CN116786571A

CN116786571A - 一种利用红土覆盖层强化微生物原位修复铀尾渣的方法

Info

Publication number: CN116786571A
Application number: CN202310783106.2A
Authority: CN
Inventors: 安毅夫; 孙娟; 连国玺; 高扬
Original assignee: FOURTH INSTITUTE OF NUCLEAR ENGINEERING OF CNNC
Current assignee: FOURTH INSTITUTE OF NUCLEAR ENGINEERING OF CNNC
Priority date: 2023-06-29
Filing date: 2023-06-29
Publication date: 2023-09-22

Abstract

本发明提供了一种利用红土覆盖层强化微生物原位修复铀尾渣的方法。该方法通过在将高还原修复能力微生物菌株Enterobacter cloacae与铀尾渣中土著菌群开展复配，提升功能微生物菌剂修复铀尾渣的使用效果基础上，利用廉价易得的红土构建红土覆盖层，提供了多种红土‑微生物菌剂联合施用方式，在微生物还原修复铀尾渣中铀等污染物的同时提升渗水阻滞能力，从源头上有效减少铀尾渣渗水中污染物的迁移能力。结果表明，通过红土覆盖层强化微生物原位修复铀尾渣，使铀尾渣渗水中铀浓度保持在0.05mg/L以下，并且出水流量降低了90％以上。

Description

一种利用红土覆盖层强化微生物原位修复铀尾渣的方法

技术领域

本发明涉及环境保护和辐射防护领域，具体地说是一种利用红土覆盖层强化微生物原位修复铀尾渣的方法。

背景技术

铀尾渣是一种硬岩铀矿开采后产生的放射性废物，具有酸性强、硫酸盐含量高、成分复杂等特征。目前，铀尾渣的处置方式通常采用石灰中和的方式处理后建库堆置。但是，露天环境下的铀尾渣库极易受到自然环境变化的影响，尤其是降雨和周边山体汇水。由于铀尾渣普遍颗粒较大，在大水量冲刷下，表面的二水石膏(Gypsum)等矿物溶解，存在潜在释放风险，需要收集渗水并长期开展尾水处理，极大消耗了人力和物力成本，这在降雨量较大的我国南方硬岩铀矿山的废水处理中较为严重。

微生物处理酸性矿山废水(AMD)技术经过数十年的研究现已基本掌握其主要运行参数，在我国铬污染场地、镉污染场地、铅锌矿山等已广泛开展示范工程。近年来，国内多家高校和科研院所也开展了处理含铀废水的相关研究，其中，研究热点集中于，利用微生物的生长代谢，提供还原电子，能够将U⁶⁺还原成U⁴⁺，从而实现含铀污染物的稳定。林璋等采用苏云金芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌、酿酒酵母处理铀污染水体时，能够利用非还原矿化法将六价铀直接矿化为粒径较大且受好氧环境小、可稳定存在的六价铀矿物。丁德鑫等利用土著功能微生物群落处理酸性矿山含铀水体后，水中铀浓度显著下降至0.05mg/L以下。但是，传统微生物处理技术主要集中于末端废水处理，而对铀尾渣此类固体污染源项的研究较少。铀尾渣中由于采用酸浸方式生产，其中，大部分的余酸均为强氧化性，使铀尾渣中的污染物多以氧化态存在，迁移扩散潜力较大，对微生物直接应用后的还原性能和耐受性挑战较大，并且，铀尾渣孔隙度大、渗透系数高，极容易被外界O₂随降水入侵，在这种体系中，一方面微生物的定殖能力较弱，而且微生物修复形成还原修复产物通常为微米甚至纳米级别，极易在强自然降水冲刷下流失，容易产生二次污染问题。

因此，亟待寻找一种能够从源头控制铀尾渣渗并且同时提供厌氧环境和阻滞渗水性能的新型绿色经济高效的微生物技术开展铀尾渣原位修复。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用红土覆盖层强化微生物原位修复铀尾渣的方法，以解决现有技术对铀尾渣渗水源头控制技术的不足和微生物修复技术在铀尾渣实际应用过程中的缺陷问题。

本发明是这样实现的：

一种利用红土覆盖层强化微生物原位修复铀尾渣的方法，该方法具体包括如下步骤：

步骤(1)，复配微生物菌剂的制备：将自有高效还原外源菌种Enterobactercloacae与铀尾渣中土著微生物开展耐受性复配，获得适应性强的复配微生物菌剂；

步骤(2)，微生物原位修复：将步骤(1)得到的复配微生物菌剂喷淋至铀尾渣中开展微生物原位修复；

步骤(3)，构建红土覆盖层：将红土与复配微生物菌剂混合后形成红土覆盖层，将红土覆盖层覆于铀尾渣表面，充分压实；

步骤(4)，红土覆盖层维护：在步骤(3)形成红土覆盖层后的7天内对红土覆盖层进行润湿维护。

在步骤(1)中，具有高效还原修复功能的外源菌种采用保存自本实验室的一株阴沟肠杆菌Enterobacter cloacae，相关分离、筛选、鉴定信息详见CN 114250169 A。

在步骤(1)中将已有高效还原外源菌种与铀尾渣中土著微生物开展耐受性复配是将外源菌种、铀尾渣中土著微生物菌群、培养基在厌氧条件下共培养而得到。

其中，所述培养基中包含原高效外源菌种繁殖所需的生长养料，优选利于外源菌种生长的功能培养基。

在一种优选实施方式中，上述外源菌种功能培养基组成如下：ρ(KH₂PO₄)＝0.5g/L，ρ(CaCl₂)＝0.05g/L，ρ(NH₄Cl)＝1.0g/L，ρ(FeSO₄·7H₂O)＝0.05g/L，ρ(Na₂SO₄)＝4.5g/L，ρ(MgSO₄·7H₂O)＝0.06g/L，ρ(酵母浸粉)＝1.0g/L，ρ(60％乳酸钠)＝2mL/L，ρ(抗坏血酸)＝0.3g/L，pH＝6.8～7.0，去离子水1L。

在本发明中，选用的高效外源菌种、铀尾渣和培养基的重量比为(0.1～0.5)：(0.5～1)：(0.05～0.1)时，更利于复配微生物菌剂中功能微生物的繁殖。

根据本发明，复配微生物菌剂的生长温度，即混合培养的温度为25～37℃，优选为30～35℃。

根据本发明，复配微生物菌剂中有明显的臭鸡蛋气味，且溶液中出现明显黑色沉淀时，说明复配微生物菌剂已经开展生长代谢并同时进行铀还原反应。

根据本发明，当首次复配成功后，需要从溶液中提取微生物菌群，按照高效外源菌种与复配微生物菌剂体积比(0.5～1)：(1～2)，优选为1：1进行二次复配。

在本发明中，为了进一步实现外源菌种与土著微生物菌群的协同生长，复配过程需要至少1～5轮，优选为3～5轮。

根据本发明，所述复配微生物菌剂主要是为了提高微生物修复效果和环境耐受性，则每轮复配培养时间为3～10天，优选为5～8天，更优选为7天。

在本发明中，复配结束后，从最后一次复配后所得菌液中以10％接种量转接至至容量更大的厌氧环境中扩大培养，所述扩大培养时间为3～15天，优选为5～10天，更优选为7天。

本发明通过本实验室前期保藏的一株高效铀修复功能阴沟肠杆菌Enterobactercloacae与铀尾渣中土著微生物协同生长的驯化方法，能够强化功能微生物与土著微生物在铀尾渣中的协同生长代谢活性。

本发明步骤(2)中“微生物原位修复”是通过将复配微生物菌剂直接喷洒于湿润的铀尾渣表面，实现铀尾渣渗水的源头控制。所述复配微生物菌剂能够直接投加至湿润的铀尾渣表层，而不用对铀尾渣进行复杂的前处理。

本发明发现，当铀尾渣含水率在30％以下时，复配微生物菌剂直接与干燥的铀尾渣表面直接接触，由于细胞渗透压的激变，会造成复配微生物菌剂的浪费，因此，施用复配微生物菌剂前应保持铀尾渣含水率在30％以上，即铀尾渣表面基本湿润，表现为黄褐色外貌。

根据本发明，铀尾渣中大于4mm的颗粒的质量占比在60～80％，孔隙度在20～40％，施用复配微生物菌剂时极易造成微生物菌群未定殖于铀尾渣表层前直接流失，因此，在喷淋复配微生物菌剂时应根据铀尾渣质量控制喷淋流量为0.1～1mL菌剂/min/kg铀尾渣，即：铀尾渣量增加的同时增加流速，因为在有限的容器空间内，铀尾渣量越大，孔隙度越小(填充的越密实)，而过水通道越少，此时就需要增大流速才能使菌剂下渗。

本发明发现，当环境温度低于25℃时，微生物菌群的定殖效率较慢，可以通过循环注液的方式提升微生物菌群的定殖效果，推荐单批次复配微生物菌剂的循环次数在1～5次，优选3次。如果环境温度在25℃以上，则不需要循环注液。其中，循环注液是指收集单次复配微生物菌剂喷淋后的出水尾液，将喷淋出水尾液以相同流速再次喷淋。

根据本发明，步骤(3)所述的构建红土覆盖层，是在复配微生物菌剂原位修复铀尾渣后，铀尾渣渗水铀浓度出现下降趋势时，将红土与复配微生物菌剂搅拌混合后，覆于铀尾渣表面，充分压实。

本发明人发现，由于注入复配微生物菌剂的方式受到铀尾渣孔隙度较大、环境温度变化等影响，只投加复配微生物菌剂的效果需要在40～60天才能达到出水排放指标。而通过构建具有复配微生物菌剂的红土覆盖层，由于红土覆盖层的渗透性较低，其中微生物菌群可以持续生长，并且由于重力作用，持续对铀尾渣进行微生物补充，有助于缩短微生物修复周期(本发明实施例1中在第21天出水铀浓度即已降低至0.3mg/L以下，符合出水排放指标)。

根据本发明，所述的搅拌是指将复配微生物菌剂与红土以质量比(0.1～0.5)：(1～10)进行人工搅拌，以红土颗粒表层的多种官能团为微生物提供生长载体。

根据本发明，红土覆盖层主要为微生物修复的长期稳定性提供支持，当红土覆盖层厚度较浅时，对微生物修复的辅助作用不明显，而厚度过深时，则使用微生物修复技术的经济性优势又被丧失，因此，施用红土覆盖层时，红土覆盖层与铀尾渣层的施加厚度比为1：(10～50)，优选为1：(20～30)。

根据本发明，所述的充分压实是指通过碾压法进行红土覆盖层压实，压实系数为0.6～0.9，优选0.7。

步骤(4)中红土覆盖层维护是指：在步骤(3)铀尾渣表面形成红土覆盖层后的7天内需要对其进行润湿维护。

本发明人发现，复配微生物菌剂在红土中的稳定繁殖主要与红土含水率有关，当红土含水率较低时，微生物量有显著的减弱趋势。当在铀尾渣表面构建红土覆盖层后，需要对红土覆盖层进行养护，而养护时间与人工成本和物料成本有关，因此，养护时间选择为3～15天，优选7天。

根据本发明，红土覆盖层养护可以采用清水、去离子水、复配微生物菌剂开展养护，优选复配微生物菌剂。养护时，需要持续保持红土覆盖层的含水量达到30％～60％，优选40％。

本发明所提供的利用红土覆盖层强化微生物原位修复铀尾渣的方法，还可以将上述步骤进行调换，调换后形成的新的技术方案如下：

(1)复配微生物菌剂的制备：将外源菌种Enterobacter cloacae与铀尾渣中土著微生物开展耐受性复配，获得复配微生物菌剂；外源菌种Enterobacter cloacae为阴沟肠杆菌，其保藏编号为CGMCC NO：20602；

(2)构建红土覆盖层：将红土与复配微生物菌剂混合后形成红土覆盖层，覆于铀尾渣表面，充分压实；

(3)红土覆盖层维护：在步骤(2)形成红土覆盖层后的7天内对红土覆盖层进行润湿维护；

(4)微生物原位修复：将步骤(1)得到的复配微生物菌剂喷淋至红土覆盖层上，复配微生物菌剂渗漏进入铀尾渣中，对铀尾渣进行微生物原位修复。

该方案相对第一种方案来说效果相对差些，但同样可以实现对铀尾渣的原位修复，且铀去除率可以达到预期。

采用本发明的技术方案能够显著提升微生物的定殖能力，增强微生物生长代谢能力，改善修复后的铀尾渣渗水中pH值、铀浓度等水质指标，并且构建有利于微生物生长的厌氧环境，减少水、气进入，从源头减少铀尾渣渗水污染物释放的可能性。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)根据本发明提供的利用红土覆盖层强化微生物原位修复铀尾渣的方法，不仅能够从源头上解决铀尾渣渗水中pH、铀等污染物释放问题，而且为微生物修复效果提供长期稳定的厌氧结构，能够有效降低外部补充水、气对微生物修复长期效果的影响。

(2)根据本发明提供的利用红土覆盖层强化微生物原位修复铀尾渣的方法，使铀尾渣渗水中铀去除率达到82％以上，并且能够保持120天以上。

(3)根据本发明提供的利用红土覆盖层强化微生物原位修复铀尾渣的方法，提供了采用外源菌与铀尾渣微生物菌群复配方法，该方法简单，提升了单一微生物菌液在铀尾渣中的耐受性和生物代谢活性，缩短了修复周期。

(4)根据本发明提供的利用红土覆盖层强化微生物原位修复铀尾渣的方法，不仅能够处理多种酸性硬岩铀矿尾矿、尾渣，而且能够应用于废石场、铀污染土壤等各种含铀场地治理。

附图说明

图1是根据本发明所述的一种优选红土覆盖层强化微生物原位修复铀尾渣的试验装置。

图2是根据本发明所述的一种优选红土覆盖层强化微生物原位修复铀尾渣的渗水铀处理效果。

具体实施方式

本发明将具有高效铀还原修复能力的单菌株与铀尾渣土著微生物进行复配，一方面提升单菌株的耐受性，另一方面增强土著微生物菌群的修复能力，通过复配微生物菌剂，能够显著提高微生物修复技术在铀尾渣中的应用范围和处理效果。

实施例1

将本实验室保藏的一株高效铀还原修复微生物Enterobacter cloacae采用LB培养基进行菌株复壮，培养时间为24小时，培养温度为30℃；

其中，所述LB培养基组成为：ρ(胰蛋白胨)＝10g/L，ρ(酵母浸粉)＝5g/L，ρ(氯化钠)＝10g/L，pH＝6.8～7.0，去离子水1L。

将上述复壮成功后的高效铀还原修复菌株以10％的接种量转接于硫酸盐还原菌功能培养基中，培养时间为7d，培养温度为30℃后，获得大量高效铀还原修复菌液。

其中，所述硫酸盐还原菌功能培养基组成如下：ρ(KH₂PO₄)＝0.5g/L，ρ(CaCl₂)＝0.05g/L，ρ(NH₄Cl)＝1.0g/L，ρ(FeSO₄·7H₂O)＝0.05g/L，ρ(Na₂SO₄)＝4.5g/L，ρ(MgSO₄·7H₂O)＝0.06g/L，ρ(酵母浸粉)＝1.0g/L，ρ(60％乳酸钠)＝2mL/L，ρ(抗坏血酸)＝0.3g/L，pH＝6.8～7.0，去离子水1L。

将50mL高效铀还原修复菌液、500g铀尾渣颗粒、50mL硫酸盐还原菌功能培养基投加入1000mL厌氧瓶中，培养温度为30℃，厌氧培养7d后，取100mL有明显黑色悬浮颗粒的微生物菌液与100mL Enterobacter cloacae菌液进行混合，进行二次复配。

第二次复配依然采用培养温度30℃，相同培养基，培养7d后，取第二次复配后的微生物菌液100mL和100mLEnterobacter cloacae菌液进行混合，进行第三次复配，重复以上步骤，高效微生物菌株与土著微生物菌群的复配过程总共经过5轮。

将第5轮复配微生物菌液以10％接种量转接至5L厌氧环境中扩大培养，所述扩大培养时间为7天，得到复配微生物菌剂。

采用内径10cm、高度50cm有机玻璃实验柱开展微生物修复土柱实验，实验柱底部填充2cm石英砂，防止出水堵塞。将铀尾渣样品去除内部的枯枝碎叶等生物影响后，在实验柱中填充40cm铀尾渣颗粒，填充量约为4.6kg。注入微生物前，需要提前注入1L去离子水使铀尾渣表面湿润，并自然沉降24h。待自然沉降后，取1L复配微生物菌剂放于2L聚乙烯注液桶中，采用保定兰格L100-1FS型蠕动泵以1mL/min注液流速缓慢匀速喷淋铀尾渣表层。

注液完成后，实时记录出水流速并采用微量铀分析仪对实验中出水中铀浓度开展测试。

在首次注液完成后，对铀尾渣中微生物定殖培养时间为6天，在第7天重新开展复配微生物菌剂注液，注液量、注液流速均与首次注液相同，并实时记录出水流速，采用微量铀分析仪对实验中出水中铀浓度开展测试。

在第三轮注液时，即反应进行至14天时，实验柱中铀尾渣出现细小黑色斑点，出水中铀浓度和出水流量均出现下降趋势。

本实施例中注液过程环境温度保持在30±2℃，因此注液全程未采用循环注液。

实验用土壤采集自实验室周边红土，红土的pH值为4.62，有机质含量为1.5g/kg。新取红土由于含水率超过90％，在自然风干24小时后，过5目筛，去除表层大颗粒岩石后备用。

将200mL复配微生物菌剂与1kg红土颗粒混合搅拌30分钟，在温度为30℃培养箱中培养24h后，于柱实验进行的第15天后将红土覆盖层施加于铀尾渣表层，施加厚度为2cm。

覆盖完毕后，用人工碾压法，使红土覆盖层的压实度在0.7。

将红土覆盖层构建完毕后，于之后7天内，如图1，每天通过蠕动泵以1mL/min的注液流速缓慢匀速注入100mL复配微生物菌剂。

在红土覆盖层维护好后，每周采用500mL清水以1mL/min注液流速进行喷淋，并且取下出水口出水进行水质和流量监测，验证红土覆盖层强化微生物原位修复铀尾渣的实验效果。

经过上述实验后，利用红土覆盖层强化微生物原位修复铀尾渣方法处理后，如图2所示，铀尾渣柱实验在21天时出水铀浓度降低至0.3mg/L以下，最终出水铀浓度降低至0.05mg/L以下，铀去除率基本达到94％以上，出水中pH值为7.2，基本满足废水排放标准，效果能够持续120d以上。同时，微生物修复铀尾渣60天后再注入清水后，出水流速显著降低至0.01mL/min以下，渗水阻滞效率可达90％以上。

实施例2

以与实施例1完全相同的方式制备复配微生物菌剂、构建红土覆盖层、红土覆盖层维护等，开展与实施例1相似的方式源头控制铀尾渣渗水，区别在于在制备复配微生物菌剂后，调换施加顺序，先构建厌氧的红土覆盖层以及对红土覆盖层进行维护，之后再开展微生物原位修复，即：本实施例中各步骤的顺序如下：步骤(1)，复配微生物菌剂的制备；步骤(2)，构建红土覆盖层；步骤(3)，红土覆盖层维护；步骤(4)，微生物原位修复。本实施例中在步骤(4)微生物原位修复时是将复配微生物菌剂喷淋至红土覆盖层上，复配微生物菌剂通过红土覆盖层渗漏进入铀尾渣，实现对铀尾渣的原位修复。本实施例中复配微生物菌剂投加量、红土投加量、注液量、注液流速等相关参数均与实施例1相同。

利用本实施例中红土覆盖层强化微生物原位修复铀尾渣方法，最终出水铀浓度降低至0.3mg/L以下，铀去除率达到82％以上，出水中pH值为7.3，效果能够持续120d以上。同时，微生物修复铀尾渣90天后再注入清水后，出水流速显著降低至0.01mL/min以下，渗水阻滞效率可达90％以上。

Claims

1.一种利用红土覆盖层强化微生物原位修复铀尾渣的方法，其特征是，包括如下步骤：

(2)微生物原位修复：将步骤(1)得到的复配微生物菌剂喷淋至铀尾渣中开展微生物原位修复；

(3)构建红土覆盖层：将红土与复配微生物菌剂混合后形成红土覆盖层，覆于铀尾渣表面，充分压实；

(4)红土覆盖层维护：在步骤(3)形成红土覆盖层后的7天内对红土覆盖层进行润湿维护。

2.根据权利要求1所述的利用红土覆盖层强化微生物原位修复铀尾渣的方法，其特征是，步骤(1)中将外源菌种Enterobacter cloacae与铀尾渣中土著微生物开展耐受性复配，具体是：将外源菌种Enterobacter cloacae、铀尾渣、培养基在厌氧条件下共培养而得到。

3.根据权利要求2所述的利用红土覆盖层强化微生物原位修复铀尾渣的方法，其特征是，所述培养基组成如下：ρ(KH₂PO₄)＝0.5g/L，ρ(CaCl₂)＝0.05g/L，ρ(NH₄Cl)＝1.0g/L，ρ(FeSO₄·7H₂O)＝0.05g/L，ρ(Na₂SO₄)＝4.5g/L，ρ(MgSO₄·7H₂O)＝0.06g/L，ρ(酵母浸粉)＝1.0g/L，ρ(60％乳酸钠)＝2mL/L，ρ(抗坏血酸)＝0.3g/L，pH＝6.8～7.0，去离子水1L。

4.根据权利要求2所述的利用红土覆盖层强化微生物原位修复铀尾渣的方法，其特征是，外源菌种Enterobacter cloacae、铀尾渣、培养基的重量比为(0.1～0.5)：(0.5～1)：(0.05～0.1)。

5.根据权利要求2所述的利用红土覆盖层强化微生物原位修复铀尾渣的方法，其特征是，首次复配成功后，按照外源菌种Enterobacter cloacae与含微生物菌群的复配菌液体积比为(0.5～1)：(1～2)，进而二次复配；复配过程进行3～5次。

6.根据权利要求1所述的利用红土覆盖层强化微生物原位修复铀尾渣的方法，其特征是，步骤(2)中，微生物原位修复具体是：将步骤(1)得到的复配微生物菌剂喷洒于湿润的铀尾渣表面，进行微生物原位修复；湿润的铀尾渣指铀尾渣含水率在30％以上。

7.根据权利要求1所述的利用红土覆盖层强化微生物原位修复铀尾渣的方法，其特征是，步骤(3)构建红土覆盖层是在步骤(2)微生物原位修复过程中铀尾渣渗水铀浓度出现下降趋势后进行的；步骤(3)构建红土覆盖层时，将复配微生物菌剂与红土以质量比(0.1～0.5)：(1～10)进行人工搅拌；红土覆盖层与铀尾渣的厚度比为1：(10～50)。

8.根据权利要求1所述的利用红土覆盖层强化微生物原位修复铀尾渣的方法，其特征是，步骤(4)中采用清水、去离子水或复配微生物菌剂对红土覆盖层进行润湿维护；润湿维护时，需使红土覆盖层的含水量达到30％～60％。

9.一种利用红土覆盖层强化微生物原位修复铀尾渣的方法，其特征是，包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的利用红土覆盖层强化微生物原位修复铀尾渣的方法，其特征是，步骤(2)构建红土覆盖层时，将复配微生物菌剂与红土以质量比(0.1～0.5)：(1～10)进行人工搅拌；红土覆盖层与铀尾渣的厚度比为1：(10～50)；红土覆盖层的压实系数为0.6～0.9。