CN108941192A - 一种土壤砷污染治理方法及应用 - Google Patents

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Abstract

一种土壤砷污染治理方法及应用，该技术属于生态环境保护领域。该技术通过以下步骤实现：在生物反应器中加入淀粉、豆饼、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、碳酸钙、硫酸亚铁等，再加入足量的水，搅拌，混匀，加热灭菌，冷却，接种黄杆菌等菌株，发酵，冷却，混配，罐装，施入土壤中，自然培养8‑20个月，可以持续将土壤中的砷转化为挥发性气体，从土壤中挥发到空气中，从而去除土壤中的砷，消除土壤和地下水砷污染，保护土壤环境，保护土壤生产和生态功能，保护地下水环境，保障食品安全。

Description

一种土壤砷污染治理方法及应用
技术领域
本发明属于生态环境保护领域，特别涉及一种土壤砷污染治理方法及应用。
背景技术
砷是一种毒性非常强的环境污染物。自然土壤中的砷主要来源于成土母质。在由岩石风化形成土壤的过程中，砷的含量(相对于成土母质)有明显的富集。人类活动如采矿、冶炼、污灌、施肥、杀虫剂和木材防腐剂的施用都可能引起土壤砷污染。土壤中累积过量砷，会造成作物减产和品质下降，同时可能造成水源和大气污染，并可通过食物链和水体等途径进入人体。近年的研究表明，低量的砷也会严重危害人类健康。
2016年，《土壤污染防治行动计划》，《土壤污染防治行动计划》正式颁布实施，是一项投资规模巨大的土壤污染修复工程，也将是一项长期工程。由于土壤治理相关技术标准和基础数据的缺乏等土壤治理实施的诸多困难，近几年内，我国土壤污染防治还需要先通过试点示范和局部开展，然后实现规模发展的过程。基础数据和修复经验的积累以及修复技术的储备将是我国目前阶段土壤修复的重要任务。
我国是砷矿大国，砷矿广泛分布在我国中南和西南的湖南、云南、广西、广东等省、区。砷矿在开采或冶炼过程中容易造成附近土壤和水体的污染。据王振刚等对石门雄黄矿附近的3个村调查发现，土壤含砷量为84～296mg/kg，这表明土壤已受不同程度的污染。砷还可通过水体迁移污染大面积农田土壤。因水稻田多采用沟渠灌溉，采矿和冶炼厂附近的水稻田土壤污染现象日趋严重，如湖南常宁县有大面积受砷污染水稻田，其含砷量为92～840mg/kg；在湖北有8000多公顷水田受砷污染。在孟加拉国，由于地下水含砷过高，导致7000万人饮用水含砷量超标；用这种含砷井水灌溉水稻田，在不到10年的时间中就使得0～15cm土壤层含砷量提高到83mg/kg，而当地土壤砷背景值仅为4～8mg/kg。
砷的生物作用及其毒性，主要由于砷与酶蛋白质中的巯基(-SH)、胱氨酸和半胱氨酸含硫的氨基(-NH)有很强的亲和力，结合后使组织细胞呼吸受阻、线粒体肿胀，从而使代谢停止，细胞死亡。砷被世界卫生组织(WHO)和美国环保局(EPA)定级为一种“已知人类致癌物质”，人体长期暴露砷可导致皮肤癌和肾、肝、膀胱等内脏器官的癌变。砷中毒的途径主要通过饮水和食物进入消化***，工业排放的含砷废气进入呼吸***。As3+能与人体酶类的巯基结合，抑制酶活性，导致糖代谢紊乱，血液和组织中的丙酮含量增高，以及神经末梢功能紊乱。As5+毒性作用较慢，它可以破坏线粒体氧化磷酸化作用，能代替磷酸盐生成不稳定的砷酸盐，会出现多发性神经炎、脊髓炎、再生不良性贫血等后遗症。成人亚砷酸的中毒剂量为5～50mg/kg，致死剂量为100～300mg/kg；亚砷酸的半致死浓度(LD50)为10mg/kg，而砷酸的LD50为138mg/kg。
随着砷量的增加，土壤细菌和放线菌总数明显降低，而且砷对土壤水解酶系(脲酶、磷酸酶和蛋白酶)及氧化还原酶(脱氢酶、多酚氧化酶和过氧化氢酶)均有不同程度的抑制。砷抑制了土壤中微生物活动中CO2的产生，显著降低反硝化细菌的活性。砷对土壤固氮菌、解磷细菌及纤维分解菌均有抑制作用，其中木霉和大芽孢杆菌对砷最为敏感，而大豆根瘤菌和含脂刚螺菌耐性最高。
砷污染和砷毒害是一个世界性的问题。日本政府已将砷中毒与铅中毒、水俣病、骨痛病等严重污染病相并列，宣布为第四公害病。一般砷的毒性依次为：砷化氢>三价无机砷>五价无机砷>有机砷>元素砷。砷是植物非必需元素，一般植物中As含量变动范围为0.01～5mg/kg。植物在生长发育过程中能从外界环境吸收砷，并且低量的砷可刺激植物的生长。但土壤中较高砷含量会对植物产生毒害效应，危害其生长发育，使农作物产量和品质下降。
性质不同、用途不同、污染程度不同的土壤，其修复的技术和方法也不相同。常用土壤砷污染治理修复技术有以下几种：固定化、稳定化技术、钝化技术、土壤淋洗技术、原位电动修复技术、克土法、生物修复技术等。固定、敦化、稳定化技术成本低，但是材料固化剂的大量使用会破坏土壤的结构，因此，该技术不适用于大面积的土壤修复。土壤淋洗技术用淋洗液淋洗，此方法容易引起某些营养元素的淋失和沉淀，因此，该方法适用于面积小的重金属污染的土壤治理。Ma等人在美国佛罗里达州中部发现了一种植物-蜈蚣蕨，能超富集砷，在实验室栽种蜈蚣蕨，培养6周，其羽片中砷的含量达到了22630mg/kg。陈同斌等、韦朝阳等在中国湖南也发现了砷的超富集植物-蜈蚣蕨和大叶井口边草。目前，还发现了很多植物能够很好的富集砷，比如：匍茎翦股颖、蒙塔那菊、蓼车、狗牙草等。但是这些植物大多是阴生植物，长期生长在野生荒野之中，用于大面积农田土壤砷栽培，不耐强烈阳光暴晒和pH值的巨变，往往生长不良，修复效果不良，同时由于连续多代无性繁殖后，超积累性能大幅退化，失去修复功能。
本技术采用多种微生物混合菌剂修复土壤砷，结合土壤水分和氧化还原电位调控，将土壤砷及砷的化合物还原和/或氧化成甲基砷、二甲基砷、三甲基砷和砷化氢扽气体，从土壤中挥发出来，从而去除土壤砷污染，保护土壤和地下水环境，采用本法生产的复合高效菌剂处理效率高，成本低，环境友好性高，操作简便，没有二次污染，容易实现大规模工业化应用。
发明内容
解决的技术问题：本发明针对土壤砷污染，特别是农田土壤和地下水、冶金厂、金属采矿场和化工厂场地污染，发明一种高效复合菌剂，在较短时间内把土壤砷污染大部分氧化和/或还原成甲基砷等气体挥发，从而去除土壤As对环境和人类的危害。
技术方案：一种土壤砷污染治理方法及应用，步骤为一种土壤砷污染治理方法及应用，其特征在于步骤为：a.在10升生物反应器中加入100-800克的淀粉，60-250克豆饼粉，40-150克磷酸氢二钾，30-150克磷酸二氢钾，10-100克碳酸钙粉末，5-60克硫酸亚铁，10-50克硫酸镁，7000毫升水，开动搅拌器搅拌，开动加热蒸汽管，加热混合溶液，0.1Mpa下126℃保持40分钟，灭菌结束，冷却至30℃接种0.5-8％(质量/体积)的黄杆菌，不停搅拌，搅拌器转速50-120转/分钟，通气量0.5-1升空气/升液体(体积/体积/分钟)，恒温混合培养24-48小时，发酵结束，放罐。同理，在上述相同液体发酵培养基分别接种0.5-8％(质量/体积)的紫色硫细菌、中间气单胞菌，开动搅拌器，搅拌器转速50-120转/分钟，通气量0.5-1升空气/升液体(体积/体积/分钟)，恒温混合培养24-48小时，发酵结束，放罐。b.将上述a处理后的3种不同的发酵液浓缩，过滤，保留滤液，保持滤液中活菌及芽孢含量≥2亿/毫升，将3种菌液等体积混合成复合菌液制剂。c.将上述b处理后的复合菌剂喷施农田土壤表面，每亩均匀喷施复合菌剂50-200千克，立即灌水，使得土壤表面有积水10cm以上，并保持土壤表面潮湿状态20天以上，第二次喷施50-200千克复合菌剂，并立即灌水，使得农田土壤表层积水10cm以上，维持田间有积水20天以上，根据土壤砷污染程度，重复喷施菌剂次数4-10次，每次喷施菌剂后都要立即灌水，并保持土壤表面积水10cm以上，并保持潮湿20天以上，以利于菌剂中微生物在土壤中增殖、生物氧化/还原砷成为甲基砷、二甲基砷、三甲基砷和砷化氢等气体。
任一所述一种修复土壤砷污染的复合菌剂及其在农田、垃圾填埋场、城市污泥、加油站、造纸厂、采矿场、电镀厂，电解厂、金属冶炼厂、场地污染及养殖场附近土壤污染砷染修复上的应用。本法所用3种微生物可以从中科院菌保中心、中国农科院菌保中心、南京怡可帮生态环境科技有限公司购买。
有益效果：本发明能最大限度的消除土壤和地下水中砷污染物，最大限度的消除土壤砷污染及其对环境的破坏和对人类的危害，有利于生态可持续发展。
本发明与现有技术相比：
1)本发明中研发的土壤砷污染复合菌剂，生产方法简便、技术简单易行、可操作性强、成本低廉、实用性强；
2)本发明采用微生物氧化还原技术去除土壤砷污染，能真实的把土壤和/或地下水中砷转化为气体挥发出去，最大限度地减少土壤中污染的砷，从根本上去除了土壤中的砷，跟目前常用的单一的固化发/钝化法相比，是真正的去除土壤砷污染，残留物和二次污染物很少，所选用3种复合菌都是土壤自然界中天然存在的，没有污染和其他危害，是一种生态友好型砷污染治理方法，是目前最佳方法。
附图说明
图1是采用本技术处理土壤砷污染过程对比。
具体实施方式
以下结合实例对本发明作进一步的描述：
实施例1：
1.在10升生物反应器中加入60克的淀粉，70克豆饼粉，10克碳酸钙粉末，35克磷酸氢二钾，35克磷酸二氢钾，15克硫酸亚铁，15克硫酸镁，7000毫升水，搅拌，待全部混匀后开动加热蒸汽管，加热混合溶液，0.1Mpa下126℃保持40分钟，灭菌结束，冷却至30℃接种0.5％(质量/体积)的黄杆菌，开动搅拌器，搅拌器转速50转/分，通气量0.5升空气/升液体(体积/体积/分钟)，恒温混合培养48小时，发酵结束，放罐。同理，在同样液体发酵培养基分别接种0.5％(W/V)的紫色硫细菌、中间气单胞菌，开动搅拌器，搅拌器转速50转/分钟，通气量0.5升空气/升液体(体积/体积/分钟)，恒温混合培养48小时，发酵结束，放罐。
2.将上述1处理后的3种不同的发酵液浓缩，过滤，保留滤液，保持滤液中活菌及芽孢含量≥2亿/毫升，将3种菌液等体积混合成复合菌液制剂。
3.将上述2处理后的复合菌剂喷施农田土壤表面，每亩均匀喷施复合菌剂200千克，立即灌水，使得土壤表面有积水10cm以上，并保持土壤表面潮湿状态20天以上，第二次喷施200千克复合菌剂，并立即灌水，使得农田土壤表层积水10cm以上，维持田间有积水20天以上，根据土壤砷污染严重与否，重复喷施菌剂次数8次，每次喷施菌剂后都要立即灌水，并保持土壤表面积水10cm以上，并保持潮湿20天向上，以利于菌剂中微生物在土壤中增殖、生物氧化/还原砷成为甲基砷、二甲基砷、三甲基砷和砷化氢等气体。土壤中的大部分可溶性的离子状态、难溶态、吸附态砷转化为挥发性的单甲基砷、二甲基砷、三甲基砷和砷化氢，从土壤或地下水逃逸，进入空气中，大幅降低了砷的含量。
实施例2：
1.在10升生物反应器中加入250克的淀粉，170克豆饼粉，25克碳酸钙粉末，60克磷酸氢二钾，50克磷酸二氢钾，30克硫酸亚铁，30克硫酸镁，7000毫升水，搅拌，待全部混匀后开动加热蒸汽管，加热混合溶液，0.1Mpa下126℃保持40分钟，灭菌结束，冷却至30℃接种4％(质量/体积)的黄杆菌，开动搅拌器，搅拌器转速95转/分，通气量0.8升空气/升液体(体积/体积)，恒温混合培养38小时，发酵结束，放罐。同理，在同样液体发酵培养基分别接种4％(质量/体积)的紫色硫细菌、中间气单胞菌，开动搅拌器，搅拌器转速95转/分，通气量0.8升空气/升液体(体积/体积/分钟)，恒温混合培养36小时，发酵结束，放罐。
2.将上述1处理后的3种不同的发酵液浓缩，过滤，保留滤液，保持滤液中活菌及芽孢含量≥2亿/毫升，将三种菌液等体积混合成复合菌液制剂。
3.将上述2处理后的复合菌剂喷施农田土壤表面，每亩均匀喷施复合菌剂100千克，立即灌水，使得土壤表面有积水10cm以上，并保持土壤表面潮湿状态20天以上，第二次喷施100千克复合菌剂，并立即灌水，使得农田土壤表层积水10cm以上，维持田间有积水20天以上，根据土壤砷污染程度，重复喷施菌剂次数56次，每次喷施菌剂后都要立即灌水，并保持土壤表面积水10cm以上，并保持潮湿20天向上，以利于菌剂中微生物在土壤中增殖、生物氧化/还原砷成为甲基砷、二甲基砷、三甲基砷和砷化氢等气体。土壤中的大部分可溶性的离子状态、难溶态、吸附态砷转化为挥发性的单甲基砷、二甲基砷、三甲基砷和砷化氢，从土壤或地下水逃逸，进入空气中，大幅降低了砷的含量
实施例3
1.在10升生物反应器中加入600克的淀粉，240克豆饼粉，60克碳酸钙粉末，110克磷酸氢二钾，110克磷酸二氢钾，40克硫酸亚铁，60克硫酸镁，7000毫升水，搅拌，待全部混匀后开动加热蒸汽管，加热混合溶液，0.1Mpa下126℃保持40分钟，灭菌结束，冷却至30℃接种8％(质量/体积)的恶臭假单胞杆菌，开动搅拌器，搅拌器转速120转/分，通气量1升空气/升液体(体积/体积/分钟)，恒温混合培养24小时，发酵结束，放罐。同理，在同样液体发酵培养基分别接种8％(质量/体积)的粪产碱杆菌、黄杆菌，开动搅拌器，搅拌器转速120转/分，通气量1升空气/升液体(体积/体积/分钟)，恒温混合培养24小时，发酵结束，放罐。
2.将上述1处理后的3种不同的发酵液浓缩，过滤，保留滤液，保持滤液中活菌及芽孢含量≥2亿/毫升，将3种菌液等体积混合成复合菌液制剂。
3.将上述2处理后的复合菌剂喷施农田土壤表面，每亩均匀喷施复合菌剂50千克，立即灌水，使得土壤表面有积水10cm以上，并保持土壤表面潮湿状态20天以上，第二次喷施50千克复合菌剂，并立即灌水，使得农田土壤表层积水10cm以上，维持田间有积水20天以上，根据土壤砷污染严重与否，重复喷施菌剂次数4次，每次喷施菌剂后都要立即灌水，并保持土壤表面积水10cm以上，并保持潮湿20天向上，以利于菌剂中微生物在土壤中增殖、生物氧化还原砷成为甲基砷、二甲基砷、三甲基砷和砷化氢等气体。土壤中的大部分可溶性的离子状态、难溶态、吸附态砷转化为挥发性的单甲基砷、二甲基砷、三甲基砷和砷化氢，从土壤或地下水逃逸，进入空气中，大幅降低了砷的含量
本发明的应用实例：
将本发明技术用于污染多种重金属土壤治理的应用上。
1、参照实施例1，采用本技术处理含有As污染的土壤，经过连续10次处理12个月后，跟没有采用本技术的对照土壤相比，土壤中残留As减少46％(图1)；
2、参照实施例2，采用本技术处理含有As污染的土壤，经过连续10次处理12个月后，跟没有采用本技术的对照土壤相比，土壤中残留As减少71％；
3、参照实施例3，采用本技术处理含有As污染的土壤，经过连续10次处理12个月后，跟没有采用本技术的对照土壤相比，土壤中残留As减少76％。

Claims (5)

1.一种土壤砷污染治理方法及应用，其特征在于步骤为：
a.在10升生物反应器中加入100-800克的淀粉，60-250克豆饼粉，40-150克磷酸氢二钾，30-150克磷酸二氢钾，10-100克碳酸钙粉末，5-60克硫酸亚铁，10-50克硫酸镁，7000毫升水，开动搅拌器搅拌，开动加热蒸汽管，加热混合溶液，0.1Mpa下126℃保持40分钟，灭菌结束，冷却至30℃接种0.5-8％(质量/体积)的黄杆菌，不停搅拌，搅拌器转速50-120转/分钟，通气量0.5-1升空气/升液体(体积/体积/分钟)，恒温混合培养24-48小时，发酵结束，放罐。同理，在上述相同液体发酵培养基分别接种0.5-8％(质量/体积)的紫色硫细菌、中间气单胞菌，开动搅拌器，搅拌器转速50-120转/分钟，通气量0.5-1升空气/升液体(体积/体积/分钟)，恒温混合培养24-48小时，发酵结束，放罐。
b.将上述a处理后的3种不同的发酵液浓缩，过滤，保留滤液，保持滤液中活菌及芽孢含量≥2亿/毫升，将3种菌液等体积混合成复合菌液制剂。
c.将上述b处理后的复合菌剂喷施农田土壤表面，每亩均匀喷施复合菌剂50-200千克，立即灌水，使得土壤表面有积水10cm以上，并保持土壤表面潮湿状态20天以上，第二次喷施50-200千克复合菌剂，并立即灌水，使得农田土壤表层积水10cm以上，维持田间潮湿状态20天以上，根据土壤砷污染程度，重复喷施菌剂次数4-10次，每次喷施菌剂后都要立即灌水，并保持土壤表面积水10cm以上，并保持潮湿20天以上，以利于菌剂中微生物营养体及芽孢在土壤中增殖、生物氧化和/或还原砷成为甲基砷、二甲基砷、三甲基砷和砷化氢等气体。
2.根据权利要求1所述一种土壤砷污染治理方法及应用，其特征在于所述方法是在10升生物反应器中加入100-800克的淀粉，60-250克豆饼粉，40-150克磷酸氢二钾，30-150克磷酸二氢钾，10-100克碳酸钙粉末，5-60克硫酸亚铁，10-50克硫酸镁，7000毫升水，开动搅拌器搅拌，开动加热蒸汽管，加热混合溶液，0.1Mpa下126℃保持40分钟，灭菌结束，冷却至30℃接种0.5-8％(质量/体积)的黄杆菌，不停搅拌，搅拌器转速50-120转/分钟，通气量0.5-1升空气/升液体(体积/体积/分钟)，恒温混合培养24-48小时，发酵结束，放罐。同理，在上述相同液体发酵培养基分别接种0.5-8％(质量/体积)的紫色硫细菌、中间气单胞菌，开动搅拌器，搅拌器转速50-120转/分钟，通气量0.5-1升空气/升液体(体积/体积/分钟)，恒温混合培养24-48小时，发酵结束，放罐。
3.根据权利要求1所述一种土壤砷污染治理方法及应用，其特征在于所述方法中，将上述a处理后的3种不同的发酵液浓缩，过滤，保留滤液，保持滤液中活菌及芽孢含量≥2亿/毫升，将3种菌液等体积混合成复合菌液制剂。
4.根据权利要求1所述一种土壤砷污染治理方法及应用，其特征在于所述方法，将上述b处理后的复合菌剂喷施农田土壤表面，每亩均匀喷施复合菌剂50-200千克，立即灌水，使得土壤表面有积水10cm以上，并保持土壤表面潮湿状态20天以上，第二次喷施50-200千克复合菌剂，并立即灌水，使得农田土壤表层积水10cm以上，维持田间有积水20天以上，根据土壤砷污染严重程度，重复喷施菌剂次数4-10次，每次喷施菌剂后都要立即灌水，并保持土壤表面积水10cm以上，并保持潮湿20天以上，以利于菌剂中微生物在土壤中增殖、生物氧化和/或还原砷成为甲基砷、二甲基砷、三甲基砷和砷化氢等气体。
5.权利要求1～4任一所述一种治理土壤砷污染治理方法及其在农田砷污染土壤、垃圾填埋场、城市污泥、加油站、采矿场、电镀厂，电解厂、金属冶炼厂、场地污染土壤污染砷染修复上的应用。
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