CN113231457B - 一种氧化镁与微生物修复重金属污染土的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种氧化镁与微生物修复重金属污染土的方法，属于岩土工程技术领域。该方法包括混合料的配制，改良混合料的配制及检测，重金属污染场地的修复。所述混合料中包含氧化镁，所述改良混合料中包括混合料、微生物菌液，所述修复采用在重金属污染场地上进行多层土工膜和多层改良混合料的铺设。经本方法修复后的重金属污染场地，可以实现对有害元素的固化，降低对环境的污染。尤其是氧化镁的加入，为微生物提供碱性环境，使得碳酸盐矿物更好包裹吸附重金属离子，而且其与微生物反应产物可以固定二氧化碳，为我国治理大气污染做出贡献。另外微生物培养采用廉价培养基，降低了成本。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，涉及一种氧化镁与微生物修复重金属污染土的方法，具体是利用氧化镁和细菌治理重金属污染土壤的修复方法。
背景技术
随着我国工业化和城市化进程的发展，大批市中心、近郊地区的污染企业逐步实施了退城进园、关停并转工作。由于污染企业的搬迁，遗留了大批重金属污染场地，亦制约了场地的二次开发利用，亟待修复。现有重金属污染场地修复的方法主要包括物理、化学、物理化学、植物、微生物修复以及多种方法协同修复等。与传统基于水泥、石灰等固化剂的固化/稳定方法相比，微生物修复方法具有低能耗、快速、高效、绿色等优点。
微生物修复重金属污染土主要利用微生物诱导碳酸钙沉淀过程中重金属离子与碳酸根离子结合发生共沉淀，将重金属固定在其晶体结构中。但重金属对微生物有毒害作用，影响碳酸盐产率，反应过程中氨气挥发和生物氨氧化作用导致土体pH值降低，进而引起碳酸钙溶解，处理后土体的工程性质和污染物滤出浓度难以达到污染场地修复要求。
影响微生物矿化作用修复重金属污染土效果的影响因素众多，包括内在因素和外在因素两大类。内在因素包括微生物各组分掺量及浓度、土体基本性质、重金属离子类型及浓度、土体pH值等，外在因素包括环境温度、湿度等。其中，pH值对微生物的固化效果有较为显著的影响。主要体现在三方面：一是通过改变生物体内大分子物质(比如蛋白质和核酸)的电荷，进而影响其生物活性；二是通过改变细胞膜电荷，降低微生物对营养物质的吸收利用；三是恶化微生物生存环境，增强有害物质的毒性。
目前，对于修复重金属污染土已有多篇学术论文进行研究，例如：
1、题为“Implications for Interpreting Calcite Precipitation and forSolid-Phase Capture of Inorganic Contaminants[J]”(P Li，W Qu.springerInternational Publishing，2015.)(李普，屈武“影响方解石固化无机污染物的因素”，施普林格国际出版，2015)，提出生物技术在弱碱性重金属污染土壤中效果较好，在酸性土壤中效果会大大降低。因此，控制和提高反应体系pH值，是增强微生物固化重金属污染土效果的又一关键。
2、题为“微生物诱导碳酸钙沉淀对土壤中Pb污染稳定化的效果研究[J].”(陈敏洁、李亚飞、李博文、姜晓茹、郑春丽，有色金属工程，2020.)，提出MICP技术作为目前应用较为广泛的一种修复方法，未来对于修复重金属污染场地具有非常好的应用前景，但在实际工程应用中，还需要对细菌在土壤中的适应性、土壤复杂环境中的矿化过程以及沉淀物的稳定性、土壤复杂环境中的矿化过程以及沉淀物的稳定等诸多问题进行深入研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种氧化镁与微生物修复重金属污染土的方法，通过氧化镁的加入，提高重金属污染土场地修复的稳定性，且对重金属污染场地进行修复和防止重金属污染物的运移，保护环境安全与人体健康。
本发明的目的是这样实现的，本发明提供了一种氧化镁与微生物修复重金属污染土的方法，包括以下步骤：
步骤1，重金属污染场地的认定和混合料的配制
步骤1.1，在疑似重金属污染土的场地取土样并记为疑似土样，密封保存至实验室，检测疑似土样的重金属浓度并记为原始重金属浓度，若原始重金属浓度超出国家标准时，则认定该场地为重金属污染土场地，需要进行修复；
步骤1.2，对步骤1.1认定的重金属污染土场地，首先进行表面杂物的清理，然后自上而下挖取深度为0.5m～2m的表层重金属污染土置于场地附近拌料场，在95℃～115℃温度下烘干40～54小时后，放入碎土机打碎并过0.5mm筛；
将步骤1.2处理过的表层重金属污染土记为重金属污染干土；
步骤1.3，所述混合料由轻质氧化镁和重金属污染干土均匀混合而成，其重量比为12～18∶95～105；
步骤2，微生物菌液的配置
所述微生物菌液由巴氏芽孢杆菌、培养液配置而成；
所述培养液由酵母提取物、Tris Buffer、(NH4)SO4、水配置而成，其质量组成按前述顺序分别为40∶31.4∶20∶2000，具体的，首先将酵母提取物、Tris Buffer、(NH4)SO4配置成溶质，然后再将溶质与水混合调配成培养液，将培养液在121℃～123℃下灭菌20min～30min，待冷却到室温时备用；
待培养液的温度降至室温后，取培养液于容器中，用无菌移液器将巴氏芽孢杆菌加入到培养液内得到微生物菌液，巴氏芽孢杆菌与培养液的容量比为1：100，将微生物菌液放入恒温震荡箱内进行培养，恒温震荡箱温度为28℃～32℃，振荡频率为200rpm～320rpm，培养时间为40h～56h；培养完成后，测量微生物菌液在600nm波长处的吸光值，即OD600值，在OD600＝1.8～2.0时取出待用；
步骤3，胶结液的配置
胶结液由无水氯化钙、尿素和水配置而成，其质量组成按前述顺序分别为111∶60∶1000；具体的，首先将无水氯化钙和尿素配置成为混合溶质，然后将混合溶质与水混合调配成胶结液；
步骤4，改良混合料的配制与检测
步骤4.1，改良混合料的配制
所述改良混合料由混合料、微生物菌液和胶结液均匀混合而成，其质量组成按前述顺序分别为195～205∶21.3～26.3∶21.3～26.3，具体的，先将混合料和微生物菌液混合搅拌均匀，然后再加入胶结液混合搅拌均匀；
步骤4.2，改良混合料的检测
在步骤4.1得到的改良混合料中取土样并记为改良混合土样，密封保存放入养护箱，在25℃恒温中养护6～8天，检测改良混合土样的重金属浓度，并进行如下判断：
若改良混合土样的重金属浓度满足步骤1.1所述国家标准，进入步骤5；否则，将该改良混合料视为混合料，并返回步骤4.1；
步骤5，重金属污染场地的修复
对步骤1认定的重金属污染土场地进行整平压实，然后进行N层土工膜和N层改良混合料的铺设，即从铺设第一层土工膜开始，进行N层土工膜铺设，并在每层土工膜上铺设一层改良混合料，其中N为改良混合料层的层数，具体的，先铺设第一层土工膜，然后在第一层土工膜上面按照设定层厚C铺设第一层改良混合料，并按照设定压实度D进行压实，再在第一次改良混合料上铺设第二层土工膜，以此类推共完成N层土工膜和N层改良混合料的铺设，要求整个铺设在12小时内完成，并采用压路机进行压实；
至此，对重金属污染场地的修复完成。
优选地，所述土工膜采用高密度聚乙烯防渗透土工膜。
优选地，所述设定压实度D＝85％～95％。
优选地，所述设定层厚C＝0.3m～0.7m。
优选地，所述改良混合料层的层数N＝3～7。
优选地，所述步骤1.1所述国家标准为：
(1)《GB15618-2018土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》；
(2)《GB36600-2018土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》；
当疑似污染场地为农用地时选择(1)，当疑似污染场地为建设用地时选择(2)。
与现有技术相比，本发明的有益的效果包括：
1、该方法简单，可以满足重金属污染场地的修复问题，具体的，经氧化镁与微生物修复后的场地可以实现对有害元素的固化，降低对环境的污染。
氧化镁是碱性氧化物，在水溶液中生成氢氧化镁而使溶液呈碱性，具有比表面积大、孔结构丰富、吸附力强、适用范围广等特点，常用于去除重金属离子、有机物等。氧化镁在溶液中呈碱性有利于细菌的生长，且比表面积大具有强吸附性有助于提高固化效率。
2、氧化镁的加入还可以促使碳酸盐矿物由菱面体状向纤维状、网状转变，更好包裹吸附重金属离子，还可生成碳酸镁和镁方解石，增加其胶结性，提高强度2～4倍。
3、土壤中含有大量微生物群，选取具有一定功能的微生物，经过培养，可以用于胶结土壤颗粒，固化土体，提高承载能力，减少液化现象。
4、氧化镁在土体固化中主要采用碳化固化的方式，高活性的氧化镁碳化固化24h强度比养护28d水泥土强度还高，这不仅可以吸收一部分的二氧化碳，也提高了固化的效率和强度，有利于解决我国大气污染问题。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
图2为本发明实施例中土工膜和改良混合料的铺设状态示意图。
图3为本发明实施例中氧化镁掺量与重金属去除率A之间的关系图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明方法做进一步详细的描述。
图1是本发明的流程图，从该图可见，本发明一种氧化镁与微生物修复重金属污染土的方法，包括以下步骤：
步骤1，重金属污染场地的认定和混合料的配制
步骤1.1，在疑似重金属污染土的场地取土样并记为疑似土样，密封保存至实验室，检测疑似土样的重金属浓度并记为原始重金属浓度，若原始重金属浓度超出国家标准时，则认定该场地为重金属污染土场地，需要进行修复。
步骤1.2，对步骤1.1认定的重金属污染土场地，首先进行表面杂物的清理，然后自上而下挖取深度为0.5m～2m的表层重金属污染土置于场地附近拌料场，在95℃～115℃温度下烘干40～54小时后，放入碎土机打碎并过0.5mm筛。
将步骤1.2处理过的表层重金属污染土记为重金属污染干土。
在本实施例中，烘干温度为105℃，烘干时间为48小时。
步骤1.3，所述混合料由轻质氧化镁和重金属污染干土均匀混合而成，其重量比为12～18∶95～105。
在本实例中，轻质氧化镁和重金属污染干土的重量比为15∶100。
步骤2，微生物菌液的配置
所述微生物菌液由巴氏芽孢杆菌、培养液配置而成。
所述培养液由酵母提取物、Tris Buffer、(NH4)SO4、水配置而成，其质量组成按前述顺序分别为40∶31.4∶20∶2000，具体的，首先将酵母提取物、Tris Buffer、(NH4)SO4配置成溶质，然后再将溶质与水混合调配成培养液，将培养液在121℃～123℃下灭菌20min～30min，待冷却到室温时备用。
所述Tris Buffer(三羟甲基氨基甲烷)的作用是调节pH，保护微生物。
待培养液的温度降至室温后，取培养液于容器中，用无菌移液器将巴氏芽孢杆菌加入到培养液内得到微生物菌液，巴氏芽孢杆菌与培养液的容量比为1∶100，将微生物菌液放入恒温震荡箱内进行培养，恒温震荡箱温度为28℃～32℃，振荡频率为200rpm～320rpm，培养时间为40h～56h；培养完成后，测量微生物菌液在600nm波长处的吸光值，即OD600值，在OD600＝1.8～2.0时取出待用。
在本实施例中，将培养液在在121℃下灭菌20min，待冷却到室温时备用。
在本实施例中，恒温震荡箱温度为30℃，振荡频率为200rpm，培养时间为48h。
步骤3，胶结液的配置
胶结液由无水氯化钙、尿素和水配置而成，其质量组成按前述顺序分别为111∶60∶1000；具体的，首先将无水氯化钙和尿素配置成为混合溶质，然后将混合溶质与水混合调配成胶结液。
步骤4，改良混合料的配制与检测
步骤4.1，改良混合料的配制
所述改良混合料由混合料、微生物菌液和胶结液均匀混合而成，其质量组成按前述顺序分别为195～205∶21.3～26.3∶21.3～26.3，具体的，先将混合料和微生物菌液混合搅拌均匀，然后再加入胶结液混合搅拌均匀。
在本实施例中，混合料、微生物菌液、胶结液的质量组成分别为200∶23.8∶23.8。
步骤4.2，改良混合料的检测
在步骤4.1得到的改良混合料中取土样并记为改良混合土样，密封保存放入养护箱，在25℃恒温中养护6～8天，检测改良混合土样的重金属浓度，并进行如下判断：
若改良混合土样的重金属浓度满足步骤1.1所述国家标准，认定达到修复效果，进入步骤5；否则，将该改良混合料视为混合料，并返回步骤4.1。
在本实施例中，改良混合土样在养护箱中的养护时间为7天。
在本实施例中，第一次配制的改良混合料经检测，不满足步骤1.1所述国家标准，即将第一次配制的改良混合料视为混合料，返回步骤4.1进行二次配制，具体的，在第二次配制过程中，将第一次配制的改良混合料、微生物菌液、胶结液按照质量组成200∶23.8∶23.8配制成为第二次配制的改良混合料。
然后，再次进行步骤4.2的检测，经检测，第二次配制的改良混合料满足步骤1.1所述国家标准，进入步骤5。
步骤5，重金属污染场地的修复
对步骤1将认定的重金属污染土场地进行整平压实，然后进行N层土工膜和N层改良混合料的铺设，即从铺设第一层土工膜开始，进行N层土工膜铺设，并在每层土工膜上铺设一层改良混合料，其中N为改良混合料层的层数，具体的，先铺设第一层土工膜，然后在第一层土工膜上面按照设定层厚C铺设第一层改良混合料，并按照设定压实度D进行压实，再在第一次改良混合料上铺设第二层土工膜，以此类推共完成N层土工膜和N层改良混合料的铺设，要求整个铺设在12小时内完成，并采用压路机进行压实。
至此，对重金属污染场地的修复完成。
所述土工膜采用高密度聚乙烯防渗透土工膜。所述设定压实度D＝85％～95％。所述设定层厚C＝0.3m～0.7m。所述改良混合料层的层数N＝3～7。
在本实施例中，步骤1.1所述国家标准为：
(1)《GB15618-2018土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》；
(2)《GB36600-2018土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》；
当疑似污染场地为农用地时选择(1)，当疑似污染场地为建设用地时选择(2)。
在本实施例中，设定压实度D＝90％，设定层厚C＝0.5m，改良混合料层的层数N＝5，即共铺设了5层土工膜和5层改良混合液。具体铺设状态见图2。
为了佐证本发明的技术效果，选择不同的氧化镁掺量进行了改良混合土重金属去除率A的试验，结果如图3。由图3可见，在不添加氧化镁时，改良混合料中的重金属去除率为最低，增大氧化镁掺量之后重金属去除率A一直呈上升趋势，且在15％掺量趋于饱和状态，所以本发明选择15％左右的氧化镁掺量。另外，由图3明显可见，氧化镁的加入可以实现对有害元素的固化，在重金属污染场地的修复中具有十分明显的技术效果。
Claims (6)
1.一种氧化镁与微生物修复重金属污染土的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，重金属污染场地的认定和混合料的配制
步骤1.1，在疑似重金属污染土的场地取土样并记为疑似土样，密封保存至实验室，检测疑似土样的重金属浓度并记为原始重金属浓度，若原始重金属浓度超出国家标准规定浓度时，则认定该场地为重金属污染土场地，需要进行修复；
步骤1.2，对步骤1.1认定的重金属污染土场地，首先进行表面杂物的清理，然后自上而下挖取深度为0.5m～2m的表层重金属污染土置于场地附近拌料场，在95℃～115℃温度下烘干40～54小时后，放入碎土机打碎并过0.5mm筛；
将步骤1.2处理过的表层重金属污染土记为重金属污染干土；
步骤1.3，所述混合料由轻质氧化镁和重金属污染干土均匀混合而成，其重量比为12～18∶95～105；
步骤2，微生物菌液的配置
所述微生物菌液由巴氏芽孢杆菌、培养液配置而成；
所述培养液由酵母提取物、Tris Buffer、(NH4)SO4、水配置而成，其质量组成按前述顺序分别为40∶31.4∶20∶2000，具体的，首先将酵母提取物、Tris Buffer、(NH4)SO4配置成溶质，然后再将溶质与水混合调配成培养液，将培养液在121℃～123℃下灭菌20min～30min，待冷却到室温时备用；
待培养液的温度降至室温后，取培养液于容器中，用无菌移液器将巴氏芽孢杆菌加入到培养液内得到微生物菌液，巴氏芽孢杆菌与培养液的容量比为1∶100，将微生物菌液放入恒温震荡箱内进行培养，恒温震荡箱温度为28℃～32℃，振荡频率为200rpm～320rpm，培养时间为40h～56h；培养完成后，测量微生物菌液在600nm波长处的吸光值，即OD600值，在OD600＝1.8～2.0时取出待用；
步骤3，胶结液的配置
胶结液由无水氯化钙、尿素和水配置而成，其质量组成按前述顺序分别为111∶60∶1000；具体的，首先将无水氯化钙和尿素配置成为混合溶质，然后将混合溶质与水混合调配成胶结液；
步骤4，改良混合料的配制与检测
步骤4.1，改良混合料的配制
所述改良混合料由混合料、微生物菌液和胶结液均匀混合而成，其质量组成按前述顺序分别为195～205∶21.3～26.3∶21.3～26.3，具体的，先将混合料和微生物菌液混合搅拌均匀，然后再加入胶结液混合搅拌均匀；
步骤4.2，改良混合料的检测
在步骤4.1得到的改良混合料中取土样并记为改良混合土样，密封保存放入养护箱，在25℃恒温中养护6～8天，检测改良混合土样的重金属浓度，并进行如下判断：
若改良混合土样的重金属浓度满足步骤1.1所述国家标准规定浓度时，进入步骤5；否则，将该改良混合料视为混合料，并返回步骤4.1；
步骤5，重金属污染场地的修复
对步骤1认定的重金属污染土场地进行整平压实，然后进行N层土工膜和N层改良混合料的铺设，即从铺设第一层土工膜开始，进行N层土工膜铺设，并在每层土工膜上铺设一层改良混合料，其中N为改良混合料层的层数，具体的，先铺设第一层土工膜，然后在第一层土工膜上面按照设定层厚C铺设第一层改良混合料，并按照设定压实度D进行压实，再在第一层改良混合料上铺设第二层土工膜，以此类推共完成N层土工膜和N层改良混合料的铺设，要求整个铺设在12小时内完成，并采用压路机进行压实；
至此，对重金属污染场地的修复完成。
2.根据权利要求1所述的一种氧化镁与微生物修复重金属污染土的方法，其特征在于，所述土工膜采用高密度聚乙烯防渗透土工膜。
3.根据权利要求1所述的一种氧化镁与微生物修复重金属污染土的方法，其特征在于，所述设定压实度D＝85％～95％。
4.根据权利要求1所述的一种氧化镁与微生物修复重金属污染土的方法，其特征在于，所述设定层厚C＝0.3m～0.7m。
5.根据权利要求1所述的一种氧化镁与微生物修复重金属污染土的方法，其特征在于，所述改良混合料层的层数N＝3～7。
6.根据权利要求1所述的一种氧化镁与微生物修复重金属污染土的方法，其特征在于，步骤1.1所述国家标准为：
(1)《GB15618-2018土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》；
(2)《GB36600-2018土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》；
当疑似污染场地为农用地时选择(1)，当疑似污染场地为建设用地时选择(2)。
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