一种双膜电动系统耦合功能菌剂修复铅和阿特拉津污染土壤的方法

技术领域

本发明涉及土壤处理技术领域，具体涉及一种双膜电动系统耦合功能菌剂修复铅和阿特拉津污染土壤的方法。

背景技术

铅和阿特拉津导致的土壤污染日益严重，已经成为至关重要的环境问题之一。铅是环境中最常见的重金属之一，会在人类活动、岩石以及矿物等物质的溶出作用下，进入环境中造成Pb污染，危害人类健康。阿特拉津是一种三嗪类除草剂，是一种选择性及内吸性传导型药剂，具有内分泌干扰作用，易诱发疾病。因此，开发有效的技术和产品从土壤中修复铅和阿特拉津复合污染至关重要。

现如今，在Pb污染土壤中，电动修复技术主要是通过向土壤施加直流电，并利用直流电场驱动土壤中的孔隙水以产生电渗流(EOF)，使得土壤中的Pb随着孔隙水的流动被一起带出土壤，且土壤中的带电粒子也可以向电性相反的方向移动，最终达到去除土壤中Pb的目的。然而利用电动力学方法修复污染土壤会导致土壤的酸化，因为阳极端会持续发生水解反应产生大量的氢离子，这些氢离子会随着EOF持续进入土壤中，从而使土壤的pH持续降低，这会导致土壤表面由负电荷转变为正电荷，阻碍土壤孔隙水由阳极向阴极的流动。而碱性环境会使Pb离子形成氢氧化铅的沉淀，不利于Pb污染土壤的修复。由于细菌的适应能力强且易于培养，现如今有关细菌降解土壤中的阿特拉津的研究相对较多并且可以利用阿特拉津作为唯一的氮源和碳源，对土壤中的阿特拉津进行降解。然而，微生物修复技术的应用会受限于环境条件，土壤中过高的重金属浓度可能会对微生物产生毒害作用，降低其修复效率。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统的电动修复技术用于修复Pb污染土壤时会导致土壤酸化、碱化进而不利于Pb污染土壤的修复，以及采用微生物修复技术去除土壤中的阿特拉津时会受到重金属毒害影响的问题，而提供一种双膜电动系统耦合功能菌剂修复铅和阿特拉津污染土壤的方法。

一种耦合功能菌剂的双膜电动系统，包括反应装置、污染土壤放置室1、第一溶液室2、第二溶液室3、阳极室4和阴极室5，所述的污染土壤放置室1设置在反应装置内，污染土壤放置室1内设置有污染土壤和功能菌剂；污染土壤放置室1通过滤板与第一溶液室2连通，所述的第一溶液室2通过阴离子交换膜8与阳极室4连通；污染土壤放置室1通过滤板与第二溶液室3连通，所述的第二溶液室3通过阳离子交换膜9与阴极室5连通；所述的阳极室4内设置有阳极电极6，所述的阴极室5内设置有阴极电极7，阳极电极6和阴极电极7均通过导线与直流电源电连接。

采用一种耦合功能菌剂的双膜电动系统修复铅和阿特拉津污染土壤的方法，按以下步骤进行：

一、将EDTA-2Na溶液与Na

二、先向第一溶液室2和第二溶液室3内加入由EDTA-2Na溶液和Na

三、向预处理过的污染土壤中加入阿特拉津降解菌DNS32菌悬液，混合均匀后，将第一溶液室2和第二溶液室3内的混合溶液更换为Na

本发明的有益效果：

本发明采用电动修复技术与微生物修复技术联合的方式对污染土壤进行修复，土壤施加直流电源后所产生的电场可以提高营养物质在土壤中的传质效果，使土壤中的微生物更易获取。同时，低电压所产生的低压电场可以增加微生物的活性，促进土壤中污染物的降解。采用梯度修复法对Pb和阿特拉津复合污染的土壤进行修复，DMEK在16天内将土壤中Pb浓度从5216.62mg/kg降至281.16mg/kg。经过18天的修复，DMEK/DNS32将土壤中阿特拉津浓度从232.75mg/kg降至检出限以下，并且该梯度修复法能够在34天内将复合污染土壤中的Pb和阿特拉津完全去除。另外，通过对装置加上阴、阳离子交换膜来阻碍电极两端产生的离子进入土壤，解决了传统的电动修复技术用于修复Pb污染土壤时会导致土壤酸化、碱化进而不利于Pb污染土壤修复的弊端。

本发明可获得一种双膜电动系统耦合功能菌剂修复铅和阿特拉津污染土壤的方法。

附图说明

图1为本发明一种耦合功能菌剂的双膜电动系统的结构示意图，1为污染土壤放置室，2为第一溶液室，3为第二溶液室，4为阳极室，5为阴极室，6为阳极电极，7为阴极电极，8为阴离子交换膜，9为阳离子交换膜，10为多孔的PVC薄板，11为纱布。

图2为单独去除铅过程中未添加离子交换膜的对照组中土壤pH的变化，■表示S1，●表示S2，▲表示S3，▼表示S4，◆表示S5。

图3为单独去除铅过程中未加入离子交换膜的对照组中每日EOF量变化，■表示3V/cm下每日的EOF量。

图4为单独去除铅过程中3V/cm电压下EOF电导率的变化，■表示电渗流的电导率随时间的变化。

图5为单独去除阿特拉津过程中土壤中不同区域阿特拉津含量的变化，■表示S1，●表示S2，▲表示S3，▼表示S4，◆表示S5，它们所对应的线条分别代表不同区域阿特拉津含量随时间的变化；CK用

图6为梯度修复过程中土壤Pb及阿特拉津浓度变化，a表示铅含量随时间的变化，b表示阿特拉津含量随时间的变化。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种耦合功能菌剂的双膜电动系统，包括反应装置、污染土壤放置室1、第一溶液室2、第二溶液室3、阳极室4和阴极室5，所述的污染土壤放置室1设置在反应装置内，污染土壤放置室1内设置有污染土壤和功能菌剂，所述的功能菌剂为阿特拉津降解菌DNS32；污染土壤放置室1通过滤板与第一溶液室2连通，所述的第一溶液室2通过阴离子交换膜8与阳极室4连通；污染土壤放置室1通过滤板与第二溶液室3连通，所述的第二溶液室3通过阳离子交换膜9与阴极室5连通；所述的阳极室4内设置有阳极电极6，所述的阴极室5内设置有阴极电极7，阳极电极6和阴极电极7均通过导线与直流电源电连接。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：所述的滤板由多孔的PVC薄板10和纱布11组成。

其他步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同点是：所述的阳极电极6通过导线与直流电源的正极电连接，所述的阴极电极7通过导线与直流电源的负极电连接。

其他步骤与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：所述的污染土壤由土壤、铅和阿特拉津组成。

其他步骤与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式采用一种耦合功能菌剂的双膜电动系统修复铅和阿特拉津污染土壤的方法，按以下步骤进行：

一、将EDTA-2Na溶液与Na

二、先向第一溶液室2和第二溶液室3内加入由EDTA-2Na溶液和Na

三、向预处理过的污染土壤中加入阿特拉津降解菌DNS32菌悬液，混合均匀后，将第一溶液室2和第二溶液室3内的混合溶液更换为Na

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同点是：步骤一中将0.1M的EDTA-2Na溶液与0.01M的Na

其他步骤与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五或六不同点是：步骤二中先向第一溶液室2和第二溶液室3内加入由0.05M的EDTA-2Na溶液和0.01M的Na

其他步骤与具体实施方式五或六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五至七之一不同点是：步骤二中继续向第一溶液室2内补充由0.1M的EDTA-2Na溶液和0.01M的Na

其他步骤与具体实施方式五至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式五至八之一不同点是：步骤三中的阿特拉津降解菌DNS32菌悬液按以下步骤制备：将阿特拉津降解菌DNS32接种到无机盐培养基内，置于摇床上震荡46～50h后，然后置于高速离心机中，以11000～13000rpm的转速离心2～4min，再用等体积无菌水重新悬浮菌体，并在涡旋机上涡旋50～70s，得到阿特拉津降解菌DNS32菌悬液，阿特拉津降解菌DNS32的接种量为0.95～1.05％；

无机盐培养基由3.0g/L C

其他步骤与具体实施方式五至八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式五至九之一不同点是：步骤三中将第一溶液室2和第二溶液室3内的混合溶液更换为0.01M的Na

其他步骤与具体实施方式五至九相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例1：一种耦合功能菌剂的双膜电动系统，包括反应装置、污染土壤放置室1、第一溶液室2、第二溶液室3、阳极室4和阴极室5，反应装置为PVC材料制成的L36 cm×W10cm×H10 cm的矩形盒子。

所述的污染土壤放置室1设置在反应装置内，污染土壤放置室1内设置有污染土壤和功能菌剂，所述的污染土壤由土壤、铅和阿特拉津组成；污染土壤放置室1通过滤板与第一溶液室2连通，所述的滤板由多孔的PVC薄板10和纱布11组成，防止土壤渗漏；所述的第一溶液室2通过阴离子交换膜8与阳极室4连通；污染土壤放置室1通过滤板与第二溶液室3连通，所述的第二溶液室3通过阳离子交换膜9与阴极室5连通；所述的阳极室4内设置有阳极电极6，所述的阴极室5内设置有阴极电极7，所述的阳极电极6通过导线与直流电源的正极电连接，所述的阴极电极7通过导线与直流电源的负极电连接。

实施例2：

1、实验菌株：

阿特拉津降解菌DNS32，是以阿特拉津作为唯一氮源生长的菌株，属于不动杆菌(AcinetcAacter sp.)DNS32，该菌已在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心保藏，保藏地址为北京市朝阳区北辰路1号院3号.中国科学院微生物研究所，保藏编号为CGMCC NO.5365，保藏日期为2011年10月21日。

2、铅污染土壤的修复：

将土壤与硝酸铅溶液混合配制成7066.64mg/kg浓度的Pb污染土壤用于电动修复实验。混合均匀后静置15天等待土壤老化。在修复实验开始前，将污染土壤与0.1M的EDTA-2Na和0.01M的Na

将2kg预处理的污染土壤放置于反应装置中的污染土壤放置室1内，两个工作溶液室内所添加的溶液为0.05M的EDTA-2Na和0.01M的Na

3、阿特拉津污染土壤的修复：

将阿特拉津与土壤质量比按200mg/kg混合，先将400mg阿特拉津溶于0.8L丙酮配成溶液，后按土壤与溶液1：0.4(kg：L)的比例将溶液和灭菌后土壤进行混和，随后充分搅拌，使阿特拉津与土壤混合均匀，最后放入通风橱中，待丙酮全部挥发后得到阿特拉津浓度216.32mg/kg的污染土壤，用于后续电动修复实验。

将液体菌株以1％的接种量加入到无机盐培养基内，放于摇床震荡48h后，通过紫外分光光度计测定菌悬液的OD

4、铅-阿特拉津混合污染土壤的联合、梯度修复：

采用梯度修复法对Pb-阿特拉津混合污染土壤进行修复，并探究修复过程中，土壤微生物群落结构变化以及酶活性变化。采用两种污染物在上述实验中的最优电压梯度进行实验，在最优电压梯度下将土壤中Pb修复完毕后立即进行阿特拉津的修复。

为防止土壤中的土著微生物受到丙酮的影响，先将400mg阿特拉津溶于40mL丙酮中，充分溶解后与100g干净土壤混合均匀，待丙酮完全挥发后，将上述污染土壤与1.9kg干净土壤充分混匀，最终得到226.62mg/kg的阿特拉津污染土壤，随后添加600mL无菌水使土壤含水率保持在30％。将14g硝酸铅溶解于200mL无菌水中，用小喷壶每日将其喷洒于上述土壤中，并始终用无菌水保持土壤含水率为30％，喷洒14天后，得到Pb浓度为5216.45mg/kg、阿特拉津浓度为226.62mg/kg的混合污染土壤，随后老化20天，用于梯度修复实验。

一种耦合功能菌剂的双膜电动系统修复铅和阿特拉津污染土壤的方法，按以下步骤进行：

一、将0.1M的EDTA-2Na溶液与0.01M的Na

二、先向第一溶液室2和第二溶液室3内加入由0.05M的EDTA-2Na溶液和0.01M的Na

三、向2kg预处理过的污染土壤中加入100mL阿特拉津降解菌DNS32菌悬液，混合均匀后，将第一溶液室2和第二溶液室3内的混合溶液更换为0.01M的Na

每两天取出土壤样品，测定土壤中污染物浓度的变化；每五天取出土壤样品，测定土壤酶活性变化；分别在实验开始、Pb修复结束以及阿特拉津修复结束后取出土壤样品，检测土壤微生物群落结构变化。

阿特拉津降解菌DNS32菌悬液按以下步骤制备：将阿特拉津降解菌DNS32接种到无机盐培养基内，置于摇床上震荡48h后，然后置于高速离心机中，以12000rpm的转速离心3min，再用等体积无菌水重新悬浮菌体，并在涡旋机上涡旋1min，得到阿特拉津降解菌DNS32菌悬液，阿特拉津降解菌DNS32的接种量为1％。

无机盐培养基由3.0g/L C

试验结论：

(1)对pH影响：

将土壤样品风干后，充分研磨并过100目筛网。称取4.000g土壤样品，加入含有10mL去离子水的50mL离心管中，封盖后利用涡旋机使管内混合物充分涡旋5min，静置30min后，使用pH计测定上清液的pH值。

图2为单独去除铅过程中未添加离子交换膜的对照组中土壤pH的变化，■表示S1，●表示S2，▲表示S3，▼表示S4，◆表示S5。如图2所示，未加入离子交换膜的对照组中土壤pH的变化，土壤pH的变化剧烈，在第二天，阳极端土壤pH在3以下，阴极端土壤的pH超过了10。

对于有离子交换膜的实验组，随着电压梯度的上升，S1区域土壤的pH在刚开始下降到3左右，随后又上升到4左右，而其它区域的pH变化并不明显，结果说明双模电动系统与单独电动系统相比，能够阻碍大量氢离子和氢氧根离子从溶液进入到土壤中，防止土壤pH发生剧烈变化。

(2)每日电渗流量：

通常情况下，土壤是带负电荷的。因此当对土壤放置室内的污染土壤施加直流电源时，土壤孔隙水可以从阳极端向阴极端的方向移动，从而形成EOF。

图3为单独去除铅过程中未加入离子交换膜的对照组中每日EOF量变化，■表示每日EOF量。如图3所示，未加入阴/阳离子交换膜的对照组实验，其每日电渗流量在持续减少，5天后，阴极端便不再产生EOF。

在加入阴/阳离子交换膜的实验组，每日电渗流量的变化趋势基本一致，在最初的三天，电渗流量呈上升趋势，随后，DMEK-1和DMEK-2中的电渗流量趋于平稳，而DMEK-3中，每日电渗流量少量下降后开始趋于稳定。这说明缺少了离子交换膜，电极电解所产生的氢离子和氢氧根离子会持续进入土壤中，使土壤表面出现零电势，无法产生EOF。

(3)EOF电导率：

将土壤样品风干后，充分研磨并过100目筛网。称取2.000g土壤样品，加入含有10mL去离子水的50mL离心管中，封盖后利用水浴摇床在室温下在220rpm/min的条件下震荡1h，随后用高速离心机在5000rpm/min的条件下离心10min，最后使用电导率仪测定上清液电导率。

图4为单独去除铅过程中3V/cm电压下EOF电导率的变化，■表示电渗流的电导率随时间的变化。如图4所示：实验开始阶段，由于通电的原因，因此出现了电导率下降的情况。随着土壤孔隙水持续向阴极输送，土壤中的一些离子如Pb离子，会进入回收的EOF，从而增加其电导率。

实验过程中，对无离子交换膜的对照组中的EOF的电导率也进行了监测，然而仅两个小时电导率便已超出仪器量程，无法进行测量。结果表明由于对照组没有离子交换膜，阴极室5电解反应产生的大量氢氧根离子持续进入工作溶液中，导致电导率显著增加。

(4)污染物去除效果：

图5为单独去除阿特拉津过程中土壤中不同区域阿特拉津含量的变化，S1、S2、S3、S4和S5所对应的线条分别代表不同区域阿特拉津含量随时间的变化，CK代表不施加直流电源、仅加入DNS32降解菌的对照组中阿特拉津含量随时间的变化。

图5展示了土壤中阿特拉津的去除效率，在1V/cm的电压梯度下，土壤中阿特拉津的含量变化。从图中可以看到，S1区域的阿特拉津含量降低的非常快，仅在实验的第4天便从216.32mg/kg下降至检出限以下。S2和S3区域分别在第16天和第20天完全去除，而S4和S5也在第28天全部降解。此外，不施加直流电源，仅加入DNS32降解菌的对照组CK中，其土壤中阿特拉津的降解效率明显低于双膜电动系统耦合DNS32降解菌方法中的降解效率，在30天内，土壤中阿特拉津的降解率为82％。

图6为梯度修复过程中土壤Pb及阿特拉津浓度变化，a表示铅含量随时间的变化，b表示阿特拉津含量随时间的变化。如图6所示，土壤中Pb的初始浓度为5216.62mg/kg。在8天的时间内迅速下降至1000mg/kg以下。随后其下降趋势开始减缓。第16天，土壤中的Pb浓度最终降至281.16mg/kg。在第16天时将DNS32降解菌接种于污染土壤，并调整电压梯度至1.5V/cm。污染土壤的初始阿特拉津浓度为226.62mg/kg，16天的Pb处理阶段并没有使阿特拉津浓度有明显降低。阿特拉津修复开始时浓度为187.66mg/kg，在18天的修复时间里，持续下降，最终在梯度修复的第34天降解至检出限以下。