生物电化学强化复合污染土壤中吡啶与重金属钒的协同去除机理研究

20220130

水利、环境和公共设施管理业

微生物同步降解吡啶与钒酸盐方面，在典型的72 h操作中，在Pyr-V中Pyr去除率达到94.8 ± 1.55%，平均去除率为0.132 ± 0.002 mg/L·h，葡萄糖为最佳共基质底物。在一个典型的循环中，吡啶浓度逐渐降低，并观察到NH4+-N的积累，证实吡啶发生了矿化；SEM、EDS、XPS结果证实V(V)被还原成V(IV)。微生物群落分析显示，Bacillus和Pseudomonas可实现Pyr氧化耦合钒酸盐还原。 生物电刺激强化难降解含氮有机物和五价钒协同去除方面，在最优电压0.6 V的电刺激下，48小时内NB去除率达到96.2 ± 2.10%， NB被还原为AN，AN部分矿化产生NH4+-N，(V)被还原成V(IV)，Methanosarcina和Clostridium是阴阳极主要的功能微生物。功能微生物去除污染物的作用机制方面，两种菌去除V(V)的底物利用与生长过程符合经典的Monod方程。两种细菌以乙醇做为碳源还原V(V)的过程均遵循伪一级动力学方程，V(V)生物还原的产物为不溶性的V(IV)，主要分布在细胞内。细胞膜组分、细胞质可溶性组分以及无细胞提取物组分均可有效还原V(V)。Bacillus subtilis和Thauera humireducens SgZ-1的细胞内V(V)还原是由NADH以及nirK基因编码的亚硝酸还原酶（NIR）催化进行，细胞色素c和细胞外聚合物（EPS）在细胞外还原中发挥作用。Thauera humireducens SgZ-1分泌核黄素类和醌类物质到溶液中加速V(V)的细胞外还原。在上述关键数据支撑下，技术小试取得成功，还需进行现场验证，以实现技术的完全成熟及推广应用。

复合污染是土壤污染存在的普遍形式，尤其有机污染物-重金属复合污染，引起人们的广泛关注。吡啶是原油中的氮的主要赋存形式，主要存在于非烃和沥青质中，重金属钒是原油的主要伴生金属元素。石油开采和炼化过程会导致吡啶和钒在废水、废气、废渣中的残留。工业“三废”的排放与处置，会造成吡啶和钒进入大气、水体，造成环境污染。土壤是地表污染物的“汇”，是环境中各类物质的最大载体。吡啶和重金属钒在石油石化污染土壤中广受关注。开展复合污染土壤中吡啶与重金属钒的同步去除技术研发，具有迫切的环境意义与现实价值。微生物修复成本低廉，操作方便，并可以实现原位修复，日益引起研究者的广泛关注。但当前生物修复效率较低。本技术利用生物电化学强化，协同去除吡啶等含氮有机物和重金属，实现复合污染土壤的高效修复，技术具有先进性和独特性，具有重要的科学意义与应用前景，市场前景广阔。本技术可与已有土壤修复业务的公司合作，进行技术的完善与推广，主要是进行技术的完善、应用示范及宣传推广。技术完善方面，需选择一个典型的场地进行示范，需配套场地调查费用和刺激剂注入及电强化安装。经费方面，整个示范需100-500万元，宣传推广100-200万元；人员方面，示范需3-5人，宣传需2-3人，设备方面，需租用采样设备和注入设备及购置电源等。

可国（境）内外转让

本成果转化后，将产生巨大的经济、社会、环境效益。经济效益方面，本成果主要面向石油污染土壤和重金属钒、铬等污染土壤。作为世界十大产油国之一，我国勘探开发的油气田和油气藏已有400多个，分布在全国25个省、市、自治区，油田区工作范围近20万km2。据估算，截止2011年，我国石油企业每年产生落地油约700万t。石油对土壤的污染主要是在石油勘探、开采、运输以及储存过程中引起的，油田周围大面积的土壤一般都易受到严重的污染。我国主要油田部分油田区土壤受石油污染相当严重，其中在油井周围100 m范围内所采集的绝大多数土样中油含量远高于临界值。据测算，每口井的落地原油辐射半径为20 m～40 m，并且会因雨水冲刷而导致污染面积不断扩大。受石油污染的土壤中油类物质主要集中于0 cm～40 cm土层中，含油率随深度的增加呈减少趋势。石油污染场地严重影响了我国油田区的经济发展、生态环境和农业生产，成为当地社会、经济和环境协调发展的主要制约因素。本技术经修复公司一起完善后，可解决上述问题，在石油污染土壤修复中广泛应用，产生显著的经济效益，同时还可以拓展到钒、铬等重金属污染土壤中。社会效益方面，本技术的应用，可带动就业，促进环境修复人才的培养和锻炼，同时减少环境污染造成的社会矛盾，促进社会稳定，修复后的环境可改造为休闲场所，供民众休闲。环境效益方面，本技术可显著改善土壤环境质量，避免对人体和生态造成危害，保证食品的安全和生物多样性的维持。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

本科技成果来源于北京市自然科学基金：生物电化学强化复合污染土壤中吡啶与重金属钒的协同去除机理研究。针对重金属钒与含氮有机物的复合污染，研究了厌氧微生物协同去除吡啶与五价钒的过程及微生物群落结构特征；微生物燃料电池所产生物电刺激强化难降解含氮有机物和五价钒协同去除规律；功能微生物去除污染物的作用机制。厌氧微生物协同去除吡啶（Pyr）与五价钒（V(V)）方面，吡啶氧化可与五价钒还原耦合，实现两者的同步去除；生物电刺激强化难降解含氮有机物和五价钒协同去除方面，微生物燃料电池可稳定产电，在电刺激强化微生物作用下，对硝基苯（NB）和V(V)可得到有效的生物还原；功能微生物去除污染物的作用机制方面，典型的革兰氏阳性菌Bacillus subtilis和革兰氏阴性菌Thauera humireducens SgZ-1可以有效还原V(V)，革兰氏阳性菌Bacillus subtilis以细胞内还原为主，革兰氏阴性菌Thauera humireducens SgZ-1则是以细胞外还原为主。研发了含氮有机物和重金属钒复合污染土壤的高效生物修复技术，可实现含氮有机物与重金属钒的同步去除，具有成本低、对环境扰动小的优点。通过土壤环境因子对该过程的影响规律的探究，明晰了该技术的使用参数与环境条件，便于实际应用；通过生物电化学强化复合污染土壤里共存的含氮有机物和五价钒的协同去除过程的探究，提高了生物修复效率，促进了该技术的实际应用。本项目研发的技术，为复合污染土壤的高效原位修复提供科技支撑。