韓建均，柴陸軍，張 娟，梁雪杰

（1. 北京本農(nóng)科技發(fā)展有限公司，北京 100176；2. 中化環(huán)境控股有限公司，北京 100166）

我國(guó)是一個(gè)鉻鹽生產(chǎn)大國(guó)，鉻渣對(duì)堆場(chǎng)和周?chē)h(huán)境造成嚴(yán)重的污染。土壤中的鉻污染物主要來(lái)自鉻鹽生產(chǎn)排放的鉻渣［1］。在土壤中Cr（Ⅵ）毒性很大，其毒害程度比Cr（Ⅲ）大100倍［2］，Cr（Ⅵ）含量被列為我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的8個(gè)重金屬控制指標(biāo)之一［3］。

目前，鉻在土壤中主要以Cr（Ⅲ）和Cr（Ⅵ）兩種價(jià)態(tài)存在，當(dāng)pH大于5時(shí)，Cr（Ⅲ）會(huì)以沉淀形式存在，易于在土壤中穩(wěn)定下來(lái)［4-5］。因此，常采用還原穩(wěn)定化法將污染土壤中的Cr（Ⅵ）還原為遷移性和毒性較低的Cr（Ⅲ）。目前，鉻污染的治理措施包括物理法、化學(xué)法和生物法［6-11］。與傳統(tǒng)的物理、化學(xué)修復(fù)技術(shù)相比，微生物修復(fù)法適用于環(huán)境敏感地區(qū)的原位修復(fù)，因其具有操作簡(jiǎn)單、修復(fù)成本低、不會(huì)造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，芽孢桿菌（Bacillussp. ）、不動(dòng)桿菌（Acinetobacter junnii）、微代謝棒狀桿菌（Corynebacterium paurometabolum）、大腸肝菌（Escherichia coli）、腐敗希瓦氏菌（Shewanella putrefaciens）、惡臭假單胞菌（Pseudomonas putida）、蒼白桿菌（Ochrobactrumsp. ）、氧化硫硫桿菌（Acidithiobacillus thiooxidans）、脫硫弧菌（Desulfovibriosp. ）等能夠直接還原Cr（Ⅵ）為Cr（Ⅲ）［12-19］。目前，利用微生物修復(fù)鉻污染土壤還處在實(shí)驗(yàn)室階段［20］，對(duì)于微生物原位修復(fù)鉻污染土壤的工程化研究至今未有報(bào)道。

為研究微生物原位修復(fù)鉻污染土壤的可行性與效率，本工作以浙江某鉻污染土壤為試驗(yàn)地，以FeSO4化學(xué)還原法為對(duì)照，開(kāi)展硫酸鹽還原菌原位修復(fù)鉻污染土壤的田間試驗(yàn)研究，根據(jù)土壤中Cr（Ⅵ）的下降率分析微生物原位修復(fù)Cr（Ⅵ）污染土壤技術(shù)的可行性。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料和設(shè)備

浙江某鉻污染場(chǎng)地堆有大量爐渣，修復(fù)深度范圍內(nèi)土層主要由素填土、粉質(zhì)黏土、淤泥組成。鉻污染場(chǎng)地土壤的基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，土壤樣品的Cr（Ⅵ）含量為6.48 mg/kg，已經(jīng)大于《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB 36600—2018）［20］中的第一類(lèi)建設(shè)用地的土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值（3.00 mg/kg）。

硫酸鹽還原菌：從鉻污染場(chǎng)地土壤中分離獲得，經(jīng)鑒定為脫硫弧菌（Desulfovibriosp.）。該細(xì)菌具有較強(qiáng)還原Cr（Ⅵ）的能力，其最適還原條件為30 ℃，pH 7。

種子液培養(yǎng)基：NH4Cl 1.0 g、MgSO4·7H2O 2.0 g、Na2SO41.0 g、酵母膏1.0 g、CaCl20.1 g、K2HPO40.5 g、抗壞血酸0.1 g、乳酸鈉溶液（w=70%）3.5 mL，蒸餾水1 000 mL。用0.1 mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH到中性，121 ℃高壓蒸汽滅菌30 min。種子液培養(yǎng)基中涉及的試劑均為化學(xué)純。

發(fā)酵培養(yǎng)基：K2HPO40.5 g、NH4Cl 1.0 g、NaSO41.0 g、CaCl20.1 g、MgCl20.1 g、酵母膏1.0 g、、抗壞血酸0.1 g、巰基乙酸鈉0.1 g、FeSO4·7H20 0.2 g、乳酸鈉溶液（w=70%）3.5 mL，項(xiàng)目區(qū)地下水1 000 mL。發(fā)酵培養(yǎng)基中涉及的試劑均為工業(yè)級(jí)。使用項(xiàng)目區(qū)地下水分別溶解發(fā)酵培養(yǎng)基各組分，混合后充分?jǐn)嚢杌靹?，調(diào)節(jié)pH為7～8后靜置6 h，使基質(zhì)和環(huán)境中的雜菌生長(zhǎng)以消耗水中溶解氧。靜置后再加入酵母膏、FeSO4·7H2O和乳酸鈉。

化學(xué)還原劑：以工業(yè)級(jí)FeSO4·7H2O配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的FeSO4溶液。

土壤鉆機(jī)：7822DT型，美國(guó)Geoprobe公司。

表1 鉻污染場(chǎng)地土壤的基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)場(chǎng)地位置和布局

根據(jù)勘察報(bào)告，爐渣堆放區(qū)域面積為24 474 m2，堆方量為40 172.6 m3。Cr（Ⅵ）污染物分布在污染場(chǎng)地西南側(cè)和東北側(cè)，總面積為 11 579 m2，深度為1.5～2.0 m。因此，試驗(yàn)場(chǎng)地選擇在污染場(chǎng)地的東北側(cè)。試驗(yàn)的井位布局（a）及注入井井管示意圖（b）見(jiàn)圖1。由圖1a可見(jiàn)：試驗(yàn)設(shè)計(jì)3個(gè)10 m×10 m的正方形試驗(yàn)區(qū)，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)間隔10 m，分別為不同的試驗(yàn)組；10 m×10 m正方形試驗(yàn)區(qū)再為分4個(gè)5 m×5 m的小正方形，取5 m×5 m小正方形的中心建設(shè)注入井，每個(gè)10 m×10 m正方形試驗(yàn)區(qū)含有4口注入井。因?yàn)閳?chǎng)地地下水深2 m，流向自西向東，所以試驗(yàn)區(qū)塊為南北并排布局。由圖1b可見(jiàn)：注入井為PVC管，內(nèi)徑56 mm，壁厚3.5 mm，長(zhǎng)2.5 m，入土深度2.0 m；于PVC管下部1.6 m的管壁上縱向打4排孔，左右相鄰孔錯(cuò)位排列，上下孔間隔10 mm。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 微生物法

將5 L實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的硫酸鹽還原菌種子液先接種于50 L發(fā)酵培養(yǎng)基中，之后再擴(kuò)大培養(yǎng)至500 L。接種量均為10%，接種后密封培養(yǎng)7 d。利用水泵（輸出壓力為2.5 kg）將菌劑泵入注入井，注入量（藥劑體積（L）與污染土壤質(zhì)量（kg）之比）分別為5%和10%。菌劑注入到污染土壤需要一定時(shí)間在污染土壤中生長(zhǎng)、繁殖，因此，在微生物作用1，3，5，7、14，21 d后分別采集土壤樣品，測(cè)定土壤中Cr（Ⅵ）含量及土壤浸出液中總鉻和Cr（Ⅵ）的質(zhì)量濃度。此外，在0，7，14，21 d時(shí)采集土樣進(jìn)行微生物菌群分析。

圖1 試驗(yàn)的井位布局（a）及注入井井管示意圖（b）

1.3.2 化學(xué)還原法

按照2%的注入量將2%（w）FeSO4溶液注入污染土壤，注入方式同上。FeSO4與土壤中Cr（Ⅵ）快速反應(yīng)，在注入FeSO4溶液后的1，3，5，7，14，21 d后分別采集土壤樣品，測(cè)定土壤中Cr（Ⅵ）含量及土壤浸出液中總鉻和Cr（Ⅵ）質(zhì)量濃度。此外，在0，7，14，21 d時(shí)采集土樣進(jìn)行微生物菌群分析。

1.4 分析方法

土壤中Cr（Ⅵ）含量的測(cè)定采用USEPA Method 3060A堿消解法［21］和USEPA 7196A比色法［22］；土壤中硫酸根含量的測(cè)定采用硫酸鋇沉淀法［23］；土壤浸出液中總鉻和Cr（Ⅵ）質(zhì)量濃度的測(cè)定分別采用火焰原子吸收分光光度法［24］和二苯碳酰二肼分光光度法［25］；地下水中硫酸根質(zhì)量濃度的測(cè)定采用鉻酸鋇分光光度法［26］；微生物菌群分析采用454高通量測(cè)序方法［27］。

2 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)還原法修復(fù)效果

化學(xué)還原法對(duì)Cr（Ⅵ）污染土壤的修復(fù)效果見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)：試驗(yàn)的1～5 d，土壤中Cr（Ⅵ）含量及浸出液總鉻和Cr（Ⅵ）質(zhì)量濃度均顯著下降，7 d后趨于平穩(wěn)；經(jīng)過(guò)21 d的修復(fù)周期，土壤中Cr（Ⅵ）含量從5.76 mg/kg 降到3.18 mg/kg（下降了44.79%），土壤浸出液Cr（Ⅵ）質(zhì)量濃度從0.135 mg/L下降到0.027 mg/L（下降了80.00%），土壤浸出液中總鉻質(zhì)量濃度從18.6 mg/L降為7.4 mg/L（下降了60.22%）。土壤中Cr（Ⅵ）含量基本達(dá)到修復(fù)目標(biāo)值（≤3.00 mg/kg），修復(fù)后的土地質(zhì)量基本符合國(guó)家一類(lèi)建設(shè)用地的標(biāo)準(zhǔn)。該試驗(yàn)結(jié)果與黃瑩等［6］利用FeSO4還原穩(wěn)定化修復(fù)鉻污染土壤的研究結(jié)果一致，都能夠很快還原穩(wěn)定化土壤中的Cr（Ⅵ）。黃瑩等所用試驗(yàn)土壤中Cr（Ⅵ）含量為4 210 mg/kg，其試驗(yàn)周期為45 d。

圖2 化學(xué)還原法對(duì)Cr（Ⅵ）污染土壤的修復(fù)效果

2.2 微生物法修復(fù)效果

硫酸鹽還原菌注入到鉻污染土壤中后，在Cr（Ⅵ）污染土壤中適應(yīng)、生長(zhǎng)、繁殖需要一定時(shí)間。5%菌劑注入量的微生物法對(duì)鉻污染土壤的修復(fù)效果見(jiàn)圖3。

圖3 5%菌劑注入量的微生物法對(duì)鉻污染土壤的修復(fù)效果

由圖3可見(jiàn)：試驗(yàn)的1～5 d，土壤中Cr（Ⅵ）含量及浸出液總鉻質(zhì)量濃度和Cr（Ⅵ）質(zhì)量濃度均緩慢下降，7～14 d后浸出液Cr（Ⅵ）質(zhì)量濃度下降顯著；經(jīng)過(guò)21 d的修復(fù)周期，土壤中Cr（Ⅵ）含量從5.36 mg/kg降為1.25 mg/kg（下降了76.68%），土壤浸出液中總鉻質(zhì)量濃度從17.8 mg/L降為5.2 mg/L（下降了70.79%），土壤浸出液Cr（Ⅵ）質(zhì)量濃度從0.154 mg/L降為0.013 mg/L（下降了92.16%）?？傮w上，修復(fù)后的土地質(zhì)量符合國(guó)家一類(lèi)建設(shè)用地的標(biāo)準(zhǔn)。

10%菌劑注入量的微生物法對(duì)鉻污染土壤的修復(fù)效果見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)：土壤中Cr（Ⅵ）含量、浸出液總鉻質(zhì)量濃度和Cr（Ⅵ）質(zhì)量濃度的變化趨勢(shì)與5%菌劑的作用效果趨勢(shì)一致；經(jīng)過(guò)21 d的修復(fù)周期，土壤中Cr（Ⅵ）含量從6.48 mg/kg降為0.95 mg/kg（下降了85.33%），土壤浸出液中總鉻質(zhì)量濃度從19.2 mg/L降為4.5 mg/L（下降了76.56%），土壤浸出液Cr（Ⅵ）質(zhì)量濃度從0.162 mg/L降為0.004 mg/L（下降了97.53%）。土壤中Cr（Ⅵ）含量達(dá)到修復(fù)目標(biāo)值。而且，10%菌劑注入量的修復(fù)效果好于5%菌劑注入量。

圖4 10%菌劑注入量的微生物法對(duì)鉻污染土壤的修復(fù)效果

2.3 化學(xué)還原法及微生物法修復(fù)后土壤中硫酸鹽還原菌的豐度對(duì)比

硫酸鹽還原菌能夠?qū)r（Ⅵ）還原為Cr（Ⅲ）［19，26］。硫酸鹽還原菌群的豐度是微生物修復(fù)技術(shù)效果的指標(biāo)之一。微生物法和化學(xué)還原法修復(fù)前后土壤中硫酸鹽還原菌豐度的對(duì)比見(jiàn)圖5。

由圖5可見(jiàn)，2%FeSO4溶液化學(xué)還原法處理鉻污染土壤后，硫酸鹽還原菌的豐度先增加后降低，從0.58%升到2.38%之后又降到1.64%。這一現(xiàn)象說(shuō)明注入的FeSO4激活了地層中的硫酸鹽還原菌，致使硫酸鹽還原菌的豐度顯著增加；隨FeSO4在污染地層中的含量降低，硫酸鹽還原菌的豐度有所降低，但這時(shí)硫酸鹽還原菌的豐度相比注入FeSO4前增加了2倍。對(duì)比圖2可見(jiàn)，硫酸鹽還原菌的豐度變化趨勢(shì)也與土壤中Cr（Ⅵ）含量、浸出液中總鉻質(zhì)量濃度和Cr（Ⅵ）質(zhì)量濃度的變化趨勢(shì)一致。

由圖5還可見(jiàn)：硫酸鹽還原菌注入鉻污染地層后，硫酸鹽還原菌群的豐度顯著增加，而且10%菌劑注入量處理后的硫酸鹽還原菌豐度增加最明顯，尤其5%和10%菌劑注入量處理7 d后硫酸鹽還原菌豐度分別從0.26%和0.73%升到1.67%和3.47%，21 d后分別為1.45%和2.87%。這說(shuō)明硫酸鹽還原菌能夠適應(yīng)項(xiàng)目地土壤環(huán)境，并能夠發(fā)揮還原穩(wěn)定Cr（Ⅵ）的效果。相比較化學(xué)法，10%的菌劑處理Cr（Ⅵ）污染后硫酸鹽還原菌的豐度顯著增加，處理21 d后硫酸鹽還原菌豐度比注入菌劑前高了3倍。

圖5 化學(xué)還原法和微生物法修復(fù)前后土壤中硫酸鹽還原菌豐度的對(duì)比

2.4 修復(fù)后土壤和地下水中硫酸根的含量

為了檢測(cè)菌劑和FeSO4溶液注入后是否對(duì)地下水造成負(fù)面影響，本研究測(cè)定了不同修復(fù)處理時(shí)間時(shí)土壤中硫酸根含量和地下水中硫酸根和Cr（Ⅵ）的質(zhì)量濃度。測(cè)定結(jié)果表明：硫酸鹽還原菌作用后土壤中硫酸根含量略有降低，從303 mg/kg降到248 mg/kg，說(shuō)明注入的硫酸鹽還原菌利用土壤中硫酸根生長(zhǎng)繁殖，這一結(jié)果與微生物菌群分析結(jié)果對(duì)應(yīng)；FeSO4處理后土壤中硫酸根含量明顯降低，從203 mg/kg降到143 mg/kg，說(shuō)明FeSO4注入地層后激活了地層中的硫酸鹽還原菌，硫酸鹽還原菌的生長(zhǎng)繁殖消耗了硫酸根。此外，測(cè)定結(jié)果還表明，地下水中Cr（Ⅵ）質(zhì)量濃度一直在檢出限以下（≤0.004 mg/L），硫酸根質(zhì)量濃度維持在205 ～230 mg/L，說(shuō)明菌劑和FeSO4注入污染土壤后未對(duì)地下水造成負(fù)面影響。

3 結(jié)論

a）微生物法和化學(xué)還原法都能夠原位治理土壤中的Cr（Ⅵ）。微生物法修復(fù)后，土壤中Cr（Ⅵ）含量從6.48 mg/kg降至0.95 mg/kg，下降率為85.33%，修復(fù)后的土地質(zhì)量符合國(guó)家一類(lèi)建設(shè)用地的標(biāo)準(zhǔn)；土壤浸出液中Cr（Ⅵ）質(zhì)量濃度從0.162 mg/L降至0.004 mg/L，下降率達(dá)97.53%?；瘜W(xué)還原法修復(fù)后，土壤中Cr（Ⅵ）含量從5.76 mg/kg降至3.18 mg/kg，下降率為44.79%，修復(fù)后的土地質(zhì)量基本達(dá)到國(guó)家一類(lèi)建設(shè)用地的標(biāo)準(zhǔn)；土壤浸出液中Cr（Ⅵ）質(zhì)量濃度從0.135 mg/L降至0.027 mg/L，下降率達(dá)80.00%。

b）微生物法和化學(xué)還原法修復(fù)后，土壤中硫酸鹽還原菌的豐度明顯增加，分別從0.73%和0.58%增加到2.87%和1.64%。

c）考慮微生物原位修復(fù)技術(shù)的低成本、長(zhǎng)期性和環(huán)保性等特點(diǎn)，微生物原位法修復(fù)鉻污染土壤優(yōu)于化學(xué)還原法。本研究證明微生物原位修復(fù)鉻污染土壤的可行性，為鉻污染土壤的修復(fù)開(kāi)辟了新的途徑。