一种好氧微生物耦合吸附介质的可渗透反应墙工艺

1.本发明涉及地下水污染修复技术领域，更具体的说，涉及一种好氧微生物耦合吸附介质高效去除地 下水中油污染物的可渗透反应墙工艺。


背景技术：

2.地下水作为重要的饮用水水源，对确保居民生活用水具有重要的意义。但是随着社会经济的快速 发展，不可避免造成地下水污染，在一些炼化企业所在的地区，油品向地下水中的泄漏已经严重影响到当 地居民的饮用水安全。因此受石油污染地下水的修复迫在眉睫，按照修复位置可以将其分为原位修复技术 和异位修复技术，其中原位修复技术具有对环境扰动小和成本低等优势，可渗透反应墙(prb)修复技术 具有处理效果稳定、环境风险低和性价比高等特点，被广泛的应用和研究。
3.反应介质是决定prb技术修复效果的关键因素。在prb修复系统中，污染羽在自然水力梯度作用 下穿过反应介质后被转化成环境可接受的物质从而达到修复水质的目标。本发明选用负载有微生物的颗粒 状椰壳活性炭作为吸附性反应介质。以吸附剂作为反应介质，通过反应介质的物理化学吸附作用将污染物 吸附于吸附剂表面来达到阻止污染物进一步扩散的目的，从而修复地下水。常见的吸附类反应介质还有粉 煤灰、沸石、赤泥、有机碳、铝硅酸盐等。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种好氧微生物耦合吸附介质高效可渗透反应墙工艺，该工艺的优点在于通过耦合微 生物降解和活性炭吸附以及缓释材料的持续供氧，增强prb对地下水中石油污染物的去除效果，降低其修 复成本。
5.为了达到目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种好氧微生物耦合吸附介质的可渗透性反应墙工艺，其特征在于，包括以下工艺：
7.筛选石油降解菌：将石油污染土样置于灭菌地下水中，振荡后静置分层，取定量上清液至液体培养 基中富集，初步得到混合菌液后经原油培养基驯化，采用稀释平板法分离高效降解单菌。
8.固定化微生物：定量活性炭及活化后菌液置于灭菌地下水中恒温固定，经冷冻干燥后得到固定化菌。
9.缓释氧材料：在海藻酸钠溶液中缓慢加入过氧化钙，所得浊液经针管滴入氯化钙溶液中交联得到 缓释凝胶小球。
10.地下水石油降解：将负载有降油菌的椰壳活性炭及缓释氧材料作为填料加入到渗透反应墙，待污染 地下水通过时吸附降解油污染物。
11.作为优选，所述筛选石油降解菌包括以下步骤：
12.获取菌群：从炼化企业常年受石油污染的区域获取受污染土壤，取10g土样加入到
已灭菌的含 100ml蒸馏水的250ml容量瓶中，30℃，135rpm震荡30min后静置至分层明显；取5ml上清液至牛肉膏蛋 白胨液体培养基中，于振荡器中富集24h得到混合菌液；
13.细菌驯化：向已灭菌蒸馏水中加入原油配制10000mg/l原油培养基，移液枪吸取2ml混合菌液，与 振荡器中培养7天即完成第一次驯化；接着配制15000mg/l原油培养基和2ml第一次驯化的菌液完成第二 次驯化；20000mg/l原油培养基和2ml第二次驯化菌液完成第三次驯化。
14.分离单菌：用移液枪吸取2ml第三次驯化结束的菌液至牛肉膏蛋白胨液体培养基中富集24h，然 后用稀释涂平板法分离单菌。
15.获得高效降油菌：对分离出的单菌分别进行降油实验，挑选出对原油的降解率较高的微生物。该 菌种具有自产生物表面活性剂的能力。
16.作为优选，所述富集培养基的配比为10gnacl、5g牛肉浸膏、10g胰蛋白胨和1000ml去离子水， 调节培养基的ph值为7。
17.作为优选，所述活性炭为椰壳颗粒状活性炭，粒径分布位于0.250mm(60目)-0.425mm(40目)， 其对微生物具有固定化作用的同时对油也有较强的吸附作用。所述固定化过程步骤为：将10g活性炭用去 离子水冲洗6-8遍，洗去炭黑等杂质后于105℃烘干后装瓶备用。将干燥后的活性炭及50ml牛肉膏蛋白胨 液体培养基于250ml锥形瓶中在121℃下高温灭菌30min，冷却后将培养基中加入50ml活化后菌液，于 160rpm摇床中15℃恒温固定24h。样品在1000rpm条件下离心分离10min，弃去上清液，用无菌生理盐水 冲洗离心所得沉淀物3次，将其于-60℃条件下真空冷冻干燥后得到固定化有微生物的颗粒状活性炭。
18.作为优选，所述氧气缓释材料中所用海藻酸钠溶液的质量分数为4％，过氧化钙含量控制为20％左 右，制备过程中需要对溶液不停搅拌使其均一，并将混合溶液通过注射器滴入4％的氯化钙溶液里面交联 24h，经干燥后得到氧气缓释凝胶小球。
19.作为优选，所述的可渗透性反应墙设置在垂直于地下水流方向，高于地下水面至少0.5m，贯穿整 个含水层，长度能捕获大部分污染羽，宽度则根据实际污染物吸附速率计算确定。所述混合填料由负载有 微生物菌剂的椰壳活性炭和缓释氧材料掺杂混合而成，所述活性炭与缓释氧材料以5:1的质量比混合，两 者添加量依据此比例，视污染物浓度、泄漏量和种类调整。实验期间装置不发生堵塞，运行良好，45d后， 对污染物清除效率最高可达96.4％。
20.相比于现有技术，本发明的优点及积极性在于：提供了一种微生物耦合吸附介质的可渗透反应墙体 系，本工艺能够应用于受石油污染浅层地下水的修复，污染物流经反应区时，通过高效降解菌和介质材料 的共同作用去除污染物，提高地下水石油污染清除效果，具有良好的应用发展潜力，具体而言:
21.(1)采用本发明的处理工艺清除地下水油污染，采用活性炭作为prb反应介质，其本身具有致密 的孔隙结构，在吸附固定高效石油降解菌的同时也能把油吸附在孔道表面，克服了在地下水环境中微生物 与石油无法充分接触的问题，使得固定化微生物在处理初期就可以较为充分的接触到地下水中的油类物质， 将水中油污降解得更加充分彻底。活性炭吸附的污染物也在微生物的作用下被降解后，使得已经吸附污染 物的吸附位点得以暴露，并且再次吸附石油类污染物，使得系统可以长期稳定运行，具有较高的经济性和 生态环保的作用。
22.(2)筛选出的高效降解菌具有自产表面活性剂的能力，这种代谢产物可以降低油水界面张力，在与 油水接触过程中使油膜分散，减小油滴粒径，增大油类与降解菌的接触面积，使微生物能够更好的与油类 物质接触，这种充分接触的状态为微生物代谢反应提供了更多的碳源，提高降解菌的地下水石油污染去除 能力。
23.(3)该工艺在填料中加入释氧凝胶小球，该小球主要由两部分组成：内部的过氧化钙和外覆的海藻 酸钠-氯化钙交联结构，当污染羽流通过反应区时，由于交联结构的存在，过氧化钙并不是迅速从中释放， 而是通过交联结构的间隙将过氧化钙溶于水中并缓慢且稳定地释放出氧气，源源不断地提供微生物维持生 命活动所需，有效避免氧气初期释放过快，而导致后续降解过程供氧不足的现象发生抑制微生物的降解的 问题，从而使得整个降油体系能够有条不紊的运行。
附图说明
24.图1为所油污土样中筛选出的微生物的生长曲线
25.图2为微生物自产表面活性剂排油圈检测
27.图3为活性炭固定化菌sem电镜图片
28.图4为海藻酸钠包埋过氧化钙前后的sem电镜图片
29.图5为反应装置的结构示意图
30.图6为装置运行期间的出水污染物含量变化图
31.图7为装置运行期间的水中do含量变化图
具体实施方式
32.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发 明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性 劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.实施例1
34.一种好氧微生物耦合吸附介质的可渗透性反应墙处理体系，其特征在于，包括以下步骤：筛选高效降解菌：将石油污染土样置于灭菌地下水中，振荡后静置分层，取定量上清液至培养基中富集， 初步得到混合菌液后经原油培养基驯化，采用稀释平板法分离高效降解单菌。地下水中的油类并不是均匀的分布在水中，而是以油膜的形式漂浮在水面上。因此，所筛选出的高效菌种 均具有自产表面活性剂的能力，可降低漂浮在地下水表面油膜与地下水的界面张力，能使油膜分散开来， 在与油类物质接触之后能进一步扩大微生物与油类物质的接触面积，使油污染物能够更充分地为微生物提 供碳源，提高微生物的代谢活性，产生更多的表面活性剂，反作用于油品，形成一种良性循环，达到可持 续降解的目的。
35.实施例1的处理工艺可具体为以下步骤：
36.微生物预提取：从炼化企业常年受石油污染的区域获取受污染土壤，取10g土样加入到已灭菌的 含100ml蒸馏水的250ml锥形瓶中，30℃，135rpm震荡30min后静置至分层明
显；取5ml上清液至牛肉 膏蛋白胨液体培养基中，于振荡器中富集24h得到混合菌液。
37.细菌驯化：向已灭菌蒸馏水中加入原油配制10000mg/l原油培养基，移液枪吸取2ml上述混合菌液， 与振荡器中培养7天即完成第一次驯化；接着配制15000mg/l原油培养基和2ml第一次驯化的菌液完成第 二次驯化，20000mg/l原油培养基和2ml第二次驯化菌液完成第三次驯化。
38.分离单菌：用移液枪吸取2ml第三次驯化结束的菌液至牛肉膏蛋白胨液体培养基中富集24h，然后 用稀释涂平板法分离单菌，分离后各单菌的生长曲线如图1所示。
39.菌种鉴定:采用通用引物对其扩增dna，将测序结果与ncbi数据库分别进行比对，初步将菌株zh 鉴定为克罗诺杆菌属(cronobacter)，菌株df鉴定为炭疽芽孢杆菌属(bacillusanthracis)，菌株d1和n3 均鉴定为肺炎克雷伯菌属(klebsiellapneumoniae)，菌株l4鉴定为沙门氏菌属(salmonella)，菌株hl鉴 定为铜绿假单胞菌属(pseudomonasaeruginosa)。
40.获得高效降油菌：对分离后的单菌进行富集培养，并分别进行降油实验，挑选出对原油降解率较高 的微生物。降解菌产表面活性剂能力筛选：所得的每株单菌株均取一定量培养液分别倒入不同的离心管中，将其放置 于高速旋转离心机中以10000rpm/min的转速离心5分钟，取上清液即为含细菌代谢产物的发酵液，将8ml 经苏丹红ⅲ染色后的液体石蜡分别加入装有60ml蒸馏水的培养皿中，待整个平板形成一层分散均匀的薄 膜后，用移液枪在油膜中心慢慢加入3ml离心所得发酵液，测量排油圈直径。六种降油菌发酵液分散经苏 丹红ⅲ染色后的液体石蜡的能力差异较大，产表面活性剂能力最强的为hl菌，排油圈最大为5.8cm；l4、 n3、d1、zh四种菌的排油圈在1-2cm之间，df菌的排油圈小于1cm。
41.实施例2
42.一种好氧微生物耦合吸附介质的可渗透性反应墙处理体系，其特征在于，包括以下步骤：活性炭预处理：将10g活性炭用去离子水冲洗6-8遍，洗去炭黑等杂质后于105℃烘干后装瓶备用。
43.固定化微生物：称取10g活性炭、50ml牛肉膏蛋白胨液体培养基于250ml锥形瓶中在121℃下高温 灭菌30min，冷却后向其中加入50ml上述降油菌的活化后菌液，于160rpm摇床中15℃恒温固定24h。
44.样品处理：将样品在1000rpm条件下离心分离10min，弃去上清液，用无菌生理盐水冲洗离心所得 沉淀物3次，将其于-60℃条件下真空冷冻干燥得到固定化有微生物的颗粒状活性炭。
45.在地下水环境中，油类物质并不是均匀的分散在水中，而是以油膜的形式漂浮于水面上，这就使得 微生物与油的接触面积较小，且地下水具有一定的流速，受环境条件影响，微生物无法利用油类物质作为 碳源维持微生物的生命活动，导致降油率往往达不到理想需求，使得生物处理法在地下水油污染处理中效 果并不理想。
46.采用实例2所述的微生物固定化方法，将活性炭作为prb的吸附介质材料，不但对油类物质有较 强的吸附作用，对微生物也有一定吸附固定化作用，这使得在污染羽流通过渗透性反应墙时，不但可以通 过活性炭的吸附作用将油类物质截留在反应墙中，同时水中
的微生物也可以固定在活性炭上，增加与油类 物质的接触，很大程度上提高降解效率。
47.实施例3
48.在好氧微生物处理中，溶解氧是必不可少的条件之一，必须保证有较为充足的溶解氧维持好氧微生 物的正常生命活动。一般来讲，水中的氧气浓度达到4mg/l，就可以维持好氧微生物的正常生存和代谢活 性。相对于其他过氧化物或释氧催化剂而言，过氧化钙具有良好的稳定性和可接受的成本，其溶于水后会 立即释放出氧气，使得水中的do迅速升高，且对水体无二次污染，可用于现场修复。对于地下水生物处 理而言，微生物的降解是一个持续的过程，虽然突发性的氧气释放在短时间内可以快速促进好氧微生物的 生长，但是往往会造成氧损失及出现后续处理期间供氧不足的问题。因此，采用海藻酸钠对过氧化钙进行 包埋处理，经氯化钙溶液交联后得凝胶小球。海藻酸钠在氯化钙溶液交联后形成的致密结构可以减小过氧 化钙与水的接触，可以有效减缓氧释放速率，达到持续供氧的效果。
49.实施例3所述的释氧凝胶小球，可由以下方法制得：将4g海藻酸钠溶于100ml水中，在不超过60℃的条件下加热搅拌，形成粘稠状均一溶液；冷却至室温后， 将定量过氧化钙缓慢加入到海藻酸钠溶液中，所得悬浊液经注射器滴入4％的氯化钙溶液里面4℃下交联 24h，获得凝胶释氧小球。
50.发明人对制备成型的凝胶小球进行粒径测量、sem电镜观察及元素分析，固体缓释氧材料呈淡黄 色球状颗粒，平均粒径为2.47-2.70mm，纯海藻酸钠凝胶球表面结构非常紧凑，几乎不存在空隙；当包埋 过氧化钙后，过氧化钙缓释氧小球表面出现许多片状结构，表面孔隙增大，水可以向小球内扩散而与过氧 化钙接触发生反应，释放氧气。采用电镜中的eds多次平行实验分析，得出ca元素的重量百分比20.32-22.67％，o元素的重量百分比在77.33-79.68％，且可以看出ca、o元素在表面分布均匀，说明此制 备过程可以保证氧气释放的稳定性，不会出现由于ca元素局部累积导致的脉冲释氧现象。
51.实施例4
52.在实施例4中，在污染羽的下游设置可渗透性反应墙，污染羽流从进水口(1)，并流经粗砂填充区 域(2)和细砂填充区域(3)，两种砂粒在此充当反应介质，粗砂粒径在10-20目(2～0.9mm)范围内，细 砂粒径在20-40目(0.9～0.45mm)范围内。墙体反应区(4)内部填充有负载有降油菌的椰壳活性炭(5) 和缓释氧材料(6)，缓释氧材料为降油菌持续性供氧，用于石油污染的浅层地下水修复，处理后的地下水 再次流经反应介质后，经出水口(7)排出。为验证该发明的实际效果，运用实验室条件模拟浅层地下水 环境中石油污染的防控，共搭建4个反应装置，装置1中没有设置反应墙；装置2中反应墙内填充了没有 负载微生物的活性炭；装置3中填充了负载有微生物的活性炭；而装置4中反应墙内则填充了本发明中的 负载有微生物菌剂的活性炭和缓释氧材料作为混合填料，活性炭、缓释氧材料以5:1的质量比混合，且添 加量依据此比例，视污染物浓度、泄漏量和种类确定。同时使用蠕动泵控制四个装置进水口的流速相同， 同时在反应墙上游含水介质区域模拟相同量的石油泄漏事故，产生污染羽，进水中石油污染物含量约为 28mg/l，定时监测4个装置出水中的石油污染物含量。运行45天后，装置1出水中石油污染物含量为 2.87mg/l，装置2出水中石油污染物含量为2.13mg/l，装置3出水中石油污染物含量为1.49mg/l，而装置 4出水中石油污染物含量为1.02mg/l。正常运行45d后，本发明对污染物的清除效率可达96.4％；与仅填 充了活性炭没有微生物的可渗透反应墙相比，出水污染物含量下降了52％；与反应墙中填充了负
载有微生 物而没有缓释氧材料的装置3相比，出水中污染物含量也降低了32％。可见污染物含量大大降低，且反应 墙运行状况良好，未发生堵塞等现象，所以，该治理方法具有良好的净化地下水、去除水中石油类污染物 的效果。

技术特征：
1.一种好氧微生物耦合吸附介质的可渗透反应墙工艺，其特征在于，包括以下步骤：筛选高效降解菌：将炼化区石油污染土样置于灭菌地下水中，30℃，135rpm震荡30min后静置至分层明显；取5ml上清液至牛肉膏蛋白胨液体培养基中，于振荡器中富集24h，初步得到混合菌液后经原油培养基驯化，采用稀释平板法分离高效降解单菌，并对单菌分别进行降油实验，挑选出对原油降解率较高的微生物作为高效降解菌。固定化微生物：定量活性炭及降油菌的活化后菌液置于灭菌地下水中，15℃恒温固定24h，1000rpm条件下离心分离10min后，弃取上清液，用无菌生理盐水冲洗离心所得沉淀物3次，-60℃下真空冷冻干燥得到固定化有微生物的颗粒状活性炭。缓释氧材料：在海藻酸钠溶液中缓慢加入过氧化钙，不停搅拌直至溶液呈均一状态，所得浊液经针管滴入氯化钙溶液中交联得到氧气缓释凝胶小球。地下水石油降解：将负载有降油菌的椰壳活性炭及缓释氧材料作为渗透反应墙，待污染地下水通过时吸附降解油污染物，反应墙中高效降油菌固定化在活性炭之上与缓释氧材料掺杂混合在一起，活性炭、缓释氧材料以5:1的质量比混合，且混合添加量按此比例，视污染物浓度、泄漏量和种类确定。2.根据权利要求1所述的好氧微生物耦合吸附介质的可渗透反应墙工艺，其特征在于，所用富集培养基的配比为10gnacl、5g牛肉浸膏、10g胰蛋白胨和1000ml去离子水。所用原油驯化培养基中油浓度分别为10000、15000、20000mg/l，所用驯化菌液添加量为2ml，驯化次数为三次，驯化周期为七天。3.根据权利要求1所述的好氧微生物耦合吸附介质的可渗透反应墙工艺，其特征在于，从油污土壤中筛选出的石油降解菌，具有自产表面活性剂的能力；采用通用引物对其扩增dna，将测序结果与ncbi数据库分别进行比对，初步将菌株zh鉴定为克罗诺杆菌属(cronobacter)，菌株df鉴定为炭疽芽孢杆菌属(bacillusanthracis)，菌株d1和n3均鉴定为肺炎克雷伯菌属(klebsiellapneumoniae)，菌株l4鉴定为沙门氏菌属(salmonella)，菌株hl鉴定为铜绿假单胞菌属(pseudomonasaeruginosa)。4.根据权利要求1所述的好氧微生物耦合吸附介质的可渗透反应墙工艺，其特征在于，其所用的吸附固定介质为椰壳颗粒状活性炭，其粒径分布位于0.250mm(60目)-0.425mm(40目)之间，在使用前需将其用去离子水冲洗6-8遍，洗去炭黑等杂质后于105℃烘干后装瓶备用。5.根据权利要求1所述的好氧微生物耦合吸附介质的可渗透反应墙工艺，其特征在于，氧缓释材料所用海藻酸钠溶液的浓度为4％，在不高于60℃下超声搅拌溶解，且过氧化钙添加量不超过20％。6.根据权利要求1所述的好氧微生物耦合吸附介质的可渗透反应墙工艺，其特征在于，反应墙设置在垂直于地下水流方向，高于地下水面至少0.5m，贯穿整个含水层，长度能捕获大部分污染羽，宽度则根据实际污染物吸附速率计算确定，所述混合填料由负载有微生物菌剂的椰壳活性炭和缓释氧材料掺杂混合而成，所述活性炭与缓释氧材料以5:1的质量比混合，两者添加量可依据此比例，视污染物浓度、泄漏量和种类调整，运行45d后，对污染物清除效率最高可达96.4％。

技术总结
本发明提出一种处理地下水油污染的好氧微生物耦合吸附介质的渗透性反应墙工艺，步骤分为，筛选高效降解菌：将石油污染土样置于灭菌地下水中，振荡后静置分层，取上清液至培养基富集，初步得到混合菌液后经原油培养基驯化，稀释平板法分离单菌；固定化微生物：定量活性炭及活化后菌液置于灭菌地下水中恒温固定，冷冻干燥后得到固定化菌。缓释氧材料：在海藻酸钠溶液中加入过氧化钙，所得浊液经针管滴入氯化钙溶液中交联得缓释凝胶球。地下水石油降解：将负载有降油菌的活性炭及缓释材料加入渗透反应墙，待污染地下水通过时吸附、降解油污染物。该工艺可有效提高对地下水石油的降解率，系统可以长期稳定运行，具有较高的经济和生态效益。生态效益。生态效益。


技术研发人员：孙娟 王子豪 王宁 宋权威 汪肖洋 陈宏坤 杜显元 李冉 刘芳 吴慧君
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：2022.06.22
技术公布日：2022/11/1