一种复合菌、重金属离子洗滤液及其制备方法与在修复土壤重金属中的应用

摘要

本发明提供了一种复合菌、重金属离子洗滤液及其制备方法与在修复土壤重金属中的应用。涉及重金属污染治理技术领域。本发明的复合菌包括氧化亚铁硫杆菌和金属硫蛋白菌。所述复合菌中氧化亚铁硫杆菌和金属硫蛋白菌的活菌数量的比例为0.5～1.2:1.8～2.5。利用本发明的复合菌制备成重金属离子洗滤液，可以更高效的将重金属离子从土壤中洗滤出来。

说明书

技术领域

本发明涉及重金属污染治理技术领域，尤其涉及一种复合菌、重金属离子洗滤液及其制备方法与在修复土壤重金属中的应用。

背景技术

土壤重金属污染是国内外普遍关注的重要环境问题。近年来对于土壤重金属污染的治理方法为化学转化法和土壤生物修复法。化学转化法的药剂投加量大、流动性差、受溶液酸碱性影响大，并且对于重金属的洗出去除效果不明显。而土壤生物修复法包括植物、动物和微生物对土壤污染物的吸收、降解、转化过程。利用微生物菌群对土壤重金属进行修复是具备发展前景的优良技术，可以清除或转化土壤中的污染物，或使污染物无害化。但现有技术报道的土壤生物修复菌群比较单一，效果不佳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合菌、重金属离子洗滤液及其制备方法与在修复土壤重金属中的应用。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种复合菌，包括氧化亚铁硫杆菌和金属硫蛋白菌；

所述复合菌中氧化亚铁硫杆菌和金属硫蛋白菌的活菌数量的比例为0.5～1.2:1.8～2.5。

本发明还提供了一种重金属离子洗滤液，包括如下体积份数的组分：

所述的复合菌制备得到的复合菌液430～470份、纳米零价铁溶液280～320份、生物炭溶液230～270份；所述复合菌液中氧化亚铁硫杆菌的活菌浓度为0.5×10

作为优选，包括如下体积份数的组分：

所述的复合菌制备得到的复合菌液440～460份、纳米零价铁溶液290～310份、生物炭溶液240～260份。

作为优选，包括如下体积份数的组分：

权利要求1所述的复合菌制备得到的复合菌液450份、纳米零价铁溶液300份、生物炭溶液250份。

作为优选，所述复合菌液的制备方法包括如下步骤：

(1)将氧化亚铁硫杆菌在污泥加富培养基中培养，得到氧化亚铁硫杆菌菌液；

(2)将金属硫蛋白菌在完全培养基中培养，得到金属硫蛋白菌菌液；

(3)将氧化亚铁硫杆菌菌液与金属硫蛋白菌菌液按体积比为1～3:1的比例混合，得到复合菌液1，将所述的复合菌液1进行驯化得到复合菌液；

所述污泥加富培养基以水为溶剂，每升培养基包括如下质量的组分：污泥20～24g、FeSO

步骤(1)所述培养的温度为36～38℃，培养的时间为1～2d；

步骤(2)所述的完全培养基以水为溶剂，每升培养基包括如下质量的组分：蛋白胨18～22g、葡萄糖18～22g、琼脂18～22g；

步骤(2)所述的培养温度为34～36℃，培养时间为1～2d。

作为优选，步骤(3)所述的驯化方法为：将复合菌液1接种于驯化培养基中，驯化培养16～30d；

所述接种的接种量为25～27vt％；

所述驯化培养基以水为溶剂，每升培养基包括如下质量或体积的组分：二氧化硅5.2～5.6g、碳酸氢钠0.16～0.2g、氯化钙2.2～2.3g、硫酸镁0.4～0.5g、硫酸钠3.1～3.2g、氯化钠3.4～3.6g、氯化钾4.0～4.1g、FeSO

所述FeSO

所述葡萄糖溶液的质量浓度为48～52％；

所述琼脂溶液的质量浓度为9～11％；

所述驯化培养的温度为35～38℃。

作为优选，所述纳米零价铁溶液的制备方法为：将FeSO

所述FeSO

所述NaBH

所述反应时FeSO

所述稳定化载体液包括红心莲提取液和CMC水溶液；

所述CMC水溶液的浓度为0.4～0.7％；

所述红心莲提取液与CMC水溶液的体积比为6～7:13～14；

所述反应的时间为5～8h，反应的温度为28～30℃；

所述纳米零价铁溶液中的Fe浓度为0.30～0.60g/L。

作为优选，所述生物炭溶液的制备方法为：将生物炭粉加入到导电载体液中得到生物炭溶液；

所述生物炭粉的粒径为1.2～2.0μm，比表面积为1600～1900m

所述导电载体液以水为溶剂，包括如下体积浓度的组分：盐酸溶液0.28～0.35mL/L、糊精溶液0.4～0.6mL/L、胶体石墨水剂0.35～0.5mL/L；

所述盐酸溶液的摩尔浓度为0.8～1.2mol/L；

所述糊精溶液的质量浓度为1.6～2％；

所述胶体石墨水剂的浓度为2.2g/cm

所述生物炭粉与导电载体液的质量体积比为7.5～12.0g:88.0～92.5mL。

本发明还提供了所述的重金属离子洗滤液的制备方法，包括如下步骤：

将复合菌液、纳米零价铁溶液和生物炭溶液按比例混合得到重金属离子洗滤液。

本发明还提供了所述的重金属离子洗滤液在修复土壤重金属中的应用，包括如下步骤：

(1)在待修复土壤中设置阳极井和阴极井，得到井群，将所述井群通入电源，形成电场；

(2)将重金属离子洗滤液置于与阳极井连接的进液箱内，利用交替变向洗滤工艺洗滤，抽出重金属离子；

所述阳极井的电极为不锈钢管；

所述阳极井内同时安装注入管和抽提管2，注入管的上端与注入泵连接，注入泵与进液箱连接，抽提管2的上端与抽提泵2连接，抽提泵2与废液罐2连接；

所述阴极井的电极为石墨；

所述阴极井内安装抽提管1，抽提管1的上端与抽提泵1连接，抽提泵1与废液罐1连接；

所述阳极井和阴极井的直径独立为190～210mm，阳极井与阴极井之间的间距为490～510mm，阳极井和阴极井的深度独立为2.0～3.5m；

所述井群呈梅花状；

所述电源为直流电源，电压为30～220V，电流为60～150mA，电压梯度为4～10V/cm，每次通电时间1.8～2.2h，暂停9～11min；

所述交替变向洗滤工艺为交替执行阳极井进液同时阴极井出液13～17min后，阳极井出液3～7min；

所述阳极井出液时阳极井进液和阴极井出液停止；

所述阳极井进液时的流速为0.5～0.8mL/min；

阴极井出液和阳极井出液的流速为0.3～0.6mL/min。

本发明提供了一种复合菌、重金属离子洗滤液及其制备方法与在修复土壤重金属中的应用。本发明的氧化亚铁硫杆菌和金属硫蛋白菌协同作用，能够快速利用S

本发明的金属硫蛋白菌具有较强的抗氧化能力，不仅能够协助增加纳米零价铁溶液的稳定性，延长其活性时效，还可强化菌体对重金属离子的运输效应，促进其对重金属离子毒性的减除，提高菌体对重金属毒性的耐受力，增强菌体对重金属离子的吸附能力。

本发明的氧化亚铁硫杆菌在纳米零价铁溶液的作用下，积极利用环境中的Fe

本发明将金属硫蛋白菌和氧化亚铁硫杆菌进行驯化培养后，促进了土壤中氧化还原电位的升高，加速了土壤中重金属元素的化学形态由固着态向游离态的转变，促使固相重金属脱离土壤表面进入液相，从而被生物炭溶液吸附带走。

本发明的纳米零价铁溶液的主要成分为Fe

本发明加入的生物炭溶液的作用为：(1)为复合菌提供生长载体；(2)为纳米零价铁提供负载场所；(3)在电场的作用下，构成粒子群扩展微电极，激发S

本发明采用交替变向洗滤工艺，结合电极井形成的电场，一方面实现土壤中重金属及其相关离子的“变向脉动迁移”。或者说实现了重金属相关离子的双向迁移。避免了传统的电场修复土壤污染技术中随着离子迁移的进行，造成重金属离子在电极表面及电极附近土壤的堆积，形成迁移阻力，阻滞后续重金属离子的迁移。另一方面，电极本身的发热效应，可以加热土壤及其周边的土壤溶液，促进复合菌在适宜的温度条件下正常存活，本发明在通电一定时间后，暂停一段时间，避免温度过高影响复合菌的活性，使电极井中的环境温度维持在25～45℃范围内。同时促进纳米零价铁溶液和生物炭溶液的流动性，发挥纳米零价铁溶液良好的负载能力。

本发明在修复土壤重金属时，提供了一个系统性的“电场-化学场-生物场”复合环境，实现其中化学离子的快速反应与受控迁移。最终实现土壤重金属污染物的高效降解与迁移排出。

附图说明

图1电极井设置的立体图(其中1表示阳极井、2表示阴极井、3表示封帽、4表示封底、5表示注入管、6表示注入泵、7表示进液箱、8表示抽提管2、9表示抽提泵2、10表示废液罐2、11表示抽提管1、12表示抽提泵1、13表示废液罐1)。

图2电极井设置的平面图(其中8表示抽提管2；9表示抽提泵2；10表示废液罐2；11表示抽提管1；12表示抽提泵1；13表示废液罐1)。

具体实施方式

本发明提供了一种复合菌，包括氧化亚铁硫杆菌和金属硫蛋白菌；

所述复合菌中氧化亚铁硫杆菌和金属硫蛋白菌的活菌数量的比例为0.5～1.2:1.8～2.5，优选为0.7～1.0:2.0～2.3，进一步优选为0.85:2.15。

在本发明中所述氧化亚铁硫杆菌购自于北京生物保藏中心，保藏号为ATCC23270的菌种；

所述金属硫蛋白菌购自于广州二生堂医药生物科技有限公司。

本发明还提供了一种重金属离子洗滤液，包括如下体积份数的组分：

所述的复合菌制备得到的复合菌液430～470份，优选为440～460份，进一步优选为450份；

纳米零价铁溶液280～320份，优选为290～310份，进一步优选为300份；

生物炭溶液230～270份，优选为240～260份，进一步优选为250份；

所述复合菌液中氧化亚铁硫杆菌的活菌浓度为0.5×10

在本发明中，所述复合菌液的制备方法包括如下步骤：

(1)将氧化亚铁硫杆菌在污泥加富培养基中培养，得到氧化亚铁硫杆菌菌液；

(2)将金属硫蛋白菌在完全培养基中培养，得到金属硫蛋白菌菌液；

(3)将氧化亚铁硫杆菌菌液与金属硫蛋白菌菌液按体积比为1～3:1的比例混合，得到复合菌液1，将所述的复合菌液1进行驯化得到复合菌液；

所述氧化亚铁硫杆菌菌液与金属硫蛋白菌菌液的体积比优选为2:1；

所述污泥加富培养基以水为溶剂，每升培养基包括如下质量的组分：污泥20～24g，优选为22g；

FeSO

步骤(1)所述培养的温度为36～38℃，培养的时间为1～2d；

步骤(2)所述的完全培养基以水为溶剂，每升培养基包括如下质量的组分：蛋白胨18～22g，优选为20g；

葡萄糖18～22g，优选为20g；

琼脂18～22g，优选为20g；

步骤(2)所述的培养温度为34～36℃，优选为35℃，培养时间为1～2d。

作为优选，步骤(3)所述的驯化方法为：将复合菌液1接种于驯化培养基中，驯化培养16～30d，优选为20～26d，进一步优选为23d；

所述接种的接种量为25～27vt％，优选为26vt％；

所述驯化培养基以水为溶剂，每升培养基包括如下质量或体积的组分：二氧化硅5.2～5.6g，优选为5.4g；

碳酸氢钠0.16～0.2g，优选为0.18g；

氯化钙2.2～2.3g，优选为2.25g；

硫酸镁0.4～0.5g，优选为0.45g；

硫酸钠3.1～3.2g，优选为3.15g；

氯化钠3.4～3.6g，优选为3.5g；

氯化钾4.0～4.1g，优选为4.05g；

FeSO

葡萄糖溶液43～44mL，优选为43.5mL；

琼脂溶液63～64mL，优选为63.5mL；

所述FeSO

所述葡萄糖溶液的质量浓度为48～52％，优选为50％；

所述琼脂溶液的质量浓度为9～11％，优选为10％；

所述驯化培养的温度为35～38℃，优选为36～37℃，进一步优选为36.5℃。

在本发明中，所述纳米零价铁溶液的制备方法为：将FeSO

所述FeSO

所述NaBH

所述反应时FeSO

所述稳定化载体液包括红心莲提取液和CMC水溶液；

所述CMC水溶液的浓度为0.4～0.7％，优选为0.5～0.6％，进一步优选为0.55％；

所述红心莲提取液与CMC水溶液的体积比为6～7:13～14，优选为6.5:13.5；

所述反应的时间为5～8h，优选为6～7h，进一步优选为6.5h，反应的温度为28～30℃，优选为29℃；

所述纳米零价铁溶液中的Fe浓度为0.30～0.60g/L，优选为0.45g/L。

作为优选，所述生物炭溶液的制备方法为：将生物炭粉加入到导电载体液中得到生物炭溶液；

所述生物炭粉的粒径为1.2～2.0μm，优选为1.4～1.8μm，进一步优选为1.6μm；

比表面积为1600～1900m

孔容为1.2～1.6cm

所述导电载体液以水为溶剂，包括如下体积浓度的组分：盐酸溶液0.28～0.35mL/L，优选为0.3～3.3mL/L，进一步优选为3.15mL/L；

糊精溶液0.4～0.6mL/L，优选为0.5mL/L；

胶体石墨水剂0.35～0.5mL/L，优选为0.4～0.45mL/L，进一步优选为0.425mL/L；

所述盐酸溶液的摩尔浓度为0.8～1.2mol/L，优选为1.0mol/L；

所述糊精溶液的质量浓度为1.6～2％，优选为1.8％；

所述胶体石墨水剂的浓度为2.2g/cm

所述生物炭粉与导电载体液的质量体积比为7.5～12.0g:88.0～92.5mL，优选为8.5～11g:89～91.5mL，进一步优选为9.5～10g:90～90.5mL，更有选为9.75g：90.25mL。

本发明还提供了所述的重金属离子洗滤液的制备方法，包括如下步骤：

将复合菌液、纳米零价铁溶液和生物炭溶液按比例混合得到重金属离子洗滤液。

本发明还提供了所述的重金属离子洗滤液在修复土壤重金属中的应用，包括如下步骤：

(1)在待修复土壤中设置阳极井和阴极井，得到井群，将所述井群通入电源，形成电场；

(2)将重金属离子洗滤液置于与阳极井连接的进液箱内，利用交替变向洗滤工艺洗滤，抽出重金属离子；

所述阳极井的电极为不锈钢管；

所述阳极井内同时安装注入管和抽提管2，注入管的上端与注入泵连接，注入泵与进液箱连接，抽提管2的上端与抽提泵2连接，抽提泵2与废液罐2连接；

所述阴极井的电极为石墨；

所述阴极井内安装抽提管1，抽提管1的上端与抽提泵1连接，抽提泵1与废液罐1连接；

所述阳极井和阴极井的直径独立为190～210mm，优选为200mm；

阳极井与阴极井之间的间距为490～510mm，优选为500mm；

阳极井和阴极井的深度独立为2.0～3.5m，优选为2.5～3m，进一步优选为2.75m；

所述井群呈梅花状；

所述电源为直流电源，电压为30～220V，优选为60～190V，进一步优选为90～160V，更优选为125V；

电流为60～150mA，优选为90～120mA，进一步优选为105mA；

电压梯度为4～10V/cm，优选为6～8V/cm，进一步优选为7V/cm；

每次通电时间1.8～2.2h，优选为2h；

暂停9～11min，优选为10min；

所述交替变向洗滤工艺为交替执行阳极井进液同时阴极井出液13～17min后，阳极井出液3～7min；

所述阳极井进液同时阴极井出液时间优选为14～16min，进一步优选为15min；

所述阳极井出液时间优选为4～6min，进一步优选为5min；

所述阳极井出液时阳极井进液和阴极井出液停止；

所述阳极井进液时的流速为0.5～0.8mL/min，优选为0.6～0.7mL/min，进一步优选为0.65mL/min；

阴极井出液和阳极井出液的流速独立为为0.3～0.6mL/min，优选为0.4～0.5mL/min，进一步优选为0.45mL/min。

在本发明中所述每个阳极井和阴极井都安装有封底和封帽。

在本发明中所述井群设置的立体图如图1所示；

在本发明中所述井群设置的平面图如图2所示。

下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

本发明实施例是在深圳市宝安区进行的实验，每个实验的面积为50平方米。

实施例1选取的实验基地的土壤渗透系数为2×10

实施例2选取的实验基地的土壤渗透系数为4×10

实施例1～2中镉含量的测定方法为盐酸-硝酸-高氯酸消解，萃取稀释-火焰原子吸收法；

铬含量的测定方法为盐酸-硝酸-氢氟酸消解稀释，火焰原子吸收分光光度法。

实施例1～2中去除率＝[(处理前土壤中重金属的含量-处理后土壤中重金属的含量)/处理前土壤中重金属的含量]×100％。

实施例1

将氧化亚铁硫杆菌接种于污泥加富培养基中，38℃条件下，培养1d得到活菌浓度为0.5×10

将金属硫蛋白菌接种于完全培养基中，36℃条件下，培养2d，得到活菌浓度为2.5×10

取60mL氧化亚铁硫杆菌菌液与60mL金属硫蛋白菌菌液混合，得到复合菌液1。将复合菌液1接种于445mL驯化培养基中，在35℃条件下，驯化培养16d，得到复合菌液。

所述污泥加富培养基以水为溶剂，每升培养基包括如下质量的组分：污泥20g，FeSO

污泥为吉林市政生活污水处理厂的二沉池浓缩污泥。

所述的完全培养基以水为溶剂，每升培养基包括如下质量的组分：蛋白胨18g，葡萄糖22g，琼脂18g。

所述驯化培养基以水为溶剂，每升培养基包括如下质量或体积的组分：二氧化硅5.2g、碳酸氢钠0.2g、氯化钙2.2g、硫酸镁0.4g、硫酸钠3.2g、氯化钠3.5g、氯化钾4.0g、9g/L的FeSO

将红心莲提取液与浓度为0.4％的CMC水溶液，按体积比为6:14的比例混合，得到稳定化载体液。

取0.8mol/L的FeSO

选取粒径为1.2μm，比表面积为1600m

所述导电载体液以水为溶剂，包括如下体积浓度的组分：0.8mol/L的盐酸溶液0.28mL/L，1.6％的糊精溶液0.6mL/L，2.2g/cm

将430L复合菌液、320L纳米零价铁溶液和250L生物炭溶液混合，得到重金属离子洗滤液。

在待修复地中挖直径为190mm，深度为3.5m的坑，作为阳极井和阴极井。阳极井和阴极井交错排列，形成梅花状的井群。阳极井和阴极井的间距为510mm。在阳极井中加入不锈钢管作为电极，同时在阳极井内安装注入管和抽提管2，注入管与进液箱连接，抽提管2的上端与抽提泵2连接，抽提泵2与废液罐2连接。阴极井中通入石墨作为电极，同时阴极井内安装抽提管1，抽提管1的上端与抽提泵1连接，抽提泵1与废液罐1连接。所述电极井的排列、连接的立体图如图1所示，平面图如图2所示。

在电极井中通入电压为220V，电流为150mA，电压梯度为10V/cm的直流电源，将重金属离子洗滤液加入到进液箱中，交替执行阳极井进液同时阴极井出液13min后，阳极井出液3min。金属离子洗滤液加入到阳极井的流速为0.8mL/min，阴极井出液和阳极井出液的流速设置为0.6mL/min。通电2.2h，暂停11min。持续处理48h后，测定处理后土壤中隔和铬的含量，与处理前土壤中隔和铬的含量进行比较，计算去除率。结果如表1所示。

表1实施例1的方法对重金属的去除率

表1显示，本发明的方法对镉的去除率能达到96.4％，对铬的去除率能达到91.3％。

实施例2

将氧化亚铁硫杆菌接种于污泥加富培养基中，38℃条件下，培养1d得到活菌浓度为1.2×10

将金属硫蛋白菌接种于完全培养基中，34℃条件下，培养1d，得到活菌浓度为1.8×10

取20mL氧化亚铁硫杆菌菌液与60mL金属硫蛋白菌菌液混合，得到复合菌液1。将复合菌液1接种于300mL驯化培养基中，在38℃条件下，驯化培养30d，得到复合菌液。

所述污泥加富培养基以水为溶剂，每升培养基包括如下质量的组分：污泥24g，FeSO

污泥为吉林市政生活污水处理厂的二沉池浓缩污泥。

所述的完全培养基以水为溶剂，每升培养基包括如下质量的组分：蛋白胨22g，葡萄糖18g，琼脂22g。

所述驯化培养基以水为溶剂，每升培养基包括如下质量或体积的组分：二氧化硅5.6g、碳酸氢钠0.16g、氯化钙2.3g、硫酸镁0.5g、硫酸钠3.1g、氯化钠3.6g、氯化钾4.1g、11g/L的FeSO

将红心莲提取液与浓度为0.7％的CMC水溶液，按体积比为7:13的比例混合，得到稳定化载体液。

取1.2mol/L的FeSO

选取粒径为2.0μm，比表面积为1900m

所述导电载体液以水为溶剂，包括如下体积浓度的组分：1.2mol/L的盐酸溶液0.35mL/L，2％的糊精溶液0.4mL/L，2.2g/cm

将470L复合菌液、280L纳米零价铁溶液和230L生物炭溶液混合，得到重金属离子洗滤液。

在待修复地中挖直径为210mm，深度为2m的坑，作为阳极井和阴极井。阳极井和阴极井交错排列，形成梅花状的井群。阳极井和阴极井的间距为490mm。在阳极井中加入不锈钢管作为电极，同时在阳极井内安装注入管和抽提管2，注入管与进液箱连接，抽提管2的上端与抽提泵2连接，抽提泵2与废液罐2连接。阴极井中通入石墨作为电极，同时阴极井内安装抽提管1，抽提管1的上端与抽提泵1连接，抽提泵1与废液罐1连接。所述电极井的排列、连接的立体图如图1所示，平面图如图2所示。

在电极井中通入电压为30V，电流为60mA，电压梯度为4V/cm的直流电源，将重金属离子洗滤液加入到进液箱中，交替执行阳极井进液同时阴极井出液17min后，阳极井出液7min。金属离子洗滤液加入到阳极井的流速为0.5mL/min，阴极井出液和阳极井出液的流速设置为0.3mL/min。通电2h，暂停9min。持续处理48h后，测定处理后土壤中隔和铬的含量，与处理前土壤中隔和铬的含量进行比较，计算去除率。结果如表2所示。

表2实施例2的方法对重金属的去除率

表2显示，本发明的方法对镉的去除率能达到97.1％，对铬的去除率能达到93.5％。

由以上实施例可知，本发明提供了一种复合菌、重金属离子洗滤液及其制备方法与在修复土壤重金属中的应用。按照本发明的方法将复合菌制备成重金属离子洗滤液来洗滤土壤中的镉和铬，可以使土壤中的镉的去除率高达95％以上，土壤中铬的去除率高达90％以上。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。