样品经冷冻干燥、研磨混匀后，取0.5 g于22 mL离心管中，加入5 mL二氯甲烷-正己烷溶液，混匀后超声萃取15 min。然后以3000 rpm/min离心15 min。重复三次，将萃取液转移至填有2.5 g酸性硅胶的层析柱中净化，先后用5 mL、10 mL体积比为1：1的正己烷-二氯甲烷混合液淋洗，所有的洗脱液收集至50 mL圆底烧瓶后于40℃下旋转蒸干。再用2 mL正己烷定容后用气相色谱GC-ECD测定。

实施例1~4中，生物量测定方法如下：

土壤样品经冷冻干燥、研磨混匀后，取5.0 g于22 mL离心管中，加入3.6 mL柠檬酸缓冲液、4mL氯仿和8mL甲醇，250rpm 振摇2 h, 3000 rpm/min离心10 min，收集上清液。重复提取一次。在合并后的上清液中加入4.8 mL柠檬酸缓冲液和6mL氯仿，以250 rpm/min振摇2 h，静置30min，收集下层氯仿相，氮气吹干，以1 mL甲醇吹洗两次。最后用1.5 mL氯仿溶解样品，并移至C₁₈固相萃取柱中，分别用10 mL氯仿和10 mL丙酮洗掉极性脂和中性脂，再用8 mL甲醇洗脱磷脂，收集至小试管，氮气吹干。向小试管中加入1 mL甲醇-甲苯混合液（v:v/1:1），1 mL 0.2 mol/L KOH-甲醇溶液，37℃下加热15分钟，再加入2 mL 正己烷-氯仿混合液（v:v/4:1），0.3 mL 冰醋酸（1 mol/L）和2 mL超纯水，振摇10 分钟，再以3000 rpm/min 离心5 min，收集上清液。以2 mL正己烷-氯仿混合液（v:v/4:1）重复提取一次，收集上清液。合并后的上清液经氮气吹干，并用300 μL正己烷将样品转移至内插管，吹干后定容至60 μL。用带有MIDI Sherlock 微生物鉴定***气相色谱GC (Agilent 6890N, Version 4.5, MIDI, Newark, NJ)进行鉴定。

以上实施例仅对发明做进一步说明，本发明的范围不受所举实施例局限。

Claims (2)

1.一种表面活性剂增溶洗脱-强化微生物修复OCPs污染土壤的方法，其特征在于，该方法通过表面活性剂的增溶洗脱作用，一次清洗去除土壤中85%以上的OCPs；清洗之后的土壤直接堆放，利用残留的表面活性剂改善土著微生物的种群结构和活性，强化土著微生物降解土壤中残留的OCPs，最终使土壤达到环境安全标准，该方法包括如下步骤：

步骤1：在待修复的有机氯农药污染场地中取出一批土壤，利用机械装置将土壤破碎，通过湿式筛分，去除粒径大于2mm的石块及粗砂；

步骤2：将步骤1中去除石块及粗砂后的污染土壤倒入淋洗池进行清洗，向淋洗池中按土水比1:5（kg/L）加入浓度为0.4~1.0 g/L的表面活性剂溶液，机械搅拌30分钟后，分离沉淀，将上清液回收利用；所述的表面活性剂为生物表面活性剂鼠李糖脂（rhamnolipid）、阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、非离子表面活性剂失水山梨醇单油酸酯聚氧乙烯醚（Tween 80）或SDBS和Tween 80按照质量比1:2组成的混合表面活性剂；

步骤3：用水洗涤步骤2分离得到的土壤，使土壤中的表面活性剂浓度维持在10-50 mg/kg，将洗涤后的土壤堆放至通风的工棚内，每隔1~2周翻动土壤，并保持土壤含水率25%~35%，经洗脱后土壤中残留的表面活性剂影响微生物的群落结构，使得土壤中微生物总量增加，微生物降解有机氯农药的活性提高；每周检测土壤中OCPs含量，直至达到环境质量标准，完成该土壤的中有机氯农药的降解修复；

步骤4：重复步骤1~步骤3，修复下一批土壤，直至完成污染场地中所有土壤的修复。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中的微生物为土著微生物。