上海理工大学学报  2022, Vol. 44 Issue (4): 357-363   PDF    
EK-PRB联合酵母菌对镉污染土壤修复研究
李昕, 周海东, 徐昕璇, 叶宓煊     
上海理工大学 环境与建筑学院,上海 200093
摘要: 运用固定化微生物技术制备粉煤灰−酵母菌小球,联合电动−可渗透反应墙(EK-PRB)技术,研究电压梯度和PRB材料对于Cd污染土壤修复效果的影响。试验修复周期设定为120 h,初始含水率为30%,电解液为CA和EDTA,设置6组电压梯度(1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,2.5 V/cm),进行试验得到最适合的电压梯度后,再对比PRB材料(粉煤灰−酵母菌小球、粉煤灰)的影响,共计7组试验。结果表明,电压梯度在1.0~5.0 V/cm范围内增加对Cd去除有促进作用,Cd去除率可提高23.4%,粉煤灰–酵母菌小球作为PRB材料对Cd污染土壤修复效果更好。考虑电能消耗成本与应用,选择电压梯度2.5 V/cm,PRB材料为粉煤灰−酵母菌小球,Cd去除率可达53.7%,体现了固定化微生物联合EK-PRB技术的可行性以及修复优势,为后续深入研究去除机理以及材料创新提供基础支撑。
关键词: 电动修复     粉煤灰     重金属     微生物    
Remediation of Cd-contaminated soil by EK-PRB combined with yeast
LI Xin, ZHOU Haidong, XU Xinxuan, YE Mixuan     
School of Environment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
Abstract: The influence of voltage gradient and permeable reaction barrier (PRB) material on the remediation of Cd-contaminated soil was studied by immobilized microorganism technology to prepare fly ash-yeast pellets, and combined with electrokinetic-permeable reaction wall (EK-PRB) technology. The repair period was set at 120 h; the initial water content was 30%; the electrolyte was CA and EDTA. Six sets of voltage gradients (1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 2.5 V/cm) were set, and the most suitable voltage gradient was obtained. The effect of PRB materials (fly ash-yeast pellets, fly ash) were compared. A total of seven sets of tests were conducted. The results showed that the increase of voltage gradient in the range of 1.0~5.0 V/cm has a facilitating effect on Cd removal, and the removal rate of Cd can be increased by 23.4%. Fly ash-yeast pellets are more effective as PRB materials for the remediation of Cd-contaminated soil. Considering the cost of electrical energy consumption and application, the voltage gradient is selected as 2.5 V/cm and the PRB material is fly ash-yeast pellets. The removal rate of Cd can reach 53.7% , which reflects the feasibility and remediation advantages of immobilized microorganisms combined with EK-PRB technology, and provides basic support for the subsequent in-depth study of the removal mechanism and material innovation.
Key words: electrokinetic remediation     fly ash     heavy metals     microorganisms    

土壤环境是自然环境的组成部分,是地球生物体赖以生存的基础。近年来,快速发展的工业、现代农业以及丰富的人类活动,使得我国土壤环境遭到巨大影响,污染面积不断扩大,土壤质量恶化严重。土壤重金属污染已成为严重的环境问题,世界范围内都受到影响[1]。土壤重金属污染来源广泛,包括采矿、化工、冶炼业排放废物,矿产资源开发,化肥的过度使用和污水灌溉等[2]。土壤污染种类多样,其中土壤重金属镉(Cd)污染严重,2014年,全国土壤污染状况调查公报中指出,Cd点位超标率已达到7.0%[3]。因此,本文针对Cd污染土壤的修复技术进行研究,探求有效的修复方法,以降低土壤中Cd污染造成的环境风险,具有一定的现实意义。

1 土壤Cd污染及研究现状

重金属Cd不是人体必需的元素,其化学活性强,生物毒性强且持久,极易通过食物链在人体内富集,危及人类健康,对人身体产生致病、致癌和致突变作用。重金属Cd污染来源主要有两个途径:一个是自然来源,自然条件下,含Cd的岩石矿物在长期的风化作用下,释放在土壤中,构成土壤中Cd背景值[4];另一个是人为来源,工业废气及废物、化肥使用、含Cd废水灌溉都会造成土壤Cd污染[5- 6]。张倩等[7]以贵州普定喀斯特关键带作为研究区域,对土壤中的Cd,Cu等5种重金属进行分析,结果发现,Cd和Mn有效态成分占比高,Cd对耕地构成高生态风险。

重金属污染土壤治理技术多样,包括钝化修复技术、电动修复技术、土壤淋洗技术、微生物修复技术、植物修复技术等[8-12]。由于单一修复技术受限大,通常修复效率偏低,植物修复耗时较长,因此,研究污染土壤联合修复技术,提升重金属污染土壤修复效果是趋势所在。微生物修复技术具有修复成本较低,无二次污染的优势。固定化微生物技术[13-15]属于微生物修复,具有成本低、效果好、可重复利用、利于固液分离等优点。固定化微生物制备方法多种多样,大致可以分成吸附法、包埋法、共价结合法和交联法等[16]。戚鑫等[17]研究发现,以生物炭为载体材料,吸附固定化微生物对于修复重金属污染土壤效果较好。固定化酵母菌与酵母菌相比,Cd2+吸附率可提高6%~8%,能够有效提高Cd2+去除率[18]

电动−可渗透反应墙(EK-PRB)技术[19-21]通过电场作用使毒性较高的重金属向电极两端迁移,当重金属离子在电渗流、电迁移作用下迁移至阴极附近的可渗透反应墙(PRB)时,通过被PRB材料吸附、降解或者形成沉淀等方式,达到去除或降低污染程度的目的。PRB材料的选择对于重金属污染土壤修复至关重要,修复周期和效果与PRB材料相关联[22]。Zhou等[20]以沸石+粉煤灰组合为PRB材料,以柠檬酸为电解液,对Pb污染高岭土进行修复,去除率最高达到了80.7%。Xu等[23]研究发现,使用EDTA电解液对污染土壤进行预处理,可有效提高EK-PRB对于As和Cr的去除率。

固定化微生物技术在污染水体治理中应用广泛,在土壤重金属污染修复方面需进一步研究。EK-PRB技术中PRB材料的选择至关重要,现有研究大多是采用粉末状的材料,在清理和回收方面存在一些问题。另外,单一的PRB材料对于土壤中重金属的去除可能没有达到较佳效果。目前,固定化微生物联合EK-PRB技术的应用研究较少,将这两种技术进行联合,提高重金属污染修复效果,是具有一定价值的研究方向。本研究在EK-PRB修复重金属污染土壤基础上,联合固定化微生物技术,制备出粉煤灰−酵母菌小球作为PRB材料,探究在不同的电压梯度下,对于Cd污染实际土壤的修复效果,探究固定化微生物联合EK-PRB技术修复Cd污染土壤的应用可能性。

2 材料和方法 2.1 试剂和材料

试验所用土壤来自于上海理工大学花坛土表层土壤。土壤的pH值为6.85,电导率为572 μm/cm,有机质含量为8.31%,Cd浓度为0.34 mg/kg,Pb浓度为14.78 mg/kg,Cu浓度为13.48 mg/kg,Fe浓度为6183.78 mg/kg,Mn浓度为236.73 mg/kg。为了减少受试土壤产生的误差,试验前,采集10 kg土壤,放在避光、封闭的条件下保存,去除土壤中的石块、植物,在105 ℃条件下烘50 h,研磨过1.00 mm筛网。

试验所使用的粉煤灰是工业副产品,来自河南省巩义市豫联电厂,粒径2~45 μm,酵母菌来自高活性干酵母,购买于安琪酵母股份有限公司。硝酸镉四水Cd(NO3)2·4H2O、一水合柠檬酸(CA)和乙二胺四乙酸二钠(EDTA)均为分析纯,土壤消解所用试剂盐酸(HCl)、硝酸(HNO3)、氢氟酸(HF)、高氯酸(HClO4)均为优级纯,均购买自国药集团化学试剂有限公司。

污染土壤制备:设定Cd污染浓度为200 mg/kg,含水率调整为30%;称取500 g烘干过1.00 mm筛网的土壤,Cd(NO3)2·4H2O分子量为308.47,其中Cd2+所占比例为36.44%,则每组试验需要的Cd(NO3)2·4H2O质量为274.4 mg,溶解0.2744 g Cd(NO3)2·4H2O于150 mL纯水中,均匀混入500 g土壤中,得到Cd污染试验土壤。

粉煤灰−酵母菌小球制备:称取定量高活性干酵母粉加入2%灭菌葡萄糖溶液中活化,得到种子液后加入灭菌YPD培养基中,放置在恒温培养摇床中,在200 r/min,26 ℃条件下进行培养,经离心机离心(5500 r/min)5 min后,收集酵母菌菌体,用纯水清洗3次后,添加纯水制成菌悬液。将粉煤灰与菌悬液混匀,放置于摇床中,避光培养3 h(200 r/min),使酵母菌充分吸附在载体材料上,得到酵母菌−粉煤灰溶液。配制海藻酸钠(SA)溶液并与酵母菌−粉煤灰溶液混合均匀,得到酵母菌−粉煤灰−SA溶液,用注射器滴加酵母菌−粉煤灰−SA溶液到4%氯化钙(CaCl2)交联溶液中,交联8 h得到粉煤灰−酵母菌小球,如图1所示,在室温(26 ℃)条件下干燥至恒重。


图 1 粉煤灰-酵母菌小球示意图 Fig. 1 Schematic diagram of fly ash-yeast pellets
2.2 试验装置

本试验采用的装置如图2所示。实际电动土壤修复工程中,修复范围大,单对板状电极修复效果不太理想。该装置采用柱状电极,模拟实际应用中的非均匀电场,增加PRB室,提高土壤修复效果。装置构成有阴极室( 10 mm×120 mm),PRB室(环形,(10~30) mm×120 mm),土壤室(环形,(30~70) mm×120 mm),以及6个阳极室(30 mm×30 mm×120 mm),电极排布方式按照阵列式,装置材质为有机玻璃,由上海成珊仪器仪表有限公司生产制造。


图 2 试验装置示意图 Fig. 2 Schematic diagram of experimental device

试验采用直流稳压电源,规格为0~60 V,5 A,东莞市同门电子科技有限公司生产;电极棒采用高纯石墨电极,购自内蒙古万兴碳素有限公司。

2.3 试验方法

PRB水体吸附试验:准备2组200 mg/L Cd(NO3)2·4H2O溶液各100 mL,一组投加2 g粉煤灰−酵母菌小球,一组投加2 g粉煤灰,搅拌后放入摇床,设置转速为200 r/min,温度26 ℃,振荡24 h后测定溶液中Cd浓度,计算单位质量粉煤灰−酵母菌小球、粉煤灰对Cd的吸附量。

土壤修复试验:将制备的500 g污染土壤均匀放置于试验装置土壤室中,PRB室中加入PRB材料(粉煤灰–酵母菌小球、粉煤灰),阴极室和阳极室中分别加入15 mL的0.1 M CA+0.01 M EDTA电解液,静置平衡24 h。通电后每24 h更换阴阳极电解液,设置不同的电压梯度,探究不同电压梯度下,PRB为粉煤灰−酵母菌小球对于Cd污染土壤的修复效果。设置6种电压梯度,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,2.5 V/cm,得到合适的电压梯度后,增设PRB材料为粉煤灰的试验,试验方案如表1所示。结束5 d修复周期后,分别在距离阳极4 mm(S1),12 mm(S2),20 mm(S3),28 mm(S4),36 mm(S5)处进行取样,用于测定修复后土壤中Cd浓度,分析去除效果。


表 1 土壤修复试验方案 Table 1 Experiment program of soil remediation
2.4 分析方法

首先,计算各取样点Cd去除率。将修复后各取样点土样均进行105 ℃干燥处理,干燥后研磨过孔径74 μm筛网,分别称取0.2000 g(±0.0001 g),经过HCl-HNO3-HF-HClO4消解后,用5%稀硝酸定容至10 mL,经0.22 μm微孔滤膜过滤,使用Optima8000型ICP-OES电感耦合等离子体发射光谱仪测定水样及土样中Cd浓度。水体吸附试验PRB单位质量吸附量及土壤修复试验Cd去除率如下式所示:

$ {\text{S}}_{\mathrm{w}}=\frac{{{C}_{0}-C}_{\mathrm{w}}}{20} $ (1)
$ {\eta }_{\mathrm{s}}=\frac{{{C}_{\mathrm{i}}-C}_{\mathrm{f}}}{{C}_{\mathrm{i}}}\times 100\% $ (2)

式中:Sw为PRB单位质量吸附量,mg/g;C0为水体实测初始Cd浓度,mg/L;Cw为吸附后Cd浓度,mg/L;ηs为Cd去除率,%;Ci为修复前土壤初始Cd浓度,mg/kg;Cf为修复后土壤Cd浓度,mg/kg。

然后,记录稳压电源显示的电流变化情况,测定修复试验后各土样的pH、电导率。土样与纯水按照1∶2.5 的比例混匀,在摇床中振荡30 min后离心,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;土样与纯水按照质量(g)和体积(mL)比1∶5 的比例混匀,置于漩涡混合仪5 min后离心,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。

3 结果与讨论 3.1 PRB水体吸附效果

粉煤灰−酵母菌小球和粉煤灰吸附水体中Cd的效果如表2所示,由表中数据可以看出,在水体吸附试验中,利用固定化微生物技术制成的粉煤灰−酵母菌小球吸附效果优于单纯粉煤灰,粉煤灰−酵母菌小球对Cd的单位质量吸附量接近5.0 mg/g,对于Cd的去除有较大影响,是有研究价值的PRB材料。


表 2 水体吸附试验效果 Table 2 Effect of water adsorption experiment
3.2 土壤修复试验电流变化

不同试验组别电流变化如图3所示。分析图3中电流的变化,开始通电后,电流呈上升状态,到达最高值后开始下降,与Yu等[24]研究中的电流变化现象相似。更换电解液后电流增加,每个电解液更换周期内,电流均呈现先上升后下降的变化现象。


图 3 修复过程中电流变化情况 Fig. 3 Current changes during remediation

从图中可以看出,在1.0~5.0 V/cm范围内,电压梯度越大,电流起始值与峰值越高,这是电压梯度对试验土壤中离子的迁移产生了影响。电流在最初通电后呈现上升趋势,这是由土壤中溶解的离子浓度升高、金属离子的持续释放造成的[25]。随着试验进行,每个电解液更换周期中电流的峰值降低,电流整体呈现下降趋势,这是由于“电阻极化”,阴极表面产生一层白色的物质,影响电导性,对电流产生了影响[26]

3.3 土壤修复试验pH变化

不同试验组别各取样点土壤pH变化如图4所示。土壤的pH值与土壤的性质有关,原始土样pH为6.85。修复后土壤pH值从阳极到阴极(S1—S5)总体呈上升趋势,各组别S1区域土壤pH值较低,均在5.00以下,S5区域土壤pH值均高于9,总体分布范围在3.00~11.50。其中,电压梯度为5.0 V/cm时,靠近阴极S5区域土壤pH值达到11.43,这种现象主要是由于阴阳两极处水的电解,阳极处反应产生大量的H+,阴极处产生OH-[27]。试验采用阵列式电极,阴极与阳极个数比例为1∶6,对阴极S4,S5区域pH值有一定影响。


图 4 修复后各取样点土壤pH值 Fig. 4 Soil pH value of each sampling point after remediation

综合对比Test 1~6试验,可以看出电压梯度对于各取样点土壤pH变化影响不明显,这是由于电压梯度影响土壤中离子迁移,但不能决定土壤中H+和OH-的分布[28]。由Test 6与Test 7土壤pH变化情况可以看出,各取样点土壤pH受PRB材料的影响不显著。

3.4 土壤修复试验电导率变化

不同试验组别各取样点土壤电导率变化如图5所示。土壤的电导率与土壤的性质有关,原始土样电导率为572 μm/cm。总体来看,修复后土壤电导率从阳极到阴极(S1—S5)总体呈先下降后微上升的趋势。各组别靠近阳极S1区域土壤电导率高,均在1200 μm/cm以上。这是由于S1区域pH值较低,离子在酸性条件下更容易释放。除Test 1和Test 2外,其余试验组均表现为S4区域土壤电导率最低,这与秦丰林等[29]修复Cd污染土壤研究中增强组电导率变化相似。


图 5 修复后各取样点土壤电导率 Fig. 5 Soil conductivity of each sampling point after remediation

综合对比Test 1~7发现:Test 7组土壤电导率较低,这可能是由于电解液中的离子迁移入土壤的过程受PRB影响;Test 1~6中,微生物的加入对电渗和电泳起到正向促进作用[30]。较高的电压梯度对土壤空隙中离子的迁移过程起促进作用[20],因此,土壤电导率与电压梯度总体呈正相关性。

3.5 土壤修复试验Cd去除率变化 3.5.1 不同组别各取样点Cd去除率变化

不同试验组别各取样点土壤Cd去除率变化如图6所示。修复后由靠近阳极的S1区域到靠近阴极的S5区域,各取样点土壤Cd去除率呈现先下降后上升的趋势。S1区域Cd去除率最高,均达到70%以上,S3,S4区域Cd去除率较低,这与Sun等[31]研究电动修复Cd污染土壤后Cd分布现象类似。S1区域土壤Cd去除率较高,是由于S1靠近阳极,水分含量较高,pH值较低,有利于各种离子包括Cd2+的移动。由图6可发现电压梯度在3.0,4.0,5.0 V/cm时,S3区域Cd去除率最低,电压梯度在1.0,2.0,2.5 V/cm时,S4区域Cd去除率最低,部分组别出现负值,这种现象可能是由于电解液为CA和EDTA,与土壤中Cd2+形成带负电的络合物[Cd-EDTA]m−,在电场的作用下向阳极方向迁移,进而在S3,S4区域产生了重金属聚集[32]


图 6 修复后各取样点土壤Cd去除率 Fig. 6 Cd removal rate of each sampling point after remediation
3.5.2 不同组别Cd去除率

不同试验组别土壤Cd去除率变化如图7所示,综合对比Test 1~ 6发现,随着电压梯度的增大,Cd去除率也随之增加。在电压梯度由1.0 V/cm到3.0 V/cm增加过程中,电压梯度对Cd去除率影响显著,Cd去除率增长20%以上。电压梯度由3.0 V/cm增加到5.0 V/cm时,Cd去除率仅增加 2.62%,当电压梯度为2.5 V/cm时,相较于2.0 V/cm时Cd去除率增加了6.14%,与3.0 V/cm时相比Cd去除率相差很小。因此,考虑经济实用性,电压梯度2.5 V/cm是最佳选择。对比Test 6与Test 7可以发现,相同电压梯度下,Test 6中Cd去除率高于Test 7,这说明当运用固定化微生物技术制备得到的粉煤灰–酵母菌小球作为PRB材料时,Cd污染土壤的修复效果更好。


图 7 修复后各组别土壤Cd去除率 Fig. 7 Cd removal rate of each test after remediation

在以往的Cd污染土壤修复研究中,尹静玄等[30]对比传统的电动修复后得出,运用耐镉细菌联合电动技术,Cd去除率会增加,在电压梯度为1.0 V/cm的条件下,总Cd去除率最佳可达到30.77%。本研究在EK-PRB技术的基础上联合固定化微生物技术对Cd污染土壤进行修复,对比单一粉煤灰作为PRB修复Cd污染土壤,修复效果有明显提升,体现了固定化微生物联合EK-PRB的可行性以及修复优势。

4 结 论

利用固定化微生物技术制备粉煤灰–酵母菌小球,进行水体吸附试验,对比粉煤灰–酵母菌小球和粉煤灰对Cd的去除效果。进而联合EK-PRB技术,对Cd污染土壤进行修复,探究电压梯度、PRB材料对于修复过程中土壤电流、修复后土壤pH及电导率、Cd去除率的影响。结论如下:

a. 粉煤灰–酵母菌小球相较于粉煤灰,对Cd具有更高的单位质量吸附量,7组土壤修复试验中,Cd去除率最高达到56.9%,固定化微生物联合EK-PRB技术对于Cd污染土壤修复效果较好。

b. 电流起始值与峰值与电压梯度成正比,在更换电解液周期里呈现先增加后下降现象;修复后土壤pH值由阳极区域到阴极区域逐渐升高,总体在3.0~11.5之间,电压梯度对于土壤电导率的变化影响较大。

c. 随着电压梯度的增加,Cd污染土壤修复效果有所提升,但在2.5~5.0 V/cm范围内,增长幅度不大,考虑用电造成的电能消耗以及污染土壤的修复效果,电压梯度2.5 V/cm、PRB材料为粉煤灰–酵母菌小球时为最佳选择。后续可针对修复前后的土壤重金属进行形态分析,研究重金属的形态分布情况,进一步探究固定化微生物联合EK-PRB技术修复机理。

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