PCE汙染地下水修復的厭氧‑好氧型生物反應格柵系統及方法與流程

2023-10-18 12:50:54 1

本發明涉及四氯乙烯(PCE)汙染地下水的生物修復技術領域，特別涉及一種以微生物降解為核心，集營養和碳供給、溶解氧調控、微生物固定為一體的厭氧-好氧型生物反應格柵系統及方法。

背景技術：

地下水汙染是目前一個嚴重的環境問題。四氯乙烯(PCE)是汙染地下水中最常檢出的有機氯代溶劑之一。PCE作為一類重要的難降解性有機化合物，被認為具有「致癌、致畸、致突變」三致效應，並被多國列為優先控制汙染物之一。利用生物技術修復PCE汙染地下水過程中，PCE在好氧條件下很難降解，只有在厭氧環境並補充適當的碳源作為共代謝基質，PCE才能發生還原脫氯反應，依次脫氯為三氯乙烯、二氯乙烯以及氯乙烯等毒性更強的低氯代烯烴，但很難完成和維持PCE完全脫氯為環境可接受的乙烯。對於PCE降解過程中產生的低氯代烯烴等中間產物，只有在好氧且適當的碳基質存在條件下，才可最終轉化為無毒無害的乙烯。在自然條件下，地下水環境中的溶解氧含量是一個不可調控的因素，因此在利用生物技術修復PCE汙染的地下水過程中，其無法既是厭氧環境滿足PCE的厭氧降解，同時又是好氧環境滿足低氯代烯烴等中間產物的好氧降解。

技術實現要素：

本發明的目的在於調控地下水中的溶解氧含量，提供一種新穎、高效、經濟可行的PCE汙染地下水修復的厭氧-好氧型生物反應格柵體系，即以微生物降解為核心，集營養和碳供給、溶解氧調控及微生物固定為一體的厭氧-好氧型生物反應格柵系統，人為製造厭氧環境滿足PCE的厭氧降解，同時再改變厭氧環境為好氧環境，滿足低氯代烯烴等中間產物的好氧降解，最終實現PCE汙染地下水的完全無害化處理。

本發明的技術方案如下：

一種用於PCE汙染地下水修復的厭氧-好氧型生物反應格柵系統，其特徵是沿著地下水流方向順序依次安裝捕氧反應格柵4、厭氧生物降解格柵5、釋氧反應格柵6和好氧生物降解格柵7。

捕氧反應格柵4中裝填捕氧材料，厭氧生物降解格柵5中裝填固定化的厭氧微生物，釋氧反應格柵6中裝填釋氧材料，好氧生物降解格柵7中裝填固定化的好氧微生物。

捕氧反應格柵4中裝填捕氧材料，捕氧材料的組成如下：捕氧化合物為5％～15％；葡萄糖為15％～20％；酵母粉為5％～8％；水泥為25％～28％；石英砂為25％～27％；KH2PO4為3％～6％；K2HPO4為3％～6％；微量元素為1％～2％，其餘組分為水。

釋氧反應格柵6中裝填釋氧材料，釋氧材料的組成如下：釋氧化合物為5％～15％；葡萄糖為12％～15％；酵母粉為3％～5％；(NH4)2SO4為4％～8％；KH2PO4為4％～8％；石英砂為25％～27％；水泥為25％～28％；微量元素為1％～2％，其餘組分為水。

所述捕氧化合物為優選還原鐵粉。

所述釋氧化合物為優選CaO2。

捕氧反應格柵中微量元素是由NH4Cl,、H2NCSNH2、KH2PO4、Na2CO3和CaCl2按10:20:1:4:2的質量比組成。

釋氧反應格柵微量元素是由Na2HPO4、KH2PO4、MgSO4·7H2O、NH4Cl、MnSO4·7H2O、FeSO4·7H2O和CaCl2按11:6:100:250:1:5:10的質量比組成。

本發明是通過下述技術方案加以實現的：當PCE從汙染源1滲流至地下後，會在重力作用下垂直向下遷移，直至進入地下含水層後，在地下水流2作用下發生橫向擴散，從而造成地下水汙染。通過對地下水汙染現狀的調查，在地下水汙染羽狀體3的下遊，即尚未被汙染的地下水區域，一般與地下水流2方向相垂直的某處，通過挖—填手段，按照捕氧反應格柵4，厭氧生物降解格柵5，釋氧反應格柵6，好氧生物降解格柵7的順序修建安裝厭氧-好氧型生物反應格柵系統。捕氧反應格柵4內裝填捕氧材料，厭氧生物降解格柵5內裝填固定化的厭氧微生物，釋氧反應格柵6內裝填釋氧材料，好氧生物降解格柵7內裝填固定化的好氧微生物。當含有PCE的地下水在天然水力梯度下進入捕氧反應格柵4，格柵內裝填的捕氧材料不僅消耗地下水中的溶解氧，同時也向地下水中釋放厭氧微生物生長所必需的營養物質；之後含有PCE的地下水進入厭氧生物降解格柵5，PCE在該格柵裝填的固定化的厭氧微生物作用下，厭氧降解為一系列的低氯代烯烴等中間產物；攜帶著低氯代烯烴等中間產物的地下水隨後進入釋氧反應格柵6，格柵內裝填的釋氧材料向地下水中釋放出氧氣，同時也向地下水中釋放好氧微生物生長所必需的營養物質；之後攜帶著低氯代烯烴等中間產物的地下水進入好氧生物降解格柵7，低氯代烯烴等中間產物在該格柵裝填的固定化的好氧微生物作用下，好氧降解為無毒無害的乙烯。經過本專利的厭氧-好氧型生物反應格柵系統，PCE汙染的地下水最終得到完全的無害化處理。

本發明的獨特之處如下幾點：

厭氧-好氧型生物反應格柵系統由捕氧反應格柵4、厭氧生物降解格柵5、釋氧反應格柵6和好氧生物降解格柵7四層組成，該系統集營養和碳供給、溶解氧調控、微生物固定為一體。當含有PCE的汙染地下水穿過第一層格柵後，會變成低含氧量和富含厭氧微生物生長所需營養物質的地下水，從而保證其進入第二層格柵後，PCE能夠厭氧降解成一系列的低氯代烯烴等中間產物；之後處於貧氧狀態並含有低氯代烯烴等中間產物的地下水穿過第三層格柵後，會變成富含氧氣和好氧微生物生長所需營養物質的地下水，從而保證其進入第四層格柵後，低氯代烯烴等中間產物能夠好氧降解成無毒無害的乙烯。

通過捕氧反應格柵4與釋氧反應格柵6對地下水中的溶解氧含量進行調控，人為的創造適合PCE及其中間產物-低氯代烯烴生物降解的厭氧和好氧環境，使遭受PCE汙染的地下水得到完全的無害化處理，降解效率可達到99.3％以上。

附圖說明

圖1：厭氧-好氧型生物反應格柵系統示意圖

其中：1—汙染源，2—地下水流，3—汙染羽狀體，4—捕氧反應格柵，5—厭氧生物降解格柵，6—釋氧反應格柵，7—好氧生物降解格柵

具體實施方式

下面結合附圖1對本發明的系統和方法作進一步說明。

一種用於PCE汙染地下水修復的厭氧-好氧型生物反應格柵系統，沿著地下水流方向順序依次安裝捕氧反應格柵4、厭氧生物降解格柵5、釋氧反應格柵6和好氧生物降解格柵7。捕氧反應格柵4中裝填捕氧材料，厭氧生物降解格柵5中裝填固定化的厭氧微生物，釋氧反應格柵6中裝填釋氧材料，好氧生物降解格柵7中裝填固定化的好氧微生物。

捕氧反應格柵4中裝填捕氧材料，捕氧材料的組成如下：捕氧化合物(還原鐵粉)為5％～15％；葡萄糖為15％～20％；酵母粉為5％～8％；水泥為25％～28％；石英砂為25％～27％；KH2PO4為3％～6％；K2HPO4為3％～6％；微量元素為1％～2％，其中微量元素是由NH4Cl,、H2NCSNH2、KH2PO4、Na2CO3和CaCl2等組分按10:20:1:4:2的質量比組成；其餘組分為水。捕氧材料的作用是消耗地下水環境中的溶解氧，為厭氧生物降解格柵5中的厭氧微生物創造適合PCE降解的厭氧環境，同時又能為厭氧微生物提供其生長所必需的營養物質。

厭氧生物降解格柵5中裝填固定化的厭氧微生物，厭氧微生物是經過前期的厭氧富集與馴化得來的，厭氧富集馴化過程採用微生物培養通用方法。其作用是將具有降解PCE能力的微生物固定在該格柵之內，從而保證地下水中的PCE進入該格柵後，在厭氧微生物作用下進行厭氧生物降解，依次脫氯為三氯乙烯、二氯乙烯以及氯乙烯等毒性更強的低氯代烯烴。

釋氧反應格柵6中裝填釋氧材料，釋氧材料的組成如下：釋氧化合物(CaO2)為5％～15％；葡萄糖為12％～15％；酵母粉為3％～5％；(NH4)2SO4為4％～8％；KH2PO4為4％～8％；石英砂為25％～27％；水泥為25％～28％；微量元素為1％～2％，其中微量元素是由Na2HPO4、KH2PO4、MgSO4·7H2O、NH4Cl、MnSO4·7H2O、FeSO4·7H2O和CaCl2等組分按11:6:100:250:1:5:10的質量比組成；其餘組分為水。釋氧材料的用是向地下水環境中補充溶解氧，為好氧生物降解格柵7中的好氧微生物創造適合低氯代烯烴等中間產物降解的好氧環境，同時又能為好氧微生物提供其生長所必需的營養物質。

好氧生物降解格柵7中裝填固定化的好氧微生物，好氧微生物是經過前期的好氧富集與馴化的來的，好氧富集馴化過程採用微生物培養通用方法。其作用是將具有降解低氯代烯烴等中間產物能力的微生物固定在該格柵之內，從而保證上遊地下水中PCE厭氧降解後的低氯代烯烴等中間產物進入該格柵後，在好氧微生物作用下最終降解為無毒無害的乙烯。

實施例1：

1)捕氧材料的製作過程是：將還原鐵粉、葡萄糖、酵母粉、KH2PO4、K2HPO4、微量元素、石英砂、水泥混合均勻，加入一定質量的水後送入造粒機造粒，即得捕氧材料固體顆粒。上述混合物的質量百分比如下：還原鐵粉為5％；葡萄糖為15％；酵母粉為5％；KH2PO4為6％；K2HPO4為6％；微量元素為1％；石英砂為27％；水泥為28％；水為7％。

2)釋氧材料的製作過程是：將CaO2、葡萄糖、酵母粉、(NH4)2SO4、KH2PO4、微量元素、石英砂、水泥混合均勻，加入一定的水後送入造粒機造粒，即得釋氧材料固體顆粒。上述混合物的質量百分比如下：CaO2為5％；葡萄糖為12％；酵母粉為3％；(NH4)2SO4為8％；KH2PO4為8％；微量元素為1％；石英砂為27％；水泥為28％；水為8％。

3)當PCE從汙染源1滲流至地下後，會在重力作用下垂直向下遷移，直至進入地下含水層後，在地下水流2作用下發生橫向擴散，從而造成地下水汙染。通過對地下水汙染現狀的調查，在地下水汙染羽狀體3的下遊，即尚未被汙染的地下水區域，一般與地下水流2方向相垂直的某處，通過挖—填手段，按照捕氧反應格柵4，厭氧生物降解格柵5，釋氧反應格柵6，好氧生物降解格柵7的順序修建安裝厭氧-好氧型生物反應格柵系統。捕氧反應格柵4內裝填捕氧材料，厭氧生物降解格柵5內裝填固定化的厭氧微生物，釋氧反應格柵6內裝填釋氧材料，好氧生物降解格柵7內裝填固定化的好氧微生物。當含有PCE的地下水在天然水力梯度下進入捕氧反應格柵4，格柵內裝填的捕氧材料不僅消耗地下水中的溶解氧，同時也向地下水中釋放厭氧微生物生長所必需的營養物質；之後含有PCE的地下水進入厭氧生物降解格柵5，PCE在該格柵裝填的固定化的厭氧微生物作用下，厭氧降解為一系列的低氯代烯烴等中間產物；攜帶著低氯代烯烴等中間產物的地下水隨後進入釋氧反應格柵6，格柵內裝填的釋氧材料向地下水中釋放出氧氣，同時也向地下水中釋放好氧微生物生長所必需的營養物質；之後攜帶著低氯代烯烴等中間產物的地下水進入好氧生物降解格柵7，低氯代烯烴等中間產物在該格柵裝填的固定化的好氧微生物作用下，好氧降解為無毒無害的乙烯。經過本實施例1處理後的地下水中PCE的去除效率達到99.3％，去除效果良好。

實施例2：

1)捕氧材料的製作過程是：將還原鐵粉、葡萄糖、酵母粉、KH2PO4、K2HPO4、微量元素、石英砂、水泥混合均勻，加入一定質量的水後送入造粒機造粒，即得捕氧材料固體顆粒。上述混合物的質量百分比如下：還原鐵粉為10％；葡萄糖為15％；酵母粉為5％；KH2PO4為5％；K2HPO4為5％；微量元素為1％；石英砂為25％；水泥為27％；水為5％。

2)釋氧材料的製作過程是：將CaO2、葡萄糖、酵母粉、(NH4)2SO4、KH2PO4、微量元素、石英砂、水泥混合均勻，加入一定質量的水後送入造粒機造粒，即得釋氧材料固體顆粒。上述混合物的質量百分比如下：CaO2為10％；葡萄糖為12％；酵母粉為5％；(NH4)2SO4為6％；KH2PO4為6％；微量元素為2％；石英砂為25％；水泥為25％；水為7％。

3)當PCE從汙染源1滲流至地下後，會在重力作用下垂直向下遷移，直至進入地下含水層後，在地下水流2作用下發生橫向擴散，從而造成地下水汙染。通過對地下水汙染現狀的調查，在地下水汙染羽狀體3的下遊，即尚未被汙染的地下水區域，一般與地下水流2方向相垂直的某處，通過挖—填手段，按照捕氧反應格柵4，厭氧生物降解格柵5，釋氧反應格柵6，好氧生物降解格柵7的順序修建安裝厭氧-好氧型生物反應格柵系統。捕氧反應格柵4內裝填捕氧材料，厭氧生物降解格柵5內裝填固定化的厭氧微生物，釋氧反應格柵6內裝填釋氧材料，好氧生物降解格柵7內裝填固定化的好氧微生物。當含有PCE的地下水在天然水力梯度下進入捕氧反應格柵4，格柵內裝填的捕氧材料不僅消耗地下水中的溶解氧，同時也向地下水中釋放厭氧微生物生長所必需的營養物質；之後含有PCE的地下水進入厭氧生物降解格柵5，PCE在該格柵裝填的固定化的厭氧微生物作用下，厭氧降解為一系列的低氯代烯烴等中間產物；攜帶著低氯代烯烴等中間產物的地下水隨後進入釋氧反應格柵6，格柵內裝填的釋氧材料向地下水中釋放出氧氣，同時也向地下水中釋放好氧微生物生長所必需的營養物質；之後攜帶著低氯代烯烴等中間產物的地下水進入好氧生物降解格柵7，低氯代烯烴等中間產物在該格柵裝填的固定化的好氧微生物作用下，好氧降解為無毒無害的乙烯。經過本實施例2處理後的地下水中PCE的去除效率達到99.5％，去除效果良好。

實施例3：

1)捕氧材料的製作過程是：將還原鐵粉、葡萄糖、酵母粉、KH2PO4、K2HPO4、微量元素、石英砂、水泥混合均勻，加入一定質量的水後送入造粒機造粒，即得捕氧材料固體顆粒。上述混合物的質量百分比如下：還原鐵粉為15％；葡萄糖為15％；酵母粉為5％；KH2PO4為3％；K2HPO4為3％；微量元素為1％；石英砂為25％；水泥為25％；水為8％。

2)釋氧材料的製作過程是：將CaO2、葡萄糖、酵母粉、(NH4)2SO4、KH2PO4、微量元素、石英砂、水泥混合均勻，加入一定質量的水後送入造粒機造粒，即得釋氧材料固體顆粒。上述混合物的質量百分比如下：CaO2為10％；葡萄糖為13％；酵母粉為4％；(NH4)2SO4為6％；KH2PO4為6％；微量元素為2％；石英砂為27％；水泥為28％；水為4％。

3)當PCE從汙染源1滲流至地下後，會在重力作用下垂直向下遷移，直至進入地下含水層後，在地下水流2作用下發生橫向擴散，從而造成地下水汙染。通過對地下水汙染現狀的調查，在地下水汙染羽狀體3的下遊，即尚未被汙染的地下水區域，一般與地下水流2方向相垂直的某處，通過挖—填手段，按照捕氧反應格柵4，厭氧生物降解格柵5，釋氧反應格柵6，好氧生物降解格柵7的順序修建安裝厭氧-好氧型生物反應格柵系統。捕氧反應格柵4內裝填捕氧材料，厭氧生物降解格柵5內裝填固定化的厭氧微生物，釋氧反應格柵6內裝填釋氧材料，好氧生物降解格柵7內裝填固定化的好氧微生物。當含有PCE的地下水在天然水力梯度下進入捕氧反應格柵4，格柵內裝填的捕氧材料不僅消耗地下水中的溶解氧，同時也向地下水中釋放厭氧微生物生長所必需的營養物質；之後含有PCE的地下水進入厭氧生物降解格柵5，PCE在該格柵裝填的固定化的厭氧微生物作用下，厭氧降解為一系列的低氯代烯烴等中間產物；攜帶著低氯代烯烴等中間產物的地下水隨後進入釋氧反應格柵6，格柵內裝填的釋氧材料向地下水中釋放出氧氣，同時也向地下水中釋放好氧微生物生長所必需的營養物質；之後攜帶著低氯代烯烴等中間產物的地下水進入好氧生物降解格柵7，低氯代烯烴等中間產物在該格柵裝填的固定化的好氧微生物作用下，好氧降解為無毒無害的乙烯。經過本實施例3處理後的地下水中PCE的去除率達到99.4％，去除效果良好。

實施例4：

1)捕氧材料的製作過程是：將還原鐵粉、葡萄糖、酵母粉、KH2PO4、K2HPO4、微量元素、石英砂、水泥混合均勻，加入一定質量的13％的水後送入造粒機造粒，即得捕氧材料固體顆粒。上述混合物的質量百分比如下：還原鐵粉為5％；葡萄糖為20％；酵母粉為8％；KH2PO4為5％；K2HPO4為5％；微量元素為1％；石英砂為25％；水泥為27％；水為4％。

2)釋氧材料的製作過程是：將CaO2、葡萄糖、酵母粉、(NH4)2SO4、KH2PO4、微量元素、石英砂、水泥混合均勻，加入一定質量的水後送入造粒機造粒，即得釋氧材料固體顆粒。上述混合物的質量百分比如下：CaO2為8％；葡萄糖為12％；酵母粉為4％；(NH4)2SO4為8％；KH2PO4為8％；微量元素為2％；石英砂為26％；水泥為27％；水為5％。

3)當PCE從汙染源1滲流至地下後，會在重力作用下垂直向下遷移，直至進入地下含水層後，在地下水流2作用下發生橫向擴散，從而造成地下水汙染。通過對地下水汙染現狀的調查，在地下水汙染羽狀體3的下遊，即尚未被汙染的地下水區域，一般與地下水流2方向相垂直的某處，通過挖—填手段，按照捕氧反應格柵4，厭氧生物降解格柵5，釋氧反應格柵6，好氧生物降解格柵7的順序修建安裝厭氧-好氧型生物反應格柵系統。捕氧反應格柵4內裝填捕氧材料，厭氧生物降解格柵5內裝填固定化的厭氧微生物，釋氧反應格柵6內裝填釋氧材料，好氧生物降解格柵7內裝填固定化的好氧微生物。當含有PCE的地下水在天然水力梯度下進入捕氧反應格柵4，格柵內裝填的捕氧材料不僅消耗地下水中的溶解氧，同時也向地下水中釋放厭氧微生物生長所必需的營養物質；之後含有PCE的地下水進入厭氧生物降解格柵5，PCE在該格柵裝填的固定化的厭氧微生物作用下，厭氧降解為一系列的低氯代烯烴等中間產物；攜帶著低氯代烯烴等中間產物的地下水隨後進入釋氧反應格柵6，格柵內裝填的釋氧材料向地下水中釋放出氧氣，同時也向地下水中釋放好氧微生物生長所必需的營養物質；之後攜帶著低氯代烯烴等中間產物的地下水進入好氧生物降解格柵7，低氯代烯烴等中間產物在該格柵裝填的固定化的好氧微生物作用下，好氧降解為無毒無害的乙烯。經過本實施例4處理後的地下水中PCE的去除率達到99.3％，去除效果良好。

本發明提出的用於PCE汙染地下水修復的厭氧-好氧型生物反應格柵系統及方法，已通過較佳實施例子進行了描述，相關技術人員明顯能在不脫離本發明內容、精神和範圍內對本文所述的系統、填充物和製作方法進行改動或適當變更與組合，來實現本發明技術。特別需要指出的是，所有相類似的替換和改動對本領域技術人員來說是顯而易見的，他們都被視為包括在本發明精神、範圍和內容中。