基于固定化酶的缓释型类芬顿体系及其原位修复地下水污染的方法

摘要

本发明公开了一种基于固定化酶的缓释型类芬顿体系，并提供了一种原位修复地下水污染的方法，主要步骤如下：1）在预修复的地下水污染区域选定中心井和周边多个药品投加井；2）在药品投加井投加绿锈，然后中心井进行抽水并通过药品投加井回灌至地下水；抽水持续至出现绿锈；3）在各药品投加井内布置固定化酶反应器并进行曝气，同时通入葡萄糖溶液；并采用中心井小水量抽水并通过药品投加井回灌至地下水；抽水至出水污染物浓度达标即可。本发明所述缓释型类芬顿体系具有接近地下水所处环境的pH范围，整个过程可以实现自由基的持久缓慢释放，以及降解区域的可控性，不会向地下水当中引入其他污染类物质，可实现无毒无害化。

权利要求

1.基于固定化酶的缓释型类芬顿体系的原位修复地下水污染的方法，其特征在于主要步骤如下：

1)在预修复的地下水污染区域选定中心井，并在中心井四周设置多个药品投加井；

2)第一阶段，在药品投加井投加硫酸盐绿锈，然后对中心井进行大水量抽水，中心井所抽取水通过药品投加井回灌至地下水；抽水持续至中心井出现绿锈时，停止对中心井抽水；

3)第二阶段，在各药品投加井内布置固定化酶反应器，对固定化酶反应器进行曝气，同时通入葡萄糖溶液；并对中心井进行小水量抽水，中心井所抽取水通过药品投加井回灌至地下水；抽水至中心井出水污染物浓度达到目标值以下则为反应终点，即完成地下水污染区域的修复；

所述基于固定化酶的缓释型类芬顿体系包括硫酸盐绿锈、葡萄糖溶液和固定化的葡萄糖氧化酶三部分；

3

步骤2)中绿锈的投加量为0.15～0.3mol/m的二价铁当量，以溶液形式投加；

步骤3)中葡萄糖溶液的通入流量与步骤3)中的中心井抽水流量之比为1：20～30，葡萄糖溶液浓度范围为0.05～0.2mol/L；

所述固定化酶反应器为装载固定化的葡萄糖氧化酶的反应器；其中，所述固定化的葡萄糖氧化酶为凝胶颗粒，直径为2～4mm，酶活力为100～120U/g；所述反应器设有中空腔室，中空腔室内设置上下交替式导流板用于中空腔室内液体的循环回流，反应器的外侧壁中部安装有滤网，反应器的中空腔室出口处安装有三相分离器，曝气管位于反应器内部的端部并安装有曝气头，气体排出管插入三相分离器中，葡萄糖投加管和曝气管头部均经过三相分离器插入中空腔室内。

2.根据权利要求1所述的基于固定化酶的缓释型类芬顿体系的原位修复地下水污染的方法，其特征在于所述固定化的葡萄糖氧化酶的制备方法包括如下步骤：(1)配制浓度为130～160U/ml的葡萄糖氧化酶溶液；

(2)配制海藻酸钠与结冷胶的混合液A，于沸水浴中搅拌溶解，冷却至室温；其中，海藻酸钠质量分数为1.0～1.5％，结冷胶质量分数为0.4～0.7％；

(3)将步骤(2)所述混合液A与步骤(1)所得葡萄糖氧化酶溶液按体积比1：25～40混合，得到混合液B；

(4)配制质量分数为10～13％的CaCl2溶液；

(5)将混合液B滴入CaCl2溶液中，滴加完成后静置，得到直径2～4mm的凝胶珠，即为固定化的葡萄糖氧化酶。

3.根据权利要求1所述的基于固定化酶的缓释型类芬顿体系的原位修复地下水污染的方法，其特征在于步骤2)中，大水量抽水时，每分钟抽水量为预修复的地下水污染区域内水量1/400～1/2000；步骤3)中，小水量抽水时，每分钟抽水量为预修复的地下水污染区域内水量1/3000～1/6000。

4.根据权利要求1所述的基于固定化酶的缓释型类芬顿体系的原位修复地下水污染的

2 2

方法，其特征在于预修复的地下水污染区域小于0.25km时，每0.02～0.04km修复面积区域2

设置一个药品投加井；预修复的地下水污染区域大于0.25km时，分为多块修复。

说明书

基于固定化酶的缓释型类芬顿体系及其原位修复地下水污染

的方法

技术领域

[0001] 本发明属于地下水污染修复技术领域，具体涉及一种基于固定化酶的缓释型类芬顿体系及其原位修复地下水污染的方法。

背景技术

[0002] 水资源是人们最为重要的环境资源之一，不仅影响着人们的生活和生产，而且在很大程度上影响着人们的身体健康和生命安全。在工业生产中产生的有害废物的堆放、农业生产中大量有机农药化肥在土壤中的残留、采矿后矸石的堆积等等，这些物质中所含有的污染物在雨水及其地下径流的作用下，大量进入到地下水中。致使我国大部分城市都或多或少面临着地下水污染的问题。

[0003] 目前地下水污染的修复技术主要分为原位修复和异位修复，其中原位修复技术中应用最为广泛的就是可渗透反应墙技术(Permeable Reactive Barrier，PRB)，在工程实践过程中，PRB 系统可能会因为反应介质活性丧失、水力条件改变，甚至工艺设计错误等因素导致失败，且极易发生堵塞现象。而异位修复技术普遍存在着经济成本高，运行管理复杂等问题。

[0004] Fenton反应是利用Fe2+和H2O2反应生成具有强氧化性的羟基自由基，污染物在羟基自由基的作用下分解成小分子物质或进一步矿化，分解为CO2和H2O。同时在后续发展过程中也产生了一系列的类芬顿体系，如反应时电子供体上的改变及H2O2的原位生成。在Fenton反应中，反应物和产物对于地下水环境来说是友好的，因此芬顿反应在地下水污染修复中具备着一定的潜力。

[0005] 常规的芬顿反应，由于其自身反应特点(大量的·OH同时产生，在地下水中与污染物无法快速且充分的接触，·OH发生猝灭)、反应条件、反应发生装置的特点，很难在地下水污染修复中实现应用。中国专利CN 106966484 A公开了一种利用Fe3O4/CaO2非均相类芬顿反应体系降解地下水中苯系物的方法。该方法是在常温下并控制pH为4～7，向苯系物污染水中投加过氧化钙和纳米四氧化三铁。该方法因其药剂与水接触后反应过于剧烈，将会导致药剂的利用效率低，且其pH范围在原位地下水修复中很难实现。

[0006] 中国专利CN 110759319A公开了一种利用硫化亚铁活化缓释纳米过氧化钙去除地下水中氯代烃及苯系物的方法。该方法以氯化钙、质量分数为30％的双氧水和氨水为原料，通过添加不同的分散剂，然后加入聚乙二醇400(PEG400)等不同大分子聚合物，使其在nCaO2表面形成膜，得到大分子聚合物包埋的缓释纳米过氧化钙高级氧化材料，实现过氧化钙与水的缓释接触生成H2O2。但该方法又会在地下水中引入硫化物，以及一些大分子有机物。

[0007] 因此，目前类芬顿反应体系在地下水污染修复过程中存在诸多缺陷，例如引入其他污染物、H2O2利用率不高、原位生成率低等，以及地下水自然条件下，本身其运动存在随机性，氧化剂投加后难以控制等问题。

发明内容

[0008] 本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种基于固定化酶的缓释型类芬顿体系及其原位修复地下水污染的方法。本发明所述于固定化酶的缓释型类芬顿体系具有更接近地下水所处环境的pH(7.2～7.8)范围，整个过程可以实现自由基的持久缓慢释放，以及降解区域的可控性；此外在整个体系，不会向地下水当中引入其他污染类物质，可实现无毒无害化。

[0009] 本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

[0010] 一种基于固定化酶的缓释型类芬顿体系，包括硫酸盐绿锈GR(SO42‑)、葡萄糖溶液和固定化的葡萄糖氧化酶三部分。

[0011] 按上述方案，所述的固定化葡萄糖氧化酶为凝胶颗粒，直径为2～4mm，酶活力为 100～120U/g。优选地，所述固定化的葡萄糖氧化酶的制备方法为：采用包埋法对葡萄糖氧化酶进行固定，得到固定化的葡萄糖氧化酶。该制备方法包括如下步骤：

[0012] (1)配制一定浓度范围的葡萄糖氧化酶(GOD)溶液；GOD溶液浓度为130～160U/ml；

[0013] (2)配制一定浓度的海藻酸钠与结冷胶的混合液A，于沸水浴中搅拌溶解，冷却至室温；其中，混合液中海藻酸钠质量分数为1.0～1.5％，结冷胶质量分数为0.4～0.7％；

[0014] (3)将步骤(2)所述混合液A与步骤(1)所得GOD溶液按体积比1：25～40混合，得到混合液B；

[0015] (4)配制一定浓度的CaCl2溶液；CaCl2质量分数为10～13％；

[0016] (5)将混合液B滴入CaCl2溶液中，滴加完成后静置，得到凝胶珠，即为固定化的葡萄糖氧化酶，控制滴加速度(例如5滴/s)和滴加高度(例如滴加高度15cm)，以保证凝胶珠直径2～4mm。

[0017] 采用上述基于固定化酶的缓释型类芬顿体系的原位修复地下水污染的方法，主要步骤如下：

[0018] 1)在预修复的地下水污染区域选定中心井和周边多个药品投加井；

[0019] 2)第一阶段，在药品投加井投加绿锈，然后中心井进行大水量抽水(每分钟抽水量为预修复的地下水污染区域内水量1/400～1/2000)，中心井所抽取水通过药品投加井回灌至地下水；

[0020] 3)步骤2)中的抽水持续至中心井出现绿锈时，停止中心井抽水；

[0021] 4)第二阶段，在各药品投加井内布置固定化酶反应器，对固定化酶反应器进行曝气，同时通入葡萄糖溶液；并采用中心井小水量抽水(每分钟抽水量为预修复的地下水污染区域内水量1/3000～1/6000)，中心井所抽取水通过药品投加井回灌至地下水；

[0022] 5)在步骤4)当中心井出水污染物浓度达到目标值以下则为反应终点，即完成地下水污染区域的修复。

[0023] 按上述方案，步骤1)中在预修复的地下水污染区域面积中心位置选定中心井，以中心井为圆心，近似在修复区域周边布设药品投加井，水井皆为完整井(即打井至隔水底层)，井大小以满足实际抽水量需求为准。优选地，实际工程中，预修复的地下水污染区域应2 2
小于 0.25km ，每0.03km 修复面积区域设置一个药品投加井，修复区域面积较大可分为多块修复。

[0024] 按上述方案，步骤2)中绿锈的投加量为0.15～0.3mol/m3的二价铁当量，即以二价铁来计，每立方米预修复的地下水污染区域内水量，绿锈的投加量为0.15～0.3mol，优选以溶液形式投加。

[0025] 按上述方案，所述固定化酶反应器为装载固定化的葡萄糖氧化酶的反应器；所述反应器设有中空腔室，中空腔室内设置上下交替式导流板用于中空腔室内液体的循环回流(保证葡萄糖溶液在中空腔室内的水力停留时间(一般大于30min))，反应器的外侧壁中部安装有不锈钢滤网，反应器的中空腔室出口处安装有三相分离器，曝气管位于反应器内部的端部并安装有曝气头，气体排出管插入三相分离器中，葡萄糖投加管和曝气管头部均经过三相分离器插入中空腔室内。

[0026] 按上述方案，步骤4)中的曝气速率按反应器内溶液体积进行计算为3～4m3/(m3·h)，通入葡萄糖溶液通入流量与步骤4)中的中心井抽水的流量之比为1：20～30。优选地，所述葡萄糖溶液浓度范围应为0.05～0.2mol/L。

[0027] 本发明的工作原理主要包括如下两个阶段：

[0028] 第一阶段，在周边药品投加井进行绿锈，通过中心井进行大水量抽水，实现绿锈在含水层内的定向迁移，保证所投加绿锈到达预定含水层位置，所抽取水通过周边井回灌至地下水。过程如图5所示。当中心井出现绿锈时，说明绿锈已经布满含水层，此时停止中心井抽水。绿锈在此运动阶段通过其吸附性作用，可实现对大量有机污染物的吸附，实现富集，为后续降解氧化得高效直接提供基础保障。

[0029] 第二阶段，将固定化酶反应器布置在周边药品投加井内，分别通过曝气管实现曝气，以及葡萄糖投加管进行葡萄糖溶液的投加。并采用中心井小水量抽水(抽水通过周边井进行回灌)。通过第一阶段绿锈的吸附作用，所富集的污染物被固定在绿锈的插层内。此时通过酶催化氧化葡萄糖缓释的H2O2，在自由扩散和小水量抽水产生的水流运动作用下，与绿锈接触，绿锈中的结构态Fe(Ⅱ)，对H2O2进行活化，产生的·OH将污染物在原位氧化降解实现矿化。而反应所产生的葡萄糖酸可以同铁离子反应形成络合物，在含水层内进行自然吸附、沉降。整个反应过程中，实现外投试剂的无毒害化。

[0030] 绿锈作为一种层状双金属氢氧化物(LDH)，因此绿锈具备着良好的吸附性能力，其可通过配体交换和表面络合作用或阴离子的交换作用来吸附污染物。在低浓度溶液中，内部阴离子交换主要发生在高比例的吸附物/LDH中。此外，绿锈夹层中含有很多可交换的阴离子，因此能够吸附重金属阳离子、有机阴离子以及无机离子，在绿锈上形成内层复合物。在地下水微污染的情况下，绿锈在前述中的迁移过程中，能够实现对污染物的吸附富集。

[0031] 绿锈中的Fe(Ⅱ)为结构态的二价铁，相比于溶解态的二价铁，绿锈表面具有高速流动的电子，增强了电子流动效率，促进了电子转移，因而具备较高的催化活性。同时，由于绿锈中的Fe(Ⅱ)含量较高，其催化生成活性中间产物(羟基自由基、超氧根自由基、高价态的铁物种)的效率也会得到大幅度提高，进而该催化氧化体系具有较高的降解率。

[0032] 与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

[0033] (1)本发明所述基于固定化酶的缓释型类芬顿体系具有更接近地下水所处环境的pH值范围，整个过程可以实现自由基的持久缓慢释放，以及降解区域的可控性。此外在整个体系，不会向地下水当中引入其他污染类物质，可实现无毒无害化。同时，本发明结合井群抽水实现降解区域的控制，对地下水污染物进行原位去除，实现有机污染物的矿化降解，转变为H2O 和CO2，并在整个过程中不会引入其他污染水体的污染物质。

[0034] (2)以井群抽水试验为启发所实现的地下水定向迁移，能够使得所投加药剂在含水层内，朝着指定区域和方向上进行迁移，并达到指定的位置上，同时可以控制反应的区域范围。

[0035] (3)本发明采用葡萄糖‑葡萄糖氧化酶体系产H2O2：无需外部能量引发；与其它地下水原位产H2O2技术相比，体系内所涉及物质皆具有无毒无害的特点。此外，葡萄糖氧化酶具有高度专一性，可避免在地下水中与其他物质发生副反应，可以高效且渐进性的将葡萄糖催化转化为H2O2。

[0036] (4)本发明中所采用的固定化酶反应器，可以实现酶的重复性利用，为经济性提供适当的保证。葡萄糖氧化酶在有氧条件下催化氧化葡萄糖，产生H2O2的过程具有持续温和的特点，这种缓释性，有效的避免了因为投加或药剂反应在局部产生H2O2浓度过高，导致·OH浓度局部过高，发生自猝灭现象。

附图说明

[0037] 图1为固定化酶反应器纵断面图；

[0038] 图2是图1所示2‑2方向的截面示意图；

[0039] 图3 是图1所示3‑3方向的截面示意图；

[0040] 图4为井群布置平面示意图；

[0041] 图5为绿锈迁移示意原理图；

[0042] 图6为反应阶段示意原理图。

[0043] 其中，①是葡萄糖投加管；②是曝气管；③是气体排出管；④是三相分离器；⑤是固定支撑；⑥固定化后的葡萄糖氧化酶；⑦0.1mm孔径不锈钢滤网；⑧曝气头；⑨是中心井；⑩是药品投加井； 是固定化酶反应器； 是所投加绿锈； 污染物。

具体实施方式

[0044] 为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

[0045] 下述实施例中，选取吸附性和还原能力适合的硫酸盐绿锈，同时满足吸附性能和2‑
供电子能力两个方面的要求。采用共沉淀法制备湿态绿锈GR(SO4 )，具体步骤如下：

[0046] 1)用分析天平称取一定量的Fe2(SO4)3和FeSO4·7H2O(Fe(Ⅱ)与Fe(Ⅲ)物质的量比为2:1)，分别充分溶解于无氧去离子水中，制成Fe2(SO4)3和FeSO4溶液待用；

[0047] 2)在无氧条件下，以三口烧瓶为反应器，将FeSO4溶液置于三口烧瓶内；将所制备 Fe2(SO4)3溶液和1.0mol/L NaOH溶液转移到恒压漏斗内，并将恒压漏斗安置于烧瓶两侧口；同时向FeSO4溶液中滴加Fe2(SO4)3和NaOH溶液，并进行磁力搅拌；通过调整NaOH溶液的滴加速度使反应的pH维持在7.8～8.2左右；滴加结束后使pH稳定在8.0，继续搅拌1h；搅拌结束后，得到浆液置于血清瓶并密封；

[0048] 3)将所制得液态绿锈于40℃条件下，于恒温水浴箱内进行陈化12小时后，保持厌氧条件下封口保存，含水率为96.0～96.9％，用于后续实施例。

[0049] 下述实施例中，固定化的葡萄糖氧化酶的制备方法包括如下步骤：

[0050] (1)配制150U/ml的葡萄糖氧化酶(GOD)溶液；

[0051] (2)配制海藻酸钠与结冷胶的混合液A，于沸水浴中搅拌溶解，冷却至室温；其中，混合液中海藻酸钠质量分数为1.2％，结冷胶质量分数为0.5％；

[0052] (3)将步骤(2)所述混合液A与步骤(1)所得GOD溶液按体积比1：30混合，得到混合液B；

[0053] (4)配制质量分数为10％的CaCl2溶液；

[0054] (5)将混合液B放入恒压漏斗内，并将漏斗固定，使漏斗口距CaCl2溶液烧杯液面15cm 左右，以5滴/s的速度滴入CaCl2溶液中；滴加完成后，静置凝胶1h；过滤、利用去离子水洗涤凝胶珠；用吸水纸吸干表面水分，于4℃冰箱内保存，即为固定化的葡萄糖氧化酶；其中凝胶珠尺寸为2～4mm，酶活力为100～120U/g。

[0055] 下述实施例中，所述的固定化酶反应器如图1～3。固定化酶反应器为不锈钢制成的筒体，侧壁开口覆盖不锈钢滤网⑦，实现反应混合液的出流；固定化的葡萄糖氧化酶⑥装载于筒体中；筒体内设置筒形的上下交替式导流板，在曝气推动力的作用下，实现循环回流；导流板与筒体外壁间设置有固定支撑⑤；三相分离器④安装于筒体顶部中心的出口处，分离的气体排入外部环境；曝气管②和葡萄糖投加管①通过三相分离器④通入筒体底部。

[0056] 下述实施例中，按照白金汉定理，利用比尺(长度比尺为350：1)，以玻璃钢为材料，搭建含水层—地下模型，通过该模型模拟区域地下水分布，并进行污染物的降解试验。模型为立方体构造，底部隔水底层为黏土，黏土夯实细沙铺垫；中间以粗碎石填充作为含水层，粗碎石顶部铺设细碎石，细碎石顶部铺设细沙，细沙顶部铺设黏土并夯实，在中心及周边位置预留中心井和周边药品投加井，以三氯乙烯作为污染物(三氯乙烯浓度为5mg/L)，于模型含水层内填充含污染物水。

[0057] 实验过程分为两个阶段，第一阶段，在药品投加井投加绿锈，然后中心井进行大水量抽水(每分钟抽水量为所修复区域内水量1/400～1/2000)，中心井所抽取水通过药品投加井回灌至地下水；在各药品投加井内布置固定化酶反应器，对固定化酶反应器进行曝气，同时通入葡萄糖溶液；并对中心井进行小水量抽水(每分钟抽水量为所修复区域内水量1/3000～1/6000)，中心井所抽取水通过药品投加井回灌至地下水。

[0058] 本发明所述的固定化酶的缓释型类芬顿体系，在所设计的地下水模拟装置内进行污染物模拟降解实验，以证实所述体系原位修复地下水污染的方法和作用。

[0059] 实施例1

[0060] 一种基于固定化酶的缓释型类芬顿体系，包括硫酸盐绿锈、葡萄糖溶液和固定化的葡萄糖氧化酶三部分；其中，所述硫酸盐绿锈为湿态(含水率为96.0～96.9％)，使用时以液态形式投加；所述葡萄糖溶液浓度范围应为0.1mol/L；所述的固定化葡萄糖氧化酶凝胶颗粒直径为 2～4mm，酶活力为100～120U/g。

[0061] 采用上述基于固定化酶的缓释型类芬顿体系的原位修复地下水污染的方法，主要步骤如下：

[0062] 1)在前述所述地下水模拟装置内填水量为2m3，于模拟装置中心选定中心井，以中2
心井为圆心，在修复区域周边布设药品投加井(预修复的地下水污染区域面积为2m ，按照白金汉定理计算，共设置8个药品投加井)，水井皆为完整井(即打井至隔水底层)；

[0063] 2)在药品投加井投加绿锈，然后中心井以5L/min进行大水量抽水，中心井所抽取水通过药品投加井回灌至地下水；所投加绿锈二价铁总含量为0.5mol，一次性投加；

[0064] 3)步骤2)中的抽水持续至中心井出现绿锈时，停止中心井抽水；此时，抽水时间为3h；

[0065] 4)在各药品投加井内布置一个固定化酶反应器(其中，固定化酶反应器内的固定5
化葡萄糖氧化酶凝胶颗粒2000g，酶含量以酶活力计，共计2.0×10U)，对固定化酶反应器进行曝气，同时以速率15ml/min泵入0.1mol/L葡萄糖溶液(反应器有效容积为5L，以保证反应溶液水力停留时间大于30min)；并采用中心井以0.5L/min小水量抽水维持到反应结束，中心井所抽取水通过药品投加井回灌至地下水；

[0066] 5)对步骤4)开始1h、3h、6h、12h、24h、48h、72h、96h、168h后(即反应时间分别为1h、3h、6h、12h、24h、48h、72h、96h、168h时)，分别对中心井小水量所抽出的水进行污染物浓度监测，试验结果见表1所示，以中心井抽出水达到对应地下水水质标准为反应结束时间，即完成地下水污染区域的修复。

[0067] 表1三氯乙烯的降解率变化

[0068]

[0069] 实施例2

[0070] 与实施例1的不同之处在于：绿锈按Fe(Ⅱ)含量投加，所投加绿锈二价铁总含量分别为0.10mol、0.25mol、0.50mol、1.00mol。

[0071] 在反应时间为168h时，分别对中心井小水量所抽出的水进行污染物浓度监测，试验结果见表2所示。

[0072] 表2绿锈投加总量对三氯乙烯降解的影响

[0073]

[0074] 实施例3

[0075] 与实施例1的不同之处在于：固定化酶反应器内的总酶含量以酶活力计，分别共计5 5 5 5
1.0×10 U、1.5×10 U、2.0×10U、2.5×10U，在各自酶总量条件下分别于反应时间24h、
72h、 168h对中心井小水量所抽出的水进行污染物浓度监测，试验结果见表3所示。

[0076] 表3酶量对三氯乙烯降解的影响

[0077]

[0078] 表1内结果表明，针对这种低浓度三氯乙烯的地下水污染，在7天内，本发明所建立的类芬顿体系可以有效的实现降解。表2数据结果表明，绿锈的投加量达到一定程度即可实现对三氯乙烯的高效降解。表3结果表明，固定化酶反应器内的酶量会影响污染物的降解速率，且随着酶量的增加，降解速率的升高趋势会呈现下降状态。

[0079] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。