CN103418608B

CN103418608B - 一种微生物-化学法联合修复矿区重金属污染土壤的方法

Info

Publication number: CN103418608B
Application number: CN201310298759.8A
Authority: CN
Inventors: 曹俊雅; 曹晓雅; 张广积; 李媛媛; 杨超
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2013-07-16
Filing date: 2013-07-16
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2033-07-16
Also published as: CN103418608A

Abstract

本发明提出一种微生物-化学法联合修复矿区重金属污染土壤的方法，该方法利用硫酸盐还原菌还原硫酸盐的方法来产出硫化氢，作为重金属的沉淀剂。先利用表面活性剂化学淋洗的方法先将土壤中的重金属转移到液相中，再向土壤和淋洗液中分别加入硫酸盐还原菌液，将土壤中残余的重金属从可交换态转化为稳定态，从而达到有效处理矿区重金属污染土壤的目的。本发明的处理方法成本低，工艺简单易于操控，环境污染小，处理效果好，具有极好的工业应用前景。

Description

一种微生物-化学法联合修复矿区重金属污染土壤的方法

技术领域

本发明涉及一种土壤修复方法，特别是涉及一种利用硫酸盐还原菌（SRB，sulfatereducing bacteria）的微生物法-化学淋洗法联合修复矿区重金属污染土壤的方法，属于土壤污染治理领域。

背景技术

矿冶活动是重金属污染的主要来源，采矿过程产生大量的固体废弃物，包括被剥离的废土、废石和尾矿等。这些废弃物简单堆放在陆地表面，给周边地区带来严重的环境污染，如江西德兴铜矿区以及广东韶关和乐昌的铅锌矿区等。近年来，陕西凤翔、湖南武冈、昆明东川区相继发生了儿童“血铅超标”事件，使得重金属污染问题成为中国社会的热点问题。我国矿产资源的特点是总量丰富，但贫矿多，富矿少，成分复杂的共（伴）生矿多。这样造成无论是重金属污染较严重的矿山废弃地，还是污染程度相对较低的下游农业被污染土壤，往往表现为多种重金属的复合污染。由于复合污染土壤重金属（Hg、Cu、Zn、Pb、Cr等）之间通常发生交互作用，以及土壤系统本身结构的复杂性，使得土壤重金属污染的治理变得十分困难。

重金属污染土壤的修复技术主要有传统方法和生物修复法两大类，传统方法主要有：客土法和换土法、固定化和稳定化、化学清洗法、化学还原法、电动修复法，但这些方法费用昂贵，易造成二次污染。自20世纪80年代以来，生物修复技术因其具有处理费用低、对环境影响小、效率高等优点，越来越受到广泛关注，主要包括微生物修复和植物修复。植物修复法是目前修复重金属污染土壤新兴的技术，但现在发现的铬超累积植物较少，生长缓慢，生物量小，修复时间长，很难进行机械操作。目前学者们比较倾向于采用微生物修复，利用微生物来减轻或消除土壤重金属污染，国内外已有许多报道，人们对抗重金属微生物进行了大量的研究，涉及的微生物有大肠杆菌、假单胞菌、金黄色葡萄球菌、真养产碱杆菌、黄单孢菌等。尽管微生物修复技术已日益引起重视，但大多数技术仍局限在实验室水平，少有微生物修复重金属土壤的实例报道，限制其应用的因素主要包括污染物成分复杂、化学和物理性质变化较大、难以寻取适宜菌株以及修复效果不稳定等。

硫酸盐还原菌（Sulfate Reducing Bacteria，SRB）可以将环境中的SO₄ ^2-转化为S^2-，利用S^2-与金属的沉淀作用达到去除重金属的目的，由于金属硫化物溶解度通常比金属氢氧化物低几个数量级，SRB生物还原沉淀具有可处理的重金属种类多、处理潜力大、处理彻底、工艺稳定、处理费用低等优点，目前主要应用于矿山酸性废水等含重金属硫酸盐废水处理，被认为是一种很有发展前景的绿色技术。通过表面活性剂的润湿、增溶、洗涤等特性可改变土壤的表面电荷或以络合、螯合物等形式从土壤中将重金属转移到液相中。本发明结合微生物法和化学淋洗法的特点，提出利用矿冶企业的硫酸盐废水，采用微生物-淋洗法联合修复方法处理矿区重金属污染土壤，具有成本低、易于操作、环境污染小的优点，可以克服现有重金属污染土壤修复技术的缺点，整体上提升技术水平。

发明内容

本发明的目的是为解决目前重金属污染土壤修复技术存在费用昂贵、易造成二次污染等问题，提供一种利用微生物（硫酸盐还原菌）-化学淋洗联合修复矿区重金属污染土壤的方法，该方法具有易于操控、处理成本低和环境污染小等优点。

为达到上述发明目的，本发明采取以下技术方案：一种采用微生物-化学淋洗联合修复矿区重金属污染土壤的方法，该方法的步骤如下：

步骤（1）：土样预处理与分析。将某矿区污染土样风干、研磨、过10～20目筛孔，土壤中Cu、Cr、Pb全量采用HF—HNO₃-HC1O₄消煮，消煮液中Cu、Cr、Pb浓度采用电感耦合等离子体发射光谱法测定；

步骤（2）：硫酸盐还原菌固定化培养。在具塞三角瓶中填充多孔材料作为硫酸盐还原菌的固定化载体，用含高浓度硫酸盐（2.0g·L^-1以上）的矿冶废水作为硫酸盐还原菌的硫酸根来源，并配成培养基溶液；5-7d为周期进行活化；

优选的，硫酸盐还原菌在固定化载体上的接种量为体积比8%～35%，培养温度通过恒温箱维持在30～40°C；

优选的，所述硫酸盐还原菌浓度达到10⁷～10⁹个/mL时，活化培养；

矿冶废水配置的培养基中，由矿冶废水提供硫酸盐，并使进液培养基中初始SO₄ ^2-含量约为2.0g·L^-1，培养基其余成分及浓度与活化培养基相同，优选的，矿冶废水配置的培养基中，其余成分及浓度为：K₂HPO₄0.5g·L^-1；NH₄Cl1.0g·L^-1；乳酸钠（C₃H₅O₃Na）3.5g·L^-1；酵母浸膏粉1.0g·L^-1；抗坏血酸（C₆H₈O₆）0.1g·L^-1；巯基乙酸（C₂H₄O₂S）0.1g·L^-1。培养基pH优选为6.5～7.5；

培养基中初始SO₄ ^2-含量约为2.0g·L^-1，当硫酸盐转化率达到85%以上时，提高培养基中硫酸盐的浓度并使硫酸根浓度大于2.0g·L^-1，培养基中的COD也相应提高，维持培养基中COD/SO₄ ^2-比值约2.5～3.5；

步骤（3）：污染土壤的化学淋洗。取2g过筛的风干土样于50mL离心管中，加入一定的表面活性剂，将离心管放入恒温水浴震荡器中振荡，24h后取出过滤分离淋洗液和土壤，测量淋洗液中重金属含量；

优选的，化学淋洗用的表面活性剂为20mL，浓度为0.01～10g/L；所述表面活性剂包括十二烷基苯磺酸钠、Tween-80、Tween-60。

优选的，控制所述恒温水浴震荡器的温度为20～40°C，时间24h。

步骤（4）：微生物法处理。分别向步骤（3）分离出的淋洗液和土壤中加入一定量的硫酸盐还原菌菌液，恒温水浴振荡后取出，检测上清液中重金属的转化率，利用欧共体标准测量与检测局提出的连续提取法测量土壤中重金属的化学形态。

优选的，控制所述恒温水浴震荡器的温度为30～40°C，时间18h，菌液量10～40mL。

本发明基于传统修复的局限性如成本高、易造成二次污染等问题，结合微生物修复过程中硫酸盐还原菌的生物特性，提出了利用矿冶废水的微生物-化学法联合修复重金属污染土壤的新技术方案，可以实现“以废治污”、降低成本的目的，并可望直接用于指导工业操作的优化调控。利用表面活性剂化学淋洗的方法先将土壤中的重金属转移到液相中，再向土壤和淋洗液中分别加入硫酸盐还原菌液，将土壤中残余的重金属从可交换态转化为稳定态，从而达到有效处理矿区重金属污染土壤的目的。

本发明采用微生物（硫酸盐还原菌）-化学淋洗联合修复矿区重金属污染土壤的方法具有以下优点：

（1）本发明处理成本低，并通过细菌还原矿冶废水产生硫化剂，达到了以废治废的目的；

（2）本发明工艺简单易于操控，环境污染小，处理效果好，具有极好的工业应用前景。

具体实施方式

下面结合具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，不仅仅限于本实施例。

实施例1：

从某矿区附近选取5个采样点，用土壤采集器分别采集土样（5～20cm）2kg，混匀后放入棕色样品瓶中。将土样倒于搪瓷托盘中在室内风干，再进行破碎研磨，过10～20目筛，倒入棕色瓶中置于冰箱中保存。土壤中Cu、Cr、Pb全量采用HF—HNO₃-HC1O₄消煮，消煮液中Cu、Cr、Pb浓度采用电感耦合等离子体发射光谱法测定，结果如下（单位mg/kg）：

Cu：38.1～89.4；Cr：50.2～94.6；Pb：70.5～168.4

在具塞三角瓶中填充预处理后的聚氨酯泡沫作为固定化载体，细菌的接种量为8%～20%（V/V）。将高浓度硫酸盐的矿冶废水配置成培养基，SO₄ ^2-含量约为2.0g·L^-1；其余成分为K₂HPO₄0.5g·L^-1，NH₄Cl1.0g·L^-1，乳酸钠（C₃H₅O₃Na）3.5g·L^-1，酵母浸膏粉1.0g·L^-1，抗坏血酸（C₆H₈O₆）0.1g·L^-1，巯基乙酸（C₂H₄O₂S）0.1g·L^-1；pH调至6.5～7.5。培养温度通过恒温箱维持在30～40°C。硫酸盐转化率达到85%以上后，培养基中硫酸盐的浓度逐渐提高，以维持反应器中硫酸根浓度大于2.0g·L^-1，培养基中的COD也相应提高，维持进液培养基中COD/SO₄ ^2-比值恒定在2.8左右；5-7d为周期进行活化。当总的硫化物产量持续稳定在约500mg/L以上时，菌液用于处理污染土样。

取2g过筛的风干土样于50mL离心管中，加入15～40mL浓度为2.0～5.0g/L的十二烷基苯磺酸钠，将离心管放入20～40°C的恒温水浴震荡器中振荡，24h后取出，检测上清液中Cu、Cr、Pb含量（去除率均大于40%），再向处理后的土壤中加入含有10～40mL的菌液，恒温水浴（30～40°C）振荡18h后取出，检测上清液中重金属的转化率（均大于90%），利用欧共体标准测量与检测局提出的连续提取法测量土壤中重金属的化学形态，土壤中未被淋洗出的重金属从可交换态转化为稳定态。

实施例2：

土壤的取样和检测同实施例1。

在具塞三角瓶中填充预处理后的多孔瓷环作为固定化载体，细菌的接种量为10%～25%（V/V）。将高浓度硫酸盐的矿冶废水配置成培养基（同实施例1），培养温度通过恒温箱维持在30～40°C。硫酸盐转化率达到85%以上后，培养基中硫酸盐的浓度逐渐提高，以维持反应器中硫酸根浓度大于2.0g·L^-1，培养基中的COD也相应提高，维持培养基中COD/SO₄ ^2-比值恒定在3.0左右；5-7d为周期进行活化。当总的硫化物产量持续稳定在约500mg/L以上时，菌液用于处理污染土样。

取2g过筛的风干土样于50mL离心管中，加入15～40mL浓度为0.01～0.05g/L的Tween-80，将离心管放入20～40°C的恒温水浴震荡器中振荡，24h后取出，检测上清液中Cu、Cr、Pb含量（去除率均大于30%），再向处理后的土壤中加入含有10～40mL的菌液，恒温水浴（30～40°C）振荡18h后取出，检测上清液中重金属的转化率（均大于90%），利用欧共体标准测量与检测局提出的连续提取法测量土壤中重金属的化学形态，土壤中未被淋洗出的重金属从可交换态转化为稳定态。

实施例3：

土壤的取样和检测同实施例1。

在具塞三角瓶中填充预处理后的聚氨酯泡沫作为固定化载体，细菌的接种量为20%～35%（V/V）。将高浓度硫酸盐的矿冶废水配置成培养基（同实施例1），培养温度通过恒温箱维持在30～35°C。硫酸盐转化率达到85%以上后，培养基中硫酸盐的浓度逐渐提高，以维持反应器中硫酸根浓度大于2.0g·L^-1，培养基中的COD也相应提高，维持培养基中COD/SO₄ ^2-比值恒定在3.0左右；5-7d为周期进行活化。当总的硫化物产量持续稳定在约500mg/L以上时，菌液用于处理污染土样。

取2g过筛的风干土样于50mL离心管中，加入15～40mL浓度为0.01～0.05g/L的Tween-60，将离心管放入20～40°C的恒温水浴震荡器中振荡，24h后取出，检测上清液中Cu、Cr、Pb含量（去除率均大于35%），再向处理后的土壤中加入含有10～40mL的菌液，恒温水浴（30～40°C）振荡18h后取出，检测上清液中重金属的转化率（均大于90%），利用欧共体标准测量与检测局提出的连续提取法测量土壤中重金属的化学形态，土壤中未被淋洗出的重金属从可交换态转化为稳定态。

实施例4：

土壤的取样和检测同实施例1。

在具塞三角瓶中填充预处理后的块状活性炭作为固定化载体，细菌的接种量为20%～35%（V/V）。将高浓度硫酸盐的矿冶废水配置成培养基（同实施例1），培养温度通过恒温箱维持在30～35°C。硫酸盐转化率达到85%以上后，培养基中硫酸盐的浓度逐渐提高，以维持反应器中硫酸根浓度大于2.0g·L^-1，培养基中的COD也相应提高，维持培养基中COD/SO₄ ^2-比值恒定在3.0左右；5-7d为周期进行活化。当总的硫化物产量持续稳定在约500mg/L以上时，菌液用于处理污染土样。

取2g过筛的风干土样于50mL离心管中，加入15～40mL浓度为0.01～0.05g/L的十二烷基苯磺酸钠，将离心管放入20～40°C的恒温水浴震荡器中振荡，24h后取出，检测上清液中Cu、Cr、Pb含量（去除率均大于35%），再向处理后的土壤中加入含有10～40mL的菌液，恒温水浴（30～40°C）振荡18h后取出，检测上清液中重金属的转化率（均大于90%），利用欧共体标准测量与检测局提出的连续提取法测量土壤中重金属的化学形态，土壤中未被淋洗出的重金属从可交换态转化为稳定态。

需要说明的是，按照本发明上述各实施例，本领域技术人员是完全可以实现本发明独立权利要求及从属权利的全部范围的，实现过程及方法同上述各实施例。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种微生物-化学法联合修复矿区重金属污染土壤的方法，其特征在于：首先利用表面活性剂化学淋洗的方法先将土壤中的重金属转移到液相中，再向土壤和淋洗液中分别加入硫酸盐还原菌液，将土壤中残余的重金属从可交换态转化为稳定态，从而达到有效处理矿区重金属污染土壤的目的，该方法的步骤如下：

步骤(1)：土样预处理与分析，将某矿区污染土壤风干、研磨、过10～20目筛孔，土壤中Cu、Cr、Pb全量采用HF—HNO₃-HC1O₄消煮，消煮液中Cu、Cr、Pb浓度采用电感耦合等离子体发射光谱法测定；

步骤(2)：硫酸盐还原菌固定化培养，在三角瓶中填充多孔材料作为硫酸盐还原菌的固定化载体，用含2.0g·L^-1以上高浓度硫酸盐的矿冶废水作为硫酸盐还原菌的硫酸根来源，并配成培养基溶液；所述硫酸盐还原菌浓度达到10⁷～10⁹个/mL时，活化培养；

步骤(3)：污染土壤的化学淋洗，取2g过筛的风干土样于50mL离心管中，加入一定的表面活性剂，将离心管放入恒温水浴振荡器中振荡，24h后取出过滤分离淋洗液和土壤，测量淋洗液中重金属含量；所述表面活性剂包括Tween-80、Tween-60；

步骤(4)：微生物法处理，分别向步骤(3)分离出的淋洗液和土壤中加入一定量的硫酸盐还原菌液，恒温水浴振荡后取出，处理时恒温水浴振荡器的温度为30～40℃，时间18h，硫酸盐还原菌液量10～40mL，检测上清液中重金属的转化率大于90％，利用欧共体标准测量与检测局提出的连续提取法测量土壤中重金属的化学形态；

所述步骤(2)的培养基中，初始SO₄ ^2-含量为2.0g·L^-1，培养基其余成分及浓度与活化培养基相同，其余成分及浓度为：K₂HPO₄0.5g·L^-1；NH₄Cl 1.0g·L^-1；乳酸钠(C₃H₅O₃Na)3.5g·L^-1；酵母浸膏粉1.0g·L^-1；抗坏血酸(C₆H₈O₆)0.1g·L^-1；巯基乙酸(C₂H₄O₂S)0.1g·L^-1，培养基pH为6.5～7.5；当硫酸盐转化率达到85％以上时，提高培养基中硫酸盐的浓度使得硫酸根浓度大于2.0g·L^-1，培养基中的COD(Chemical Oxygen Demand，化学需氧量)也相应提高，维持培养基中COD/SO₄ ^2-比值为2.5～3.5；

所述步骤(2)中硫酸盐还原菌在固定化载体上的接种量为体积比8％～35％，培养温度通过恒温箱维持在30～40℃；

所述步骤(3)中的表面活性剂为20mL，浓度为0.01～10g/L；控制所述化学淋洗恒温水浴振荡器的温度为20～40℃，时间24h。