去除土壤中多環芳烴殘留的受控堆肥系統與方法
2023-07-14 06:25:01
專利名稱：去除土壤中多環芳烴殘留的受控堆肥系統與方法
技術領域：
本發明屬於土壤生物修復技術領域，特別涉及去除土壤中多環芳烴殘留的受控堆肥系統與去除土壤中多環芳烴殘留的受控堆肥系統的應用方法。
背景技術：
多環芳烴(Polycyclic Aromatic Hydrocarbon，簡稱PAHs)指具有兩個或兩個以上苯環的一類有機化合物，其共軛體系使PAHs具有低溶解性和較強的憎水性，能強烈地分配到土壤有機質中，土壤已成為PAHs的重要歸宿，承擔著其90%以上的環境負荷。已有研究表明，我國大部分地區如東部沿海及北京、天津、江蘇、山東、河北、浙江、珠江三角洲、貴州、福州等地均有不同程度的汙染，且我國土壤PAHs汙染程度呈不斷增加的趨勢，許姍姍等估算2020年我國多環芳烴排放量將從2004年的0. 8萬噸預計到1. 5萬噸左右。PAHs進入土壤後吸附在土壤有機質顆粒上，由於PAHs生物降解性差，在環境中存留時間長，土壤中的PAHs在降水、植物吸收和生物作業等因素影響下，會對地下水造成潛在的汙染風險， 或通過揮發、遷移以及食物鏈等進入其它環境介質和生物體，PAHs強烈的致癌、致畸和致突變性，給人類健康帶來風險。與此同時我國集約化畜禽養殖場大量興起，截至2002年，全行業產值的60%為集約化養殖場創造。據不完全統計，畜禽養殖業排放的汙染物量大，全國每年畜禽糞便產生量約為17. 3億噸(約50%來自集約化畜禽養殖場)，是工業固體廢棄物的2. 7倍。預計到 2010年，全國畜禽糞便的排放量將達到45億噸。迅速發展的畜禽養殖業造成的環境汙染已經到了非常嚴重的程度，畜禽養殖場已成為當前農村面源汙染的主要原因之一，對自然環境和居民健康帶來了巨大的危害，如水體富營養化、地下水汙染、大氣汙染和病原菌危害等。但由於技術和經濟的原因，加之管理方面的缺失，集約化畜禽養殖場的汙染物排放在相當程度上處於放任自「流」的狀態，大部分養殖場未能對禽畜糞便進行有效的處理和利用。多環芳烴汙染土壤的處理技術(Carriere PPE, Mesania F A. Enhanced biodegradation waste Management[J]. Creosote contaminated soil,1996,15(8) 579 583 ；陳世和，張所明發表於1990年的《城市垃圾堆肥原理與工藝》，復旦大學出版社； 李法雲，曲向榮，吳龍華等發表於2005年的《汙染土壤生物修復理論基礎與技術》，化學工業出版社)主要有土壤洗滌、客土、焚燒、化學氧化法以及生物處理。土壤洗滌是指利用各種化學和化學-生物複合洗滌藥劑對汙染土壤進行淋洗，洗滌液可能造成二次汙染及處理不完全。客土法是指將汙染土壤挖掘外運，將原場地更換為清潔的土壤，但該方法成本較高，外運的土壤會造成二次汙染。焚燒法是指將汙染土壤挖出進行高溫焚燒處理，但在處理過程中會產生有毒副產品。化學氧化法是指利用各種氧化劑氧化土壤中的汙染物，該方法存在二次汙染風險。生物修復是指依靠生物的活動使土壤中的汙染物得以降解或者轉化為無毒、低毒物質的過程，生物修復則是近十年興起的一項主要利用生物作用及其相應的配套輔助管理措施來減少甚至消除環境中汙染物的工程技術，其中包括堆肥技術，20世紀80 年代末、90年代初，國外有人開始嘗試採用堆肥法處理被有機汙染物汙染的土壤。近10年前，人們開始廣泛採用堆肥技術對有機汙染土壤進行生物修復，其中包括多環芳烴。由於其具有二次汙染少、安全性高、成本低等優點，這種技術越來越受到重視受汙染土壤中有機質含量不足1%，畜禽糞便中含有大量農作物所必需的氮磷鉀等營養成分和大量的有機質，因此，利用在汙染土壤中加入畜禽糞便提高堆體有機質含量， 為降解多環芳烴提供碳源，改變土壤環境，增強土壤中微生物群落活性，改變堆肥系統中堆體的空隙率，增強PAHs的降解效果。研究表明(鄒德勳，駱永明，徐鳳花等發表於2007年的《土壤環境中多環芳烴的微生物降解及聯合生物修復》，39 (3) :334-340)，土壤中的多環芳烴一般通過微生物代謝來降解，是沉積環境中去除多環芳烴最主要的途徑。微生物一般通過以下幾種方式對PAHs進行代謝①微生物在生長過程中以PAHs作為唯一的碳源和能源，適合於土壤中低分子量的3 環和3環以下的多環芳烴類化合物。②微生物把PAHs與其它有機質共代謝(或共氧化)。 ③無氧途徑相對於有氧代謝途徑來說，PAHs的無氧降解過程極慢。目前的研究表明在反硝化條件下，PAHs可以以硝酸鹽作為電子受體發生無氧降解；在硫酸鹽還原環境中，PAHs 的微生物降解以磷酸鹽還原作為電子受體。本發明的堆肥系統為好氧堆肥系統，堆肥過程中通過微生物產生單加氧酶和雙加氧酶。真菌一般產生單加氧酶，把一個氧原子加到底物中形成芳烴化合物，繼而氧化為反式雙氫乙醇和酚類。細菌主要產生雙加氧酶，它把兩個氧原子加到底物中形成雙氧乙烷，進一步氧化為順式雙氫乙醇。雙氫乙醇可繼續氧化為兒茶酸、原兒茶酸和龍姐酸等中間代謝物， 而後苯環斷開，產生琥珀酸、延胡索酸、乙酸、丙酮酸和乙醛。所有這些產物都被微生物用來合成自身的細胞蛋白和能量，同時產生CO2和H2O,達到降解PAHs的目的。
發明內容
本發明的目的在於提供一種去除土壤中多環芳烴殘留的受控堆肥系統，可作為被有機汙染物汙染土壤的生物修復技術。本發明的另一目的在於提供一種去除土壤中多環芳烴殘留的受控堆肥系統的應用方法。本發明的去除土壤中多環芳烴殘留的受控堆肥系統如圖1所示，包括溫溼度記錄儀、曝氣泵、轉子流量計、通風管、滲濾液排出管、穿孔板、溫度傳感器、溼度傳感器、風室、時間繼電器和堆肥反應器等。一所述的穿孔板將一容器(如圓桶形容器)分割成上下兩部分，上為所述的堆肥反應器，下為所述的風室；在所述的堆肥反應器的頂部設置有密封蓋，且在蓋上開有出氣口 ；在所述的堆肥反應器的外部設置有所述的溫溼度記錄儀，並且溫溼度記錄儀通過導線分別與所述的溫度控制器和所述的溼度傳感器連接，溼度傳感器和溫度傳感器內置在所述的堆肥反應器中， 且溫度傳感器在所述的堆肥反應器的中部有第一溫度監測點，在所述的堆肥反應器的底部有第二溫度監測點；在所述的風室的一側安裝有所述的通風管，通風管的進氣口通過管路與所述的轉子流量計的出氣口相連通，轉子流量計的進氣口通過管路與所述的曝氣泵的出氣口相連接；曝氣泵的開關通過導線與所述的時間繼電器的控制開關相連接；在通風管下方的風室的底部安裝有所述的滲濾液排出管；所述的穿孔板是安裝在所述的容器壁上的承託支架上。所述的穿孔板的孔隙率為 3 6%，孔徑為5 8匪。本發明的去除土壤中多環芳烴殘留的受控堆肥系統的應用方法將受多環芳烴汙染的土壤、畜禽糞便、經過粉碎的調理劑加入水混合均勻後得到含水率在50 65%之間的堆料(優選使堆料的含水率控制在55 65%之間)，將該堆料通過物料輸送系統裝入堆肥反應器中，控制曝氣泵為間歇性強制通風方式，使進入風室的空氣經穿孔板均勻通過堆料，所述的堆料中內置溫度傳感器(分別檢測堆體中心以及距離堆體底部以上IOcm處的溫度)，在由堆料得到堆體上方放置有溼度傳感器，通過溫溼度記錄儀監測堆體溫度以及堆體上方的溼度變化。所述的控制曝氣泵為間歇性強制通風方式，是曝氣泵通過開關連接時間繼電器， 控制曝氣泵的開啟和關閉的狀態與時間，通風頻率為開啟10秒/關閉10分鐘，通風量設定為 0. 5L mir^kgdOM。所述的堆體溫度範圍為10 45°C，堆體自然升溫所得。所述的堆料中的受多環芳烴汙染的土壤、畜禽糞便與調理劑的混合比例需根據堆料的含水率、土壤汙染的程度與畜禽糞便、調理劑的特性來確定，優選受多環芳烴汙染的土壤畜禽糞便調理劑的乾重質量比為1 1 3 1。所述的畜禽糞便是豬糞、雞糞、牛糞、羊糞或它們之間的任意混合物等。所述的調理劑是鋸末、農作物秸稈、稻殼、玉米芯、蘑菇渣、枯枝落葉或它們之間的任意混合物等。本發明堆肥法所處理的土壤是受多環芳烴嚴重汙染，對附近的生態環境造成潛在危害的土壤。本發明在堆肥過程中，不特意控制堆體的溫度，堆體溫度範圍為10 45°C，利用此過程中的熱效應和生物作用，降解受汙染土壤中的多環芳烴。本發明的方法無需額外調節堆肥原料的PH值、有機質含量等指標便可順利完成堆肥過程，堆肥成品基本腐熟，可有效去土壤中多環芳烴的殘留。經過本發明的系統與應用方法處理後，土壤中的多環芳烴去除效果明顯，且修復周期短，技術成本低。
圖1.本發明的去除土壤中多環芳烴殘留的受控堆肥系統的示意圖。
圖2.本發明實施例1的堆肥生物修復過程中土壤中的低、中、高、總多環芳烴平均
降解率。圖3.本發明實施例1的堆肥生物修復過程中土壤中的多環芳烴殘留濃度。
圖4.本發明實施例1的堆肥生物修復過程中堆體溫度變化。
附圖標記1.溫溼度記錄儀 2.曝氣泵 3.轉子流量計 4.通風管 5.滲濾液排出管 6.穿孔板 7.承託支架 8.溫度傳感器 9.溼度傳感器 10.出氣口 11.時間繼電器 12.堆肥反應器
13.風室a.b.溫度監測點
具體實施例方式實施例1.請參見圖1去除土壤中多環芳烴殘留的受控堆肥系統包括溫溼度記錄儀1、曝氣泵2、轉子流量計3、通風管4、滲濾液排出管5、穿孔板6、承託支架7、溫度傳感器8、溼度傳感器9、時間繼電器11、堆肥反應器12和風室13等。一所述的穿孔板6將一圓桶形容器(有效容積21. 2L，圓柱體形的高徑比是1. 17) 分割成上下兩部分，上為所述的堆肥反應器12，下為所述的風室13 ；在所述的堆肥反應器12的頂部設置有密封蓋，且在蓋上開有出氣口 10 ；在所述的堆肥反應器12的外部設置有所述的溫溼度記錄儀1(KSL/D-04RP2V0B1，北京崑崙海岸公司)，並且溫溼度記錄儀1通過導線分別與所述的溫度控制器8 (JWB/P/C)和所述的溼度傳感器9(JSL-6ATD)連接，用來記錄堆肥反應器內堆料中部與底部溫度和堆料上方的溼度； 溼度傳感器9和溫度傳感器8內置在所述的堆肥反應器12中，且溫度傳感器8在所述的堆肥反應器12的中部有第一溫度監測點a，在所述的堆肥反應器12的底部有第二溫度監測點 b；在所述的風室13的一側安裝有所述的通風管4，通風管4的進氣口通過管路與所述的轉子流量計3的出氣口相連通，轉子流量計3的進氣口通過管路與所述的曝氣泵 2(AC0308，廣東海利集團)的出氣口相連接；曝氣泵2的開關通過導線與所述的時間繼電器 11的控制開關相連接，時間繼電器11控制曝氣泵2的開啟和關閉的狀態與時間；在通風管 4下方的風室的底部安裝有所述的滲濾液排出管5 ；所述的穿孔板是安裝在所述的容器壁上的所述的承託支架7上；所述的穿孔板的孔隙率為3 6%，孔徑為5 8mm。應用上述的系統用於受控堆肥過程去除土壤中多環芳烴的殘留溫溼度記錄儀每隔4小時對堆料中部、底部溫度及堆料上方溼度進行記錄。按照前期的研究結果，基於文獻所公開的通風量計算的方法(Keener，H.M.，et al. ,Composting and value-added utilization of manure from a swine finishingfacility. Compost Science&Utilization, 2001. 9 (4) :p. 312-321)，試驗系統所需的通風量設定為 0. 5L min^kg^OM，通風頻率為 15s/10min。堆肥所用土壤來自北京某廢棄焦化廠，豬糞來自北京郊區某養豬場，調理劑採用北京郊區某木材加工廠的鋸末。將土壤、豬糞、鋸末按照乾重質量比為1 1 1與 1:3: 1分別混合均勻，加水混合後的兩個堆料的溼重都為12. 5kg，兩個堆料的含水率分別為 58. 35%與 64. 12%。將混合均勻後得到的溼的堆料通過物料輸送系統裝入堆肥反應器中，所述的堆料中內置溫度傳感器(分別檢測堆體中心以及距離堆體底部以上IOcm處的溫度)，在由堆料得到的堆體上方放置有溼度傳感器，開啟曝氣泵，設定曝氣泵為間歇性強制通風方式，間歇通風為開啟10秒/關閉10分鐘，使進入風室的空氣經穿孔板均勻通過堆體，開始進行高溫堆肥，通過溫溼度記錄儀監測堆體溫度以及堆體上方的溼度變化。兩個堆體均不予以任何保溫等堆肥處理，讓其自然升溫。
分別在2007年冬12月與2008年春5月各進行一次實驗。結果表明，冬季時，堆料(土壤豬糞鋸末比例為1:1:1)和堆料(土壤豬糞鋸末比例為1:3:1)的總PAHs降解率分別為78. 97%與71. 74%，低O 3個苯環)、中0 5個苯環)和高(6個苯環)環三類PAHs的降解率分別為70. 576%,81. 71%, 79. 51%和74. 02%,72. 75%,67. 22% ；堆肥過程結束後，受汙染土壤中大部分PAHs殘留量均彡lmg/kg(乾重)，苯並[b]熒蒽兩個堆體的殘留量則均低於5mg/kg，堆料中總PAHs 濃度分別是12. 70mg/kg (乾重)和9. 46mg/kg (乾重)，符合荷蘭國家較高的治理要求(總 PAHs < 20mg/kg)。春季時，堆料(土壤豬糞鋸末比例為1:1:1)和堆料(土壤豬糞鋸末比例為1:3:1)的總PAHs降解率分別為29. 09%與30. 52%，低O 3個苯環)、中0 5個苯環)和高(6個苯環)環三類PAHs的降解率分別為66. 71%、16. 23%, 18. 49%和53. 02%,36. 94%,28. 58%，堆肥過程結束後，受汙染土壤中大部分PAHs殘留量 (lmg/kg(乾重)，苯並[b]熒蒽兩個堆體的殘留量分別為25mg/kg和20mg/kg，堆料中總 PAHs濃度分別是48. 73mg/kg(乾重)和36. 35mg/kg(乾重)，符合荷蘭國家較低(總PAHs < 100mg/kg)的治理要求；春季試驗時堆體溫度為20 45°C之間，當時的環境溫度為20 300C，堆體溫度大部分時間保持在25°C以上；冬季試驗時的環境溫度為-1 ;TC，堆體溫度受環境溫度影響較大，堆體溫度在15 25°C之間，大部分時間保持在10 20°C之間。結果見圖2-4。
權利要求
1.一種去除土壤中多環芳烴殘留的受控堆肥系統，包括溫溼度記錄儀、曝氣泵、轉子流量計、通風管、滲濾液排出管、穿孔板、溫度傳感器、溼度傳感器、風室、時間繼電器和堆肥反應器；其特徵是一所述的穿孔板將一容器分割成上下兩部分，上為所述的堆肥反應器，下為所述的風室；在所述的堆肥反應器的頂部設置有密封蓋，且在蓋上開有出氣口 ；在所述的堆肥反應器的外部設置有所述的溫溼度記錄儀，並且溫溼度記錄儀通過導線分別與所述的溫度控制器和所述的溼度傳感器連接，溼度傳感器和溫度傳感器內置在所述的堆肥反應器中，且溫度傳感器在所述的堆肥反應器的中部有第一溫度監測點，在所述的堆肥反應器的底部有第二溫度監測點；在所述的風室的一側安裝有所述的通風管，通風管的進氣口通過管路與所述的轉子流量計的出氣口相連通，轉子流量計的進氣口通過管路與所述的曝氣泵的出氣口相連接；曝氣泵的開關通過導線與所述的時間繼電器的控制開關相連接；在通風管下方的風室的底部安裝有所述的滲濾液排出管。
2.根據權利要求1所述的去除土壤中多環芳烴殘留的受控堆肥系統，其特徵是所述的穿孔板是安裝在所述的容器壁上的承託支架上。
3.根據權利要求1或2所述的去除土壤中多環芳烴殘留的受控堆肥系統，其特徵是 所述的穿孔板的孔隙率為3 6%，孔徑為5 8mm。
4.一種應用權利要求1 3任意一項所述的去除土壤中多環芳烴殘留的受控堆肥系統的方法，其特徵是將受多環芳烴汙染的土壤、畜禽糞便、經過粉碎的調理劑加入水混合均勻後得到含水率在50 65%之間的堆料，將該堆料通過物料輸送系統裝入堆肥反應器中，控制曝氣泵為間歇性強制通風方式，使進入風室的空氣經穿孔板均勻通過堆料，所述的堆料中內置溫度傳感器，在由堆料得到的堆體上方放置有溼度傳感器，通過溫溼度記錄儀監測堆體溫度以及堆體上方的溼度變化。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵是所述的堆料中內置溫度傳感器，其溫度傳感器分別檢測堆體中心以及距離堆體底部以上IOcm處的溫度。
6.根據權利要求4所述的方法，其特徵是所述的控制曝氣泵為間歇性強制通風方式， 通風頻率為開啟10秒/關閉10分鐘，通風量設定為0. 5L mir^kg—OM。
7.根據權利要求4所述的方法，其特徵是所述的堆體的溫度範圍為10 45°C。
8.根據權利要求4所述的方法，其特徵是所述的堆料中的受多環芳烴汙染的土壤 畜禽糞便調理劑的乾重質量比為1 1 3 1。
9.根據權利要求4或8所述的方法，其特徵是所述的堆料的含水率為55 65%。
10.根據權利要求4所述的方法，其特徵是所述的畜禽糞便是豬糞、雞糞、牛糞、羊糞或它們之間的任意混合物；所述的調理劑是鋸末、農作物秸稈、稻殼、玉米芯、蘑菇渣、枯枝落葉或它們之間的任意混合物。
全文摘要
本發明涉及去除土壤中多環芳烴殘留的受控堆肥系統與應用方法。一穿孔板將一容器分割成上為堆肥反應器，下為風室；在堆肥反應器的頂部開有出氣口，在外部設置有溫溼度記錄儀，並且溫溼度記錄儀通過導線分別與溫度控制器和溼度傳感器連接，溼度傳感器和溫度傳感器內置在堆肥反應器中，且溫度傳感器在堆肥反應器的中部及底部設有溫度監測點；在風室的一側安裝有通風管，通風管通過管路與轉子流量計相連通，轉子流量計通過管路與曝氣泵的出氣口相連接；曝氣泵的開關通過導線與時間繼電器的控制開關相連接；在通風管下方的風室的底部安裝有滲濾液排出管。應用本發明的系統處理受多環芳烴汙染的土壤，可以有效去除汙染土壤中的多環芳烴。
文檔編號B09C1/10GK102276322SQ201010205558
公開日2011年12月14日 申請日期2010年6月11日 優先權日2010年6月11日
發明者方雲, 楊宇, 沈穎, 鄭嘉熹, 魏源送 申請人:中國科學院生態環境研究中心