CN104550222A

CN104550222A - 铬渣堆场重污染土壤微生物浸出和化学固定联合修复方法

Info

Publication number: CN104550222A
Application number: CN201410710132.3A
Authority: CN
Inventors: 杨志辉; 柴立元; 王庆伟; 王洋洋; 廖映平; 高伟荣; 张志�
Original assignee: Changsha Science Environmental Technology Co ltd; Central South University
Current assignee: Thiessens environmental Limited by Share Ltd; Central South University
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2015-04-29
Anticipated expiration: 2034-11-27
Also published as: CN104550222B

Abstract

本发明公开了一种铬渣堆场重污染土壤微生物浸出和化学固定的修复方法。利用复合菌株Pannonibacter？phragmitetus？BB和Achromobacter？sp.Ch-1培养得到的复合菌液喷淋铬渣堆场土壤或渣土壤，得到的淋洗液中Cr(VI)被还原成Cr(III)，并在碱性条件下形成沉淀，沉淀回收铬；土壤或渣土未淋洗出的Cr(VI)经水合肼化学固定。采用本法对三种不同Cr(VI)污染水平的土壤和渣土修复，总铬的去除率分别达到了11.4％、30.2％、14.0％，水溶态Cr(VI)的出除率分别达到99.6％、99.5％、98.3％，土壤和渣土Cr(VI)浸出毒性浓度低于0.5mg/L。

Description

铬渣堆场重污染土壤微生物浸出和化学固定联合修复方法

技术领域

本发明属于环境工程领域，具体涉及一种铬渣堆场污染土壤的修复方法，特别是铬盐生产企业铬渣堆场重污染土壤的微生物浸出—化学固定的联合修复方法。

背景技术

国务院于2011年批复了《重金属污染综合防治“十二五”规划》，标志着重金属污染防治工作在全国范围内的全面开展和实施。在重金属污染中，Cr(VI)因其毒性大、氧化性强以及致癌性高，对人类和动植物的安全造成了非常大的威胁。Cr(VI)主要来自铬渣，全国每年新排放铬渣约60万吨，历年累积堆存铬渣约548万吨。由于Cr(VI)极易溶于水，经雨水淋漓，各种形式污染的Cr(VI)最终会到达水体和土壤。我国现阶段Cr(VI)污染土壤情况十分严重。据统计，我国受Cr(VI)严重污染的土壤面积就高达500万平方米，污染土方量约1500万立方。因此，对我国Cr(VI)污染土壤进行合理有效的修复已经迫在眉睫。

目前土壤中铬污染的治理主要有两条思路：一是改变铬在土壤中的存在形态，将有毒的Cr(VI)还原为毒性较小的Cr(III)，降低其在环境中的迁移能力和生物可利用性；二是将铬从被铬污染的土壤中清除。围绕这两条思路，国内外发展出一系列修复技术，如固定化/稳定化、化学淋洗法、化学还原法、电动力学修复法。但这些方法都具有各自的局限性：如固定化/稳定化法成本较高，处理效果不好；化学还原法易造成土壤的二次污染，而且如何将土壤内部的Cr(VI)去除是该技术的难点；化学清洗法仅适用渗透系数较大的土壤(如沙壤等)，而且引进清洗液的同时易造成土壤的二次污染；电动修复法对土壤条件要求苛刻、修复成本昂贵。因此这些方法都没有得到工程上的广泛应用。近年来，污染土壤的生物修复法由于具有环境友好性及费用低等独特优点而受到关注，生物修复法包括植物修复和微生物修复法。尽管许多超积累植物对Cr(VI)具有较高的吸收能力，但其较小的生物量难以满足Cr(VI)重污染土壤修复的需求，更何况铬渣堆场土壤极端的碱性环境(pH 10-11)将抑制超积累植物的生长，限制了植物修复法在铬渣堆场污染土壤修复中的应用。微生物修复技术由于细菌适合于规模化培养、培养基成分对土壤无害，被认为是切实可行的环境友好型替代技术。其中，还原微生物修复技术更被视为Cr(VI)污染土壤修复领域重点的潜在优势技术，一直是该领域的研究热点。目前，Cr(VI)还原微生物修复技术的应用推广遇到一个瓶颈问题：受土壤环境多重因素影响，微生物Cr(VI)还原效率不稳定。面对我国理化性质迥异的Cr(VI)污染土壤，可能的解决方法是利用各菌株间的协同作用和菌落结构的刚性，建立高效、稳定的复合Cr(VI)还原修复菌群。

目前我国大部分铬盐生产企业遗留的铬渣已处理完毕，但铬渣堆场污染严重，普遍存在渣土共存的现象，单一的治理方法难以满足治理要求。本发明针对铬渣堆场高碱度、高污染、渣土共存的特征，提出微生物浸出—化学固定的联合修复方法，强化Cr(VI)的去除效果。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种铬渣堆场重污染土壤微生物浸出—化学固定联合修复的方法。该方法修复高效、菌液循环使用、无外排废水、含铬淤泥中铬含量高、可实现铬资源的回收。

铬渣堆场重污染土壤微生物浸出和化学固定的修复方法，利用保藏号为CGMCC No.305的Pannonibacter phragmitetus BB和保藏号为CGMCC No.1260的Achromobacter sp.Ch-1的复合菌液循环喷淋土壤或渣土，土壤或渣土中的六价铬随菌液淋洗带出土壤或渣土进入溶液，收集淋洗液，淋洗液中六价铬在铬还原菌的作用下被还原成三价铬，并在碱性条件下形成沉淀，沉淀压滤脱水后回收铬；土壤或渣土中未淋洗出的六价铬经水合肼进一步化学固定。

复合菌液的制备过程如下：

分别挑取已保存的Pannonibacter phragmitetus BB和Achromobacter sp.Ch-1单菌落于液体培养基中共同培养3天得到复合活化菌液，然后将其接种到含有六价铬的培养基中，当培养基颜色从最初的黄色变为兰灰色，且培养液未检出六价铬，菌数浓度3～5×10⁹CFU/mL即可。可根据菌液需求量将菌液转接含六价铬的新鲜液体培养基反复扩大培养，每次培养至培养液未检出六价铬，菌数浓度3～5×10⁹CFU/mL为止。

上述复合活化菌液接种量为培养基体积的5-20％。包括扩大培养时，复合菌液的接种量也为培养基体积的5-20％。

上述培养条件：28-32℃，每天用曝气机曝气2次。

上述液体培养基中六价铬的浓度为200～500mg/L，优选以K₂Cr₂O₇溶液作为铬源。

上述培养基配方：5g/L葡萄糖、3g/L酵母浸膏和3g/L氯化钠，其余为水，用5mol/L NaOH调节pH＝9.0～10.0。

将培养好的菌液喷淋土壤，收集的淋洗液在碱性条件下(调节pH 9.0～10.0)形成沉淀，监测淋洗液中六价铬的浓度，直至淋洗液中未检测到六价铬为止。菌液喷淋强度0.01-0.02m³/h.m²，喷淋时间为5-7天，环境温度0-35℃。

本发明具体包括以下步骤：

(1)分别挑取已保存的Pannonibacter phragmitetus BB和Achromobacter sp.Ch-1单菌落于含液体培养基中共同培养3天(5g/L葡萄糖、3g/L酵母浸膏和3g/L氯化钠，其余为水，用5mol/L NaOH调节pH＝9.0～10.0；)，然后按照体积比5-20％的接种量将复合活化菌液接种到含有200～500mg/L六价铬的前述一样的培养中，在28-32℃条件下培养，每天用曝气机曝气2次，当培养基颜色从最初的黄色变为兰灰色，且培养液用分光光度法未检出到Cr(VI)时，将菌液转接进行扩大培养，(操作同上)，直至培养基未监测到Cr(VI)为止；如此反复，得到所需的菌液数量，每次培养菌数浓度至3～5×10⁹CFU/mL。

(2)将铬渣堆场下铬污染的土壤挖出后，晾干、挑出大块的石头、生活垃圾等，破碎、过1cm的筛，过筛后的土壤装于长10米、宽5米，高0.6米土壤处理槽中，土堆高度0.5m，土壤中水溶性Cr(VI)的浓度为50～1200mg/kg；

(3)用流量为1.5m³/h的耐碱泵抽取上述培养好的菌液喷淋土壤，喷淋强度0.008-0.015m³/h.m²，淋洗液收集到1m³的中间池，用流量为1.5m³/h的耐碱泵将中间池的淋洗液抽入到8m³生化池进行生化反应(生化池中既有还原过程又有沉淀形成过程。生化反应将Cr(VI)还原成Cr(III)，Cr(III)在碱性条件下立即形成沉淀)，抽取生化池菌液循环喷淋土壤。每天检测淋洗液和土壤中六价铬的浓度，直至淋洗液中未检测到六价铬为止，喷淋时间为5-7天，环境温度0-35℃。取土壤或渣土样品检测Cr(VI)浸出毒性。

(4)将一定体积的80％的水合肼溶液配制成水合肼稀溶液。

(5)用流量为1.5m³/h的耐碱泵抽取上述培养好的水合肼稀溶液喷淋土壤或渣土，喷淋强度0.01-0.02m³/h.m²，直至土堆底部刚刚有渗漏液流出为止。

(6)生化池中的沉淀物进行固液分离，固相沉淀在100℃条件下烘干，得到三价铬沉淀物，回收铬。上清液返回生化池，重新利用于下批土壤修复。

步骤(4)中水合肼的用量为水合肼与土壤或渣土浸出毒性检测中Cr(VI)摩尔比的4～6:1。

本发明所具有的优点：

(1)复合菌株修复铬渣堆场重污染土壤，利用菌株间的协同作用，促进优势菌株在土壤中的迅速繁殖，有利于Cr(VI)还原。

(2)水合肼在碱性条件下高效还原固定Cr(VI)，与铬渣堆场高碱度特征相一致，因此本发明技术在无需调节酸碱度的条件下实现Cr(VI)的直接还原固定，减少酸碱调节工艺，简化工艺流程。

(3)针对严重污染的铬渣堆场土壤，利用菌液喷淋土壤，将六价铬淋出土体，残留的六价铬在水合肼的作用下进一步还原固定。与传统化学法固定法相比，本发明技术由于六价铬的浸出，降低土壤总铬含量，也降低了修复后土壤的环境风险。

(4)与传统化学淋洗法相比，本发明技术中菌液的循环利用，解决了淋洗液处理与排放难题；且淋洗液中Cr(VI)经细菌还原菌酶还原成Cr(III)，无外源还原剂、沉淀剂加入，淤泥产生量少，含铬量高，可回收金属铬，实现铬的资源回收；同时解决了铬淤泥安全处理处置带来的环境风险问题。

本发明采集五矿(湖南)铁合金有限责任公司铬渣堆场土壤和原长沙铬盐厂含铬淤泥，经过细菌分离、驯化，得到两株具有六价铬还原特性的菌株，经鉴定，该菌株16s rRNA基因序列分别与Pannonibacter phragmitetus sp.和Achromobacter sp.16S rRNA有99％的相似性，分别命名为Pannonibacter phragmitetus BB和无色杆菌属Achromobacter sp.Ch-1。Pannonibacter phragmitetus BB已于2009年5月5日向中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC)提交生物保藏，保藏号为CGMCC No.3052，保藏单位地址为北京市朝阳区大屯路，中国科学院微生物研究所。Achromobacter sp.Ch-1已于2004年12月6日向中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC)提交生物保藏，保藏号为(保藏号为CGMCC No.1260)，保藏单位地址为北京市海淀区中关村北一条13号，中国科学院微生物研究所。

附图说明

图1为铬渣堆场重污染土壤微生物浸出和化学固定联合修复工艺流程。

具体实施方式

以下结合实施例进一步说明本发明，而非限制本发明。

实施例1：单一菌株和复合菌株对长沙某铬盐厂渣土混合物修复的小试效果

目前我国铬渣堆场污染复杂，某些单一菌株可能对单纯的铬污染土壤的治理效果尚可，但对于铬污染的渣土混合物的治理效果则没有那么理想，因为铬渣中含有一部分酸溶性六价铬，用于铬污染土壤修复的菌株不一定适用于铬渣的修复，本发明的菌株就属于这种情况。而且渣场上层土壤普遍存在渣土共存情况，导致治理困难，单一菌株难以满足修复要求，因此本发明对单一菌株和复合菌株对渣土混合物修复效果进行对比。

分别挑取Pannonibacter phragmitetus BB和/或Achromobacter sp.Ch-1单菌落接种于灭菌培养基(3g酵母膏，5g葡萄糖，3g氯化钠，用5mol/L NaOH调节pH＝9.0～10.0；加水至1L)中培养3天，得到两种单独的和混合微生物菌液。

长沙某铬渣堆场渣土混合物水溶态Cr(VI)含量为682mg/kg。土壤经研磨破碎过20目筛，取50g放入250ml锥形瓶，分别加入50ml Pannonibacter phragmitetus BB，50ml Achromobacter sp.Ch-1,25ml Pannonibacter phragmitetus BB和25ml Achromobacter sp.Ch-1混合菌液，然后将土壤置入30℃振荡培养箱培养，每天检测土壤Cr(VI)浓度。修复结果表明，单一Pannonibacter phragmitetus BB和单一Achromobacter sp.Ch-1处理5天后，土壤水溶态Cr(VI)的含量由682mg/kg分别降低至76.3mg/kg和65.9mg/kg；而复合菌株修复5天时，土壤水溶态Cr(VI)的含量降低至5.64mg/kg。无论是对土壤Cr(VI)的去除速率和去除率，复合菌株均优于单一菌株。

表1 单一菌株和复合菌株对铬渣堆场污染土壤修复效果

实施例2：湖南长沙某铬盐厂高浓度Cr(VI)污染的渣土修复效果

挑取Pannonibacter phragmitetus BB和Achromobacter sp.Ch-1单菌落接种于灭菌培养基(3g酵母膏，5g葡萄糖，3g氯化钠，用5mol/L NaOH调节pH＝9.0～10.0；加水至1L)中培养3天，得到复合菌液；按5％的接种量接种到新配制未灭菌并加有300mg/LCr(VI)的培养基中(pH值为9.0～10.0，)，28～32℃培养至Cr(VI)完全还原，即培养至培养液未检出六价铬，菌数浓度3～5×10⁹CFU/mL。然后利用该菌液以相同的方式继续扩大培养。

原长沙铬盐厂渣土混合物，通过鄂式破碎机、过1cm振动筛，将渣土转入到10.0×5.0×0.6m的土壤槽中(土槽下部留一直径为15cm的开口处)，筑成25吨(10.0×5.0×0.5m)的渣土堆。用流量为1.5m³/h的耐碱泵抽取培养好的Pannonibacter phragmitetus BB和Achromobacter sp.Ch-1的菌液喷淋土壤，喷淋强度为0.01m³/h.m²，从土壤槽开口处收集淋洗液于体积为1.0m³立方米的中间池，用流量为1.5m³/h的耐碱泵将中间池的淋洗液抽入到体积为8m³的生化池进行生化反应，抽取生化池菌液循环喷淋土壤。每天检测淋洗液中六价铬的浓度，直至淋洗液中未检测到六价铬为止，静置3天，让土壤中的水分自然流干，取渣土测定水分含量、总铬、水溶态Cr(VI)含量和Cr(VI)浸出毒性浓度。根据Cr(VI)浸出毒性浓度，按水合肼/Cr(VI)摩尔比6:1量取含80％的水合肼的体积进行稀释，稀溶液的体积为达到25吨渣土最大田间持水量的所需的溶液体积。用流量为1.5m³/h的耐碱泵抽取水合肼稀溶液均匀喷洒至渣土中，直至土壤槽开口处有淋出液流出为止停止修复，静置2天。取渣土检测土壤总铬、水溶态Cr(VI)含量以及渣土浸出毒性浓度。微生物喷淋修复后，渣土中总铬、水溶态Cr(VI)以及浸出毒性Cr(VI)的含量分别由原来的6629.3mg/kg、739.8mg/kg以及75.3mg/L降低至5875.2mg/kg、32.5mg/kg以及4.33mg/L。堆浸修复工艺由于土壤破碎程度不及实施例1中的摇瓶小试试验，相应的Cr(VI)修复效果也不及实施例1中的效果，因此本发明涉及的渣土堆浸修复工艺中，渣土经复合菌株修复后进一步经水合肼化学固定后，渣土壤中水溶态Cr(VI)以及Cr(VI)浸出毒性浓度分别降低至3.03mg/kg和0.39mg/L。

表2 高浓度Cr(VI)污染渣土的修复效果

	总铬(mg/kg)	水溶性Cr(VI)(mg/kg)	浸出毒性(mg/L)
				原样	6629.3	739.8	75.3
微生物浸出后	5875.2	32.5	4.33
				化学固定后	-	3.03	0.39

实施例3湖南长沙某铬盐厂中浓度Cr(VI)污染的渣土修复效果

按实施例1完全相同的方法对长沙某铬盐厂冶炼废渣堆场中浓度Cr(VI)污染的25吨渣土进行修复。

微生物喷淋修复后，渣土中总铬、水溶态Cr(VI)以及浸出毒性Cr(VI)的含量分别由原来的5533.5mg/kg、317.0mg/kg以及34.5mg/L降低至3860.8mg/kg、27.4mg/kg以及3.7mg/L；进一步经水合肼化学固定后，渣土壤中水溶态Cr(VI)以及Cr(VI)浸出毒性浓度分别降低至1.74mg/kg和0.35mg/L。

表2 中浓度Cr(VI)污染渣土的修复效果

	总铬(mg/kg)	水溶性Cr(VI)(mg/kg)	浸出毒性(mg/L)
				原渣土	5533.5	317.0	34.5
微生物处理后	3860.8	27.4	3.7
				化学修复后	-	1.74	0.35

实施例4湖南长沙某铬盐厂Cr(VI)污染土壤修复效果

利用实施例1和实施例2完全相同的方法对长沙某铬盐厂受Cr(VI)污染的25吨土壤进行修复。

微生物喷淋修复后，渣土中总铬、水溶态Cr(VI)以及浸出毒性Cr(VI)的含量分别由原来的3815.5mg/kg、217.0mg/kg以及27.2mg/L降低至3860.0mg/kg、18.9mg/kg以及2.5mg/L；进一步经水合肼化学固定后，渣土壤中水溶态Cr(VI)以及Cr(VI)浸出毒性浓度分别降低至3.75mg/kg和0.43mg/L。

表3 铬污染土壤的修复效果

	总铬(mg/kg)	水溶性Cr(VI)(mg/kg)	浸出毒性(mg/L)
				原土壤	3815.5	217.0	27.2
微生物浸出后	3280.0	18.9	2.5
				化学固定后	-	3.75	0.43

原始土壤中水溶态六价铬的浓度为217.0mg/kg，总铬含量为3815.5mg/kg。经微生物浸出处理后，淋洗液中Cr(VI)经微生物还原成Cr(III)，并在碱性条件下行程氢氧化铬沉淀。收集含铬淤泥204.81kg(湿重)，烘干后重量为44.21kg。烘干的淤泥中铬的含量达到了294g/kg，换算成Cr(OH)₃其含量为582.3g/kg，即烘干的淤泥中Cr(OH)₃所占的比例达到了58.23％。同时根据水溶性Cr(VI)的浓度、回收铬的质量以及土壤的质量可以计算的到在生物淋洗修复过程中，总铬的回收率达到了14.0％。

Claims

1.铬渣堆场重污染土壤微生物浸出和化学固定的修复方法，其特征在于，利用保藏号为CGMCC No.305的Pannonibacter phragmitetus BB和保藏号为CGMCC No.1260的Achromobacter sp.Ch-1的复合菌液循环喷淋土壤或渣土，土壤或渣土中的六价铬随菌液淋洗带出土壤或渣土进入溶液，收集淋洗液，淋洗液中六价铬在菌的作用下被还原成三价铬，并在碱性条件下形成沉淀，沉淀压滤脱水后回收铬；土壤或渣土中未淋洗出的六价铬经水合肼进一步化学固定。

2.根据权利要求1所述的铬渣堆场重污染土壤微生物浸出和化学固定的修复方法，其特征在于，复合菌液的制备过程如下：

分别挑取已保存的Pannonibacter phragmitetus BB和Achromobacter sp.Ch-1单菌落于液体培养基中共同培养3天得到复合活化菌液，然后将其接种到含有六价铬的培养基中，当培养基颜色从最初的黄色变为兰灰色，且培养液未检出六价铬，菌数浓度3～5×10⁹CFU/mL即可。

3.根据权利要求2所述的铬渣堆场重污染土壤微生物浸出和化学固定的修复方法，其特征在于，复合活化菌液接种量为培养基体积的5-20％。

4.根据权利要求2所述的铬渣堆场重污染土壤微生物浸出和化学固定的修复方法，其特征在于，培养条件：28-32℃，每天用曝气机曝气2次。

5.根据权利要求2所述的铬渣堆场重污染土壤微生物浸出和化学固定的修复方法，其特征在于，液体培养基中六价铬的浓度为200～500mg/L。

6.根据权利要求5所述的铬渣堆场重污染土壤微生物浸出和化学固定的修复方法，其特征在于，以K₂Cr₂O₇溶液作为铬源。

7.根据权利要求2或3或4或5或6所述的铬渣堆场重污染土壤微生物浸出和化学固定的修复方法，其特征在于，培养基配方：5g/L葡萄糖、3g/L酵母浸膏和3g/L氯化钠，其余为水，用5mol/L NaOH调节pH＝9.0～10.0。

8.根据权利要求1所述的铬渣堆场重污染土壤微生物浸出和化学固定的修复方法，其特征在于，将培养好的菌液喷淋土壤，收集的淋洗液在碱性条件下形成沉淀，监测淋洗液中六价铬的浓度，直至淋洗液中未检测到六价铬为止。

9.根据权利要求1或8所述的铬渣堆场重污染土壤微生物浸出和化学固定的修复方法，其特征在于，菌液喷淋强度0.01-0.02m³/h.m²，喷淋时间为5-7天，环境温度0-35℃。