多环芳烃污染土壤植物修复模拟试验系统及模拟试验方法

摘要

本发明公开了一种多环芳烃污染土壤植物修复模拟试验系统及模拟试验方法。该系统包括依次连接的供水装置、喷淋系统、植物处理槽、液体缓冲槽和液体回收瓶，喷淋系统由若干喷头和与之相连的供水管网组成，喷头置于植物处理槽中；植物处理槽通过多孔布水隔板与液体缓冲槽连通；植物处理槽内种植高效修复植物，并安装若干药剂投加井和土壤气体监测井；植物处理槽侧壁设有土壤取样孔。该方法包括配制营养液、装填污染土壤介质、稳定系统、种植修复植物、模拟各种措施强化植物修复的过程。本发明设计灵活、操作简便、可控性强、成本低廉且无二次污染，有助于植物修复多环芳烃污染土壤的强化措施研发及作用机制探讨，具有较高的推广应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于污染土壤治理技术领域，具体涉及一种多环芳烃污染土壤植物修 复模拟试验系统及模拟试验方法。

背景技术

多环芳烃是一类在土壤中普遍存在的持久性有机污染物，主要来源于煤和石 油等化石燃料的不完全燃烧或高温裂解，其毒性较大，能产生致癌、致畸、致突 变作用，会对生态系统和人类健康造成严重的危害。在我国，土壤的多环芳烃污 染已相当严重，多环芳烃浓度已从μg/kg上升到mg/kg，检出率从20%增加到80%， 且农产品中的检出率也已达到20%。同时，土壤多环芳烃污染具有长期性、隐蔽 性、不可逆性、及不能完全被降解的特点，其危害严重、治理困难，因此，研究 有针对性的污染控制手段和修复技术来解决土壤多环芳烃污染问题对当前全球 性环境保护具有重要意义。

传统的多环芳烃污染土壤修复技术包括客土法、热解吸和焚烧等物理方法及 淋洗法、吸附法和氧化法等化学方法，但上述方法的费用高、操作复杂、易造成 二次污染。植物修复是指利用植物及其根际圈微生物体系的物理、化学或生物过 程来吸收、挥发、转化、降解或固定土壤中的多环芳烃，以达到净化土壤的目的。 除了具有传统生物修复的优势之外，植物修复操作简便、成本低、持效长、环境 友好、易于被公众接受。因此，近10年来，该技术已成为土壤多环芳烃污染修 复领域新的热点和前沿。

由于现场污染土壤的大规模植物修复易受各种环境条件和人为因素的影响， 有关植物修复机制或强化措施的研究一般在室内模拟环境中开展。目前常用的模 拟方法主要为盆栽试验或人工湿地（浮床）试验，但这些方法在试验尺度、污染 介质和系统完善性等方面均存在着不足，所得结果无法在实际污染场地中完全重 现。因此，有必要建立一种能够较为准确反映实际污染场地条件的室内植物修复 模拟系统和方法，为探讨植物修复机制，研发高效强化措施提供有力的试验保障。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种尺度适宜，结构完善，可 控性强，能够准确反映实际污染土壤植物修复过程的多环芳烃污染土壤植物修复 模拟试验系统和模拟试验方法，其可用于植物修复多环芳烃污染土壤的作用机制 探讨及高效强化措施研发。

本发明的技术方案如下：

一种多环芳烃污染土壤植物修复模拟试验系统，它包括依次连接的供水装 置、喷淋系统、植物处理槽、液体缓冲槽和液体回收瓶，供水装置由无机营养盐 储液瓶和有机碳源储液瓶并联后与蠕动泵串连组成；喷淋系统由若干喷头和与之 相连的不锈钢供水管网组成，不锈钢供水管网由一根供水总管和若干根供水支管 组成，若干根供水支管以并联的方式与供水总管相连；供水总管通过输水软管与 供水装置相连，若干根供水支管带有阀门并与各喷头相连，各喷头直接置于植物 处理槽中；植物处理槽出水侧面通过多孔布水隔板与液体缓冲槽连通，缓冲槽外 侧底部设有一个带阀门的排水孔，通过输水软管和流量计连接到液体回收瓶；植 物处理槽内装填搅拌均匀的多环芳烃污染土壤，并按一定间隔种植高效修复植 物；每株植物附近设置一口强化药剂投加井和土壤气体监测井，并在处理槽一面 侧壁上部和下部开设若干土壤取样孔，各取样孔长度方向位置与植物种植位置一 致；各个气体监测井与多参数气体分析仪相连。

上述模拟试验系统的优化方案：在无机营养盐储液瓶和有机碳源储液瓶并联 之后蠕动泵之前，还连接有微纳米气泡发生器；所述喷头为微纳米气泡喷头。喷 头底部位于污染土壤层的中部，投加井管底部位于污染土壤层的下部。

利用上述多环芳烃污染土壤植物修复模拟试验系统进行的多环芳烃污染土 壤植物修复模拟试验方法如下：

（一）分别配制C:N:P为100:10:1～200:2:1（质量比）的无机营养液和15～300 mgC/L的有机碳源（如葡萄糖、乳酸钠等）溶液于无机营养盐储液瓶和有机碳 源储液瓶中；

（二）将搅拌均匀的多环芳烃污染土壤装入植物处理槽中，每装填3～6cm 高度进行铺平、夯实；之后在污染土壤层上填一层2～10cm厚干净土壤；在装填 土壤的同时，将药剂投加井、气体监测井和喷头按一定排列埋入槽体土壤中；投 加井管按一定间距纵向均匀分布，各管位于横向中点；监测井和喷头埋于投加井 附近，两者的数量和分布方式与投加井相同；喷头底部位于污染土壤层的中部， 投加井管底部位于污染土壤层的下部；

（三）装填完毕后，利用蠕动泵将无机营养液和有机碳源通过喷淋系统加入 污染土壤中，并通过供水支管阀门对流量进行控制，使土壤绝对含水量保持在 10～30%左右；运行上述系统1～2周，使土壤中无机元素、有机质和含水率等参 数达到稳定；

（四）系统稳定后，分别在每口投加井前方附近种植高效修复植物幼苗（可 选择黑麦草、三叶草、芹菜、玉米等），并在系统运行条件下培养幼苗1～2周， 使其适应污染土壤环境；

（五）植物正常生长后，根据具体实验目的（如研究根际微生物的生理生态 变化、判断修复药剂和微纳米气泡的强化效果等），开始利用上述系统模拟植物 修复多环芳烃污染土壤的过程；模拟系统运行期间，维持土壤含水率稳定，温度 15～30℃，运行时间42～90天；每隔3～15天用小型土壤取样杆从各取样孔中采 集土壤10～30g，分析其中多环芳烃浓度、C:N:P（质量比）、总有机碳含量以及 微生物数量和群落多样性，并用多参数气体分析仪测定监测井中CO₂、O₂和CH₄含量；系统运行结束后，分别测定植物地上和地下部分生物量（干重）及其中多 环芳烃含量；系统运行过程中，若缓冲槽中土壤渗滤液过多，则及时排入液体回 收瓶中进行回收处理；

（六）利用上述数据，并与不使用强化措施的对照处理比较，以分析各种方 法对植物修复多环芳烃污染土壤的强化效果，筛选高效强化措施，并探讨其作用 机制。

本发明的有益效果：

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：

（1）本发明借鉴人工湿地修复技术，以实际污染土壤作为试验介质，在合适的 试验尺度下，通过控制相关运行参数，构建了一种能够准确实际污染场地条件的 室内植物修复模拟系统。

（2）本发明在上述模拟系统的基础上，可考察添加表面活性剂、注入微纳米氧 气泡、混合种植高效修复植物等多种方法对植物修复多环芳烃污染土壤的强化效 果，从而有助于植物修复多环芳烃污染土壤的高效强化措施研发及其作用机制探 讨。

（3）本发明设计灵活，操作简便，过程可控性强，维护管理容易，运行成本低 廉且无二次污染，具有较高的推广使用价值。

（4）本发明的模拟试验装置和方法并不只局限于模拟多环芳烃污染土壤的植物 修复过程，也可用于其它土壤有机污染物（多氯联苯、五氯苯酚、三硝基甲苯等） 的植物修复强化治理措施和作用机制研究。

附图说明

图1是本发明多环芳烃污染土壤植物修复模拟试验系统的正面结构示意图；

图2是图1模拟试验系统的俯视图；

图3是本发明中多孔布水隔板的结构示意图；

图4是本发明中药剂投加井的结构示意图；

附图中的标号分别为：1、无机营养盐储液瓶，2、有机碳源储液瓶，3、微 纳米气泡发生器，4、蠕动泵，5、供水总管，6、供水支管，7、土壤取样孔， 8、药剂投加井，9、高效修复植物，10、气体监测井，11、微纳米气泡喷头，12、 污染土壤介质，13、植物处理槽，14、多孔布水隔板，15、液体缓冲槽，16、带 阀门的排水孔，17、液体流量计，18、液体回收瓶，19、多参数气体分析仪，20、 带橡胶塞的螺口盖。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例一种多环芳烃污染土壤植物修复模拟试验系统，主要包括供水 装置、喷淋系统、植物处理槽、液体缓冲槽和液体回收瓶，并且五者依次连接。 供水装置由无机营养盐储液瓶1、有机碳源储液瓶2并联后与微纳米气泡发生器 3、蠕动泵4顺序相连组成；喷淋系统由若干微纳米气泡喷头11和与之相连的不 锈钢供水管网组成，不锈钢供水管网由一根供水总管5和若干根供水支管6组成， 若干根供水支管以并联的方式与供水总管相连；供水总管通过输水软管与供水装 置相连，若干根供水支管带有阀门并与各喷头相连，各喷头直接置于植物处理槽 13中；植物处理槽出水侧面通过多孔布水隔板14与液体缓冲槽15连通，液体 缓冲槽外侧底部设有一个带阀门的排水孔16，通过输水软管和液体流量计17连 接到液体回收瓶18；植物处理槽内装填搅拌均匀的多环芳烃污染土壤介质12， 并按一定间隔种植高效修复植物9；每株植物附近设置一口药剂投加井8和气体 监测井10，并在处理槽一面侧壁上部和下部开设若干土壤取样孔7，各取样孔长 度方向位置与植物种植位置一致。

植物处理槽和液体缓冲槽均为长方体，均由有机玻璃板做成，板厚为1.5cm； 植物处理槽尺寸为180×80×68cm（长×宽×高），液体缓冲槽尺寸为15×80×68cm （长×宽×高）；多孔布水隔板厚度为1.5cm，孔直径为0.5cm，孔间距为1cm， 多孔布水隔板两侧包裹60μm不锈钢丝网以防止土壤堵住布水孔；植物处理槽侧 壁取样孔直径为1.5cm，上取样孔距处理槽顶部20cm，下取样孔距处理槽底部 20cm；供水总管直径为5cm，供水支管直径为1.5cm；药剂投加井为多孔不锈 钢管，直径为3cm，长度为60cm，孔直径为0.5cm，孔间距为1cm，药剂投 加井底部密封，顶部设有带橡胶塞的螺口盖20；气体监测井为不锈钢管，直径 为1.2cm，长度为60cm，底部开有一圈直径为0.2cm的小孔，监测井顶部通过 软管与带有循环泵的多参数气体分析仪19相连，以测定土壤气体中CO₂、O₂和 CH₄含量。所述投加井和监测井开孔部分包裹60μm不锈钢丝网。

利用上述多环芳烃污染土壤植物修复模拟试验系统进行的多环芳烃污染土 壤植物修复模拟试验方法如下：

（一）分别配制C:N:P为100:10:1～200:2:1（质量比）的无机营养液和15～300 mgC/L的有机碳源（如葡萄糖、乳酸钠等）溶液于无机营养盐储液瓶和有机碳 源储液瓶中。

（二）将搅拌均匀的多环芳烃污染土壤装入植物处理槽中，每装填3～6cm 高度进行铺平、夯实，污染土壤层总厚度为30～60cm；之后在污染土壤层上填 一层2～10cm厚干净土壤以减少多环芳烃的挥发损失。在装填土壤的同时，将药 剂投加井、气体监测井和供水喷头按一定排列埋入槽体土壤中。投加井管共2～8 根，纵向（长度方向）均匀分布，间距为20～60cm，各管位于横向（宽度方向） 中点，管底距处理槽底部2～20cm；监测井和喷头埋于投加井附近，两者的数量 和分布方式与投加井相同，但喷头底部距处理槽底部20～40cm。2～8根供水支管 以并联的方式与供水总管相连。

（三）装填完毕后，利用蠕动泵将无机营养液和有机碳源通过喷淋系统加入 污染土壤中，并通过供水支管阀门对流量进行控制，使土壤绝对含水量保持在 10～30%左右。运行上述系统1～2周，使土壤中无机元素、有机质和含水率等参 数达到稳定。

（四）系统稳定后，分别距每口投加井前方2～10cm处（长度方向）种植 1～5株约1～4周龄的高效修复植物幼苗（可选择黑麦草、三叶草、芹菜、玉米等）， 并在系统运行条件下培养幼苗1～2周，使其适应污染土壤环境。

（五）植物正常生长后，根据具体实验目的（如研究根际微生物的生理生态 变化、判断修复药剂和微纳米气泡强化效果等），开始利用上述系统模拟植物修 复多环芳烃污染土壤的过程。模拟系统运行期间，维持土壤含水率稳定，温度 15～30℃，运行时间42～90天。每隔3～15天用小型土壤取样杆从各取样孔中采 集土壤10～30g，分析其中多环芳烃浓度、C:N:P（质量比）、总有机碳含量以及 微生物数量和群落多样性，并用多参数气体分析仪测定监测井中CO₂、O₂和CH₄含量。系统运行结束后，分别测定植物地上和地下部分生物量（干重）及其中多 环芳烃含量。系统运行过程中，若缓冲槽中土壤渗滤液过多，则应及时排入液体 回收瓶中进行回收处理。

（六）利用上述数据，并与不使用强化措施的对照处理比较，以分析各种方 法对植物修复多环芳烃污染土壤的强化效果，筛选高效强化措施，并探讨其作用 机制。

实施例1

本实施例考察表面活性剂的强化效果。选择芹菜作为修复植物，污染土壤采 自某退役焦化厂，多环芳烃总浓度为120mg/kg。

试验方法中：无机营养液的C:N:P质量比为100:10:1，有机碳源为150mgC/L 的葡萄糖溶液；污染土壤每装填5cm高度进行铺平、夯实，污染土壤层总厚度 为40cm；在污染土壤层上填一层5cm厚干净土壤；投加井管共5根，纵向间 距为40cm，管底距处理槽底部10cm；喷头底部距处理槽底部30cm；供水支 管有5根；土壤绝对含水量保持在20%左右；系统运行1.5周，各参数达到稳定； 系统运行稳定后，分别距每口投加井前方5cm处种植1株2周龄芹菜，并在系 统运行条件下培养幼苗1.5周，然后向各药剂投加井中注入不同浓度的生物表面 活性剂鼠李糖脂80mL；在温度25℃下，运行42天，每隔3天从各取样孔中采 集土壤20g进行分析。

经过42天的运行试验，得到如下结论：与对照相比，鼠李糖脂对芹菜去除 土壤多环芳烃具有一定的促进作用，其中浓度为40mg/L（大于临界胶束浓度） 时强化效果最佳，多环芳烃总去除率达到76%。添加鼠李糖脂后，芹菜地下部分 多环芳烃含量有明显增加，最高浓度达到13.7mg/kg（干重），并且植物生长并 未显著受到毒害作用；同时，土壤微生物多环芳烃降解基因（nahAc）数量也增 加了2个数量级。这主要是由于表面活性剂提高了土壤多环芳烃的生物可利用 性，强化了植物和微生物对其的吸收和降解作用。

实施例2

本实施例考察微纳米气泡的强化效果。选择黑麦草作为修复植物，污染土壤 采自某退役造船厂，多环芳烃总浓度为82mg/kg。

试验方法中：无机营养液的C:N:P质量比为200:2:1，有机碳源为15mgC/L 的葡萄糖溶液；污染土壤每装填6cm高度进行铺平、夯实，污染土壤层总厚度 为30cm；在污染土壤层上填一层10cm厚干净土壤；投加井管共2根，纵向间 距为60cm，管底距处理槽底部2cm；喷头底部距处理槽底部20cm；供水支管 有2根；土壤绝对含水量保持在10%左右；系统运行1周，各参数达到稳定；系 统运行稳定后，分别在每口投加井前方附近种植3株2周龄黑麦草，并在系统运 行条件下培养幼苗1周，然后将无机营养盐液和葡萄糖溶液经蠕动泵混合，经微 纳米气泡发生器处理，以含微纳米级氧气溶液的形式加入污染土壤中，并通过供 水支管阀门控制注入流量。在温度15℃下，运行75天，每隔5天从各取样孔中 采集土壤10g进行分析。

经过75天的实验，得到如下结论：添加含微纳米级氧气的无机营养盐和葡 萄糖混合溶液能够显著促进黑麦草对土壤多环芳烃的去除效果，其中流量为 0.001L/h时强化效果最佳，多环芳烃总去除率为87%，且三环以下多环芳烃去除 率达到93%。与对照相比，注入微纳米级氧气溶液后，单株黑麦草生物量（干重） 增加了3倍，单株黑麦草体内多环芳烃质量最高达到0.15mg；多环芳烃降解菌 诺卡氏菌(Nocardia)成为了土壤样品中的优势种群，并且数量增加了1个数量级。 同时，注入微纳米级氧气溶液后，土壤气体中O₂含量超过了23%。上述结果表 明，微纳米气泡溶液通过向土壤中提供充分的氧气，为植物的良好生长和微生物 的好氧代谢创造了有利条件，从而强化了植物修复多环芳烃污染土壤过程。

实施例3

本实施例考察植物混合种植的强化效果。选择2周龄的黑麦草、三叶草、芹 菜和玉米作为修复植物，污染土壤采自某加油站，多环芳烃总浓度为112mg/kg。

试验方法中：无机营养液的C:N:P质量比为150:5:1，有机碳源为300mgC/L 的乳酸钠溶液；污染土壤每装填3cm高度进行铺平、夯实，污染土壤层总厚度 为60cm；在污染土壤层上填一层2cm厚干净土壤；投加井管共8根，纵向间 距为20cm，管底距处理槽底部20cm；喷头底部距处理槽底部40cm；供水支 管有8根；土壤绝对含水量保持在30%左右；系统运行2周，各参数达到稳定； 系统运行稳定后，分别在每口投加井前方附近两两种植上述几种修复植物（每种 植物1株），并在系统运行条件下培养幼苗2周，同时添加含微纳米级氧气的无 机营养盐和乳酸钠混合溶液流量为0.001L/h；在温度30℃下，运行90天，每 隔15天从各取样孔中采集土壤30g进行分析。

经过90天的实验，得到如下结论：黑麦草和芹菜以及玉米和芹菜两两种植 对土壤多环芳烃的去除效果明显，多环芳烃总去除率分别增加了31%和29%， 而黑麦草和三叶草，三叶草和芹菜以及三叶草和玉米两两种植的强化作用不显 著。与单独种植的对照相比，混合种植情况下芹菜体内多环芳烃浓度增加较为明 显，最高达到15.2mg/kg（干重），但植物生物量并没有显著变化；同时，种有 黑麦草或玉米的处理中土壤微生物多环芳烃降解基因（nidA）数量增加1-2个数 量级。这说明在混合种植体系中芹菜的作用主要为根系吸附和吸收多环芳烃，黑 麦草或玉米的作用主要为促进根系微生物的生长和降解活性，两种植物协同作用 从而提土壤多环芳烃去除效率。

以上所述只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此技术的人 员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根 据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。