CN104801540A - 纳米零价铁与还原性微生物组合修复污染场地的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种污染场地修复方法，具体涉及使用纳米零价铁颗粒和场地原位注射微生物菌类，即，纳米零价铁污染场地修复技术和微生物修复技术。本发明提供的纳米零价铁与还原性微生物组合修复污染场地的方法，包括将纳米零价铁注射液经过注射井注入污染土壤，注射液中的纳米零价铁的表面包覆有有机聚合物包覆层，其特征是：在注入包覆有有机聚合物层的纳米零价铁注射液后，当其中的纳米零价铁被氧化殆尽时，将还原菌菌液注射到污染土壤中进行微生物修复。纳米零价铁表面的有机聚合物层可阻止纳米零价铁的团聚，还可以促进土著微生物的生长，并增快对污染物的降解。本发明提供的修复方法实现了纳米零价铁修复技术和微生物修复技术修复污染场地的协同作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种污染场地修复方法，具体涉及使用纳米零价铁颗粒和场地原位注射微生物菌类，即，纳米零价铁污染场地修复技术和微生物修复技术。
背景技术
由于纳米零价铁具有极小的颗粒尺度以及由此产生的大比表面积，进而表现出了高的氧化-还原电位，可以还原多种卤代有机污染物、高价重金属离子、无机污染物（如硝酸/亚硝酸盐）等，并且，纳米零价铁可以通过原位注射到污染场地的地下实现原位快捷修复污染场地的目的。但纳米零价铁颗粒在还原污染物分子的同时，本身被氧化，在纳米零价铁颗粒表面形成一层铁的氧化物层，并且随着反应进行，氧化物层的厚度增加，会阻碍污染物与纳米零价铁颗粒核中的有效Fe0的传质，进而限制了反应，尤其是在修复后期污染物浓度变低的情况下，由于纳米零价铁颗粒表面的氧化物层所引起的传质阻碍导致纳米零价铁对污染物的修复效果显著降低。同时，使用纳米零价铁修复污染场地时，容易出现纳米零价铁对污染物还原不彻底、出现产生中间污染物的情况。微生物修复技术对低浓度污染物的效果则较佳，但将高浓度纳米零价铁与微生物混合时纳米零价铁对微生物显示出了一定程度的毒害作用并抑制了微生物的生长。文献（Effect of Bare and Coated Nanoscale Zerovalent Iron on tceA and vcrA Gene Expression in Dehalococcoides spp., <Environmental Science & Technology>, 2010年，第44期，第19刊，P7647-7651）报道了在纳米零价铁表面包覆了一层具有稳定纳米零价铁颗粒作用的马来酸根后，其对微生物菌类的毒性大大降低。而纳米零价铁在接近或彻底被氧化后形成的铁的氧化物对微生物的生长具有促进作用而无任何反面的负作用。同时，文献（Degradation of pentachlorobiphenyl by a sequential treatment using Pd coated iron and an aerobic bacterium (H1), <Chemsphere>,2009年，第76期，P1491–1497）报道了不可被微生物降解的的一种多氯联苯（PCB101）在经过纳米零价铁还原后所形成的产物，如PCB17，可以被微生物继续还原，并最终被还原为无毒无害的烃类产物。
发明内容
基于以上现有技术存在的问题，如要达到快速、彻底地修复污染场地的目的，使用单一的纳米零价铁修复技术虽然可获得快速的修复效果，但修复不彻底；而采用单一的微生物修复技术，其只对低浓度污染物可以达到好的修复效果。而同时使用纳米零价铁和微生物，前者则会对后者显示出毒害作用，失去了微生物修复的功效。尽管，在纳米零价铁表面包覆了
有机聚合物层后对微生物的毒害性有一定程度的减弱，但即使将包覆了有机聚合物的纳米零价铁和微生物混合同时使用也难以发挥各自的优势。因此，发明的任务是寻找既快速又彻底的修复污染场地的方法。
本发明是将纳米零价铁修复技术与微生物修复技术有机结合，协同发挥两种技术的优势，实现污染场地的快速并彻底地修复的目的。
本发明提供的纳米零价铁与还原性微生物组合修复污染场地的方法，包括将纳米零价铁注射液经过注射井注入污染土壤，注射液中的纳米零价铁的表面包覆有有机聚合物包覆层，其特征是：在注入包覆有有机聚合物层的纳米零价铁注射液后，当其中的纳米零价铁被氧化殆尽时，将还原菌菌液注射到污染土壤中进行微生物修复。
在纳米零价铁表面包覆上一层有机聚合物层后，一方面可以阻止纳米零价铁的团聚，达到稳定纳米零价铁的作用，并且保证纳米零价铁被注射入污染场地的地下后可以被传递到目标污染源区域，进而达到维持纳米零价铁的长时间的有效活性的目的；另一方面，有机聚合物层可以作为污染场地地下土著微生物生长所需要的碳源物质，促进土著微生物的生长，并增快对污染物的降解。而向污染场地的地下注射可降解污染物的特定类型的菌类，则可以更有选择性地快速降解目标污染物。在向污染场地的地下注射纳米零价铁一段时间后，沿着注射井向地下注射可降解目标污染物的特定类型的还原型微生物，可以达到以下几点效果：1）纳米零价铁被氧化后产生的Fe2+和Fe3+对微生物生长具有酶促作用，促进微生物的生长；2）残留的微量、没有被氧化的Fe0可以作为微生物生长的电子供体；3）经过纳米零价铁的前期修复，使得场地的无氧条件更充分，可以保证无氧还原菌的更有效的发育生长，实现有效生物降解污染物；4）包覆层的有机聚合物可以作为修复后期注射进入场地的微生物生长的有利碳源，促进微生物生长，进而提高后期微生物修复的效果；还可以通过利用包覆层的有机聚合物达到共代谢残留的污染物；5）由于纳米零价铁对污染物的还原降解机理与还原微生物对污染物的还原降解机理不同，并且纳米零价铁通常会将污染物还原为中间状态的产物，而没有将污染物彻底还原为无毒的最终产物，通过后期注射入微生物可以将前期纳米零价铁修复阶段残留的原污染物以及纳米零价铁还原产生的中间有毒产物彻底还原，达到彻底修复的目的；6）由于纳米零价铁对高浓度污染物的更佳效果可以快速降低污染物浓度进而保证了后期微生物修复的效果，并且经过纳米零价铁修复后所产生的多种条件，如Fe离子的产生、包覆层的有机聚合物碳源以及更好的无氧条件都可对后期微生物的生长提供有利条件，使得微生物可以大量快速地繁育，进而，后期注射的微生物对前期纳米零价铁修复阶段所残留的低浓度污染物以及有毒中间产物进行彻底清除，实现两者协同作用，最终实现污染场地的快速、彻底修复。
为了提供纳米零价铁材料的稳定性以及更有效地发挥纳米零价铁与微生物修复之间的协同功效，包覆层的有机聚合物材料可优选羧甲基纤维素，聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯吡咯烷酮、胍尔豆胶，聚苯乙烯磺酸盐(PSS)及聚天门冬氨酸盐中的一种或一种以上，因为这些有机聚合物的分子量大，可以为纳米零价铁颗粒提供更大的结构排斥作用，起到稳定纳米零价铁颗粒的作用，同时，这些有机聚合物是环境友好并易于被微生物利用代谢，可以起到促进后续注入的微生物的生长的作用。
为保证纳米零价铁具有更好的修复效果，所述的注射入污染场地的包覆有有机聚合物层的纳米零价铁注射液的浓度范围为1-20 g/L，注入此浓度范围内的纳米零价铁颗粒可以保证向污染场地地下注入了足够量的纳米零价铁以满足和污染物反应的需要，同时，在此浓度范围内，纳米零价铁的团聚程度不会过大，有利于维持纳米零价铁颗粒的稳定性以及后续在污染场地土壤颗粒中的传递性及反应活性。
为保证所注射井污染场地地下的微生物可以更稳定、快速生长发育发挥生物修复的效果，所述的还原菌菌液中还原菌中需要加入N、P营养物质。
具体实施方案
实施例1
本发明提供的修复方法，通过以下步骤实施：
1）选择受污染的待修复场地，场地调查发现：污染物主要为三氯乙烯，污染物总质量在40-80 kg，污染面积为1000 m2，污染深度为地下8米以上区域，地下水中的污染物的平均总浓度达到189 ug/L;
2）向地下注射含有有机聚合物包覆层的包覆型纳米零价铁颗粒悬浮液：在上述污染场地中设置18个深度为8米的注射井以及18个监测井，总共向地下注射入14 m3浓度为10 g/L的羧甲基纤维素包覆的纳米零价铁颗粒悬浊液，包覆在纳米零价铁表面的羧甲基纤维素的质量占整个纳米零价铁总质量的0.5%。在注射纳米零价铁悬浮液的同时，以与注射速率相同的速率从注射井的下游的抽提井中抽提地下水，一旦注射完成即停止抽提地下水。
3）待纳米零价铁悬浮液注入完全后，密封注射井，以便注入进地下污染区域的纳米零价铁与污染物充分反应，通过从监控井中取样分析注射到地下的纳米零价铁中有效Fe0的量，待反应两个月后有效Fe0消耗殆尽。
4）向注射井中注射用于残余的、没有被纳米零价铁还原的三氯乙烯的、含有dehalococcoides (两种不同族的微生物) 以及acetogens和methanogens的菌类（KB1）的菌液，菌液中KB1菌类的浓度范围为1.8*1011/L -2.2*1011/L，菌液中还含有10 g/L的乳化油、0.3 g/L的NaNO3以及0.1 g/L的Na3PO4。以0.5 m3/h的注射速率共向污染场地地下注入10 m3的菌液。注射菌液过程中，以相同于注射速率的速率从注射井下游的抽提井中抽提地下水，一旦菌液注射完成，立即停止抽提地下水。
5）然后密封注射井和抽提井，让微生物在地下含水层中将残余的卤代烃反应还原反应，并定期（ 3天一次）抽取地下水样，检测污染物浓度、以及无机盐、NO3 -等浓度，经过微生物修复四个月后，检测到的三氯乙烯的浓度仅为3.2 ug/L，三氯乙烯的代谢产物二氯乙烯和氯乙烯的浓度分别为0.4 ug/L和0.7 ug/L。生物修复四个月后，对污染源区域的土壤样分析发现，土壤中三氯乙烯的浓度为5 mg/g。
6）继续监控此污染场地 六个月，发现污染物的浓度持续降低，并在六个月后，上述的、污染场地地下水中的各种污染物均已低于检测限。此时，停止监控此场地。
Claims (5)
1.一种纳米零价铁与还原性微生物组合修复污染场地的方法，包括将纳米零价铁注射液经过注射井注入污染土壤，注射液中的纳米零价铁的表面包覆有有机聚合物包覆层，其特征是：在注入包覆有有机聚合物层的纳米零价铁注射液后，当其中的纳米零价铁被氧化殆尽时，将还原菌菌液注射到污染土壤中进行微生物修复。
2.按权利要求1所述的纳米零价铁与还原性微生物组合修复污染场地的方法，其特征是：所述的有机聚合物包覆层至少含有羧甲基纤维素，聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯吡咯烷酮、胍尔豆胶、聚苯乙烯磺酸盐(PSS)及聚天门冬氨酸盐中的一种。
3.按权利要求1或2所述的纳米零价铁与还原性微生物组合修复污染场地的方法，其特征是：所述的包覆有有机聚合物层的纳米零价铁注射液的浓度范围为1-20 g/L。
4.按权利要求1或2所述的纳米零价铁与还原性微生物组合修复污染场地的方法，其特征是：所述的还原菌菌液中需要加入N、P营养物质。
5.按权利要求3所述的纳米零价铁与还原性微生物组合修复污染场地的方法，其特征是：所述的还原菌菌液需要加入N、P营养物质。
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