CN112745857A - 一种修复多环芳烃污染土壤的生物制剂 - Google Patents
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Abstract
一种修复多环芳烃污染土壤的生物制剂，其制备方法为：以木质纤维素原料预处理后并进行纤维素酶水解后的水解液进行乙醇发酵，发酵液进行乙醇提取，将提取后的残液调节pH为6.0‑8.0，灭菌，固液分离，将所得的固体干燥后磨成粉剂Ⅰ；将部分粉剂Ⅰ进行煅烧，粉碎成粉剂Ⅱ；将粉剂Ⅰ和粉剂Ⅱ混合制成所述生物制剂，其中粉剂Ⅱ的质量百分比占5%‑50%。本发明的生物制剂来源于秸秆等生物质资源，无需添加化学品，不会造成二次污染。将木质纤维素水解发酵残余废渣用于土壤修复，实现废物利用，可以进一步降低纤维素乙醇的生产和排污成本。
Description
技术领域
本发明涉及土壤修复技术领域，具体涉及一种利用纤维素水解发酵残渣制备的修复多环芳烃污染土壤的生物制剂。
背景技术
近年来随着化石能源的不断消耗和环境问题的日益突出，生物质能源的开发引起了全球各界的广泛关注。20世纪70年代以来，以燃料乙醇和生物柴油为代表的生物能源得到大力发展，第一代生物质燃料的发展建立在对农业资源大量占用和消耗的基础之上，引发一系列关于“粮食安全”问题的争论。开发非粮生物燃料（第二代生物燃料）成为全世界关注的重要课题，也是生物燃料发展的重要方向。
木质纤维素是自然界中分布最广、含量最多的可再生糖类资源。作物秸秆等纤维素原料中含有大量的纤维素和半纤维素多糖类物质。这些多糖类物质性质很稳定，即使经过预处理，仍要在催化剂作用下才能水解为单糖，然后再经发酵才能制备纤维素乙醇。水解最常用的催化剂是无机酸和纤维素酶制剂。酶解利用微生物酶系将天然纤维素和半纤维素降解为可发酵的单糖，与化学水解法相比，可发酵单糖得率高、副产物少、反应条件温和、能耗低、环境友好。
然而，如何有效降低木质纤维素制备乙醇整个过程的生产成本是该技能否得到广泛应用的关键问题，纤维素乙醇水解发酵后会产生大量木质素类的废渣，充分利用发酵废渣，提高其经济价值，可以有效降低纤维素乙醇的生产成本。
多环芳烃（PAHs）是由两个或两个以上苯环或杂环以线性、弯接或簇聚的方式构成的有机化合物，这环境中存在的典型的持久性有机污染物。1979年，美国环保局（EPA）公布了优先控制的16种PAHs。PAHs多具有较高的沸点和疏水性，而挥发性和水溶性较低。随着PAHs分子量的增大，其沸点增和疏水性增高、挥发性和水溶性较低、分子结构越稳定、在环境中的半衰期越长。PAHs普遍具有生物毒性，对人体真有致癌作用，且生物毒性随着分子量增大而增加。由于PAHs在土壤中污染的严重性，从上世纪70年代开始，欧美等国家开始发展针对PAHs污染土壤的修复技术。土壤修复技术主要包括：物理修复技术、化学修复技术、生物修复技术和联合修复技术。近年来利用有机废弃物等进行土壤污染治理，以实现对废弃物的资源化利用成为学术界研究的热点问题。
CN101618394A公开了一种利用生物炭修复多环芳烃污染土壤的方法，本方法具体利用畜禽养殖业产生的有机废弃物畜禽粪便制备生物炭材料，然后将生物炭投加到污染土壤中去除PAHs。该发明修复方法主要通过生物炭对PAHs的物理吸附，而无法实现对其降解，且对低分子量PAHs的去除能力较差。
发明内容
本发明为现有技术提供一种用于修复多环芳烃污染土壤的生物制剂，以纤维素水解发酵残渣为原料，制备出生物修复剂，解决了废渣的再利用问题，提高纤维素原料的经济性，且制备的生物制剂修复性能良好，具备良好应用前景。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：
本发明第一方面的技术目的是提供一种修复多环芳烃污染土壤的生物制剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）以木质纤维素原料预处理后并进行纤维素酶水解后的水解液进行乙醇发酵，发酵液进行乙醇提取，将提取后的残液调节pH为6.0-8.0，灭菌，固液分离，将所得的固体干燥后磨成粉剂Ⅰ；
（2）将部分粉剂Ⅰ进行煅烧，粉碎成粉剂Ⅱ；
（3）将粉剂Ⅰ和粉剂Ⅱ混合制成所述生物制剂，其中粉剂Ⅱ的质量百分比占5%-50%。
进一步的，所述生物制剂中粉剂Ⅱ的质量百分比优选为10%-30%。
进一步的，所述的木质纤维素原料为含有纤维素、半纤维素和木质素的秸秆、木屑或能源植物，优选秸秆。
进一步的，所述预处理选自机械粉碎、辐射、微波、酸处理、碱处理、蒸汽***和溶剂处理中的至少一种方式进行处理。
进一步的，步骤（1）所述固液分离采用离心或板框过滤的方式实现。
进一步的，步骤（1）所述干燥的温度为40-90℃，时间为8-24h。
进一步的，粉剂Ⅰ中固体颗粒粒径不大于5mm。
进一步的，步骤（2）所述煅烧为在400℃-600℃下加热3-5小时。
进一步的，粉剂Ⅱ中固体颗粒粒径不大于5mm。
本发明第二方面的技术目的是提供以上方法制备的生物制剂。
本发明第三方面的技术目的是提供上述生物制剂在修复多环芳烃污染土壤中的应用，将所述生物制剂10-100g·kg-1土壤的浓度施于污染土壤中，期间补水保持表层土壤含水量为10%-35%，土壤修复周期为20-200天。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明的生物制剂来源于秸秆等生物质资源，无需添加化学品，不会造成二次污染。
（2）将木质纤维素水解发酵残余废渣用于土壤修复，实现废物利用，可以进一步降低纤维素乙醇的生产和排污成本。
（3）本发明的生物制剂利用生物炭的多孔结构将污染物物理吸附，并通过发酵剩余营养物的生物刺激，促进污染物多环芳烃的生物降解，土壤修复效果好，便于工业生产应用。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
本发明实施例使用的木质纤维素原料为玉米秸秆，其中纤维素38.2wt%，半纤维素22.1wt%，木质素20.2wt%，灰分3.9wt%，用粉碎机粉碎至颗粒大小为1-5厘米。
土壤中PAHs的分析方法具体步骤为：取污染或修复土壤表层0-20cm的样品，去除动植物残留物及根系，均匀混合自然阴干48h，将土壤研磨后，用80目筛过筛得到待分析的土壤样品，并在棕色瓶中避光保存。分析时每次取2g待测土壤样品，加入1g无水硫酸钠并混合均匀，用4mL正已烷/丙酮混合液（1：1，v/v）旋涡振荡萃取5min，并萃取三次，每次萃取后静置30min后，取出合并三次萃取得到的萃取液。将萃取液通过真空抽滤器通过0.22μm的有机滤膜后，转移至100mL圆底烧瓶内，使用旋转蒸发仪对萃取液进行浓缩，浓缩至接近1mL时，将浓缩液转移至12mL的棕色瓶中，并提前用2mL正已烷润洗棕色瓶。将棕色瓶放置在氮气吹干仪下使瓶内正已烷完全挥干，之后用正已烷定容至2mL。取出1mL正已烷转移至液相色谱样品瓶中，通过HPLC分析PAHs的浓度。通过对回收率的计算证明该萃取方法的对样品中各PAH的回收率均在90%以上。
使用安捷伦1200高效液相色谱对样品中的PAHs进行定量检测。色谱柱为PAH分析专用柱(ZORBAX Eclipse PAH, 3.0×250mm 填料粒径为5μm,Agilent,USA)。流动相流速为0.85 ml min-1, 柱温为25℃，检测器为紫外可变波长检测器，波长为220 nm，进样量为10μL。流动相为乙腈和水，初始比例为45%乙腈和55%水，17.5min后乙腈比例升为100%，并保持至20min。使用不同浓度的PAHs标准品，建立各化合物峰面积与浓度之间的标准曲线，通过外标法对样品中PAHs的浓度进行定量。
实施例1
（1）将玉米秸秆调节至含水量88%，浸泡一小时后放入蒸汽***装置进料器中，通过螺杆挤压进入蒸煮器，蒸煮温度为180℃，蒸煮时间为10min，通过组合式螺杆装置对蒸煮器中物料进行挤压，进入滞留器中，温度为200℃，压力1.8MPa维持10min后瞬间泄压***，得到蒸汽***预处理的物料；
将蒸汽***预处理的物料与水配制成固液质量比为12.6%的混合液，加入诺维信的Ctec2纤维素酶，加入量为每克纤维素加入10FPU单位酶活的纤维素酶液；在50℃，pH为5.0，转速130rpm的条件下酶解120h；将酶解液的pH值调至6.0，在30℃下混合均匀，加入CN200910204295.3中所提供的耐温酿酒酵母菌FE-B进行乙醇发酵；发酵种子液的制备过程为：种子培养基为YPD培养基，其中酵母浸粉10g/L、蛋白胨20g/L、葡萄糖20g/L；将发酵菌接种至种子培养基，培养条件为：培养温度40℃、摇床转速250rpm、培养时间24h；种子液按体积比10%的接种量接入酶解液中，120rpm培养72h。
将发酵液中的乙醇进行蒸馏提取后，剩余发酵残液将pH调至6.5，进行高温杀菌121℃、30min后，离心取固体沉淀，将固体于80℃进行干燥12h后，磨成颗粒粒径不大于5mm的粉剂Ⅰ。
（2）将部分粉剂Ⅰ在马弗炉中于500℃煅烧4h，冷却后粉碎成颗粒粒径不大于5mm的粉剂Ⅱ。
（3）将粉剂Ⅰ与粉剂Ⅱ按照质量比为5：1混合后制得生物制剂。
生物制剂对多环芳烃污染土壤的修复实验：
多环芳烃污染土壤为取自于化工厂附近的表层土壤，将生物制剂以80g·kg-1土壤的浓度与污染土壤混匀，期间补水保持表层土壤的含水量为20%；修复进行50天后，分析土壤中PAHs的浓度，结果如表1，各种PAHs均有不同程度的减少，PAHs平均去除率为68.72%，去除总量为63.07mg/kg土壤。
表1.
实施例2
步骤（1）和（2）同实施例1，步骤（3）中将粉剂Ⅰ与粉剂Ⅱ按照质量比为5：2混合后制得生物制剂。
采用与实施例1相同的方法进行土壤修复，50天后，修复结果如表2，PAHs平均去除率为65.42%，去除总量为54.48mg/kg土壤。其中对低分子量PAHs去除率降低，高分子量PAHs去除率升高。
表2.
对比例1
作为空白对照组，在污染土壤中未加入任何制剂，依靠土壤自身自净能力进行修复，50天后，结果如表3，PAHs平均去除率为4.22%，去除总量为5.32mg/kg土壤。
表3.
对比例2
只取实施例1中步骤（1）制得的粉剂Ⅰ作为土壤修复剂以80g·kg-1土壤加入至土壤中，50天后，修复结果如表4，PAHs平均去除率为38.12%，去除总量为49.12mg/kg土壤，对高分子量PAHs去除效果不理想。
表4.
对比例3
只取实施例1中步骤（2）制得的粉剂Ⅱ作为土壤修复剂以80g·kg-1土壤加入至土壤中，50天后，结果如表5，PAHs平均去除率为4.22%，去除总量为30.64mg/kg土壤，对低分子量PAHs去除效果不理想。
表5.
Claims (11)
1.一种修复多环芳烃污染土壤的生物制剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）以木质纤维素原料预处理后并进行纤维素酶水解后的水解液进行乙醇发酵，发酵液进行乙醇提取，将提取后的残液调节pH为6.0-8.0，灭菌，固液分离，将所得的固体干燥后磨成粉剂Ⅰ；
（2）将部分粉剂Ⅰ进行煅烧，粉碎成粉剂Ⅱ；
（3）将粉剂Ⅰ和粉剂Ⅱ混合制成所述生物制剂，其中粉剂Ⅱ的质量百分比占5%-50%。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述生物制剂中粉剂Ⅱ的质量百分比为10%-30%。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的木质纤维素原料为含有纤维素、半纤维素和木质素的秸秆、木屑或能源植物。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述预处理选自机械粉碎、辐射、微波、酸处理、碱处理、蒸汽***和溶剂处理中的至少一种方式进行处理。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述固液分离采用离心或板框过滤的方式实现。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述干燥的温度为40-90℃，时间为8-24h。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，粉剂Ⅰ和粉剂Ⅱ中固体颗粒粒径不大于5mm。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述煅烧为在400℃-600℃下加热3-5小时。
9.权利要求1-8任意一项所述的方法制备的生物制剂。
10.权利要求9所述的生物制剂在修复多环芳烃污染土壤中的应用。
11.根据权利要求10所述的应用，其特征在于，所述生物制剂以10-100g·kg-1土壤的浓度施于污染土壤中，期间补水保持表层土壤含水量为10%-35%，土壤修复周期为20-200天。
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