一种二维交流电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的
装置
技术领域
[0001] 本实用新型属于异位
微生物修复石油类有机物污染土壤的技术领域，具体涉及
一种二维交流电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的装置。
背景技术
[0002] 2014年公布的《全国
土壤污染调查
公报》显示，我国受污染土壤达到了105万平方公里，其中重污染土壤有7万平方公里，主要的污染物有重金属和有机物。相对于土壤重金属污染，有机污染由于组分复杂、种类繁多而处理难度更大。石油类有机物作为一种难降解的有机污染物，主要分为烷
烃和芳烃(单环芳烃和多环芳烃)，进入土壤后将改变土壤的性状，肥
力以及对该土壤上生长的作物以及食物链相关的人畜造成严重危害。因此，有必要寻找经济高效的修复技术处理石油类有机物污染土壤。
[0003] 微生物修复技术是目前常见的石油类有机物污染
土壤修复技术之一，是指利用微生物的生长代谢作用将土壤中有毒有害的污染物降解为无毒无害的产物的过程。微生物修复技术具有经济成本低、无二次污染的特点，已在国内外广泛应用。但由于土壤中营养物质、污染物等传质限制，微生物修复技术也存在降解周期长，修复效率低的问题。
[0004] 有研究表明，
电动修复技术通过在土壤介质中施加直流电场，诱导土壤中的物质发生电动效应(
电渗透、电迁移和
电泳)，强化土壤中各物质的运动，提高微生物对其他物质
接触和利用的机率，从而提高微
生物降解效率。与此同时，
电极表面发生的电化学
氧化反应可氧化降解部分污染物。因此，通过将电动修复技术与微生物修复技术相耦合，可强化微生物的修复效果，提高修复效率。
发明内容
[0005] 针对
现有技术中存在的
缺陷，本实用新型的目的在于提供一种二维交流电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的装置，将交流电场与石油降解菌剂修复相耦合。交流电场类似于不断变化方向的直流电场，可以促进土壤中的各种物质(如离子、有机污染物、微生物等)，在电动效应的作用下进行小尺度往复运动，强化营养物质、污染物与石油降解菌剂之间的接触和传质，最终提高石油降解菌剂对石油类有机物的降解效果，提高修复效率。
[0006] 本实用新型所采用的具体技术方案如下：
[0007] 本实用新型公布了一种二维交流电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的装置，包括
生物反应器、带孔密封盖、控制系统、喷淋系统、可移动搅拌系统、可移动取样监测系统和
导轨；所述生物反应器设置在导轨的中部，生物反应器呈方形，其内部作为反应区域，生物反应器的四面内壁上设有两对片状DSA电极；所述带孔密封盖设置在生物反应器顶部，带孔密封盖上设有若干圆孔；
[0008] 所述喷淋系统由储罐和喷淋管路组成，所述喷淋管路一端与储罐相连，另一端穿过带孔密封盖上的圆孔伸入生物反应器内；所述控制系统带有交流电源和PLC自动控制系统，交流电源用于给两对DSA电极施加交流
电压，PLC自动控制系统用于控制喷淋系统、可移动搅拌系统和可移动取样监测系统；所述可移动搅拌系统设置在导轨上，包括第一升降轴和若干连接在第一升降轴上的搅拌辊；所述可移动取样监测系统设置在导轨上，包括第二升降轴和若干连接在第二升降轴上的取样器。
[0009] 作为优选，所述生物反应器四面内壁均贴靠有片状DSA电极。片状DSA电极可以保证施加电压后，土壤中的电场强度分布均匀，同时具有一定的电催化氧化作用，可协同石油降解菌剂降解污染物。
[0010] 作为优选，所述带孔密封盖带有4个用于电极安放的长方形孔。
[0011] 作为优选，所述控制系统包括交流电源和PLC控制系统。其中交流电源由
变压器、交流稳压器和电压
电流显示器组成，可以分别给两对DSA电极上施加稳定的正弦交流电。PLC自动控制系统用于控制喷淋系统的喷淋、可移动搅拌系统和可移动取样监测系统的移动。
[0012] 作为优选，所述的喷淋系统由储罐和喷淋管路组成。储罐分别用于存放土壤添加液和石油降解菌剂，可由控制系统控制自动喷淋。
[0013] 作为优选，所述的可移动搅拌系统包含升降轴和搅拌辊。搅拌辊为实心不锈
钢棒，通过升降轴的升降将搅拌辊插入土壤中进行搅拌。系统在导轨上的移动以及升降轴的升降由控制系统中的PLC自动控制系统控制。
[0014] 作为优选，所述的可移动取样监测系统包含升降轴和取样器。取样器为空心
不锈钢棒，通过升降轴的升降将插入土壤中进行取样。土样可从空心的取样器内取下。系统在导轨上的移动和升降轴的升降由控制系统中的PLC自动控制系统控制。
[0015] 本实用新型装置的使用方法如下：
[0016] 1)向生物反应器中加入污染土壤，盖上带孔密封盖，通
过喷淋系统向污染土壤注入土壤添加剂，在导轨上移动可移动搅拌系统使搅拌辊位于带孔密封盖上的圆孔正上方；控制第一升降轴收缩，搅拌辊进入生物反应器内部并插入污染土壤内，利用搅拌辊的转动对污染土壤进行翻搅，以调节污染土壤的理化性质；调节完毕后，可移动搅拌系统复位至初始
位置；
[0017] 2)通过喷淋系统(4)向污染土壤喷洒活化后的石油降解菌剂并利用搅拌系统(5)翻搅均匀；
[0018] 3)利用控制系统(3)中的交流电源分别在两对DSA电极(8)上施加正弦交流电；
[0019] 4)每隔设定时间，在导轨上移动可移动取样监测系统；使取样器位于带孔密封盖上的圆孔正上方，控制第二升降轴收缩，取样器进入生物反应器内部并插入污染土壤内取样，用于分析检测。
[0020] 所述的石油降解菌剂的菌种为市售。将上述石油降解菌剂首先接种到
葡萄糖培养基中活化3天，得到活化后的石油降解菌剂。活化后的石油降解菌剂的喷洒量为每吨污染土壤中喷洒0.25-0.5L。
[0021] 进一步优选，步骤1)中所述的土壤添加剂用于调节土壤的理化性质，包括
水、
硝酸钠、
硫酸铵、
磷酸氢二
钾。
[0022] 进一步优选，步骤1)中所述的调节污染土壤的理化性质为调节污染土壤的含水率在30％～35％，调节污染土壤的pH在6～8。石油降解菌剂提供合适的土壤环境。
[0023] 进一步优选，步骤1)中所述调节污染土壤的理化性质还包括调节污染土壤中
碳∶氮∶磷的
质量比为100∶(5～10)∶1。其中调节所用的氮由硝酸钠和硫酸铵提供，磷由
磷酸氢二钾提供。因此需根据污染土壤中有机碳、速效氮和速效磷的浓度调节土壤添加剂中硝酸钠、硫酸铵、磷酸氢二钾的比例，其中硝酸钠和硫酸铵的质量比优选为1:1。
[0024] 进一步优选，步骤3)中所述的交流电场
频率为50Hz，峰值强度(即电极两端的电压/电极间距)为50-100V/m。由于使用的是正弦交流电，所以上述的峰值强度为正弦交流电压为峰值时的电场强度。此过程中需保持电源输出的电压稳定。
[0025] 进一步优选，所述的石油类有机物污染为直链烃污染、支链烃污染或芳香烃污染中的一种或多种。
[0026] 本实用新型与现有技术相比，所具有的有益效果是：
[0027] 与传统生物反应器相比，施加的二维交流电场诱导的电动效应可使土壤中的物质在二维平面内进行小尺度的往复运动，强化营养物质、污染物与石油降解菌剂之间的接触和传质。与此同时，DSA电极具有较强的电化学催化氧化作用，可以协同石油降解菌剂降解，从而提高微生物修复效率，节约经济与时间成本。
附图说明
[0028] 图1为交流电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的装置的示意图；
[0029] 图2为生物反应器的结构示意图；
[0030] 图3为带孔密封盖的结构示意图；
[0031] 图中：生物反应器-1，带孔密封盖-2，控制系统-3，喷淋系统-4，可移动搅拌系统-5，可移动取样监测系统-6，导轨-7，DSA电极-8，储罐-9，喷淋管路-10，升降轴-11，搅拌辊-
12，取样器-13。
具体实施方式
[0032] 下面将对本实用新型
实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域地技术人员能够更好的理解本实用新型的优点和特征，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚的界定。本实用新型所描述的实例仅仅使本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。对于本领域地技术人员来说，其依然可以对前述所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换。基于本实用新型中的实例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0033] 搭建如图1-3所示的二维交流电场强化微生物修复石油类有机物污染土壤的装置，包括生物反应器1、带孔密封盖2、控制系统3、喷淋系统4、可移动搅拌系统5、可移动取样监测系统6和导轨7。
[0034] 生物反应器1四壁均贴靠有片状DSA电极8，可以保证施加电压后，土壤中的电场强度分布均匀，同时具有一定的电催化氧化作用，可协同石油降解菌剂降解污染物。
[0035] 带孔密封盖带2有4个用于电极安放的长方形孔和4个用于喷淋、搅拌或取样监测用的圆孔。
[0036] 控制系统3包括交流电源和PLC控制系统，集成在一个
箱体内。其中交流电源由变压器、交流稳压器和电压电流显示器，用于给两对DSA电极8施加正弦交流电，交流电频率为50Hz。PLC自动控制系统用于控制喷淋系统4、可移动搅拌系统5和可移动取样监测系统6。
[0037] 喷淋系统4包括两套储罐9和喷淋管路10，分别用于喷淋土壤添加剂及石油降解菌剂，可通过控制系统3控制自动喷淋。土壤添加剂用于调节土壤理化性质，包括水、硝酸钠、硫酸铵、磷酸氢二钾。石油降解菌剂从市场上购入，并将上述石油降解菌剂首先接种到葡萄糖培养基中活化3天，得到活化后的石油降解菌剂备用。每吨污染土壤中喷洒0.25-0.5L石油降解菌剂。
[0038] 可移动搅拌系统5包含升降轴11和搅拌辊12。搅拌辊12为实心不锈钢棒，通过升降轴11插入土壤中进行搅拌。系统在导轨7上的移动以及升降轴11的升降由控制系统3中的PLC自动控制系统控制。
[0039] 可移动取样监测系统6包含升降轴11和取样器13。取样器13为空心不锈钢棒，通过升降轴11插入土壤中进行取样。土样可从空心的取样器内取下。系统在导轨7上的移动和升降轴11的升降由控制系统3中的PLC自动控制系统控制。
[0040] 实施例1
[0041] 取机油污染土壤，过20目筛后加入生物反应器中，喷淋土壤添加剂调节土壤理化性质，调节土壤的含水率在30％～35％，土壤的pH在6～8范围内。根据土壤中有机碳、速效氮和速效磷的浓度，调节碳∶氮∶磷比例为100∶5∶1，其中氮由硝酸钠和硫酸铵提供，磷由磷酸氢二钾提供。
[0042] 向污染土壤中均匀喷洒经活化后的石油降解菌剂，翻搅均匀后分别在生物反应器中的两对片状DSA电极上施加正弦交流电，电场频率为50Hz，峰值电压强度为100V/m。电场施加两周后，取样测得污染物降解率为29.8％。
[0043] 实施例2
[0044] 取
汽油污染土壤，过20目筛后加入生物反应器中，喷淋土壤添加剂调节土壤理化性质，调节土壤的含水率在30％～35％，土壤的pH在6～8范围内。根据土壤中有机碳、速效氮和速效磷的浓度，调节碳∶氮∶磷比例为100∶10∶1，其中氮由硝酸钠和硫酸铵提供，磷由磷酸氢二钾提供。
[0045] 向污染土壤中均匀喷洒经活化后的石油降解菌剂，翻搅均匀后分别在生物反应器中的两对片状DSA电极上施加正弦交流电，电场频率为50Hz，峰值电压强度为50V/m。电场施加两周后，取样测得污染物降解率为31.6％。
[0046] 以下为生物反应器中不施加交流电场的实验结果：
[0047] 对比例1
[0048] 取机油污染土壤，过20目筛后加入生物反应器中，喷淋土壤添加剂调节土壤理化性质，调节土壤的含水率在30％～35％，土壤的pH在6～8范围内。根据土壤中有机碳、速效氮和速效磷的浓度，调节碳∶氮∶磷比例为100∶5∶1，其中氮由硝酸钠和硫酸铵提供，磷由磷酸氢二钾提供。
[0049] 向污染土壤中均匀喷洒经活化后的石油降解菌剂，翻搅均匀后开始修复。修复两周后，取样测得污染物降解率为12.8％。
[0050] 对比例2
[0051] 取汽油污染土壤，过20目筛后加入生物反应器中，喷淋土壤添加剂调节土壤理化性质，调节土壤的含水率在30％～35％，土壤的pH在6～8范围内。根据土壤中有机碳、速效氮和速效磷的浓度，调节碳∶氮∶磷比例为100∶5∶1，其中氮由硝酸钠和硫酸铵提供，磷由磷酸氢二钾提供。
[0052] 向污染土壤中均匀喷洒经活化后的石油降解菌剂，翻搅均匀后开始修复。修复两周后，取样测得污染物降解率为14.5％。
[0053] 通过对比污染物降解度效果，本实用新型利用二维交流电场强化石油降解菌剂修复，即利用交流电场诱导产生的电动效应和电化学氧化作用强化石油降解菌剂对石油类有机物类有机物的降解效果。二维交流电场诱导的电动效应可促进土壤中物质在二维平面内的小尺度往复移动，强化营养物质、污染物与石油降解菌剂之间的接触和传质，电极表面发生的电化学氧化反应可协同石油降解菌剂降解石油类有机物，最终提高石油降解菌剂对石油类有机物的降解效果，提高修复效率。
