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基于EK−PRB修复镉污染土壤的微生物优化技术.pdf
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1、文章编号:10088857(2023)03013710DOIDOI:10.13259/ki.eri.2023.03.001基于 EKPRB 修复镉污染土壤的微生物优化技术李梦玮1,胡涛2,徐昕璇1,周海东1,叶宓煊1,许韵嘉1(1.上海理工大学环境与建筑学院,上海200093;2.上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司,上海200082)摘要:采用电动可渗透反应墙(EKPRB)联合微生物优化技术,研究其对 Cd 污染土壤修复效果的影响。利用固定化微生物技术,制备粉煤灰酵母菌小球、壳聚糖酵母菌小球和生物炭酵母菌小球,并对比制备的 PRB 小球和单一的 PRB 材料(粉煤灰、生物炭、壳聚糖)对
2、 Cd 去除效果的影响。结果表明,相对于单一的 PRB 材料,PRB 小球可增加土壤中的电流和电导率,对Cd 的去除率更高,但是对 pH 影响较小。通过对 PRB 材料进行表征分析,证实了其对 Cd 去除效果有一定影响。考虑到经济成本与修复效果,选择电压梯度为 2.5Vcm1,PRB 材料为粉煤灰酵母菌小球去除 Cd,去除率可达 53.70%。研究结果证实了固定化微生物结合 EKPRB 技术的可行性以及修复优势。关键词:电动修复;可渗透反应墙(PRB);微生物;重金属中图分类号:X53文献标志码:AMicrobial optimization technology for electro-ki
3、netics couplingwith permeable reactive barrier-based remediation ofcadmium-contaminated soilLIMengwei1,HUTao2,XUXinxuan1,ZHOUHaidong1,YEMixuan1,XUYunjia1(1.SchoolofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China;2.ShanghaiUrbanWaterResourcesDevelopmentandU
4、tilizationNationalEngineeringCenterCo.,Ltd.,Shanghai200082,China)Abstract:The combined influence of electro-kinetics coupling with permeable reactive barrier(EK-PRB)andmicrobialoptimizationtechnologyontheremediationofCd-contaminatedsoilwasinvestigated.Flyash-yeastpellets,chitosan-yeastpelletsandbioc
5、har-yeastpelletswereprepared.TheireffectonCdremovalwerecomparedwithPRBpelletswithsingleflyash,biochar,andchitosaninatotalof6tests.ResultsshowthatthePRBpelletsincreasethecurrentandconductivityinthesoilwithhigherCdremovalcomparedwithsinglePRB.ButtheyhadlesseffectonpH.The能源研究与信息第39卷第3期EnergyResearchand
6、InformationVol.39No.32023收稿日期:20220919基金项目:上海市自然科学基金资助项目(18ZR1426100);上海理工大学科技发展项目(2018KJFZ117)第一作者:李梦玮(1998),女,硕士研究生。研究方向:土壤重金属污染修复。Email:effectofsinglePRBonCdremovalwasconfirmedbyfurthercharacterization.Consideringboththecostandremediationeffect,theCdremovalrateof53.70%canbeachievedbytheflyash-yea
7、stPRBpelletsatthevoltagegradientof2.5Vcm1,whichindicatesthefeasibilityoftheimmobilizedmicroorganismscombiningwithEK-PRBtechnologyandtheiradvantagesofremediation.Keywords:electrokineticremediation;permeablereactivebarrier;microorganisms;heavymetals土壤作为自然界的重要组成部分,在与其他环境因素的交互过程中发挥着重要功能,其不仅是人类赖以生存的最基本的自
8、然资源,而且对动植物和自然环境有着重大影响。近年来,我国工业化、城市化、农业集约化的快速发展,在提升经济的同时,也对土壤环境造成了不同程度的破坏1。据估计,全球重金属镉(Cd)年排放量高达 1.0106t,我国土壤总点位超标率为 16.1%,其中 Cd 点位超标率高达 7%,土壤 Cd 污染问题已成为目前研究的重点23。重金属 Cd 具有毒性大、分解周期长、难降解等特点,是 5 种毒性最强的重金属之一。Cd 作为高度致癌金属,在土壤中易迁移,被植物吸收后进入食物链,从而进入人体,危及人体健康,对人体产生致病、致癌和致突变作用4。土壤中 Cd 的来源主要分为自然来源和人为来源5。自然来源是指自然
9、界中 Cd 背景值含量较高;人为来源是指矿业的过度开采、工业污水的大量排放、化肥和农药的过度使用等6。袁文淼等7对榆林市矿区土壤重金属进行检测发现,土壤中 Cd 含量超过背景值 149倍,这主要归因于当地采矿业产生的废矿石。土壤修复技术多种多样,主要以物理、化学和生物方法治理8。由于单一的修复技术存在修复效果差、局限性大和修复时间长等问题,目前,污染土壤联合修复技术的研究是趋势所在,如电动可渗透反应墙(EKPRB)技术、微生物联合植物修复技术、电动强化植物修复技术等911。EKPRB 联合修复技术是一种对土壤破坏小、绿色环保的新型修复技术,PRB 材料通过吸附、氧化、沉淀、生物降解反应去除或降
10、低重金属毒性12。张瑞华等13利用 EKPRB(铁质)技术联合修复 Cr(VI)污染土壤,结果表明,修复后土壤中 Cr 的去除率均可达90%左右,并且土壤pH变化较小,对土壤影响较小。Weng 等14将零价铁作为 PRB 填充材料修复 Cr(VI)污染土壤,单一电动修复的土壤中 Cr(VI)的去除率仅为68%,EKPRB联合修复的土壤中 Cr(VI)的去除率达到 86%,研究证实了 EKPRB 联合修复技术较单一电动修复技术效果更好。微生物修复技术是利用某些自身具有一定吸收性能的微生物,通过其新陈代谢实现对土壤中的重金属污染物的固定及降解,该技术具有环境危害小、能耗低,且不会引入新型污染物等优
11、点1516。EKPRB 修复效果与 PRB 材料的选择紧密相关,选择合适的 PRB 材料至关重要。本研究通过固定化微生物技术将微生物与 EKPRB修复技术相结合,制备出粉煤灰酵母菌小球、壳聚糖酵母菌小球和生物炭酵母菌小球,并与单一的粉煤灰、壳聚糖和生物炭进行对比,探究不同 PRB 材料对 Cd污染实际土壤的修复效果,从而探究微生物联合 EKPRB技术修复重金属污染土壤的应用可能性。1材料和方法1.1实验材料和试剂实验土壤来源于上海理工大学花坛土表层土壤,用铁锹铲取 5kg 表层(020cm)土于箱中,做好标记。实验前去除土壤中的石块、植物,在105C 下烘50h,研磨过18 目(1.00mm)
12、筛,装入密封袋中备用。土壤的基本参数如表 1 所示。配制 Cd 污染土壤的具体方法:称取 500g风干过筛后的土壤,将 0.2744gCd(NO3)24H2O溶解于 150mL纯水中,配制为 Cd 污染试剂,将其均匀混入土壤中,持续搅拌至土壤各部分污染程度基本一致。此时,土壤含水率(质量分数)为30%,Cd 浓度(质量分数)为200mgkg1。138能源研究与信息2023年第39卷实验所用 Cd(NO3)24H2O、一水合柠檬酸(CA)和乙二胺四乙酸二钠(EDTA)均为分析纯,HCl、HNO3、HF、HClO4均采用优级纯。实验所需的 PRB 均在网上购置,粉煤灰(245m)购于河南省巩义市豫
13、联电厂,壳聚糖(脱乙酰度质量分数95%)购于上海麦克林生化科技有限公司,生物炭(150m)购于河南立泽环保科技有限公司,干酵母购于安琪酵母股份有限公司。1.2实验装置和方法本研究采用的实验装置模拟了实际应用中的非均匀电场,是由中央阴极室、PRB 室、土壤室组成的同心圆柱体结构,外环均匀分布 6 个阳极室,电极采用高纯石墨棒,按照阵列式排布,装置图详见 Zhou 等17的研究装置。本实验总体分为两步:第一步制备微生物PRB 小球;第二步对污染土壤进行 EKPRB 联合微生物修复。修复示意图如图 1 所示,其中:YPD 为酵母浸出粉胨葡萄糖;SA 为海藻酸钠。微生物 PRB 小球的制备:采用固定化
14、微生物技术中的吸附包埋法制备小球。取 4g 高活性干酵母粉,加至 200mL 体积分数为 2%灭菌葡萄糖溶液中进行活化,将得到的种子液加入到灭菌 YPD 培养基中,放置在恒温培养摇床中培养,离心后收集酵母菌菌体配制菌悬液。将粉煤灰与菌悬液按照质量(g)、体积(mL)比 1 15 混匀,放置于摇床中避光培养 3h,得到酵母菌粉煤灰溶液,将 SA 溶液与酵母菌粉煤灰溶液混合均匀后得到酵母菌粉煤灰SA 溶液。将其与体积分数为 4%的 CaCl2交联制得粉煤灰表1实验土壤基本参数Tab.1Fundamentalpropertiesofexperimentalsoil基本参数数值粒径/mm1.00pH6
15、.850.21电导率/(scm1)57212有机质质量分数/%8.310.37Cd质量分数/(mgkg1)0.340.02Pb质量分数/(mgkg1)14.780.33Cu质量分数/(mgkg1)13.480.42As质量分数/(mgkg1)91.261.01Fe质量分数/(mgkg1)6183.783.26Cr质量分数/(mgkg1)32.572.03Mn质量分数/(mgkg1)236.732.74活化稳压电源阳极微生物PRB 小球微生物 PRB 小球阴极电解质菌悬液粉煤灰菌悬液酵母菌粉煤灰溶液加入 SA 制得酵母菌粉煤灰SA 溶液与 体积分数为 4%的 CaCl2交联制得粉煤灰酵母菌小球室
16、温下干燥至恒重4 g 高活性干酵母粉将种子液加至灭菌 YPD 培养基中恒温培养摇床培养、离心体积分数为 2%的灭菌葡萄糖溶液图1EKPRB 联合微生物修复示意图Fig.1SchematicdiagramofEK-PRBcombiningwithmicroorganisms第3期李梦玮,等:基于 EKPRB 修复镉污染土壤的微生物优化技术139酵母菌小球,在室温(26C)条件下干燥至恒重。壳聚糖酵母菌小球、生物炭酵母菌小球制备方法同粉煤灰酵母菌小球,制备的 PRB 小球如图 2 所示。(a)粉煤灰酵母菌小球(b)粉煤灰酵母菌小球(c)粉煤灰酵母菌小球图2制备的 PRB 小球Fig.2Schema
17、ticdiagramofPRBpellets对污染土壤进行 EKPRB 修复:将配制的500g 污染土壤装至土壤室中,PRB 室中分别加入 PRB 材料(粉煤灰、壳聚糖、生物炭,以及粉煤灰酵母菌小球、壳聚糖酵母菌小球、生物炭酵母菌小球),将 15mL 的 0.1molL1CA+0.01molL1EDTA电解液分别加入阴极室和阳极室中,静置平衡 24h 后通电。实验电压为 2.5Vcm1,阴、阳极电解液为 0.1molL1柠檬酸+0.01molL1EDTA 溶液,实验周期为 5d,实验方案如表 2 所示。修复结束后,分别在距离阳极 4mm(S1)、12mm(S2)、20mm(S3)、28mm(S
18、4)、36mm(S5)处进行取样,用于测定修复后土壤Cd浓度,以便分析去除效果。表2实验方案Tab.2Experimentalschemes实验组序号PRB材料1粉煤灰2壳聚糖3生物炭4粉煤灰酵母菌小球5壳聚糖酵母菌小球6生物炭酵母菌小球1.3分析方法土壤基本理化性质测定:土壤 pH 测定采用蒸馏水浸提土壤样品(土壤和水质量比为 1 2.5),振荡离心后采用梅特勒托利多仪器(上海)有限公司FE20型实验室pH计测定上清液pH;土壤电导率测定是将土壤样品(土壤和水质量、体积比为 1 5)振荡离心后采用梅特勒托利多仪器(上海)有限公司FiveEasy型电导率仪测定上清液电导率。土壤 Cd 含量测定
19、:取样后的土壤经 105C干燥处理后研磨过筛,通过孔径 74m筛网,称取0.2000g(0.0001g)过筛后的土壤,采用HClHNO3HFHClO4消解法消解。用 5%(质量分数)稀硝酸定容至10mL,经0.22m微孔滤膜过滤,采用 Optima8000型ICPOES电感耦合等离子体发射光谱仪测定土壤样品中Cd浓度。土壤修复后 Cd 去除率计算式为s=CfCbCb100%(1)sCbCf式中:为各点位土壤 Cd 去除率,%;为修复前土壤 Cd 浓度,mgkg1;为修复后土壤各点位 Cd 浓度,mgkg1。扫描电镜(SEM)分析:对实验后的 PRB 材料留样,将样品用磷酸盐缓冲液(PBS)溶液
20、洗涤后通过质量分数为 2.5%的戊二醛固定化 10h,离心后进行脱水干燥处理,随后对干燥后的样品进行喷金镀膜,处理完成后的 PRB 样品切开,放置于 ZEISSGemini300 型扫描电镜下进行观察。红外光谱(FTIR)分析:将实验前、后的PRB 材料留样放置在 30C 烘箱中干燥后研磨,取少量 PRB 样品与适量高纯度 KBr 一并放入研140能源研究与信息2023年第39卷钵中充分研磨,采用压片法将混合物制成 PRB样品压片,置于红外光谱仪中,在一定的频率波数(5004000cm1)下进行测定。2结果与分析2.1土壤电流的变化不同实验组土壤电流 I 随时间 t 的变化如图 3所示。由图中
21、可知,在通电初期,电流随时间的增加而增加,达到峰值后逐渐减小,这与Prakash 等18的研究结果相似。这可能是由于通电后水的电解和重金属离子的解析所致,离子以结合态形式存在,在电迁移和电渗析的作用下在土壤中移动,对电流有正向促进的作用,导致电流上升。综合对比发现,实验组 46 的电流整体高于实验组 13。通电 9h 后,壳聚糖酵母菌小球(实验组5)作为PRB 材料时电流达到127mA,而单一壳聚糖(实验组 2)作为 PRB 材料时电流仅为 91mA。通电 120h 后,实验组 5 的电流降低至 21mA,而实验组 2 的电流仅为 9mA。实验表明,微生物的加入对电流有一定的积极影响。0244
22、87296120020406080100120140实验组 1实验组 2实验组 3实验组 4实验组 5实验组 6I/mAt/h图3不同实验组土壤电流随时间的变化Fig.3Evolutionofcurrentduringremediation2.2土壤 pH 的变化不同实验组土壤 pH 变化如图 4 所示。pH是影响土壤解吸的重要因素,酸化率是确保土壤重金属解吸的重要参数之一19。原始土壤样品pH 为 6.85,修复后靠近阳极区域(S1)的土壤pH 均降低至 4.50 以下,靠近阴极区域(S5)的土壤 pH 均升高至 9.50 以上,且 pH 从阳极至阴极(S1S5)呈上升趋势,这与 Lu 等2
23、0的研究结果相似。土壤 pH 变化主要与水的电解有关,水电解后阳极和阴极分别产生了大量的 H+和 OH,致使靠近阳极区域的土壤呈酸性,靠近阴极区域的土壤呈碱性21。经对比发现,实验组 1 各点位土壤 pH 变化范围最大,为 4.0210.55,各点位土壤pH 变化范围最小的是实验组6,为3.919.61。对比 PRB 材料中都含有壳聚糖的实验组2 和实验组 5 土壤 pH 的变化可以发现,pH 的变化范围分别为 4.2410.31、3.7310.08,差值分别为 6.07 和 6.35。从这些土壤的 pH 变化可以看出,不同 PRB 材料对土壤 pH 有一定的影响。这可能与 PRB 材料的结构
24、、形态有关,但总体来看影响较小。S1S2S3S4S524681012pH土壤取样点实验组 1实验组 2实验组 3实验组 4实验组 5实验组 6图4不同实验条件修复后各取样点土壤 pHFig.4pHvaluesateachsamplingpointofremediatedsoilunderdifferentexperimentalconditions2.3土壤电导率的变化不同实验组土壤电导率变化如图 5 所示。电导率的变化反映了电动修复时土壤中重金属离子的迁移情况。图 5 中显示,从阳极至阴极区域,电导率整体呈先下降后略微上升的趋势。在S4 取样点,所有实验组电导率达到最低,在550770Scm
25、1之间,各实验组靠近阳极区域(S1)的电导率均达到 1200Scm1以上,这与 Li 等9利用 EKPRB 技术修复 Cd 和 Pb 复合污染土壤研究中的电导率变化结果相似。所有实验组在 S4S5 区域的电导率均小幅增加。这可能与电解质有关,由于 S1 和 S5 两侧区域靠近电解液,并且电解液对两侧土壤有一定的渗透性,导致电导率略有增加。经对比发现,实验第3期李梦玮,等:基于 EKPRB 修复镉污染土壤的微生物优化技术141组 46 的电导率均高于实验组 13,PRB 材料为利用固定化微生物技术制备的小球时,土壤的电导率比使用单一的粉煤灰、壳聚糖、生物炭等时的均有一定程度的提高,其中 PRB
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