《石油污染土壤电动-生物协同修复技术与应用》

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该研究属于资源与环境领域。

石油污染是全球性重大环境问题。但经济实用的石油污染土壤修复技术却很匮乏,是该领域的瓶颈难题。生物修复由于经济、环保等突出优点,一直是治理有机污染土壤的首选技术,30年来备受关注。但对于烃类(TPHs,PAHs)污染土壤,生物修复效率偏低,导致工程应用受限。在此背景下,各种与生物联合的强化降解方法应运而生,逐渐成为行业的研发重点。

该项目发现,电动效应能够促进土壤中的生物降解,进一步研究表明:电动效应强化了生物和化学的独立反应及交互作用,克服了脱附、传质、电子受体等障碍因子,实现了优势互补、效率叠加。然而,生物与化学反应的最适条件不一致,反应高效期在时间上不同步,反应高效区在空间上不均衡。由于电动和生物的不协间,导致两者在效率叠加时互有抵消,增速增效不显著。

为此,该项目绕生物、电动及工艺组合,研究反应过程和耦合机制,发明了新材料、新设备、新方法,提出了协同修复原理:确定生物与电动兼顾的条件“窗口”,建立生物快速降解段;通过切换运行,实现效率叠加的时空均衡互补。通过技术集成和工程实证,解决了污染土壤生物修复中的低速低效难题。主要技术发明点如下:

(1)发明了与电动匹配的耐受型菌剂。探索了电动效应对微生物的“激活”机制和条件“窗口”,选育了电场下能够高效降解烃类污染物的功能菌株,创制了耐电耐盐复合菌剂。在场强≤3V/cm、盐度≤2%的条件下,土壤微生物量(CFU)在107以上,降解高效期延长1~3倍。

(2)发明了精准电场构造技术。研发了系列功能电极、电场强度检测仪器,提出了电极矩阵排列/极性切换/空间旋转及迭代方法,建立了可在线修正的精准电场。电场覆盖率≥90%,场强与污染物浓度的空间分布适配率≥80%,电动高效区扩大30%,电动高效期延长1~2倍。

(3)发明了石油污染土壤电动-生物协同修复技术。构建了生物、电动和调控三个单元模块,提出了效率加和模型Dmax=f(∑SE·TB+∑SB·TE),建立了全过程为高效反应期、全区域为高效反应区的修复系统;同时提出了参数优选模Con=g-1(Dmax),由此反推得到最佳修复条件。以智能控制系统及一体化设备为平台,集成了基于数十项发明的电动-生物协同修复技术,电极间距达到lm,石油污染土壤的修复效率大幅提高,是现有生物修复技术最高效率的2.5~3.5倍。

应用该研究成果,建成了万吨石油污染土壤异位修复工程和面积为1平方公里的采油区污染地块原位修复工程。核心性能指标远超国际同类技术:土壤pH7±1.5;电场覆盖率提高50%以上,场强与污染物浓度分布适配率提高60%以上,污染物降解率空间变异≤10%,削减负荷由现有生物技术的80g/m3·d提高到200g/m3·d以上,效益成本比提高1倍以上。

该项目受“863”计划、“973”计划、国家自然科学基金、国家科技重大专项和省部级重大项目资助。申请发明专利42件,包括国际发明专利PCT4件;授权发明专利18件,包括美国发明专利1件。登记软件著作权8项,获批企业标准3项。发表论文136篇,包括SCI 47篇;出版专著1部,在耐受型功能菌剂、电极/仪器/设备、协同修复工艺三个方面取得了重大突破。获山东省、辽宁省科技进步一等奖共2项。在胜利、辽河、吉林等油田进行了推广应用,近三年累计修复污染土壤13.9万吨,取得经济效益1.92亿元,2016年被遴选为《国家重点环境保护实用技水》(油田石油开采和石油化工污染土壤(场地)电动-微生物修复技术),社会环境效益显著。

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