生 賀，于錦秋，劉登峰，董 軍*（1.吉林大學環(huán)境與資源學院，吉林 長春 130021；2吉林大學地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室，吉林 長春 130021）

乳化植物油強化地下水中Cr（VI）的生物地球化學還原研究

生 賀1，2，于錦秋1.2，劉登峰1，2，董 軍1，2*（1.吉林大學環(huán)境與資源學院，吉林 長春 130021；2吉林大學地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室，吉林 長春 130021）

設計天然細砂模擬實驗，利用乳化植物油作為電子供體，研究生物地球化學作用對Cr（VI）的還原過程和機理.結果表明，乳化油可以使地下水呈弱酸性，反應體系pH值最終為6.59；并長期維持還原環(huán)境，Eh最終降低至-158.6mV.乳化油可顯著促進土著微生物的異化鐵還原作用，將細砂介質中的Fe（III）還原成Fe（II）并耦合去除Cr（VI）.當反應進行到14d時，Cr（VI）全部被去除，反應第28d總鉻完全被去除.Fe（II）的累積對反應體系中的氧化還原環(huán)境有重要影響.當實驗結束時，F(xiàn)e（II）濃度為44.40mg/L，乳化油消耗了48.9％.XPS和XRD表征分析反應后的細砂，結果表明生成的Cr（III）最終以Fe-Cr無定型態(tài)沉淀存在.

乳化植物油；六價鉻；生物地球化學；地下水

鉻（Cr）及其化合物作為一種重要的工業(yè)原料，被廣泛應用于電鍍、印染、制革、有色金屬冶煉等工業(yè)生產(chǎn).含鉻廢水的任意排放和鉻渣的不合理堆放，導致了土壤和地下水的嚴重污染.鉻在環(huán)境中主要以Cr（III）和Cr（VI）兩種價態(tài)存在.Cr（III）毒性較小，遷移性較弱，對環(huán)境危害相對小.Cr（VI）是強致癌、致畸變物質，在不同pH條件下主要以HCrO4-、Cr2O72-、CrO42-等陰離子基團存在，隨水遷移性好，是土壤和地下水中主要的重金屬污染物之一［1］.目前對Cr（VI）污染的修復常用的修復材料有Fe（II）、零價鐵、納米零價鐵、多硫化鈣、連二亞硫酸鈉等還原劑［1-9］.

乳化植物油是一種新興修復材料，在修復地下水硝酸鹽、高氯酸鹽、鹵代烴、鈾（U）污染方面具有良好的效果和廣泛的應用前景［10-15］.乳化油是將大豆油、食品級表面活性劑和水經(jīng)混合攪拌形成的穩(wěn)定乳濁液.乳化油注入含水層后，可隨地下水有效遷移，并作為電子供體促進土著微生物生長繁殖，長期維持含水層還原環(huán)境，不會造成二次污染［16］.

Borden等［17］在美國Tarheel軍事基地利用乳化油修復當?shù)厥苋纫蚁═CE）污染的土壤和地下水，取得了良好的修復效果，乳化油注入18個月后，仍具有強化修復效果.Hunter［10-11］的研究表明，乳化油可以作為PRB中的反應介質，強化修復地下水高濃度硝酸鹽、氯酸鹽和高氯酸鹽污染.Tang等［14-15］研究了表明乳化油注入含水層后，可以促進含水層中土著微生物進行Fe（III）、U（VI）、硫酸的鹽還原和產(chǎn)甲烷作用.馬小蘭［18］研究表明乳化油可長期作為電子供體促進微生物的異化鐵還原作用，并耦合降解硝基苯，乳化油維持微生物正常生長的時間是葡萄糖的五倍以上.

異化鐵還原是微生物利用外界Fe（III）作為電子受體，氧化體內(nèi)的基質，從而使Fe（III）還原成Fe（II），是厭氧環(huán)境中鐵氧化物生物轉化的主要形式［19-20］.添加有機物可以促進微生物的異化鐵還原反應［21-24］.在異化鐵還原過程中耦合了有機物、重金屬等的氧化還原反應，這對污染地下水的修復具有重要意義.

許超等［24-25］研究表明，微生物異化還原鐵氧化物的同時能有效降解硝基苯，添加外源碳源可以顯著促進硝基苯的去除率.Wielinga等［26］研究了微生物異化鐵還原菌對Cr（VI）的還原情況，結果表明，相比于微生物直接還原Cr（VI），利用鐵還原微生物得到的Fe（II）間接還原Cr（VI）的速度快了100倍.Faybishenko等［27］在美國漢福德場地（Hanford Site）使用一種HRC（甘油聚乳酸）修復地下水Cr（VI）污染，40L的HRC一次性注入地下水含水層后，刺激土著微生物生長代謝，并生成大量的Fe2+和S2-作為還原劑還原Cr（VI），注入3年后，Cr（VI）濃度低于檢測限.

Fe（II）作為一種良好的還原劑，可以迅速將Cr（VI）還原成Cr（III），F(xiàn)e（III）可以和Cr（III）生成FexCr1-x（OH）3沉淀，實現(xiàn)Cr（VI）污染修復［28］.本文擬以研究乳化植物油作為碳源促進土著微生物異化鐵還原作用，對其強化修復Cr（VI）污染地下水的過程及機理進行深入研究.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗試劑：大豆油、tween-80、酵母浸粉、重鉻酸鉀、細砂（0.1～0.25mm）及相關分析測試試劑.細砂理化性質見表1.

表1 細砂理化性質Table 1 Physical and chemical properties of the fine sand

1.2 實驗方法

1.2.1 乳化油的制備 將大豆油、tween-80和水按一定比例混合，在高速分散攪拌器下，以3000r/min的速度攪拌20min，得到穩(wěn)定的乳濁液，靜置24h沒有破乳分層現(xiàn)象.向制備好的乳化油中添加少量酵母浸粉，作為刺激土著微生物快速啟動因子.

1.2.2 實驗操作 實驗在13個250mL磨口玻璃瓶中進行，向瓶中加入250g細砂和200mL反應溶液.容液中Cr（VI），乳化油和酵母浸粉濃度分別為10mg/L、5g/L和100mg/L.將模擬瓶置于恒溫培養(yǎng)箱中27度恒溫密封存放，定期取樣，分析溶液中Fe2+、Cr（VI）、總鉻、pH值、Eh，溶液和細砂中的總有機碳（TOC），細砂中的生物活性、總鉻等指標變化.

1.2.3 分析方法 總鉻水樣經(jīng)0.22μm濾膜過濾后使用火焰原子吸收分光光度計（美國PE AAnalyst-400）測定；生物活性使用熒光素二乙酸鹽（FDA）分光光度法測定，以吸光度表征樣品生物活性［29-30］；總有機質采用重鉻酸鉀氧化分光光度法測定（HJ-615-2011），F(xiàn)e（II）采用硫氰酸鹽分光光度法測定，分別分析總鐵和Fe（III），兩者之差為Fe（II）（DZT 0064.24-93）；介質經(jīng)HNO3-HF-HClO4消解后使用火焰原子吸收分光光度計測定的總鉻含量；pH和Eh利用多參數(shù)分析（哈希 sensION+MM374）儀測定.并用X射線光電子能譜分析（賽默飛世爾科技公司）和X射線衍射（德國BRUKER公司）對反應后的細砂進行表征分析.

2 結果與討論

2.1 Fe和Cr（VI）的生物地球化學還原

由圖1可見，水中Cr（VI）在反應第14d完全去除，總鉻在第28d完全去除.反應過程分以下兩步進行［26-28］：

圖1 二價鐵、六價鉻和總鉻濃度隨時間變化曲線Fig.1 Variations of the concentration of Fe（II），Cr（VI）and total Cr over time

反應（1）是生物地球化學作用過程，土著鐵還原微生物利用乳化油作為電子供體，將細砂中的Fe（III）還原成Fe（II）；反應（2）是化學氧化還原過程，生成的Fe（II）直接將Cr（VI）還原成Cr（III），并生成Fe0.75Cr0.25（OH）3，沉淀.在反應初期，由于鐵還原菌活性較低，生成的Fe（II）的量相對較少，在短時間內(nèi)將Cr（VI）還原成Cr（III），生成Fe0.75Cr0.25（OH）3，同時Fe（II）被氧化成Fe（III），因此溶液中并沒有Fe（II）的累積，Cr（VI）和總鉻均有良好的去除效果.當反應進行14d后，反應體系中鐵還原速率加快，水中Fe（II）濃度達到9.77mg/L，此時Cr（VI）全部被還原.

2.2 二價鐵和pH值、Eh之間的關系

圖2 二價鐵濃度和pH值隨時間變化曲線Fig.2 Variations of the concentration of Fe（II）and pH over time

圖2為反應體系pH值和Fe（II）濃度隨時間的變化規(guī)律，從圖中可以看出，反應體系pH值總體呈現(xiàn)降低趨勢，中間出現(xiàn)波動性上升.影響反應體系pH值變化的因素主要有三點，首先乳化油水解生成油酸、棕櫚酸和亞麻酸等長鏈脂肪酸，微生物對這些長鏈脂肪酸厭氧代謝產(chǎn)生乙酸［15］，使pH值降低；其次微生物異化鐵還原作用的過程生成OH-，使pH值升高，如反應（1）所示；再次Cr（VI）被Fe（II）還原并生成沉淀的過程伴隨生成H+，使pH值降低，如反應（2）所示.由于產(chǎn)生的有機酸的量大于消耗的量，因此反應體系pH值總體上呈現(xiàn)下降趨勢.由圖1可以看出，Cr（VI）的還原和Cr（III）的沉淀主要發(fā)生在前14d，因此反應初期的pH值迅速下降，而14d后，水中大部分Cr被去除，微生物異化鐵還原反應速率加快，H+的生成量大大降低，因此pH值出現(xiàn)波動性上升.反應28d后Fe（II）在水中大量累積，異化鐵還原速率減緩，pH值逐漸降低，最終在6.5附近趨于穩(wěn)定.說明乳化油注入含水層后，可使含水層pH值輕微降低，但不會明顯改變含水層的酸堿性.

如圖3所示，反應體系的Eh隨反的進行應逐步降低，氧化環(huán)境逐步轉化為還原環(huán)境，最終趨于穩(wěn)定.反應開始時，溶液中存在Cr（VI），反應體系呈現(xiàn)氧化環(huán)境.反應的前14d，Cr（VI）濃度逐漸還原并沉淀，Eh逐漸下降.當反應進行14d后，F(xiàn)e（II）開始大量出現(xiàn)，水中Cr（VI）完全被去除，Eh降低到0以下，Eh隨著Fe（II）的積累最終穩(wěn)定在-150mV左右.Eh的降低和Fe（II）濃度的升高具有一定的同步性，說明Fe（II）是影響反應體系氧化還原環(huán)境的重要因素.

圖3 二價鐵濃度和Eh隨時間變化曲線Fig.3 Variations of the concentration of Fe（II）and Ehover time

2.3 生物活性及有機質變化規(guī)律

由圖4可以看出，反應前期微生物生長緩慢，反應進行10d之后，微生物已經(jīng)適應反條件，開始大量繁殖，生物活性在第21d達到峰值.隨后一方面由于Fe（II）的不斷累積，鐵還原微生物活性受到抑制［31］；另一方面由于有機物的消耗，物質和能量供應不足，生物活性開始緩慢降低.

實驗以總有機碳（TOC）表示乳化油含量，其隨時間變化如圖5所示，反應體系中有機質含量逐步降低.反應56d后，TOC由初始的649.56mg降低至332.32mg，降低量占總量的48.9％.說明乳化油在地下環(huán)境中可以長期作為電子供體被微生物緩慢代謝.在地下環(huán)境中，長時間維持還原環(huán)境.

圖4 生物活性隨時間變化曲線Fig.4 Variation of biological activity over time

圖5 TOC含量隨時間變化曲線Fig.5 Variation of TOC content over time

2.4 Cr最終形態(tài)分析

圖6 細砂中總鉻含量隨時間變化規(guī)律Fig.6 Variation of total Cr content in the fine sand over time

圖7 細砂中Cr（2p）的XPS分析譜圖Fig.7 Cr（2p）regions displayed by the XPS spectra of the fine sand

圖8 鉻-氧-水體系在不同pH-Eh下的穩(wěn)定區(qū)間（Guertin J［33］.Chromium（VI）Handbook，2004）Fig.8 pH-Ehdiagram for the chromium-oxygen-water system.（Guertin J.Chromium（VI）Handbook，2004）

由圖6可以看出，反應10d后，細砂介質中鉻開始出現(xiàn)，含量逐步上升，在35d以后趨于穩(wěn)定.水溶液中的總鉻在反應14d后去除率達到91.1％，而此時介質中鉻含量仍在增加.說明Cr（VI）被還原成Cr（III）之并生成沉淀物質，最初以懸浮態(tài)顆粒存在于溶液中，逐漸沉淀最終轉化到固態(tài)介質中.

X射線光電子能譜分析（XPS）是分析樣品所含元素價態(tài)和鍵能的重要手段.對反應介質產(chǎn)物中的鉻進行XPS分析，圖7為介質中Cr（2p）的XPS能譜圖.對其進行分峰處理得到兩個峰，分別位于586.237eV和576.624eV處.與Wanger等［32］給出的Cr（III）標準能譜圖對比，可以確定介質中的鉻是以+3價存在.反應結束時，反應體系pH值為6.59，Eh為-158.6mV.圖8為鉻-氧-水體系在不同pH-Eh下的穩(wěn)定區(qū)間［33］，可以看出，在這種條件下Cr（III）主要是以Cr（OH）2+離子形態(tài)存在.結合圖7和圖8的結果，可以說明反應產(chǎn)物中鉻的沉淀物并非Cr（OH）3沉淀，而是Cr-Fe共沉淀物質，因為其具有更強的耐酸性［34］.

X射線衍射（XRD）是一種研究晶體結構的分析方法.對反應介質產(chǎn)物進行X射線衍射表征分析.結果如圖9所示，整條譜線并沒有明顯的含鉻化合物特征峰，說明介質中的鉻是以無定形態(tài)結構存在，而不是晶體狀態(tài).

圖9 細砂的XRD譜Fig.9 XRD pattern of the fine sand

3 結論

3.1 乳化植物油可以作為電子供體，促進土著微生物的異化鐵還原作用，將含水層介質中Fe（III）的還原，強化Cr（VI）生物地球化學還原.10mg/L的Cr（VI）在14d內(nèi)被全部去除，實驗結束時，F(xiàn)e（II）濃度為44.40mg/L.

3.2 乳化植物油注入含水層后，可使地下水呈弱酸性，并明顯改變含水層的氧化還原環(huán)境.反應56d后，地下水pH值降低至6.59，Eh降低至-158.6mV.5g/L的乳化油經(jīng)過56d反應，消耗了48.9％，說明乳化油可長期作為電子供體維持微生物生長代謝.

3.3 XPS表征結果表明，Cr（VI）經(jīng)過生物地球化學作用被還原成Cr（III），對比Cr的pH-Eh圖可以推斷，Cr最終以Fe-Cr氫氧化物沉淀形式穩(wěn)定在含水層介質中.XRD分析結果說明介質中的Fe-Cr氫氧化物是以無定形態(tài)結構存在.

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Biogeochemical Cr（VI）reduction in groundwater enhanced by emulsified vegetable oil.

SHENG He1，2，YU Jin-qiu1，2，LIU Deng-feng1，2，DONG Jun1，2*（1.College of Environment and Resources，Jilin University，Changchun 130021，China；2.Key Laboratory of Groundwater Resources and Environment，Ministry of Education，Jilin University，Changchun 130021，China）.China Environmental Science，2015，35（6）：1693～1699

Natural fine sands was used as simulated aquifer media and emulsified vegetable oil as electron donor in the experiments to investigate the process and mechanisms of the biogeochemical reduction of hexavalent chromium.The experimental results showed that the emulsified vegetable oil caused a slightly pH drop，and the final pH reached 6.59；a reductive condition could be maintained for a long term，and the final Ehdeclined to-158.6mV.Emulsified vegetable oil could accelerate the dissimilatory iron reduction process of intrinsic microorganism；the ferric in fine sand would be reduced to ferrous and hexavalent chromium removal coupled.The hexavalent chromium and total chromium was removed absolutely within 14 and 28 days，respectively.The accumulation of Fe（II）exert profound influence on the redox condition of the reaction system.The final Fe（II）concentration was up to 44.40mg/L，and 48.9％of emulsified vegetable oil was consumed at the end of experiment.Structural characteristics analysis of sands was studied by X-ray diffractometer（XRD）and X-ray photoelectron spectra（XPS）；the results showed that the trivalent chromium existed as the amorphous formation of Fe-Cr coprecipitation.

emulsified vegetable oil；hexavalent chromium；biogeochemical；groundwater

X703.5

A

1000-6923（2015）06-1693-07

生 賀（1990-），男，吉林省吉林人，吉林大學碩士研究生，主要研究方向為地下水污染控制與修復.

2014-10-25

國家自然科學基金項目（41272253）；吉林省自然科學基金項目（20130101027JC）

* 責任作者，教授，dongjun@jlu.edu.cn