一种修复氯代烃污染地下水的方法与流程

技术领域

本发明涉及地下水污染修复领域，具体涉及一种包覆型纳米零价铁联合优势降解菌群修复氯代烃污染地下水的方法。

背景技术：

随着工业和农业的迅速发展，各种有机化合物被生产和使用，导致大量有毒有害的污染物进入土壤和地下水，造成了一系列环境问题。氯代烃有机化合物是重要的化工原料和有机溶剂，广泛应用于化工、医药、制革、电子等行业，使其成为地下水中最常见的有机污染物，特别是三氯甲烷（CF）、四氯化碳（CT）、三氯乙烯（TCE）、四氯乙烯（PCE）等单/双碳氯代烃类溶剂污染尤为普遍。研究表明，氯代烃化学性质稳定、难生物降解，具有较强的生物毒性和潜在的生物累积性，严重危害生态环境和人体的危害，已被各国列为优先控制污染物。针对地下水中氯代烃污染问题，寻求高效、经济的去除方法对污染地下水的修复具有重要的意义。

目前，关于氯代烃污染地下水的修复主要包括电动修复、生物修复技术、化学修复等方法。其中生物修复技术经济性、环境友好形性等优点被广泛关注。已有研究指出，氯代烃类能在厌氧条件下通过微生物作用进行还原脱氯，将高氯代烯烃脱氯为低氯代烯烃，最终达到脱氯无害化修复的目的。

微生物还原性脱卤被认为是主要的生物转化过程，然而，这一过程需要较长时间进行有效的脱氯，生物脱氯率可能会随着卤化程度的增加而降低，这可能导致更多有毒中间体的积累。同时，虽然脱卤细菌对卤化芳族化合物具有广泛的脱卤活性，但它们只能使用低卤化物作为电子受体，对于高卤化同系物的脱卤作用较弱。相对于脱卤微生物，纳米零价铁（nano-scale zero-valent iron，nZVI）作为一种高效还原性修复材料，被广泛应用于污染土壤及地下水修复技术中。nZVI可以将高卤代芳族环化合物脱卤，生成低卤化的同系物。但nZVI对有些污染物并不能完全矿化，且其作用时间较短，应用成本高。因此将nZVI与微生物的协同降解作用有望实现氯代烃的高效、彻底降解与矿化。目前研究表明，nZVI和微生物对氯代烃的去除具有协同效应，并且nZVI在接近或彻底被氧化后形成的铁的氧化物对微生物生长具有促进作用，同时微生物可以降解nZVI还原氯代烃的中间产物，从而促进有机污染物的矿化和无害化。

然而，nZVI颗粒在还原污染物分子的同时，本身被氧化，在其表面形成一层铁的氧化物层，并且随着反应进行，氧化物层的厚度逐渐增加，阻碍污染物与nZVI颗粒核中的有效Fe⁰的传质，进而限制了反应，尤其是在修复后期污染物浓度变低的情况下，由于nZVI颗粒表面的氧化物层所引起的传质阻碍，导致nZVI对污染物的修复效果显著降低。因此，为了避免类似问题，提高其修复效率，需要对nZVI进行改性。

层状双金属氢氧化物（Layered Double Hydroxides，LDHs））是一种层间具有可交换阴离子的层状化合物，属于阴离子粘土，最典型的天然LDH是水滑石，即Mg-Al-LDH，因此层状双氢氧化物也称为水滑石类物质。LDHs的化学通式一般可以表示为：[M1-x²⁺Mx³⁺ (OH)2](A^n-)x/n·mH2O其中，M²⁺和M³⁺分别为二价和三价金属阳离子，M²⁺可以为Zn²⁺、Cu²⁺、Mg²⁺等，M³⁺可以是Fe³⁺、Al³⁺等，A^n-为中间阴离子夹层可以为CO3^2-、SO4^2-等阴离子，m为结晶水的数目。LDHs是由带正电荷的金属氢氧化物层和层间电荷平衡阴离子所构成，结构类似水镁石，大部分LDHs在整体上保持电中性。由于层板二价和三价金属阳离子以及层间插层阴离子的种类都可以变化，LDHs层板的化学组成可根据需要进行调整，层间阳离子的种类和数量也可以通过插层和离子交换进行改变，不同的M²⁺和M³⁺，与不同的层间水合阴离子A形成一系列类水滑石。因为其拥有特殊的层状结构，且层间有带电阴离子的存在，使其具有许多其它材料所不具有的特殊性能，近年来，人们把LDHs作为吸附剂、催化剂、载体、抗菌剂、填充剂等在多个领域进行了应用研究。

目前，采用LDHs改性nZVI联合驯化后的优势降解菌，提高其对氯代烃的去除效率，仍未见相关报道。

技术实现要素：

解决的技术问题：微生物技术成本低、反应持续时间长且可完全矿化大部分有机污染物，但其降解速率慢。nZVI一方面对有些污染物并不能完全矿化，且其作用时间较短，应用成本高，另一方面nZVI颗粒本身易被被氧化，且容易发生团聚现象，影响修复效果。因此，本发明提供了一种修复氯代烃污染地下水的方法。

技术方案：一种修复氯代烃污染地下水的方法，包括如下步骤：采用层状双金属氢氧化物（LDHs）作为包裹剂对纳米零价铁（nZVI）进行改性，制备成包覆型纳米零价铁nZVI-LDHs；氯代烃优势降解菌群包括Clostridium_sp._FCB45，methylotrophic_bacterium_RS-X3，Rhodocyclales_bacterium_TP139和bacterium_B3C1-6；将培养的氯代烃优势降解菌群的菌液按10wt.%~30wt.%接种量加入到氯代烃污染地下水中，并投加包覆型纳米零价铁nZVI-LDHs，其中nZVI-LDHs的浓度为300-1000 mg/L。

上述包覆型纳米零价铁nZVI-LDHs的制备方法为：将纳米零价铁加入到50 mL甲醇水溶液中，配制成不大于50 g/L纳米零价铁溶液，超声30 min后在在室温中进行搅拌；将二价金属离子的盐和三价金属离子的盐溶解在50 mL甲醇水溶液中配制成盐溶液A；将氨水或者NaOH加入到50 mL甲醇水溶液中配制成碱溶液B；其中二价金属阳离子、三价金属阳离子和碱溶液B的摩尔比为（2~3）:1:（10~15）；将盐溶液A和碱溶液B同时滴加到搅拌的纳米零价铁溶液中，其中三价金属阳离子溶液和纳米零价铁溶液的摩尔浓度比为1:（1~7），溶液滴速为1 mL/min，纳米零价铁溶液始终保持pH 不低于10；待溶液全部滴加完成后，再继续搅拌混合溶液1 h并固液分离得黑色固体，最后将制备好的黑色固体用甲醇水溶液冲洗，并放入冷冻干燥机中烘干备用，上述甲醇水溶液中甲醇与水的体积比为1:1。

上述二价金属离子的盐和三价金属离子的盐中的阳离子和阴离子分别为：二价金属阳离子为Zn²⁺、Cu²⁺、Mg²⁺、Co²⁺、Ca²⁺、Ni²⁺中的任一种；三价金属阳离子为Fe³⁺、Al³⁺、Mn³⁺中的任一种；阴离子为Cl^-、CO3^2-、SO4^2-和NO3^-中的任一种。

上述纳米零价铁的制备步骤为：将FeSO4·7H2O溶于除氧去离子水，称取KBH4溶于除氧去离子水，调pH到9-10；在氮气环境下将KBH4水溶液逐滴加入到FeSO4·7H2O水溶液中，其中BH4^-和Fe²⁺的摩尔比为2~5:1，滴加过程中不断搅拌，使反应充分进行，待滴完后继续搅拌30 min，用磁铁分离纳米铁颗粒，并依次用除氧去离子水和无水乙醇分别洗涤，最后放入冷冻干燥机中烘干备用。

有益效果：采用LDHs改性nZVI制备包覆型nZVI-LDHs，解决了nZVI的团聚现象，并减缓了其氧化进程，提高了nZVI对氯代有机污染物的还原脱氯效率，并且包覆层阻碍了nZVI与微生物的直接接触，减少了对微生物的毒害作用。驯化后的氯代烃降解菌群能够有效降解氯代烃，缓解了土著微生物降解率低，生物修复时间长等缺点。包覆型nZVI-LDHs联合优势降解菌群，缓解了微生物修复周期长，nZVI不能完全矿化污染物的缺点，两者可在协同效应作用下，提高对氯代烃污染地下水的实际修复效果。本发明制作工艺简单、成本低廉、效果明显，对地下水无二次污染。应用于地下水的原位修复，在经济和技术上都是可行的。

附图说明

图1为驯化的氯代烃优势菌群的组成；

图2为nZVI、LDHs和nZVI-LDH的XRD表征图；

图3为nZVI、LDHs和nZVI-LDH的TEM图；

图4 为PCE初始浓度为10mg/L时nZVI-LDHs联合优势降解菌群对PCE降解效果。

具体实施方式

实施例1

（1）在1L厌氧培养瓶中加入200 mL活性污泥和700mL无机盐培养基，并将pH调节至6.5-7.0的范围内，随后采用美国安捷伦公司制造的特氟隆表面橡胶隔膜和铝卷曲进行封口，采用无菌注射器加入PCE溶液，使厌氧培养瓶中PCE溶液浓度梯度依次调节为1，1，2，2，3，4，5，6，7，8，9，10 mg/L，每个梯度培养7 d。最后将培养瓶置于25℃下的恒温培养箱遮光培养3个月。以梯度压力式驯化法培养，采样时使用硅胶填缝密封盖上留下的针孔以防止挥发。所有操作均在厌氧培养箱进行。无机盐培养基组成包括：K2HPO4-3H2O，1.05 g/L；NaH2PO4-H2O，0.25 g/L；NH4Cl，0.49 g/L；N(CH2CO2Na)3-H2O，0.03 g/L；MgSO4-7H2O，0.05 g/L；FeSO4-7H2O，0.003 g/L; MnSO4-H2O，0.74 mg/L；ZnSO4-7H2O，0.74 mg/L；CoCl2-6H2O，0.25 mg/L；乳酸钠，0.112 g/L；维生素B12，0.05 mg/L，调节pH值为7；其中无机盐培养基在使用前用氮气吹扫30min，然后用高压灭菌锅在121℃下灭菌30分钟，最后放入厌氧培养箱中冷却备用。得到氯代烃优势降解菌群由Clostridium_sp._FCB45，methylotrophic_bacterium_RS-X3，Rhodocyclales_bacterium_TP139和bacterium_B3C1-6组成。

（2）将2.5 g的FeSO4·7H2O溶于100 mL除氧去离子水；称取1.0 g的KBH4溶于100 mL除氧去离子水，用NaOH调pH到9-10；在氮气环境下将KBH4水溶液逐滴加入到FeSO4·7H2O水溶液中，滴加过程中不断搅拌，使反应充分进行。待滴完后继续搅拌30 min，用磁铁分离纳米铁颗粒，并依次用除氧去离子水和无水乙醇分别洗涤，最后放入冷冻干燥机中烘干备用，得纳米零价铁。其中实验所用去离子水均经氮气通气10 min以上，水中的溶解氧含量在0.5 mg/L以下。

（3）将1 g制备好的nZVI置于50 mL甲醇水溶液中（V甲醇/V去离子水= 1/1）中，配制成20 g/L纳米零价铁溶液，超声30 min后在在室温中进行快速搅拌；将3.85 g的 Mg(NO3)2·6H2O和1.88 g的Al(NO3)3·9H2O溶解在50 mL甲醇水溶液中（V甲醇/V去离子水= 1/1）中，配制成盐溶液A；量取5 mL 30wt.%氨水溶液稀释到50 mL甲醇水溶液中（V甲醇/V去离子水= 1/1）中，配制成碱溶液B；将盐溶液A和碱溶液B同时滴加到搅拌的纳米零价铁溶液中，溶液滴速为1 mL/min，纳米零价铁溶液始终保持pH大于10；待溶液全部滴加完成后，再继续搅拌混合溶液1 h，固液分离得黑色固体，最后将制备好的黑色固体（nZVI-LDHs）用甲醇水溶液（V甲醇/V去离子水= 1/1）冲洗几次，并放入冷冻干燥机中烘干备用。

（4）在体积为120 mL的厌氧瓶中依次加入100 mL除氧并灭菌的培养基，以及0.1 g的nZVI-LDHs，超声20 min后，将培养的氯代烃优势降解菌群的菌液按10wt.%接种量加入到厌氧瓶中，调节培养基的pH为6.5-7.0，PCE初始浓度为10 mg/L，使用聚四氟乙烯垫片和铝盖（5183-4477，美国Agilent Technologies公司）密封厌氧瓶，并将厌氧瓶避光置于30℃条件下的恒温培养箱中培养，定期取样，检测培养基中PCE的浓度含量。在相同的实验条件下，培养基中只接种10wt.%的氯代烃优势降解菌群的菌液作为实验对照组；在培养基中接种高温灭菌的10wt.%氯代烃降解菌液作为控制实验，研究PCE挥发和微生物吸附对降解试验的影响。每组实验重复做三个平行样，取平均值。

从图1可以看出，驯化后的氯代烃菌群在物种水平上分析，氯代烃优势降解菌群包括Clostridium_sp._FCB45，methylotrophic_bacterium_RS-X3，Rhodocyclales_bacterium_TP139和bacterium_B3C1-6。从图2可以看出，所制备的nZVI-LDHs复合材料出现衍射峰的位置，分别和nZVI和LDHs材料单独出现的衍射峰位置基本一致，并且改性后的nZVI被LDHs所包裹并均匀分散（图3），说明采用LDHs作为包覆剂成功负载到nZVI中。从图4可以看出，nZVI-LDHs联合氯代烃优势降解菌群共同作用下，在4天内基本能够完全去除10 mg/L的PCE。在初始浓度比较高的条件下，nZVI-LDHs首先通过化学还原的作用，将高浓度的PCE快速降解，并且在此过程形成的厌氧环境有助于氯代烃降解菌的生长，随后在微生物的降解作用下，将剩余低浓度的PCE彻底去除，其修复效率大于降解菌单独作用下的降解效果，因此，nZVI-LDHs联合微生物降解是氯代烃污染地下水的一种有效修复方法。