一种用于微生物修复重金属污染土壤的装置及其修复方法与流程

本发明涉及一种用于金属污染土壤的修复装置及其修复方法。

背景技术：

人类的各类生产生活要素大多都来源于土壤，尤其是关乎人类生存与发展的农业生产更是如此。但随着现代经济的高速发展，环境污染物的排放量与日俱增，环境污染和生态破坏日益严重，给人类赖以生存的土壤带来了严重的污染。土壤在遭受了重金属的污染之后，由于重金属不能被土壤中的土著菌群降解，不仅会造成所生产的农作物出现严重的产量降低与质量下降，并且也会对上层食物链的人类健康产生严重的威胁。因此，开展相关的研究工作便具有十分重要的作用与价值，应当引起人们的重视与思考。

目前重金属污染土壤的治理方法有改土法、电化法、原位固定法、植物修复、微生物修复法。

改土法是去除掉表层的土壤介质，而换置以新的土壤。此方法弊端在于需要投入大量的人力物力，且费时较长并存在有出现渗漏、污染环境等问题。而且，置换下来的受污染土壤又成为新的问题。

电化法为在水分已经充足饱和状态下的土壤之中增加以相应的电极，进而接通以强度较低的直流电，使得相应的金属离子能够在电磁场的影响之下产生定向运动，并主要集中于电极周围，而后在借助于集中化的处理方式将电极采集起来并予以处理，进而起到清洁重金属的目的。但是此方法耗电量、耗水量大，成本高，而且对于渗透性强，传导差的砂质土层应用效果不甚理想。

原位固定技术是指通过往土壤中加入固定剂，调节和改变重金属在土壤中的物理化学性质，使其产生沉淀、吸附、离子交换、腐殖化和氧化～还原等一系列反应，降低其在土壤环境中的生物有效性和可迁移性，从而减少这些重金属元素对动植物的毒性。但在应用中仍然存在一些困难：其一，每个固定剂都有其适用的土壤，土壤的成土母质、粘粒含量、pH等理化性质直接影响固定剂的修复效果。环境条件的改变，特别是降水多少等，也会影响固定剂对重金属的固定作用。其二，化学合成的有机—无机复合体应用于重金属污染土壤修复，不仅治理成本过高，且有相当的环境风险。有些固定剂在土壤中还会引起土壤理化性质的改变，对植被造成不良影响。其三，虽然吸附剂能将重金属固定住，但金属离子依然还存留在土壤环境中，并可能随着环境条件的改变，生物有效性也可能变化。

植物修复是采用自然环境当中的超量积累植物，来将土壤当中重金属物质移出，或是减轻重金属毒性的目的，并最终实现对污染土壤的处理。虽然，该方法不会造成二次污染，但所需富集、修复时间长，而且，要寻到合适的超富集植物或者耐性作物非常困难。

微生物修复技术利用土壤中的某些微生物对重金属具有吸收、沉淀、氧化和还原等作用，使重金属污染物被降解、被氧化、被还原、被脱除某些取代基等，从而降低土壤中重金属的毒性。该方法具有成本低、修复时间短、见效快，操作容易、能耗低，菌株可通过驯化提高耐性、菌株资源丰富，对土壤环境要求低等诸多优点，是未来解决土壤重金属污染最为理想的方法。但是，由于目前的技术仍然不能将用于修复的微生物从土壤中提取出来，待微生物死后重金属污染元素又回到土壤中，并不能将重金属从土壤中实际除去。所以，大大限制了微生物修复的应用和推广。

技术实现要素：

本发明的目的是解决修复用微生物不能够从土壤中提取出来的问题，而提供的一种用于微生物修复重金属污染土壤的装置及其修复方法。

本发明用于微生物修复重金属污染土壤的装置，它包括主体平板和多个微生物提取仓；

主体平板上均布多个通孔，每个通孔对应连接一个微生物提取仓的首端，每个微生物提取仓的首端具有密封盖，微生物提取仓内填充有填料，微生物提取仓的末端为尖端，微生物提取仓的侧壁上具有分散布置的开口。

采用上述装置进行微生物修复重金属污染土壤的方法：

一、向重金属污染土壤中加入修复用微生物的营养基质，然后接种修复用微生物，培养6～8天；

二、将在营养液中浸泡过的填料放入权利要求1所述装置的微生物提取仓，再将权利要求1所述装置插入经步骤一处理的土壤中并放置6～8天，然后将权利要求1所述装置取出；

其中，步骤一接种修复微生物后调节并保持土壤水分为40％±5％。

本发明装置的优点：通过填料携带的营养液，来将土壤中已携带了重金属的微生物提取出土壤，从而使重金属污染物彻底的由土壤中根除。其装置结构简单、操作简便、提取效果好、节能环保、对土壤不存在二次污染。

本发明方法在修复重金属污染土壤时装置插入的位置灵活且可以随时改变。本发明方法中所使用的填料可取出、洗脱后重复利用；填料洗脱液或使用过的填料集中处理处置，避免二次污染。

本发明方法通过修复用微生物在土壤中富集重金属，再利用本发明装置将微生物聚集到微生物提取仓内的填料上，最后将装置(或填料)从土壤中取出，从而实现重金属从土壤中分离除去。而且，重金属高浓度集中在填料或洗脱液中，后期处理量和处理难度大幅降低。

本发明方法能够在短时间内快速修复重金属污染土壤，重金属去除率高。

本发明装置中的填料并非固化剂，其作用是用于吸附、累积修复用微生物，并给修复用微生物提供生长、繁殖和栖息空间，而不是用于吸附重金属。

附图说明

图1是本发明所述用于微生物修复重金属污染土壤的装置的整体结构示意图；

图2是悬挂式填料填充单体的结构示意图；

图3是微生物提取仓内填充填料后的结构示意图；

图4是微生物提取仓侧壁上栅栏式开口的结构示意图；

图5是微生物提取仓侧壁上圆孔分布的结构示意图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式用于微生物修复重金属污染土壤的装置，其特征在于，它包括主体平板1和多个微生物提取仓2；

主体平板1上均布多个通孔，每个通孔对应连接一个微生物提取仓2的首端，每个微生物提取仓2的首端具有密封盖，微生物提取仓2内填充有填料，微生物提取仓2的末端为尖端，微生物提取仓2的侧壁上具有分散布置的开口。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述装置还包括悬挂式填料填充单体，悬挂式填料填充单体包括纤维中心绳3-1、多个填料分隔片3-2和两个挂钩3-3，

多个填料分隔片3-2的中心穿插在纤维中心绳3-1上，并使多个填料分隔片3-2均匀分散，填料填充在每相邻两个填料分隔片3-2之间，并穿插在纤维中心绳3-1上，纤维中心绳3-1的两端各连接一个挂钩3-3；

每个微生物提取仓2内放置一个悬挂式填料填充单体，一个挂钩3-3位于微生物提取仓2内底端，另一个挂钩3-3与微生物提取仓2密封盖连接。其它与实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：填料分隔片3-2具有波纹状表面。其它与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的不同点是：所述多个微生物提取仓2的布控密度范围为50～100个/m²。其它与实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一的不同点是：微生物提取仓2侧壁上的开口为栅栏式开口或均匀分布的圆孔。其它与实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一的不同点是：微生物提取仓2的横截面为圆形、方形、三角形或菱形。其它与实施方式一至五之一相同。

本发明装置主体平板1的材质选用耐腐蚀、可降解及具有一定的柔韧性的金属或硬塑材料；多个微生物提取仓2的大小尺寸及长度规格均相同，多个微生物提取仓2要求具备一定的强度，以便于插入土壤，例如硬塑或金属材质；其长度可选择为20～50cm，并且若微生物提取仓2为圆管形，其直径选择为3～5cm；填料要求具有较强吸水性及较大比表面积，使其在提取仓有效区域内能立体全方位均匀舒展分布；填料可以为聚酰胺、海绵及棉花。在使用前，填料需先经过营养液浸泡，含有利于微生物生长的营养源液体均匀的着床在填料上，能够保持良好的活性和空隙可变性，而且能在运行过程中获得愈来愈大的比表面积，又能进行良好的新陈代谢。在实际使用中，要根据土壤污染情况选择主体平板和微生物提取仓的规格和布控密度及深度，土壤污染越深，微生物提取仓越长，且插入土壤的深度越深。

填料可独立填充到提取仓内，也可通过悬挂式填料填充单体固定后填充到提取仓内；悬挂式填料填充单体的纤维中心绳3-1需具备耐腐、高强度、刚柔适度的特性；其两端设置挂钩3-3，便于富集微生物后的填料顺利从尖状提取仓壳体中取出；悬挂式填料填充单体能使填料呈现立体均匀排列状态，而形成悬挂式立体弹性组合填料，这便于提升营养液的持有量及微生物栖息空间。填料分隔片3-2的波纹状表面设计是为了增加填充填料的表面积，以提升营养液的持有量。

微生物提取仓2侧壁上分布的开口，是为了保障提取仓内的填料与污染土壤的充分接触，待土壤中的微生物转移至装置的填料上，吸取填料中的营养物，微生物会在填料的表面进行累积。微生物提取仓2的螺纹结构尖端有利于增加向土壤的插入强度。

具体实施方式七：本实施方式采用本发明装置进行微生物修复重金属污染土壤的方法：

一、向重金属污染土壤中加入修复用微生物的营养基质，然后接种修复用微生物，培养6～8天；

二、将在营养液中浸泡过的填料放入权利要求1所述装置的微生物提取仓，再将权利要求1所述装置插入经步骤一处理的土壤中并放置6～8天，然后将权利要求1所述装置取出；

其中，步骤一接种修复微生物后调节并保持土壤水分为40％±5％。

本实施方式步骤一中修复用微生物为单一菌株或复合菌株，还可根据土壤中重金属元素种类选择合适的修复用微生物。修复用微生物在接种前经过活化和扩培，扩培培养基可根据修复用微生物种类进行选择。本实施方法在受重金属污染的土壤中加入培养基，然后接种修复用微生物培养6～8天，使本发明接种的修复用微生物在土壤中大量繁殖成为优势菌群，可抑制土壤中的土著微生物的快速生长、降低干扰，同时增加修复用微生物的数量，提高修复效果，加速重金属的去除。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七的不同点是：步骤一中所述的营养基质为玉米面、麦麸或米糠。其它步骤及参数与实施方式七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七或八的不同点是：步骤一中所述营养基质的加入量为450～550g营养基质/kg土壤。其它步骤及参数与实施方式七或八相同。

本实施方式可根据所修复土壤的密度和面积再乘以修复的深度(一般为20～30cm)，计算出土壤的质量。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七至九之一的不同点是：步骤二中所述营养液为适合修复用微生物生长的液体培养基。其它步骤及参数与实施方式七至九之一相同。

本实施方式可根据修复用微生物种类进行选择。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式七至十之一的不同点是：重复操作步骤二，或更换填料，或向填料中添加营养液。其它步骤及参数与实施方式七至十之一相同。

本实施方式重复次数根据土壤的重金属污染程度和修复效果而定。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式七至十一之一的不同点是：填料为比表面积大且具有吸水性材料。其它步骤及参数与实施方式七至十一之一相同。

本实施方式填料为聚酰胺、海绵或棉花。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式七至十二之一的不同点是：步骤一中修复用微生物的接种比例为每1kg土壤接种50～500ml菌液。其它步骤及参数与实施方式七至十二之一相同。

本实施方式接种菌液的体积可根据菌液浓度等因素调节。可根据所修复土壤的密度和面积再乘以修复的深度(一般为20～30cm)，计算出土壤的质量。

实施例1

选取1kg受Cd污染土壤，并测定土壤中Cd含量。

本发明方法：

一、1kg重金属污染土壤加入500g玉米面，然后接种200ml修复用微生物——马克思克鲁维酵母(Kluyveromyces marxianus)YS-K1，培养7天；

二、将棉花先放入LB液体培养基中浸泡，然后再放入本发明装置的微生物提取仓，之后将本发明装置插入经步骤一处理的土壤中并放置7天，然后将本发明装置取出；

三、重复操作步骤二1次；

其中，步骤一接种修复微生物后调节并保持土壤水分为40％，马克思克鲁维酵母(Kluyveromyces marxianus)YS-K1的浓度为10⁶～10⁷cfu/L。

马克思克鲁维酵母(Kluyveromyces marxianus)YS-K1保藏于本发明发明人实验室用于科学研究。

本发明所采用的装置：

用于微生物修复重金属污染土壤的装置，其特征在于，它包括主体平板1和多个微生物提取仓2；

主体平板1上均布多个通孔，每个通孔对应连接一个微生物提取仓2的首端，每个微生物提取仓2的首端具有密封盖，微生物提取仓2内填充有填料，微生物提取仓2的末端为尖端，微生物提取仓2的侧壁上具有分散布置的开口。

对照组：

与本发明方法的区别仅在于步骤一中不接种修复用微生物。

装置插入土壤中共14天，检测土壤和填料(棉花)中Cd元素含量并换算成质量如表1所示。

表1

实施例2

选取1kg受铜污染土壤，并测定土壤中铜含量。

本发明方法：

一、1kg重金属污染土壤加入500g麦麸，然后接种200ml修复用微生物——产酸克雷伯氏菌(K.oxytoca)YS-22和短波单胞菌(Brevundimonas)764，培养7天；

二、将聚酰胺先放入LB液体培养基中浸泡，然后再放入本发明装置的微生物提取仓，之后将本发明装置插入经步骤一处理的土壤中并放置7天，然后每隔7天向本发明装置的微生物提取仓中加入LB液体培养基；

其中，步骤一接种修复微生物后调节并保持土壤水分为40％，产酸克雷伯氏菌(K.oxytoca)YS-22和短波单胞菌(Brevundimonas)764的浓度分别为10⁶～10⁷cfu/L和10⁶～10⁷cfu/L。

试验用微生物菌株均保藏于本发明发明人实验室，用于科学研究。

本发明做采用的装置同实施例1.

对照组：

与本发明方法的区别仅在于步骤一中不接种修复用微生物。

装置插入土壤中共21天，检测土壤和填料(聚酰胺)中铜元素含量并换算成质量如表2所示。

表2

实施例3

选取1kg受锌污染土壤，并测定土壤中锌含量。

本发明方法：

一、1kg重金属污染土壤加入500g米糠，然后接种200ml修复用微生物——不解糖假苍白杆菌(Pseudochrobactrum asaccharolyticum)ZS2，培养7天；

二、将海绵先放入LB液体培养基中浸泡，然后再放入本发明装置的微生物提取仓，之后将本发明装置插入经步骤一处理的土壤中并放置7天，然后将本发明装置微生物提取仓中的海绵取出，更换新的浸泡过LB液体培养基的海绵，每隔7天更换一次；

其中，步骤一接种修复微生物后调节并保持土壤水分为40％，不解糖假苍白杆菌(Pseudochrobactrum asaccharolyticum)ZS2的浓度为10⁶～10⁷cfu/L。

不解糖假苍白杆菌(Pseudochrobactrum asaccharolyticum)ZS2保藏于本发明发明人实验室，用于科学研究。

本发明做采用的装置同实施例1.

对照组：

与本发明方法的区别仅在于步骤一中不接种修复用微生物。

装置插入土壤中共28天，检测土壤和填料(海绵)中锌元素含量并换算成质量如表3所示。

表3

实施例1、2和3证明本发明方法能够在短时间内快速修复重金属污染土壤，重金属去除率高；延长修复时间可以进一步提高重金属去除率。本发明方法从真正意义上实现了重金属从土壤中分离和除去，且不产生二次污染。