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高浓度多环芳污染场地土壤的纳米生物修复方法

阅读:776发布:2020-05-08

专利汇可以提供高浓度多环芳污染场地土壤的纳米生物修复方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且高浓度多环芳 烃 污染场地 土壤 的纳米 生物 修复 方法,向高浓度多环芳烃污染场地土壤中加入 碳 纳米材料 和基肥,将紫花苜蓿 种子 均匀撒播于污染土壤中,保持土壤含 水 率在田间持水量的60%,待紫花苜蓿长至开花或成熟期时,将 植物 收获 并从污染土壤中移走。该方法可以克服生物修复技术去除效率偏低和修复周期长等问题,充分发挥 纳米技术 与植物 根际 降解多环芳烃污染物的优势,提高修复效率,缩短修复周期,操作简单,修复过程中不会造成二次污染,对土壤扰动小,经济成本低,从而实现场地污染土壤高效、绿色、经济的可持续修复,在高浓度多环芳烃污染 土壤修复 领域展现出广阔的应用前景。,下面是高浓度多环芳污染场地土壤的纳米生物修复方法专利的具体信息内容。

1.高浓度多环芳污染场地土壤的纳米生物修复方法,其特征在于包括以下步骤:向高浓度多环芳烃污染场地土壤中加入纳米材料和基肥,将紫花苜蓿种子均匀撒播于污染土壤中,保持土壤含率在田间持水量的60%,待紫花苜蓿长至开花或成熟期时,将植物收获并从污染土壤中移走。
2.根据权利要求1所述的高浓度多环芳烃污染场地土壤的纳米生物修复方法,其特征在于所述碳纳米材料为单臂碳纳米管、多臂碳纳米管或磺化石墨烯中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的高浓度多环芳烃污染场地土壤的纳米生物修复方法,其特征在于所述基肥为尿素、Ca(H2PO4)2·H2O和K2SO4。
4.根据权利要求2所述的高浓度多环芳烃污染场地土壤的纳米生物修复方法,其特征在于所述磺化石墨烯添加量为0.2 mg/g,单臂碳纳米管添加量为0.05 mg/g,多臂碳纳米管添加量为0.05 mg/g。
5.根据权利要求3所述的高浓度多环芳烃污染场地土壤的纳米生物修复方法,其特征在于所述基肥添加量如下:每千克土壤中施加尿素0.215g、Ca(H2PO4)2·H2O 0.285g和K2SO4 
0.188g。

说明书全文

高浓度多环芳污染场地土壤的纳米生物修复方法

[0001]

技术领域

[0002] 本发明属于纳米技术土壤污染修复技术领域的应用开发,具体涉及高浓度多环芳烃污染场地土壤的纳米生物修复方法。

背景技术

[0003] 多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs)是一类由两个或两个以上苯环构成的持久性有机污染物,在环境中普遍存在。由于具有致癌、致畸和致突变的“三致”效应,PAHs已被美国、欧盟等列为优先控制污染物,其中苯并[a]芘等7种多环芳烃也被我国列入“中国环境优先污染物黑名单”。近年来,随着工业化和城市化的快速发展,我国土壤中PAHs日趋积累,2014年环保部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示,PAHs污染土壤的点位超标率为1.4%,其中重度污染土壤点位占比为0.2%,重污染企业用地、工业废弃地、化工类园区、采油区、污灌溉区及周边土壤已成为PAHs的主要聚集地,而且在这些场地土壤中PAHs污染呈现类型复杂、污染浓度高、污染范围广等特点,给土壤生态系统健康和人居环境安全造成了极大威胁。此外,政府或场地业主对这些土地进行开发再利用时,必须对污染场地土壤进行险评估和修复,通常要求在短时间内达到修复目标值。因此,针对高浓度PAHs污染场地土壤,开发高效、低成本和绿色可持续的土壤修复技术已成为我国亟待解决的重要环境科学技术问题。
[0004] 目前针对PAHs污染土壤的修复技术主要包括淋洗修复、化学化修复、热解吸修复、生物修复等,但以上技术均存在一定的适用范围与缺陷,有待进一步改进。如淋洗修复会产生大量有机污染淋洗废液,技术操作复杂,对设备要求高,易造成二次污染(孙明明等, 2013);化学氧化技术向土壤中添加大量氧化剂,增加了土壤中盐基离子含量,进而改变土壤本身的理化性质,造成土壤通透性及质地下降(Tsitonaki et al., 2010);热解吸修复技术对设备要求高,修复成本高,修复周期比较长(陈宝梁, 2004);生物修复主要包括植物修复和微生物修复,这类技术具有操作简单方便、修复成本低、绿色环保、不会造成二次污染等优点,在有机污染土壤修复领域展现出良好的研究和应用前景。如中国专利
201010547623.2通过向土壤中添加生物表面活性剂鼠李糖脂,同时种植紫花苜蓿、接种丛枝菌根和芽孢杆菌等组成的菌剂,实现了土壤中PAHs的降解;中国专利201610438092.0报道了以甲壳素、沸石粉等复配的微生物菌剂能够有效降解或吸附土壤中的PAHs,但目前的生物修复技术去除效率偏低、修复周期较长,只适合于低浓度PAHs污染农田土壤的修复,不适合高浓度PAHs污染场地土壤的绿色快速修复。
[0005] 纳米材料是一类在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100 nm)或由它们作为基本单元构成的材料。纳米科技被多个国家列为21世纪最优先研究开发的重点领域(肖强等,2009)。由于其具有表面界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应等独有的特性,纳米材料在环境、农业等多个领域显示出巨大的应用潜(Adeleye et al., 2016; Prasad et al., 2017)。研究表明,纳米材料被广泛报道用于污水处理中有机污染物和重金属离子的吸附材料(Santhosh et al., 2016),磁性碳纳米材料可以实现对水环境中多环芳烃和抗生素药物的吸附去除(施丝, 2013),但关于碳纳米材料在污染土壤修复领域的应用还鲜见报道;某些碳纳米材料可以促进植物发芽生长、增强植物抗逆性(Ren et al., 2016),改变土壤微生物群落结构,但目前关于其在高浓度PAHs污染土壤生物修复方面的应用还未见报道。
[0006]

发明内容

[0007] 解决的技术问题:面向高浓度PAHs污染场地土壤修复的重大需求,针对上述现有技术的不足,本发明提出一种高浓度多环芳烃污染场地土壤的纳米生物修复方法,该方法可以克服生物修复技术去除效率偏低和修复周期长等问题,实现场地污染土壤高效、绿色、经济的可持续修复。
[0008] 技术方案:高浓度PAHs污染场地土壤的纳米生物修复方法,包括以下步骤:向高浓度PAHs污染场地土壤中加入碳纳米材料和基肥,将紫花苜蓿种子均匀撒播于污染土壤中,定期浇水,保持土壤含水率在田间持水量的60%,待紫花苜蓿长至开花或成熟期时,将植物收获并从污染土壤中移走。
[0009] 优选的,上述碳纳米材料为单臂碳纳米管或多臂碳纳米管或磺化石墨烯中的至少一种。
[0010] 优选的,上述碳纳米材料的添加量如下:单臂碳纳米管添加量为0.05 mg/g,多臂碳纳米管添加量为0.05 mg/g,磺化石墨烯添加量为0.2 mg/g。
[0011] 优选的,上述基肥为尿素、Ca(H2PO4)2·H2O和K2SO4。
[0012] 优选的,上述基肥添加量如下:每千克土壤中施加尿素0.215g、Ca(H2PO4)2·H2O 0.285g和K2SO4 0.188g。
[0013] 有益效果:(1)本发明通过向污染土壤中添加碳纳米材料,增强了紫花苜蓿根际降解PAHs的能力,提高了修复效率,缩短了修复周期,在60-90天内就可以将场地土壤中高浓度PAHs降低到风险筛选值以下;(2)本发明基于碳纳米材料强化紫花苜蓿根际降解PAHs的修复原理,高浓度PAHs污染土壤来源于某焦化厂污染场地,其种类约有12种,包括:芴(1.68 mg/kg)、菲(34.13 mg/kg)、蒽(1.88 mg/kg)、荧蒽(61.51 mg/kg)、芘(89.99 mg/kg)、苯并[a]蒽(29.82 mg/kg)、䓛(23.44 mg/kg)、苯并[b]荧蒽(25.86 mg/kg)、苯并[k]荧蒽(13.64 mg/kg)、苯并[a]芘(33.32 mg/kg)、二苯并[a,h]蒽(2.12 mg/kg)、苯并[g,h,i]芘(27.09 mg/kg),PAHs总浓度为344.48 mg/kg,更具有环境意义和实用价值,所述条件均和土壤实际条件类似;(3)本发明方法中碳纳米材料用量较低,对土壤环境影响小,该方法与传统的物理化学修复技术相比具有成本低、修复过程中不会造成二次污染、对土壤扰动小,与植物单独修复相比,具有修复效果显著提高、修复周期缩短等优点;(2)本发明操作简单,对环境扰动小,经济成本低,修复效率高,适用于各类PAHs污染场地的修复。附图说明
[0014] 图1为磺化石墨烯添加量对紫花苜蓿修复污染土壤中PAHs去除率的影响;图2为单臂碳纳米管添加量对紫花苜蓿修复污染土壤中PAHs去除率的影响;
图3为多臂碳纳米管添加量对紫花苜蓿修复污染土壤中PAHs去除率的影响。

具体实施方式

[0015] 下面通过实施例对本发明作进一步说明,阐明本发明的突出特点和显著进步,仅在于说明本发明而绝不局限于以下实例。采用本发明的方法对高浓度PAHs污染场地土壤进行修复。
[0016] 实施例1:不同磺化石墨烯添加量对紫花苜蓿去除土壤中PAHs的强化效应以南京某焦化厂污染场地采集的土壤为供试土壤,开展室内盆栽实验。采集的土壤进行自然风干,去除其中的砾石和动植物残体,过4 mm筛并充分混匀,土壤中PAHs含量为
344.48 mg/kg。盆栽用土0.6 kg,每kg土壤中施加尿素0.215g,Ca(H2PO4)2·H2O 0.285g和K2SO4 0.188g。向土壤中添加磺化石墨烯,设置不同添加水平(0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、5.0 mg/g),每个处理三个重复。采用下述方法对紫花苜蓿种子进行催芽:将紫花苜蓿种子浸泡在0.5%次氯酸钠溶液中进行表面消毒,10min后清洗干净,再放置于95%的酒精溶液中表面杀菌10min,用无菌水连续冲洗5次,放入盛有无菌水的烧杯中浸泡2h。将浸泡后的种子均匀放于铺有湿润滤纸的无菌培养皿中,于28 ℃黑暗条件下催芽24h。待种子露白,选取饱满、大小一致的种子均匀撒播于污染土壤中。每盆均匀撒播40颗种子,待发芽后选取长势一致的苗保留30株。盆栽置于光照培养室中培养,培养室中白天温度约为26 ℃,夜晚温度约为
20 ℃,每日定时浇去离子水,保持土壤含水率在田间持水量的60%左右,于紫花苜蓿种植60 d后,分别采集土壤和植物样品。土壤样品经冷冻干燥研磨过100目筛,提取测定土壤中PAHs的含量。同时设置不种植紫花苜蓿的空白对照以及仅种植紫花苜蓿的处理实验。在不种植紫花苜蓿的空白对照实验中,不添加磺化石墨烯,不种植紫花苜蓿,其他条件同上。在仅种植紫花苜蓿的处理实验中,种植紫花苜蓿,但不添加磺化石墨烯,其他条件同上。图1为磺化石墨烯添加量对紫花苜蓿修复污染土壤中PAHs去除率的影响。
[0017] 如图1所示,当磺化石墨烯添加量相对较低时,随着磺化石墨烯添加量增加,紫花苜蓿对土壤中PAHs去除率随之提高,当添加量为0.2 mg/g时,土壤中PAHs去除率最大,达到96.43%,远远高于不种植紫花苜蓿的空白对照(42.71%)和仅种植紫花苜蓿的处理(60.15%),表明磺化石墨烯对紫花苜蓿根际降解PAHs的高效强化作用;但随着磺化石墨烯添加量继续增大,土壤中PAHs去除率反而下降,表明磺化石墨烯的最佳添加量为0.2 mg/g。
[0018] 表1显示了添加0.2 mg/g磺化石墨烯同时种植紫花苜蓿修复60 d后,土壤中PAHs各组分的残留浓度。可见,与初始浓度相比,修复后土壤中PAHs各组分残留浓度均表现出极大程度的降低,且均低于建设用地土壤污染风险筛选值(第一类用地),满足了建设用地再开发利用的最严格要求;而未种植紫花苜蓿的空白对照和仅种植紫花苜蓿的处理土壤中,PAHs各组分残留含量还相对较高,多数组分仍远超建设用地土壤污染风险筛选值(第一类用地)。
[0019] 实施例2:不同单臂碳纳米管添加量对紫花苜蓿去除土壤中PAHs的强化效应以南京某焦化厂污染场地采集的土壤为供试土壤,开展室内盆栽实验。采集的土壤进行自然风干,去除其中的砾石和动植物残体,过4 mm筛并充分混匀,土壤中PAHs含量为344.48 mg/kg。盆栽用土0.6 kg,每kg土壤中施加尿素0.215g,Ca(H2PO4)2·H2O 0.285g和K2SO4 0.188g。向土壤中添加单臂碳纳米管,设置不同添加水平(0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、
5.0 mg/g),每个处理三个重复。采用下述方法对紫花苜蓿种子进行催芽:将紫花苜蓿种子浸泡在0.5%次氯酸钠溶液中进行表面消毒,10min后清洗干净,再放置于95%的酒精溶液中表面杀菌10min,用无菌水连续冲洗5次,放入盛有无菌水的烧杯中浸泡2h。将浸泡后的种子均匀放于铺有湿润滤纸的无菌培养皿中,于28 ℃黑暗条件下催芽24h。待种子露白,选取饱满、大小一致的种子均匀撒播于污染土壤中。每盆均匀撒播40颗种子,待发芽后选取长势一致的苗保留30株。盆栽置于光照培养室中培养,培养室中白天温度约为26 ℃,夜晚温度约为20 ℃,每日定时浇去离子水,保持土壤含水率在田间持水量的60%左右,于紫花苜蓿种植
60 d后,分别采集土壤和植物样品。土壤样品经冷冻干燥后研磨过100目筛,提取测定土壤中PAHs的含量。同时设置不种植紫花苜蓿的空白对照以及仅种植紫花苜蓿的对照实验。在不种植紫花苜蓿的空白对照实验中,不添加单臂碳纳米管,不种植紫花苜蓿,其他条件同上。在仅种植紫花苜蓿的处理实验中,种植紫花苜蓿,但不添加单臂碳纳米管,其他条件同上。图2为单臂碳纳米管添加量对紫花苜蓿修复污染土壤中PAHs去除率的影响。
[0020] 如图2所示,当单臂碳纳米管添加量为0.05 mg/g时,紫花苜蓿对土壤中PAHs去除率最大,达到93.64%,远远高于不种植紫花苜蓿的空白对照(42.71%)和仅种植紫花苜蓿的处理(60.15%),表明单臂碳纳米管对紫花苜蓿根际降解PAHs的高效强化作用;随着单臂碳纳米管添加量增加,土壤中PAHs去除率与仅种植紫花苜蓿的处理相比没有显著差异,仅当磺化石墨烯添加量为1 mg/g时,土壤中PAHs去除率相比于仅种植紫花苜蓿的处理提高了13%,但相比添加量为0.05 mg/g时明显降低,表明单臂碳纳米管的最佳添加量为0.05 mg/g。
[0021] 表2显示了添加0.05 mg/g单臂碳纳米管同时种植紫花苜蓿修复60 d后,土壤中PAHs各组分的残留浓度。可见,与初始浓度相比,修复后土壤中PAHs各组分残留浓度均表现出极大程度的降低,除苯并[a]芘以外,其他组分浓度均低于建设用地土壤污染风险筛选值(第一类用地),苯并[a]芘残留浓度也已经低于第一类用地的风险管制值,随着紫花苜蓿生长时间延长,苯并[a]芘浓度还会继续降低;而未种植紫花苜蓿的空白对照和仅种植紫花苜蓿的处理土壤中,PAHs各组分残留含量还相对较高,多数组分仍远超建设用地土壤污染风险筛选值(第一类用地)。
[0022] 实施例3:不同多臂碳纳米管添加量对紫花苜蓿去除土壤中PAHs的强化效应以南京某焦化厂污染场地采集的土壤为供试土壤,开展室内盆栽实验。采集的土壤进行自然风干,去除其中的砾石和动植物残体,过4 mm筛并充分混匀,土壤中PAHs含量为344.48 mg/kg。盆栽用土0.6 kg,每kg土壤中施加尿素0.215g,Ca(H2PO4)2·H2O 0.285g和K2SO4 0.188g。向土壤中添加多臂碳纳米管,设置不同添加水平(0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、
5.0 mg/g),每个处理三个重复。采用下述方法对紫花苜蓿种子进行催芽:将紫花苜蓿种子浸泡在0.5%次氯酸钠溶液中进行表面消毒,10min后清洗干净,再放置于95%的酒精溶液中表面杀菌10min,用无菌水连续冲洗5次,放入盛有无菌水的烧杯中浸泡2h。将浸泡后的种子均匀放于铺有湿润滤纸的无菌培养皿中,于28 ℃黑暗条件下催芽24h。待种子露白,选取饱满、大小一致的种子均匀撒播于污染土壤中。每盆均匀撒播40颗种子,待发芽后选取长势一致的苗保留30株。盆栽置于光照培养室中培养,培养室中白天温度约为26 ℃,夜晚温度约为20 ℃,每日定时浇去离子水,保持土壤含水率在田间持水量的60%左右,于紫花苜蓿种植
60 d后,分别采集土壤和植物样品。土壤样品经冷冻干燥后研磨过100目筛,提取测定土壤中PAHs的含量。同时设置不种植紫花苜蓿的空白对照以及仅种植紫花苜蓿的对照实验。在不种植紫花苜蓿的空白对照实验中,不添加多臂碳纳米管,不种植紫花苜蓿,其他条件同上。在仅种植紫花苜蓿的处理实验中,种植紫花苜蓿,但不添加多臂碳纳米管,其他条件同上。图3为多臂碳纳米管添加量对紫花苜蓿修复污染土壤中PAHs去除率的影响。
[0023] 如图3所示,当多臂碳纳米管添加量为0.05-0.2 mg/g时,紫花苜蓿对土壤中PAHs去除率达到99.05-99.98%,相比于仅种植紫花苜蓿的处理(60.15%)有显著提高,远远高于不种植紫花苜蓿的空白对照(42.71%),表明多臂碳纳米管对紫花苜蓿根际降解PAHs的高效强化作用;随着多臂碳纳米管添加量增加,土壤中PAHs去除率与仅种植紫花苜蓿的处理相比没有显著差异,但当多臂碳纳米管添加量为1 mg/g时,土壤中PAHs去除率相比于仅种植紫花苜蓿的处理提高了34%,综合考虑多臂碳纳米管的成本,可以确定多臂碳纳米管的最佳添加量为0.05 mg/g。
[0024] 表3显示了添加0.05 mg/g多臂碳纳米管同时种植紫花苜蓿修复60 d后,土壤中PAHs各组分的残留浓度。可见,与初始浓度相比,修复后土壤中PAHs各组分残留浓度均表现出极大程度的降低,且均低于建设用地土壤污染风险筛选值(第一类用地),满足了建设用地再开发利用的最严格要求;而未种植紫花苜蓿的空白对照和仅种植紫花苜蓿的处理土壤中,PAHs各组分残留含量还相对较高,多数组分仍远超建设用地土壤污染风险筛选值(第一类用地)。
[0025]
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