CN108971220B

CN108971220B - 一种黄铁矿微生物联合渗透性反应墙的制备方法

Info

Publication number: CN108971220B
Application number: CN201810671355.1A
Authority: CN
Inventors: 胡清远; 徐彬; 王巧楠; 金娇君; 顿雯静; 汪洋洋; 叶一姿; 叶潇莹
Original assignee: University of Shaoxing
Current assignee: University of Shaoxing
Priority date: 2018-06-26
Filing date: 2018-06-26
Publication date: 2021-04-06
Anticipated expiration: 2038-06-26
Also published as: CN108971220A

Abstract

本发明公开了一种黄铁矿微生物联合渗透性反应墙的制备方法。该反应墙由黄铁矿，缓释性营养肥料和生物炭固定化微生物按质量比4:1:4均匀组成。缓释性肥料为市售好康多缓释肥，生物炭由椰子壳在300℃下缺氧灼烧而成。微生物是Shewanella decolorationis。本发明还公布了生物炭固定化微生物的方法。本发明黄铁矿微生物联合渗透性反应墙利用了黄铁矿中Fe(II)还原反应迅速的优点，同时微生物不断繁殖、将生成的Fe(III)还原为Fe(II)保证反应持续进行。该方法操作简单、成本低廉，制得的反应墙对重金属和多氯联苯类有机物均有较高去除率，且使用寿命长。

Description

一种黄铁矿微生物联合渗透性反应墙的制备方法

技术领域

本发明涉及一种黄铁矿微生物联合渗透性反应墙的制备方法，属于环境保护技术领域。

背景技术

渗透性反应墙(PRB)技术是近年新兴的一类土壤和地下水原位修复技术，目前已经成为国外重金属污染修复的主要技术，也逐渐成为我国土壤和地下水修复领域的研究重点。反应介质是PRB技术修复效果的关键。主要有氧化还原反应介质、吸附反应介质、沉淀反应介质和混合反应介质。

零价铁因其反应速度快、还原电势高以及廉价易得等优点，已成为水体原位修复中最有效的反应介质之一，也是PRB技术最常用的介质之一，能够有效还原修复受多种有机物和重金属污染的水体。

大量的实验和场地运行数据表明零价铁-PRB会随着时间的推移去除能力下降，修复效果变差。主要是由于在还原污染物的过程中，零价铁被氧化为Fe(III)和Fe(II)，并生成氢氧化物覆盖于表面，减少了零价铁表面的活性位点。同时沉淀产物容易堵塞墙体材料的孔道，降低PRB的渗透性。

除了零价铁，Fe(II)也具有还原性。使用Fe(II)矿物如黄铁矿，赤铁矿，菱铁矿去除水中的有机物和重金属的方法逐渐开始引起重视。

黄铁矿是地壳中分布最广的一种硫化物矿物，主要成分是二硫化亚铁(FeS₂)，含有具有还原性的Fe²⁺离子和多硫离子(S₂ ^2-)。可以还原重金属和有机物。但Fe(II)的还原电势低于零价铁，所以更易被消耗，若用作PRB材料，使用寿命短。

20世纪初，微生物异化Fe(III)还原就已被认知。异化铁还原微生物可在代谢过程中以Fe(III)为外源电子受体来氧化有机物，并在此过程中将Fe(III)还原为Fe(II)。PRB修复多处于厌氧环境，若能利用异化铁还原菌还原黄铁矿表面的Fe(III)，生成具有还原性的Fe(II)，可以有效的解决黄铁矿中Fe(II)消耗导致PRB长期处理能力的下降的问题。

但铁矿石比表面积不大,不利于微生物的生长,比较难构建铁矿石-微生物去除体系。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种黄铁矿微生物联合渗透性反应墙的制备方法。利用黄铁矿与异化铁还原菌的协同作用处理地下水和土壤中的污染物。解决传统PRB填料易钝化寿命低的问题。

一种黄铁矿微生物联合渗透性反应墙，由黄铁矿，缓释营养肥料，生物炭固定化微生物组成。

黄铁矿通过球磨机粉碎，粒径为20-40目。

营养肥料为市售缓释肥料好康多。

生物炭由2-3cm的椰子壳在300℃缺氧灼烧2h后，用0.1mol/L盐酸浸泡12h洗去灰分，去离子水冲洗至pH值恒定，于105℃烘箱内烘干。研磨至粒径20-40目。

微生物为Shewanella decolorationis(MCCC 1A11454)，购买于中国海洋微生物菌种保藏管理中心，活化后保存于LB斜面。

生物炭固定化微生物采用如下步骤制成：配置10L无菌培养基，加入500g120℃下灭菌20min的椰子壳生物炭，接种100mL S.decolorationis菌悬液，静置培养48h后，无菌条件下将椰子壳生物炭滤出转接至10L新鲜无菌培养基中，接种100mL S.decolorationis菌悬液，静置培养48h。循环十次后挂膜完成。

菌悬液制备培养基由下列成分组成：葡萄糖10g/L；NH₄Cl 1g/L；KH₂PO₄0.5g/L；酵母粉5g/L。

PRB，由黄铁矿，缓释营养肥料，营养元素，生物炭固定化微生物按4:1:4完全混匀后组成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本专利选用自然界中含量丰富的黄铁矿作为PRB的还原性填料，比零价铁更价廉易得。

(2)本专利采用黄铁矿-异化铁还原菌协同作用体系，利用化学法反应迅速的优点，同时微生物不断繁殖、将生成的Fe(III)还原为Fe(II)保证反应持续进行，延长PRB的使用寿命。

(3)本专利通过固定化技术将微生物富集于生物炭后再与黄铁矿粉末混合，解决了黄铁矿比表面积小，难挂膜的问题，成功构建了黄铁矿-微生物反应体系。

(4)本专利采用农业废弃物椰子壳为原料烧制活性炭，为微生物生长提供碳源，采用农业中常用肥料好康多提供氮源和磷源。成本低且环境友好。

(5)本专利发明的渗透性反应墙材料既可以处理重金属，又可以处理有机物，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是渗透性反应墙实验装置。

图2是本发明的渗透性反应墙处理100mg/LCr(VI)30天内的去除率。

图3是本发明的渗透性反应墙处理10mg/L 3,3’,4,4’-四氯联苯30天内的去除率。

渗透性反应墙实验装置10，进水区11；粗砂填料区12；渗透性反应墙13。

具体实施方式

渗透性反应墙实验装置10是由进水区11、粗砂填料区12和渗透性反应墙13组成。下面结合附图对本发明进一步说明。

实施例1：渗透性反应墙13填料的制备：

购买市售黄铁矿，球磨机粉碎，过筛，过20目筛，筛下物再过40目筛，取40目筛上物。

将椰子壳用切割机切割至2-3cm，放置马弗炉中300℃缺氧灼烧2h，浸泡至0.1mol/L盐酸12h，利用去离子水洗去灰分，冲洗至pH值恒定，105℃烘干。研磨，过20目筛，筛下物再过40目筛，筛上物即生物炭。

配置LB培养基100mL，接种斜面保存的S.decolorationis，静置培养24h。

称取500g椰子壳生物炭，121℃下灭菌20min。

配置菌悬液培养基10L。配方如下：葡萄糖10g/L；NH₄Cl 1g/L；KH₂PO₄0.5g/L；酵母粉5g/L。121℃下灭菌20min。加入500g已灭菌的椰子壳生物炭，接入100mL[0031]中获得的S.decolorationis种子液。静置培养48h后。

无菌条件下将椰子壳生物炭滤出。转接至10L新鲜无菌培养基中，接种100mL新鲜S.decolorationis菌悬液，静置培养48h。

重复十次后获得成功挂膜的生物炭。

将上述黄铁矿，购买的缓释肥料好康多，生物炭固定化微生物按4:1:4完全混匀。装入图1所示的渗透性反应墙13。

实施例2：制得的渗透性反应墙13处理含Cr(VI)废水。

近年来，铬及其化合物广泛应用于金属加工、冶金、电镀、制革、涂料、油漆、肥料、印染等工业中，这些工业生产过程中均可能产生含铬的废水及废渣。据不完全统计，我国每年排放铬渣约60万吨，其中经处理后排放或综合利用的不足17％。水体中铬主要以Cr(VI)和Cr(III)两种形式存在。Cr(III)性质稳定，易生成氢氧化物沉淀，是人体重要的微量营养元素，但Cr(VI)具有很强的迁移性和毒性，可诱发癌症,具有潜在的致畸和致突变作用,对人体的毒性比Cr(III)大100倍。水溶性Cr(VI)已被列为对人体危害最大的8种化学物质之一，同时也是国际公认的3种致癌金属物之一。因此，如何降低和去除环境中的铬污染，特别是水溶性极强的Cr(VI)，成为环境领域的难题和热点。

配置含100mg/LCr(VI)的原水。采用蠕动泵以10rpm的转速进水30d(图1)，每隔24h二苯碳酰二肼分光光度法测定出水中Cr(VI)的浓度。计算去除率，测定结果见图2。

黄铁矿微生物联合渗透性反应墙13对Cr(VI)有较好的去除率，在实验的30天内，去除率始终保持在95％以上。

实施例3：制得的渗透性反应墙13处理多氯联苯。

多氯联苯(polychlorinated biphenyls,PCBs)，是一类人工合成有机物，是联苯苯环上的氢原子为氯所取代而形成的一类氯化物。因其具有持久性、生物蓄积性、远距离迁移性和生物毒性。可通过食物链富集，对生物和人体健康造成极大的威胁，已被列入《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》首批控制污染物名单中。多氯联苯在工业上的广泛使用，已造成全球性环境污染问题。

配置含10mg/L 3,3’,4,4’-四氯联苯的原水。采用蠕动泵以10rpm的转速进水30d(图1)，每隔24h取样后正己烷萃取，高效液相色谱测定出水中残留四氯联苯的浓度。计算PRB对四氯联苯的去除率，结果见图3。

运行初期黄铁矿微生物联合渗透性反应墙13对四氯联苯的去除率维持在82％左右，后期微生物的作用越来越重要，30天时去除率达到97％。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种黄铁矿微生物联合渗透性反应墙的制备方法，其特征在于，按照质量比，由下列组分组成：

黄铁矿 4

缓释营养肥料 1

生物炭固定化微生物 4；

生物炭由切割至2-3cm椰子壳在300 ºC缺氧灼烧2h，在0.1 mol/L盐酸中浸泡12h，去离子水冲洗至中性，105 ºC烘干，研磨至粒径20-40目制成；

生物炭固定化微生物采用如下步骤制成，配置10L无菌培养基，其中：葡萄糖 10g/L，NH₄Cl 1 g/L，KH₂PO₄ 0.5g/L，酵母粉 5g/L；加入500g 121ºC灭菌20min的椰子壳生物炭，接种100mL Shewanelladecolorationis菌悬液，静置培养48h后，无菌条件下将椰子壳生物炭滤出转接至10L新鲜无菌培养基中，接种100mL菌悬液，静置培养48h，循环十次后挂膜完成。

2.根据权利要求1所述的黄铁矿微生物联合渗透性反应墙的制备方法，其特征在于，微生物为Shewanella decolorationis，MCCC 1A11454，购买于中国海洋微生物菌种保藏管理中心，活化后保存于LB斜面。

3.根据权利要求1所述的黄铁矿微生物联合渗透性反应墙的制备方法，其特征在于，缓释营养肥料为市售好康多缓释肥。

4.根据权利要求1所述的黄铁矿微生物联合渗透性反应墙的制备方法，其特征在于，黄铁矿为市售黄铁矿，球磨机研磨至粒径20-40目。