CN114702144A - 一种含有六价铬还原微生物的铬污染修复试剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种含有六价铬还原微生物的铬污染修复试剂及其制备方法和应用。包括：在六价铬还原微生物菌液中加入可溶性盐，制备六价铬还原微生物菌剂，以强化六价铬的生物还原。将其原位注入或喷淋至铬污染土壤或地下水，实现六价铬原位快速修复。其中，所述可溶性盐包括亚铁、三价铁、镁离子等中的一种或几种。本发明采用来源广泛、价格低廉的可溶性盐，利用其电子供体或微生物的电子穿梭体作用，协同强化实现六价铬的生物还原，操作简单，成本低，反应高效，可实现铬污染土壤或地下水的原位快速修复。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于六价铬污染土壤或地下水原位快速修复的试剂及其制备方法和应用，特别涉及一种还原微生物菌剂对六价铬污染土壤或地下水原位修复的试剂及其制备方法和应用，属于土壤或地下水生态修复技术领域。
背景技术
铬的毒性与形态密切相关，铬通常以Cr(VI)和Cr(III)两种形式存在，Cr(VI) 的毒性比Cr(III)高100倍左右，且环境中的六价铬可以通过多种途径进入到土壤或地下水中，水溶性Cr(VI)被列为对人体危害最大的8种化学物质之一。
将高毒性、高迁移性的Cr(VI)还原成低毒性、低迁移性的Cr(III)是铬污染修复最主要的思路。围绕这一思路，化学还原法和微生物修复法成为主要修复技术。然而，两种修复技术应用仍存在一定挑战，如，(1)化学还原药剂虽然Cr(VI) 去除效率较高，但需将污染土壤挖出或将地下水抽提再进行异位修复，工程量大，且投加的还原药剂易造成二次污染；(2)微生物修复法环境友好，特定环境下可实现原位修复，但修复周期长，而且微生物耐铬能力有限，复杂环境下适应性差，微生物易流失，导致修复效率较低。因此，目前地下水原位修复通常采用可渗透反应墙技术，可长期运作，但铁系等反应介质材料成本较高，且材料表面易腐蚀从而导致反应效率低、易板结堵塞，应用难度大，维护成本高。因此，开发低成本易操作铬污染土壤和地下水原位快速修复的技术至关重要。
发明内容
为了弥补和解决现有的化学还原法、微生物修复法、可渗透反应墙等铬污染土壤、地下水修复技术的不足，本发明的目的在于提供一种六价铬污染土壤或地下水原位快速修复的试剂及其制备方法和应用。该试剂利用可溶性盐与六价铬还原微生物耦合后微生物菌剂的迁移性和高效还原性，无需将土壤挖出进行异位搅拌混合或将地下水抽提，仅需将试剂原位注入或表面喷淋，即可实现六价铬污染土壤或地下水的原位修复，操作简便，Cr(VI)的去除率高达99％以上，且修复时间短，特别适合六价铬污染土壤或地下水的原位修复。
本发明通过将可溶性盐与六价铬还原微生物耦合，一方面，可溶性盐可为六价铬还原微生物代谢生长提供养分，维持细菌生命活动，提高微生物的活性；另一方面，可溶性盐中含大量活性Fe(II)等电子供体，基于六价铬还原微生物的电子穿梭作用，可实现碱性等复杂条件下钝化亚铁等基团激活，实现六价铬高效还原。此外，可溶性盐中Fe元素的引入有利于促进还原产物Cr(OH)3向 FexCr1-x(OH)3转变，提高还原产物的稳定性。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
一种含有六价铬还原微生物的铬污染修复试剂，包括六价铬还原微生物菌液和可溶性盐；所述可溶性盐包括亚铁、三价铁、镁盐中的一种或几种；所述六价铬还原微生物为PannonibacterphragmitetusBB(保藏编号为CGMCC No.3052)。
所述的试剂，可溶性盐和六价铬还原微生物菌液的比例为0.5～80g/L，优选 1～10g/L，进一步优选2～5g/L；六价铬还原微生物菌液中活性菌细胞密度为 106～1010个/ml，进一步优选107～1010个/ml。
本发明还提供了所述的含有六价铬还原微生物的铬污染修复试剂的制备方法：
在温度为20～35℃、pH为7～11、震荡速率为130～160rpm的条件下培养至少12小时，再加入可溶性盐。
本发明还提供了所述的含有六价铬还原微生物的铬污染修复试剂的应用，用于修复铬污染土壤或、地下水或水体。
所述的应用，将所述试剂原位注入或喷淋至铬污染土壤中，进行修复。
所述的应用，试剂原位注入或喷淋的速度为0.7～10L/d，时间为1～7d。
所述的应用，试剂相对铬污染土壤的添加量为150～1500L/m3。处理水体污染时，试剂相对铬污染水体的添加量为20～400L/m3。
本发明原理为：当混合可溶性盐与六价铬还原微生物耦合时，一方面，可溶性盐中镁、铁盐等为微生物生长提供必需的养分，刺激微生物的生长，微生物依靠含O官能团如酚类、醇类和醚类等作为电子供体还原Cr(VI)，另一方面，微生物还可以作为电子穿梭体，加速混合可溶性盐中离子如Fe(II)等与Cr(VI)的电子传递过程，从而强化去除Cr(VI)。
本发明使用的菌株BB分类命名Pannonibacter phragmitetus，保藏编号为 CGMCCNo.3052；保藏时间：2009年5月5日；保藏单位：中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC)；保藏地址：中国北京市朝阳区大屯路，中国科学院微生物研究所。
与现有的化学还原法、微生物修复法和可渗透反应墙技术相比，本发明所提供的技术方案具有的优势如下：
(1)本发明提供的一种还原微生物菌剂原位快速修复铬污染土壤或地下水的试剂，所用原料来源广，混合可溶性盐为工业级常用材料或工业副产物，成本低，微生物为铬渣或铬污染土壤本地微生物，绿色无二次污染，微生物耦合试剂制备方法简单，仅需将可溶性盐与六价铬还原微生物混合培养即可，无需复杂的培养、反应装置；
(2)本发明采用化学还原法耦合微生物修复法，相较化学还原法，仅需添加少量可溶性盐作为电子供体，利用微生物丰富的胞外分泌物作为电子穿梭体，便可高效促进六价铬还原微生物的生物还原，同时实现Fe(II)→Fe(III)→Fe(II)循环，协同快速去除Cr(VI)，电子利用率高，且少量混合可溶性盐投加不会造成土壤或地下水酸化、盐碱化，环境友好；相较微生物修复法，混合可溶性盐的引入可促进微生物生长，促进六价铬的生物还原，地下水和土壤六价铬的修复效率分别提高5倍和12倍以上，同时还可减轻Cr(VI)对微生物的胁迫，实现高浓度下的六价铬还原；
(3)本发明提供的一种还原微生物菌剂原位修复铬污染土壤或地下水的试剂，相较可渗透反应墙技术，操作简单易行，无需做成可渗透反应墙，本发明利用微生物耦合菌剂的迁移性和稳定性，常温条件下便可实现铬污染土壤或地下水的原位快速修复，实际应用性强，成本低，特别适合场地修复，应用前景好。
具体实施方式
以下对本发明中的一种还原微生物菌剂原位快速修复铬污染土壤或地下水的方法做进一步阐述，而不会形成对本发明的限制。
实施例1
配置3L LB微生物培养基，按体积比10％接种PannonibacterphragmitetusBB 菌，培养温度为30℃，转速为150r/min，活化12h，待六价铬还原微生物处于快速生长期时(OD600＝1)，菌液中活性菌细胞密度为107个/mL左右，加入6g 混合可溶性盐(成分为FeSO4、Fe2(SO4)3、MgSO4，三者质量比为3:2:1)，制备六价铬还原微生物试剂。
实施例2
配置3L LB微生物培养基，按体积比10％接种PannonibacterphragmitetusBB 菌，培养温度为30℃，转速为150r/min，活化12h，待六价铬还原微生物处于快速生长期时(OD600＝1)，菌液中活性菌细胞密度为107个/mL左右，加入 6gFe2(SO4)3，制备六价铬还原微生物试剂。
实施例3
分别称取400cm3洁净土壤于70mm×300mm土柱，配置2L浓度为55mg/L 的Cr(VI)溶液模拟土壤原位受含铬废水污染，上进下出，排出液流入装有Cr(VI) 溶液的水箱，使Cr(VI)溶液循环淋洗土壤。3d后，待出水Cr(VI)浓度基本稳定，测定此时出水Cr(VI)浓度为52.4mg/L，静置3d，成功制备用于模拟原位修复的六价铬污染土壤，测得土壤中六价铬含量为334.76mg/kg。土壤不取出，仍置于土柱中，用于模拟野外铬污染土壤原位修复。
实施例4
将500mL实施例1中制备的六价铬还原微生物试剂原位喷淋在实施例3中用于模拟原位修复的铬污染土壤表面(此时试剂相对铬污染土壤的添加量为 1250L/m3)，流速控制在5L/d，完全喷淋完毕后采用二苯碳酰二肼分光光度测定测得六价铬浸出浓度为0.07mg/L，低于《地下水环境质量标准(GB/T14848-2017)》 IV类水质要求，采用碱式消解法(EPAMETHOD 3060B)测定土壤中六价铬的含量为0.64mg/kg，土壤中总六价铬的去除率达到99.81％。
实施例5
将500mL实施例1中未添加可溶性盐的PannonibacterphragmitetusBB菌液原位喷淋在实施例3中用于模拟原位修复的铬污染土壤表面，流速控制在5L/d，完全喷淋完毕后采用二苯碳酰二肼分光光度测定测得六价铬浸出浓度为0.39 mg/L，高于地下水环境质量标准(GB/T14848-2017)》IV类水质要求，采用碱式消解法(EPA METHOD 3060B)测定土壤中六价铬的含量为8.12mg/kg，超过《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准GB36600-2018》筛选值。
实施例6
将500mL纯水原位喷淋在实施例3中用于模拟原位修复的铬污染土壤表面，流速控制在5L/d，完全喷淋完毕后采用二苯碳酰二肼分光光度测定测得六价铬浸出浓度为48.56mg/L，远高于地下水环境质量标准(GB/T14848-2017)》IV类水质要求，采用碱式消解法(EPA METHOD 3060B)测定土壤中六价铬的含量为 134.76mg/kg，超过《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准 GB36600-2018》管制值。
实施例7
将400mL实施例3中的用于模拟原位修复的铬污染土壤渗滤液倒入70mm ×300mm下端密封的土柱，用于模拟地下水的原位修复(此时模拟地下水六价铬初始浓度为45.6mg/L)。将50mL实施例1中制备六价铬还原微生物试剂原位注射在模拟地下水中(试剂相对铬污染水体的添加量为125L/m3)，流速控制在 5L/d，完全注射完毕后采用二苯碳酰二肼分光光度测定测得模拟地下水六价铬浓度为0.02mg/L，低于《地下水环境质量标准(GB/T14848-2017)》IV类水质要求。
实施例8
将400mL实施例3中的用于模拟原位修复的铬污染土壤渗滤液倒入70mm ×300mm下端密封的土柱，用于模拟地下水的原位修复(此时模拟地下水六价铬初始浓度为45.6mg/L)。将50mL实施例1中未添加可溶性盐的六价铬还原微生物菌剂原位注射在模拟地下水中，流速控制在5L/d，完全注射完毕后采用二苯碳酰二肼分光光度测定测得模拟地下水六价铬浓度为15.16mg/L，远高于《地下水环境质量标准(GB/T14848-2017)》IV类水质要求。
实施例9
将400mL实施例3中的用于模拟原位修复的铬污染土壤渗滤液倒入70mm ×300mm下端密封的土柱，用于模拟地下水的原位修复(此时模拟地下水六价铬初始浓度为45.6mg/L)。将50mL实施例2中制备六价铬还原微生物试剂原位注射在模拟地下水中，流速控制在5L/d，完全注射完毕后采用二苯碳酰二肼分光光度测定测得模拟地下水六价铬浓度为0.08mg/L，远高于《地下水环境质量标准(GB/T14848-2017)》IV类水质要求。
Claims (8)
1.一种含有六价铬还原微生物的铬污染修复试剂，其特征在于：包括六价铬还原微生物菌液和可溶性盐；所述六价铬还原微生物为PannonibacterphragmitetusBB，保藏编号为CGMCC No.3052；所述可溶性盐包括亚铁、三价铁、镁盐中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的试剂，其特征在于，可溶性盐和六价铬还原微生物菌液的比例为0.5～80g/L，六价铬还原微生物菌液中活性菌细胞密度为106～1010个/mL。
3.权利要求1或2所述的含有六价铬还原微生物的铬污染修复试剂的制备方法，其特征在于，在温度为20～35℃、pH为7～11、震荡速率为130～160rpm的条件下培养至少12小时，再加入可溶性盐。
4.权利要求1或2所述的含有六价铬还原微生物的铬污染修复试剂的应用，其特征在于，用于修复铬污染土壤或、地下水或水体。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，将所述试剂原位注入或喷淋至铬污染土壤中，进行修复。
6.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，试剂原位注入或喷淋的速度为0.7～10L/d，时间为1～7d。
7.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，试剂相对铬污染土壤的添加量为150～1500L/m3。
8.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，处理水体污染时，试剂相对铬污染水体的添加量为20～400L/m3。
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