專利名稱：一種去除河道底泥中重金屬Cd的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種河道底泥重金屬處理方法，具體涉及一種生物淋濾法去除疏浚底泥中重金屬Cd的技術(shù)方法。
背景技術(shù)：
河道底泥(沉積物)污染是全球當(dāng)前的一個(gè)重要的環(huán)境問題。污染物通過大氣沉降、廢水排放、雨水淋溶與沖刷進(jìn)入水體，最后沉積到底泥中并逐漸富集，底泥逐漸受到污染，最后把底泥變成污染物的匯集地。在對(duì)河流的外污染源進(jìn)行了有效控制后，當(dāng)水環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，沉積在底泥中的氮磷營(yíng)養(yǎng)元素、重金屬和難降解有機(jī)物就會(huì)重新釋放出來(lái)進(jìn)入水體，影響上覆水體的水質(zhì)，形成“二次污染”。此外，底泥是底棲生物的主要生活場(chǎng)所和食物來(lái)源，污染物質(zhì)可直接或間接對(duì)底棲生物或上覆水生物產(chǎn)生致毒致害作用，并通過生物富集、食物鏈放大等過程，進(jìn)一步影響陸地生物和人類健康。河道疏浚底泥具有數(shù)量大、含水率高、污染較嚴(yán)重、成分復(fù)雜等特性，如果疏浚底泥不采取任何工程措施而簡(jiǎn)易堆放，一方面會(huì)占用大量土地，另一方面又會(huì)因?yàn)橛晁臎_刷造成二次污染。另外，由于底泥中含有豐富的N、P、K、微量的氨基酸和植物生長(zhǎng)所需的多種微量元素，國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者普遍認(rèn)同的是將疏浚底泥轉(zhuǎn)為農(nóng)林化利用。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看這種疏浚底泥處置方法符合我國(guó)國(guó)情，構(gòu)筑循環(huán)經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)資源化利用，有利于城市和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，具有廣闊的發(fā)展前景。目前針對(duì)重金屬污染土壤及底泥治理的工程技術(shù)主要包括化學(xué)淋洗、電動(dòng)修復(fù)、 土壤改換、固化技術(shù)等。(1)化學(xué)淋洗使用能促進(jìn)土壤中重金屬遷移或溶解的提取劑，使土壤固相結(jié)合的重金屬轉(zhuǎn)移到土壤液相，再把包含有重金屬的液體從土層中抽提出來(lái)，進(jìn)行分離和污水處理的技術(shù)。化學(xué)淋洗是有效處理難揮發(fā)性重金屬污染土壤的有效手段之一，選擇合適的提取劑是該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。但是無(wú)論哪種提取劑都存在回收、二次污染等還未解決或完善的技術(shù)問題。(2)電動(dòng)修復(fù)利用電極使重金屬離子從土壤表面解吸及溶解， 定向遷移富集在陰極區(qū)域，再抽提去除。該技術(shù)目前在德國(guó)和美國(guó)已進(jìn)行了大范圍的工程試驗(yàn)，特別適合于低滲透性的黏土和淤泥土，經(jīng)濟(jì)合理。但是由于土壤系統(tǒng)組分的復(fù)雜性， 經(jīng)常出現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相反的現(xiàn)象，如土壤的緩沖性能、組分、離子組成、污染金屬離子的種類等都會(huì)影響電動(dòng)修復(fù)的效果，金屬電極本身容易被腐蝕，也會(huì)造成土壤的二次污染。(3)電熱修復(fù)向土壤中通入熱蒸汽或用射頻加熱等方法，對(duì)土壤進(jìn)行加熱，將揮發(fā)性重金屬?gòu)耐寥李w粒中解析出來(lái)，并收集起來(lái)進(jìn)行處理。該技術(shù)的不足之處在于土壤有機(jī)質(zhì)和結(jié)構(gòu)水易遭到破壞，驅(qū)趕土壤水分需要消耗大量能源。(4)固化技術(shù)把受污染土壤與固化劑按一定比例混合，改變土壤的理化性質(zhì)，通過重金屬的吸附或沉淀作用來(lái)降低其生物有效性。污染土壤中的有毒金屬被固定后，不僅可以在一定程度上緩解重金屬對(duì)土壤生物和植物的生理毒害，而且可緩解重金屬向土壤深層和地下水遷移。該方法具有一定效果， 原位固化重金屬，大大降低成本，但也有一定局限性只是改變了重金屬在土壤中的存在形態(tài)，對(duì)土壤長(zhǎng)期穩(wěn)定性和對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響不甚了解，目前也缺乏這方面的研究。由于長(zhǎng)期沉淀，導(dǎo)致河道底泥中含有少量重金屬鎘(Cd)，雖然鎘含量相對(duì)較少，但當(dāng)未經(jīng)處理的河道疏浚底泥進(jìn)入陸地生態(tài)系統(tǒng)后，重金屬鎘會(huì)隨生態(tài)循環(huán)進(jìn)入食物鏈并累積到食物鏈上層生物，進(jìn)而最終危害人類健康，容易導(dǎo)致痛痛病、軟骨癥等病癥。故如何解決去除河道疏浚底泥中重金屬鎘的問題，成為本領(lǐng)域研究方向。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是怎樣提供一種工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，能夠有效去除河道底泥中重金屬鎘的方法，使河道疏浚底泥能夠用于農(nóng)林化利用達(dá)到變廢為寶的效果。為了解決上述技術(shù)問題，申請(qǐng)人研究了現(xiàn)有技術(shù)中處理河道底泥重金屬的現(xiàn)有方法，與現(xiàn)有常規(guī)技術(shù)相比，采用微生物淋濾技術(shù)進(jìn)行生物修復(fù)的方法具有安全性較高、費(fèi)用較低和效果較好等優(yōu)點(diǎn)，是一種環(huán)境友好型方法。其中，微生物淋濾技術(shù)是利用特異化能自養(yǎng)型的嗜酸性硫桿菌的催化氧化作用降低污泥體系的PH值，使難容形態(tài)的重金屬?gòu)墓滔嗳艹鲞M(jìn)入液相，再通過污泥脫水，而達(dá)到去除污泥中重金屬的目的。生物淋濾技術(shù)最初應(yīng)用于難浸提礦石或貧礦中金屬的溶出與回收，并與20世紀(jì)80年代后期開始應(yīng)用于污泥中重金屬的浸出。生物淋濾技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于(1)硫細(xì)菌不是人和動(dòng)物的病原菌；(2)可以利用廢酸對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)酸化，可以和好樣城市污泥消化法結(jié)合，能充分利用已有的運(yùn)行設(shè)施，運(yùn)行費(fèi)用低；(3)污泥中硫細(xì)菌生存能力適應(yīng)性強(qiáng)，繁殖快，能快速啟動(dòng)淋濾重金屬；(4)操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行過程無(wú)需特殊控制，在10 37°C范圍內(nèi)均能淋濾重金屬；(5)生物淋濾既能有效去除污泥中重金屬又能起到殺滅病原菌的作用。然而，生物淋濾法對(duì)河道疏浚底泥中重金屬的去除研究還處于初級(jí)階段，對(duì)于生物淋濾的去除機(jī)理、影響因素的研究以及生物淋濾對(duì)某些重金屬的去除效率較低等問題，目前還沒有得到很好的解決，仍需要做大量的研究。故申請(qǐng)人經(jīng)大量研究后，基于微生物淋濾技術(shù)開發(fā)出下述技術(shù)方案來(lái)解決所述技術(shù)問題
一種去除河道底泥中重金屬Cd的方法，其特點(diǎn)在于，采用了生物淋濾技術(shù)，以氧化亞鐵硫桿菌為微生物淋濾細(xì)菌制作生物淋濾的接種液，將接種液與待處理的河道底泥混合后曝氣并攪拌，使重金屬Cd被去除。具體地說本技術(shù)方案為采用一具有振蕩裝置和曝氣裝置的反應(yīng)器，將待處理的河道底泥加入反應(yīng)器，加入反應(yīng)底物RSO4 · 7H20,并將反應(yīng)底物濃度控制在7. 5 ΧΙΟ"3 g/ ml ；采用氧化亞鐵硫細(xì)菌接種液接種入反應(yīng)器，并將氧化亞鐵硫細(xì)菌接種液的體積比例控制為5% ；控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度為25 32°C，初始的pH值控制在4. 0 4. 5范圍內(nèi)；對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行曝氣和振蕩促進(jìn)反應(yīng)，曝氣程度控制在反應(yīng)器溶解氧DO為7. 5 9. Omg/L，振蕩往復(fù)頻率lOOrpm，反應(yīng)10 12d后將含有重金屬Cd的上清液分離，從而使剩余的河道底泥中的重金屬Cd含量降低。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，采用本方法對(duì)河道底泥進(jìn)行處理，可以使得重金屬Cd的去除率達(dá)到 16% 18%，經(jīng)處理后的河道底泥，其重金屬鎘的含量能夠達(dá)到農(nóng)林使用標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)不會(huì)破壞底泥中肥料養(yǎng)分含量，可以用于農(nóng)林業(yè)應(yīng)用，達(dá)到變廢為寶的效果。
其中作為優(yōu)化，所述氧化亞鐵硫細(xì)菌接種液采用如下方法制備，從煤礦的坑水和坑泥中吸取菌種樣品IOml加入30ml躲液體培養(yǎng)基，在30°C的條件下開始培養(yǎng)，當(dāng)溶液變?yōu)榧t棕色，吸取上清液IOml加入9k液體培養(yǎng)基90ml，在同樣條件下再培養(yǎng)，如此轉(zhuǎn)接5 次，至紅棕色出現(xiàn)的時(shí)間由原來(lái)的5d變成ld，得到馴化的氧化亞鐵硫細(xì)菌接種液；其中所述9K培養(yǎng)基由A組分和B組分混合組成，混合后pH值為2. 5，A組分包括(NH4) 2S04 3. 0g、 KCl 0. lg、K2HPO4 0. 5g、MgSO4 · 7H20 0. 5g、Ca(NO3)2 0. Olg、蒸餾水 700ml，混合前 A 組分于 121 °C，0. IMPa 下濕熱滅菌 20min ；B 組分包括 FeS04 7H20 44. 2g,蒸餾水 300ml, 10ml/l H2SO4 1ml，混合前B組分于105°C下滅菌。此優(yōu)化后的氧化亞鐵硫細(xì)菌接種液制備方法， 具有制備簡(jiǎn)單，實(shí)施方便的特點(diǎn)。綜上所述，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本方法對(duì)河道底泥進(jìn)行處理，能夠使得重金屬 Cd的去除率達(dá)到16% 18%，處理效果較好。2、本方法對(duì)河道底泥進(jìn)行處理，只需要尋常的帶有攪拌振蕩和曝氣功能的反應(yīng)器，便于實(shí)施，同時(shí)方法工藝也較為簡(jiǎn)單，實(shí)施成本較低， 易于推廣。3、本方法由于是采用生物淋濾技術(shù)對(duì)河道底泥進(jìn)行處理，不會(huì)產(chǎn)生二次污染，也不會(huì)破壞污泥里的養(yǎng)分含量，處理后的河道底泥，可以用于農(nóng)林業(yè)應(yīng)用，達(dá)到變廢為寶的效果。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例中采用的反應(yīng)系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明首先是硫細(xì)菌的培養(yǎng)馴化和生物淋濾接種液的制備，從煤礦的坑水和坑泥中吸取菌種樣品IOml加入30ml 9k液體培養(yǎng)基，在30°C的條件下開始培養(yǎng)，當(dāng)溶液變?yōu)榧t棕色，吸取上清液IOml加入9k液體培養(yǎng)基90ml，在同樣條件下再培養(yǎng)，如此轉(zhuǎn)接5次，至紅棕色出現(xiàn)的時(shí)間由原來(lái)的5d變成ld，得到馴化的氧化亞鐵硫細(xì)菌接種液(以下簡(jiǎn)稱接種液)。9K培養(yǎng)基由A組分和B組分混合組成，混合后pH值為2. 5，A組分包括(NH4) 2S04 3. 0g,KCl 0. lg、K2HP04 0. 5g、MgS04 ·7Η20 0· 5g、Ca (NO3) 2 0· Olg、蒸餾水 700ml，混合前 A 組分于 121°C，0. IMPa 下濕熱滅菌 20min ；B 組分包括 ^504 7Η20 44. 2g，蒸餾水 300ml，IOml/ 1 H2SO4 1ml，混合前B組分于105°C下滅菌。 取接種菌液IOml，加入躲培養(yǎng)基90ml，用蒸餾水稀釋至200ml，置于500ml反應(yīng)系統(tǒng)中，同時(shí)加入一定量的疏浚底泥，在曝氣5 ml/min (控制反應(yīng)器內(nèi)的溶解氧DO為7. 5 9. Omg/L)、IOOrpm振蕩頻率下，并對(duì)底泥濃度、溫度、底物種類(FeSO4 · 7H20、S粉和Na2S2O3) 和初始PH值等生物淋濾重要影響因素最優(yōu)參數(shù)值進(jìn)行選擇，其最優(yōu)參數(shù)值分別為30g/L、 25 32°C、FeSO4 · 7Η20、4· 0 4· 5。 最終，通過控制這些條件，經(jīng)過10 12d的生物淋濾周期，使得污泥中重金屬Cd 的去除率較高，能夠達(dá)到16% 18%。
實(shí)驗(yàn)實(shí)例
圖1為使用時(shí)采用的反應(yīng)系統(tǒng)示意圖。如圖1所示，包括反應(yīng)器1、恒溫水浴振蕩器2、 曝氣機(jī)3和流量計(jì)4 ；其中反應(yīng)器1位于恒溫水浴振蕩器2內(nèi)，曝氣機(jī)3通過氣管接入反應(yīng)器1底部，流量計(jì)4位于氣管上，為增加結(jié)果可靠度，采用兩套設(shè)備進(jìn)行平行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)， 取上述馴化的接種菌液10ml，加入到9k培養(yǎng)基90ml，用蒸餾水稀釋至200ml，分別置于兩個(gè)500ml的反應(yīng)器1中(其中一個(gè)反應(yīng)器作為平行試驗(yàn))，同時(shí)在反應(yīng)器1內(nèi)加入一定量的疏浚底泥，使其濃度為30g/L，將反應(yīng)器1置于恒溫水浴振蕩器2內(nèi)，啟動(dòng)曝氣機(jī)3，調(diào)整流量計(jì)4使供氣量為5 ml/min (反應(yīng)器內(nèi)的溶解氧DO為7. 5 9. Omg/L)，在IOOrpm振蕩頻率下，實(shí)驗(yàn)時(shí)以I^eSO4 ·7Η20為反應(yīng)底物，控制其濃度在7. 5X10_3 g/ml，控制反應(yīng)器溫度為 25 321，反應(yīng)起始？!1值為4.0 4.5。定期補(bǔ)充反應(yīng)器內(nèi)蒸發(fā)所耗掉的水分。每隔2d 的時(shí)間取樣5ml，樣品在離心機(jī)上以1600r/min離心45min，將上清夜和沉淀分離，分析上清液中的PH和ORP及溶液中重金屬的濃度。經(jīng)過10 12d生物淋濾周期后，其底泥中重金屬Cd的去除率達(dá)到％ 18%，基本滿足底泥農(nóng)林化利用標(biāo)準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種去除河道底泥中重金屬Cd的方法，其特征在于，采用了生物淋濾技術(shù)，以氧化亞鐵硫桿菌為微生物淋濾細(xì)菌制作生物淋濾的接種液，將接種液與待處理的河道底泥混合后曝氣并攪拌，使重金屬Cd被去除。
2.如權(quán)利要求1所述的去除河道底泥中重金屬Cd的方法，其特征在于，采用一具有振蕩裝置和曝氣裝置的反應(yīng)器，將待處理的河道底泥加入反應(yīng)器，加入反應(yīng)底物!^SO4 · 7H20， 并將反應(yīng)底物濃度控制在7. 5ΧΙΟ—3 g/ml ；采用氧化亞鐵硫細(xì)菌接種液接種入反應(yīng)器，并將氧化亞鐵硫細(xì)菌接種液的體積比例控制為5% ；控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度為25 32°C，初始的 PH值控制在4. 0 4. 5范圍內(nèi)；對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行曝氣和振蕩促進(jìn)反應(yīng)，曝氣程度控制在反應(yīng)器溶解氧DO為7. 5 9. Omg/L,振蕩往復(fù)頻率為lOOrpm，反應(yīng)10 12d后將含有重金屬Cd 的上清液分離，從而使剩余的河道底泥中的重金屬Cd含量降低。
3.如權(quán)利要求2所述的去除河道底泥中重金屬Cd的方法，其特征在于，所述氧化亞鐵硫細(xì)菌接種液采用如下方法制備，從煤礦的坑水和坑泥中吸取菌種樣品IOml加入30ml 9k 液體培養(yǎng)基，在30°C的條件下開始培養(yǎng)，當(dāng)溶液變?yōu)榧t棕色，吸取上清液IOml加入9k液體培養(yǎng)基90ml，在同樣條件下再培養(yǎng)，如此轉(zhuǎn)接5次，至紅棕色出現(xiàn)的時(shí)間由原來(lái)的5d變成 Id,得到馴化的氧化亞鐵硫細(xì)菌接種液；其中所述9K培養(yǎng)基由A組分和B組分混合組成，混合后 PH 值為 2. 5，A 組分包括(NH4) 2S04 3. 0g、KCl 0. lg、K2HPO4 0. 5g、MgSO4 · 7H20 0. 5g、 Ca(NO3)2 0. 01g、蒸餾水700ml，混合前A組分于121 °C，0. IMPa下濕熱滅菌20min ；B組分包括 FeSO4？ 7H20 44. 2g，蒸餾水 300ml，10ml/l H2SO4 1ml，混合前 B 組分于 105°C下滅菌。
全文摘要
一種微生物淋濾法去除河道底泥中重金屬Cd的方法，涉及城市固體廢棄物處理技術(shù)，是為解決城市內(nèi)河底泥重金屬Cd污染嚴(yán)重、疏浚底泥農(nóng)林化利用受制約問題。具體步驟如下向反應(yīng)體系內(nèi)投加適量的培養(yǎng)馴化的接種液，并將底物濃度控制在30g/L，接種菌液控制在5%，溶解氧濃度7.5～9.0mg/L，溫度控制在25～32℃，定期補(bǔ)充反應(yīng)器內(nèi)蒸發(fā)所耗掉的水分。本發(fā)明經(jīng)過生物淋濾時(shí)間，使得重金屬Cd的去除率達(dá)16%～18%。
文檔編號(hào)C02F11/02GK102229462SQ20111013873
公開日2011年11月2日 申請(qǐng)日期2011年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月26日
發(fā)明者劉國(guó)濤, 劉斌, 彭緒亞, 李建華, 袁榮煥 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)