胶渣强化硫酸盐还原菌修复有色冶炼场地土壤Cd、Zn污染研究

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有色金属冶炼场地环境污染问题严重,其中Cd、Zn等重金属污染尤为突出。目前,微生物修复重金属污染是研究的热点,但其存在修复周期长,菌种对高浓度污染适应性差等问题。工业固体废弃物FCC胶渣具有高容量吸附重金属的潜力,可作为高浓度重金属污染钝化剂,缓冲微生物修复压力,为微生物修复提供优势环境,大幅度提高微生物修复效率。本研究以广西某有色冶炼场地为研究对象,调查分析某有色冶炼场地土壤重金属污染特征,探究硫酸盐还原菌(SRB)、胶渣以及胶渣强化SRB这3种体系稳定化修复土壤Cd、Zn污染的效果及关键影响因素,并对修复机理进行了深入探究,主要内容及结果如下:本文通过相关性分析和主成分分析等统计学方法,系统研究了有色冶炼场地重金属来源、分布特征、污染程度及浸出毒性。研究表明,冶炼场地土壤存在多种重金属超标问题,其中重金属浸出毒性只有Cd和Zn超标,最大超标倍数分别为697.36倍和33.81倍,地下水同样存在重金属超标问题,超标元素为Cd和Zn,最大超标倍数分别为13.30倍和19.60倍,因此,冶炼场地Cd和Zn污染亟待治理。全面分析了电子供体和环境因子对SRB稳定化Cd和Zn的影响,获得了 SRB修复最佳实验参数:乳酸钠1.82 g/L,温度为30℃,初始pH为6.5,接种量为10%。利用SEM、TEM、EDS等表征手段,进一步探讨了 SRB对Cd和Zn污染稳定化的机理,主要为SRB菌体表面的蛋白质、多糖和脂类对Cd、Zn的吸附作用以及SRB诱导Cd、Zn生成硫化物沉淀。沉淀产物中出现具有一定晶型结构的硫化镉锌(Cd0.22Zn0.78S)。系统探讨了固体废弃物胶渣吸附Cd、Zn的等温吸附、动力学过程及其作用机制。结果表明,胶渣可高效吸附Cd和Zn,单一体系Cd和Zn最大吸附量分别为87.95 mg/L和101.12 mg/L,复合体系下Cd和Zn最大吸附量分别为66.55 mg/L和71.92 mg/L。胶渣吸附Cd和Zn主要机理为Na+离子交换作用,胶渣对Cd的吸附为单分子层化学吸附,对Zn的吸附为单分子层化学吸附和多层物理化学吸附。相比其他固废稳定化材料,胶渣仅添加0.8%即可将土壤中高浓度的Cd和Zn浸出毒性分别降低92.49%和89.09%,大幅度降低了固化增容比,为强化SRB修复提供数据支撑。全面对比了 SRB、胶渣以及胶渣强化SRB三种修复方式的土壤淋滤修复效果、深入研究了胶渣强化SRB修复过程中土壤Cd和Zn的迁移转化规律及作用机制。结果表明,胶渣强化SRB修复效果最佳,作用28天后土壤淋滤液中Cd、Zn浓度降低并长期维持在地下水Ⅳ类标准限值之下,且大幅度降低污染土壤渗透性,显著抑制了 Cd和Zn的迁移,提高了土壤中Cd和Zn残渣态占比。此外,通过胶渣强化SRB的调控作用,重塑了土壤微生物群落结构,Desulfitobacterium丰度明显提高,并显著抑制产酸微生物的生长。土壤渗透率的降低和优势菌属Desulfitobacterium的稳定生长可以维持土壤还原氛围,抑制还原生成的金属硫化物沉淀产物氧化溶出。胶渣强化SRB修复机制为胶渣通过离子交换作用吸附溶液中高浓度的Cd和Zn,促进SRB的生长并提供适宜的修复环境,接着SRB还原SO42-生成的S2-优先与游离态Cd、Zn反应,再与胶渣吸附的Cd、Zn反应生成金属硫化物沉淀,并逐步形成矿物膜,实现体系中全部Cd、Zn的稳定化。本研究在利用SRB修复有色冶炼场地土壤Cd、Zn污染的基础上,提出利用具有高吸附容量、低增容比的胶渣强化SRB稳定化Cd、Zn的方法,提高单一技术的修复效率、降低土壤渗透率、提升SRB等修复菌种优势占比,有望为低成本高效治理有色冶炼场地土壤高浓度重金属污染提供理论依据及技术支撑,同时对工业固废FCC胶渣的资源化利用提供新的应用途径。
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