CN112024590A - 一种基于微生物-有机质修复铬污染土壤的原电池装置及其修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微生物‑有机质修复铬污染土壤的原电池装置及其修复方法。装置中含有产电微生物的厌氧污泥与有机质混合后产生电子，通过电极材料和电子传递通路传递电子修复铬污染土壤中的Cr6+，并通过盐桥中的K+诱导来改善产电微生物的代谢，促进铬的活化，且添加有机酸淋洗液能够促使微生物吸附转化土壤中部分Cr6+；随后将有机质和厌氧污泥的混合物与修复后的污染土壤取出来混合，种植耐铬植物能够大量富集污染土壤中剩余铬，确保土壤中Cr6+的浓度满足相应的用地类型标准；应用该装置进行铬污染土壤的修复，能够快速有效解决铬污染的问题，且具有成本低、操作简单、效率高、不会产生二次污染的优点，具有良好的应用潜力。
Description
技术领域
本发明属于土壤重金属修复技术领域。更具体地，涉及一种基于微生物-有机质修复铬污染土壤的原电池装置及其修复方法。
背景技术
随着我国工业的快速发展，铬广泛应用于电镀、金属加工、制革、染料、钢铁和化工等行业，由于生产过程的渗漏、废水的不达标排放以及含铬废渣的渗滤等，导致大量铬进入场地周边土壤和地下水，Cr6+已成为一种主要的工业场地土壤污染物。而污染铬主要是以Cr6+和Cr3+2种价态形式存在，Cr6+的毒性是Cr3+的500倍。Cr3+易被土壤胶体和矿物质通过吸附、配位、络合、沉淀等作用固定于土壤中，其迁移性和生物有效性较低；而Cr6+的活性较高，一般不会被土壤强烈地吸附，因而在土壤中较易迁移，容易对环境造成影响。随着资源问题越来越成为当下人们所关注的一个话题，节约成本和最大限度的开发利用新能源已经成为了社会焦点问题；因此，利用生物方法来解决环境污染是非常重要的一个出路。所以，土壤中重金属Cr6+的去除已成为污染土壤修复的一个重要课题。
铬污染场地的治理途径主要有2种：一是将铬从被污染的土壤及地下水中清除，或者降低其浓度至土壤背景值以下，如客土法、植物修复法等。二是改变铬在土壤中的存在形态，利用化学还原法、生物还原法等，将Cr6+还原为Cr3+，以降低其在土壤-植物以及土壤-地下水中的迁移性、生物毒性及生物有效性；在实际运用中，此途径因不破坏土壤结构、成本低且操作简便，适用于重金属污染较大面积土壤的修复。但是，不恰当的修复技术并未将Cr6+从土壤中彻底去除，且存在修复之后受外界环境干扰Cr3+容易再次被氧化为Cr6+，随后释放到环境中导致二次污染的风险。
土壤原电池修复技术能有效去除土壤中的Cr6+，而且具有二次污染风险小的优点，是目前Cr6+污染土壤修复领域研究的热点。例如，公开号为CN109622598A的专利公开了一种基于原电池原理修复重金属污染土壤的方法，能够去除土壤中的Cr6+；但是，该方法中添加了铁、锰等其它外源物质，具有成本高、不环保等缺点。因此，提供一种节能环保、成本低、操作简便、效率高、能够快速有效解决铬污染严重问题的方法，对于铬污染土壤的修复具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有修复铬污染土壤的方法的缺陷和不足，提供一种基于微生物-有机质修复铬污染土壤的原电池装置及其修复方法。
本发明的目的是提供一种基于微生物-有机质修复铬污染土壤的原电池装置。
本发明另一目的是提供所述装置在修复铬污染土壤中的应用。
本发明再一目的是提供一种利用所述装置修复铬污染土壤的方法。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种基于微生物-有机质修复铬污染土壤的原电池装置，包括阳极室、阴极室、电子传递通路和盐桥；所述阳极室的侧面上部设置有进料口、侧面下部设置有出料口，所述阳极室的顶部设置有密封盖，电极1通过所述密封盖插入所述阳极室内部；所述孔的直径与所述电极1的直径相同；
所述阴极室由上部开口的储土罐、淋洗回收系统和电极2组成，所述淋洗回收系统设置于所述储土罐的内部，所述储土罐的侧面下部设置有过滤阀门，所述淋洗回收系统的内部设置有间隔式筛网，所述电极2插入所述淋洗回收系统内部；
所述盐桥的一端插入阳极室、另一端插入阴极室的中的储土罐，所述电子传递通路的一端与电极1的上端连接，另一端与电极2的上端连接形成传递电子的通路。
优选地，所述间隔式筛网从距离所述淋洗回收系统底部1/5处开始向上设置。
优选地，所述进料口设置于所述阳极室的侧面上部边缘处，所述出料口设置于所述阳极室的侧面下部边缘处。
优选地，所述电极1和所述电极2的规格相同。
更优选地，所述电极1和所述电极2均为碳刷。
优选地，所述电子传递通路为钛导线。采用所述钛导线传递电子，使得电子参与Cr6+的还原。
所述装置在修复铬污染土壤中的应用，也应在本发明的保护范围之内。
另外，本发明还提供了一种利用所述装置修复铬污染土壤的方法，包括以下步骤：
S1.将有机质预处理后与含有产电微生物的厌氧污泥混合，装入阳极室中，将污染土壤装入储土罐中，并加入淋洗液至储土罐中进行淋洗，随后流入淋洗回收系统中，通过盐桥和电子间的转移形成闭合回路，进行修复污染土壤；
S2.将步骤S1得到的有机质和厌氧污泥的混合物从阳极室取出、将修复后的污染土壤从储土罐取出，混合，种植耐铬植物萃取污染土壤中剩余铬，即完成污染土壤的修复。
利用所述装置修复铬污染土壤的工作原理为：
基于微生物-有机质产电效应构建的原电池，预处理后的有机质与含有产电微生物的厌氧污泥混合后，共同参与产电活跃菌厌氧代谢产生电子，形成阴极室和阳极室的电场梯度，产生电势差。电子通过碳刷和钛导线由低电势的阳极室流向高电势的阴极室，土壤溶液中的Cr6+得到电子发生还原反应转化为低价态化合物，同时添加有机酸淋洗液能够促使微生物吸附转化土壤中部分Cr6+；盐桥中充满饱和KCl溶液，连接阳极室和阴极室，以维持阴阳离子的平衡；
待Cr6+溶液(多次淋洗)修复完成后，将阳极室的微生物-有机质与阴极室土壤混合，通过盐桥中的K+诱导部分微生物加强糖酵解途径、三羧酸循环和其他途径产生有机酸，活化土壤中剩余的Cr3+；同时，种植耐铬植物，在无机盐、有机质的作用下萃取土壤铬(Cr3+、Cr6+)，最终经过多次植物栽培后，完成土壤Cr6+修复。
优选地，步骤S1所述有机质与厌氧污泥的混合质量比为1：5～7。
更优选地，步骤S1所述有机质与厌氧污泥的混合质量比为1：6。
优选地，步骤S1所述有机质为秸秆和菜梗的混合物。
优选地，所述秸秆为玉米秸秆、水稻秸秆或小麦秸秆中的任意一种或几种。
具体优选地，所述有机质为质量比为4：1：1～3的玉米秸秆、水稻秸秆和菜梗的混合物。
更优选地，所述有机质为质量比为4：1：2的玉米秸秆、水稻秸秆和菜梗的混合物。
优选地，所述秸秆的含水率为60％～70％。
更优选地，所述秸秆的含水率为65％。
优选地，所述秸秆的细度为2～5mm。
更优选地，所述秸秆的细度为3mm。
具体优选地，步骤S1所述厌氧污泥和有机质装入阳极室中的高度为45～55cm。
更优选地，步骤S1所述厌氧污泥和有机质装入阳极室中的高度为50cm。
优选地，步骤S1所述淋洗液为体积比为0.5～2：1的有机酸和水的混合物。
更优选地，步骤S1所述淋洗液为体积比为1：1的有机酸和水的混合物。
优选地，所述有机酸为酒石酸、富马酸或琥珀酸中的任意一种或几种。
优选地，步骤S1所述淋洗液的浓度为0.2～1.2mol/L。
更优选地，步骤S1所述淋洗液的浓度为0.6mol/L。
优选地，所述盐桥为琼脂盐桥。
优选地，步骤S1所述有机质预处理的方法为：用稀硫酸溶液浸泡有机质(分解木质素、纤维素)，用去离子水冲洗(去除有机质外表所吸附的稀硫酸溶液)后，加入Ca(OH)2溶液中78℃～82℃水浴22～26h。
优选地，所述水浴的条件为80℃水浴24h。
优选地，所述浸泡的温度为58℃～62℃。
更优选地，所述浸泡的温度为60℃。
优选地，所述Ca(OH)2溶液的浓度为4％～8％。
更优选地，所述Ca(OH)2溶液的浓度为6％。
优选地，步骤S2中，步骤S1得到的有机质和厌氧污泥的混合物与修复后的污染土壤混合的质量比为1：250～1000。
更优选地，步骤S2中，步骤S1得到的有机质和厌氧污泥的混合物与修复后的污染土壤混合的质量比为1：500。
优选地，步骤S2所述耐铬植物为李氏禾和/或狼尾草。当李氏禾和狼尾草混合种植时，所述李氏禾的种植密度为20～30株/m3，所述狼尾草的种植密度为10～15株/m3。
优选地，所述种植的温度为22℃～28℃。
更优选地，所述种植的温度为25℃。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种基于微生物-有机质修复铬污染土壤的原电池装置及其修复方法。本发明提供了一种基于微生物产电效应构建的原电池装置，产电微生物的厌氧污泥与有机质混合后产生电子，通过电极材料和电子传递通路传递电子修复铬污染土壤中的Cr6+，并通过盐桥中的K+诱导改善产电微生物的代谢，促进铬(Cr3+、Cr6+)的活化，同时种植的耐铬植物能够通过自身的新陈代谢作用大量富集污染土壤中剩余铬，完成铬污染土壤的修复，达到治理重金属污染的目的。
该装置属于微生物原电池，是利用生物能量的一种重要的方式，应用该装置进行铬污染土壤的修复时，具有节能环保、成本低、操作简单、效率高、不会产生二次污染的优点，符合现代科学发展观，是一种绿色环保的理念；因此，该装置在修复铬污染土壤中具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是基于微生物-有机质修复铬污染土壤的原电池装置的结构示意图。
图2是阳极室的结构示意图。
图3是阴极室的结构示意图。
图4是过滤阀门的结构示意图。
附图标记：1-阳极室；2-阴极室；3-电子传递通路；4-盐桥；11-进料口；12-出料口；13-密封盖；14-电极1；15-微生物；16-有机质；17-厌氧污泥；18-琼脂；21-储土罐；22-淋洗回收系统；23-电极2；24-过滤阀门；25-间隔式筛网。
具体实施方式
以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
实施例1基于微生物-有机质修复铬污染土壤的原电池装置
本实施例提供了一种基于微生物-有机质修复铬污染土壤的原电池装置，包括阳极室1、阴极室2、电子传递通路3和盐桥4；阳极室1的侧面上部设置有进料口11、侧面下部设置有出料口12，阳极室1的顶部设置有密封盖13，电极1 14通过密封盖13插入阳极室1内部；所述孔的直径与所述电极1 14的直径相同；
阴极室2由上部开口的储土罐21、淋洗回收系统22和电极2 23组成，淋洗回收系统22设置于储土罐21的内部，储土罐21的侧面下部设置有过滤阀门24，淋洗回收系统22的内部设置有间隔式筛网25，电极2 23插入淋洗回收系统22内部；
盐桥4的一端插入阳极室1、另一端插入阴极室2的中的储土罐21，电子传递通路3的一端与电极1 14的上端连接，另一端与电极2 23的上端连接形成传递电子的通路。
本实施例中，所述间隔式筛网从距离所述淋洗回收系统底部1/5处开始向上设置。
本实施例中，进料口11设置于阳极室1的侧面上部边缘处，出料口12设置于阳极室1的侧面下部边缘处。
本实施例中，电极1 14和电极2 23均为规格相同的碳刷。
本实施例中，电子传递通路3为钛导线。
实施例2铬污染土壤的修复
一种利用实施例1的装置修复铬污染土壤的方法，包括以下步骤：
S1.将有机质预处理后与含有产电微生物的厌氧污泥混合，装入阳极室1中，将污染土壤装入储土罐21中，并加入淋洗液至储土罐21中进行淋洗，随后流入淋洗回收系统22中，通过盐桥4和电子间的转移形成闭合回路，进行修复污染土壤；
S2.将步骤S1得到的有机质和厌氧污泥的混合物从阳极室1取出、将修复后的污染土壤从储土罐21取出，混合，种植耐铬植物萃取污染土壤中剩余铬，即完成污染土壤的修复。
利用装置修复铬污染土壤的工作原理为：
基于微生物-有机质产电效应构建的原电池，预处理后的有机质与含有产电微生物的厌氧污泥混合后，共同参与产电活跃菌厌氧代谢产生电子，形成阴极室和阳极室的电场梯度，产生电势差。电子通过碳刷和钛导线由低电势的阳极室流向高电势的阴极室，土壤溶液中的Cr6+得到电子发生还原反应转化为低价态化合物，同时添加有机酸淋洗液能够促使微生物吸附转化土壤中部分Cr6+；盐桥中充满饱和KCl溶液，连接阳极室和阴极室，以维持阴阳离子的平衡；
基于微生物-有机质产电效应构建的原电池，预处理后的有机质与含有产电微生物的厌氧污泥混合后，共同参与产电活跃菌厌氧代谢产生电子，形成阴极室和阳极室的电场梯度，产生电势差。电子通过碳刷和钛导线由高电势的阳极室流向低电势的阴极室，土壤溶液中的Cr6+得到电子发生还原反应转化为低价态化合物，同时添加有机酸淋洗液能够促使微生物吸附转化土壤中部分Cr6+；盐桥中充满饱和KCl溶液，连接阳极室和阴极室，以维持阴阳离子的平衡；
本实施例中，步骤S1有机质与厌氧污泥的混合质量比为1：6。
本实施例中，步骤S1有机质为质量比为4：1：2的玉米秸秆、水稻秸秆和菜梗的混合物；秸秆的含水率为65％；秸秆的细度为3mm。
本实施例中，步骤S1厌氧污泥和有机质装入阳极室中的高度为50cm。
本实施例中，步骤S1淋洗液为体积比为1：1的有机酸(酒石酸)和水的混合物；步骤S1淋洗液的浓度为0.6mol/L。
本实施例中，所述盐桥4为琼脂盐桥。
本实施例中，步骤S1有机质预处理的方法为：用稀硫酸溶液浸泡有机质，用去离子水冲洗后，加入Ca(OH)2溶液中80℃水浴24h；浸泡的温度为60℃；Ca(OH)2溶液的浓度为6％。
本实施例中，步骤S2中，步骤S1得到的有机质和厌氧污泥的混合物与修复后的污染土壤混合的质量比为1：500。
本实施例中，步骤S2耐铬植物为李氏禾和狼尾草混合种植，李氏禾的种植密度为20～30株/m3，狼尾草的种植密度为10～15株/m3；种植的温度为25℃。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于微生物-有机质修复铬污染土壤的原电池装置，其特征在于，包括阳极室(1)、阴极室(2)、电子传递通路(3)和盐桥(4)；所述阳极室(1)的侧面上部设置有进料口(11)、侧面下部设置有出料口(12)，所述阳极室(1)的顶部设置有带有孔的密封盖(13)，电极1(14)通过所述密封盖(13)插入所述阳极室(1)内部；所述孔的直径与所述电极1(14)的直径相同；
所述阴极室(2)由上部开口的储土罐(21)、淋洗回收系统(22)和电极2(23)组成，所述淋洗回收系统(22)设置于所述储土罐(21)的内部，所述储土罐(21)的侧面下部设置有过滤阀门(24)，所述淋洗回收系统(22)的内部设置有间隔式筛网(25)，所述电极2(23)插入所述淋洗回收系统(22)内部；
所述盐桥(4)的一端插入阳极室(1)、另一端插入阴极室(2)中的储土罐(21)，所述电子传递通路(3)的一端与电极1(14)的上端连接，另一端与电极2(23)的上端连接形成传递电子的通路。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述进料口(11)设置于所述阳极室(1)的侧面上部边缘处，所述出料口(12)设置于所述阳极室(1)的侧面下部边缘处。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电极1(14)和所述电极2(23)的规格相同。
4.权利要求1～5任一所述装置在修复铬污染土壤中的应用。
5.一种利用权利要求1～3任一所述装置修复铬污染土壤的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将有机质预处理后与含有产电微生物的厌氧污泥混合，装入阳极室(1)中，将污染土壤装入储土罐(21)中，并加入淋洗液至储土罐(21)中进行淋洗，随后流入淋洗回收系统(22)中，通过盐桥(4)和电子间的转移形成闭合回路，进行修复污染土壤；
S2.将步骤S1得到的有机质和厌氧污泥的混合物从阳极室(1)取出、将修复后的污染土壤从储土罐(21)取出，混合，种植耐铬植物萃取污染土壤中剩余铬，即完成污染土壤的修复。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S1所述有机质与厌氧污泥的混合质量比为1：5～7。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S1所述有机质为秸秆和菜梗的混合物。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S1所述淋洗液为体积比为0.5～2：1的有机酸和水的混合物；步骤S1所述淋洗液的浓度为0.2～1.2mol/L。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述有机酸为酒石酸、富马酸或琥珀酸中的任意一种或几种。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S2中，步骤S1得到的有机质和厌氧污泥的混合物与修复后的污染土壤混合的质量比为1：250～1000。
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