乳化植物油强化地下水中Cr（VI）的生物地球化学还原研究

生 贺，于锦秋，刘登峰，董 军*（1.吉林大学环境与资源学院，吉林 长春 130021；2吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室，吉林 长春 130021）

乳化植物油强化地下水中Cr（VI）的生物地球化学还原研究

生 贺1，2，于锦秋1.2，刘登峰1，2，董 军1，2*（1.吉林大学环境与资源学院，吉林 长春 130021；2吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室，吉林 长春 130021）

设计天然细砂模拟实验，利用乳化植物油作为电子供体，研究生物地球化学作用对Cr（VI）的还原过程和机理.结果表明，乳化油可以使地下水呈弱酸性，反应体系pH值最终为6.59；并长期维持还原环境，Eh最终降低至-158.6mV.乳化油可显著促进土著微生物的异化铁还原作用，将细砂介质中的Fe（III）还原成Fe（II）并耦合去除Cr（VI）.当反应进行到14d时，Cr（VI）全部被去除，反应第28d总铬完全被去除.Fe（II）的累积对反应体系中的氧化还原环境有重要影响.当实验结束时，Fe（II）浓度为44.40mg/L，乳化油消耗了48.9％.XPS和XRD表征分析反应后的细砂，结果表明生成的Cr（III）最终以Fe-Cr无定型态沉淀存在.

乳化植物油；六价铬；生物地球化学；地下水

铬（Cr）及其化合物作为一种重要的工业原料，被广泛应用于电镀、印染、制革、有色金属冶炼等工业生产.含铬废水的任意排放和铬渣的不合理堆放，导致了土壤和地下水的严重污染.铬在环境中主要以Cr（III）和Cr（VI）两种价态存在.Cr（III）毒性较小，迁移性较弱，对环境危害相对小.Cr（VI）是强致癌、致畸变物质，在不同pH条件下主要以HCrO4-、Cr2O72-、CrO42-等阴离子基团存在，随水迁移性好，是土壤和地下水中主要的重金属污染物之一［1］.目前对Cr（VI）污染的修复常用的修复材料有Fe（II）、零价铁、纳米零价铁、多硫化钙、连二亚硫酸钠等还原剂［1-9］.

乳化植物油是一种新兴修复材料，在修复地下水硝酸盐、高氯酸盐、卤代烃、铀（U）污染方面具有良好的效果和广泛的应用前景［10-15］.乳化油是将大豆油、食品级表面活性剂和水经混合搅拌形成的稳定乳浊液.乳化油注入含水层后，可随地下水有效迁移，并作为电子供体促进土著微生物生长繁殖，长期维持含水层还原环境，不会造成二次污染［16］.

Borden等［17］在美国Tarheel军事基地利用乳化油修复当地受三氯乙烯（TCE）污染的土壤和地下水，取得了良好的修复效果，乳化油注入18个月后，仍具有强化修复效果.Hunter［10-11］的研究表明，乳化油可以作为PRB中的反应介质，强化修复地下水高浓度硝酸盐、氯酸盐和高氯酸盐污染.Tang等［14-15］研究了表明乳化油注入含水层后，可以促进含水层中土著微生物进行Fe（III）、U（VI）、硫酸的盐还原和产甲烷作用.马小兰［18］研究表明乳化油可长期作为电子供体促进微生物的异化铁还原作用，并耦合降解硝基苯，乳化油维持微生物正常生长的时间是葡萄糖的五倍以上.

异化铁还原是微生物利用外界Fe（III）作为电子受体，氧化体内的基质，从而使Fe（III）还原成Fe（II），是厌氧环境中铁氧化物生物转化的主要形式［19-20］.添加有机物可以促进微生物的异化铁还原反应［21-24］.在异化铁还原过程中耦合了有机物、重金属等的氧化还原反应，这对污染地下水的修复具有重要意义.

许超等［24-25］研究表明，微生物异化还原铁氧化物的同时能有效降解硝基苯，添加外源碳源可以显著促进硝基苯的去除率.Wielinga等［26］研究了微生物异化铁还原菌对Cr（VI）的还原情况，结果表明，相比于微生物直接还原Cr（VI），利用铁还原微生物得到的Fe（II）间接还原Cr（VI）的速度快了100倍.Faybishenko等［27］在美国汉福德场地（Hanford Site）使用一种HRC（甘油聚乳酸）修复地下水Cr（VI）污染，40L的HRC一次性注入地下水含水层后，刺激土著微生物生长代谢，并生成大量的Fe2+和S2-作为还原剂还原Cr（VI），注入3年后，Cr（VI）浓度低于检测限.

Fe（II）作为一种良好的还原剂，可以迅速将Cr（VI）还原成Cr（III），Fe（III）可以和Cr（III）生成FexCr1-x（OH）3沉淀，实现Cr（VI）污染修复［28］.本文拟以研究乳化植物油作为碳源促进土著微生物异化铁还原作用，对其强化修复Cr（VI）污染地下水的过程及机理进行深入研究.

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验试剂：大豆油、tween-80、酵母浸粉、重铬酸钾、细砂（0.1～0.25mm）及相关分析测试试剂.细砂理化性质见表1.

表1 细砂理化性质Table 1 Physical and chemical properties of the fine sand

1.2 实验方法

1.2.1 乳化油的制备 将大豆油、tween-80和水按一定比例混合，在高速分散搅拌器下，以3000r/min的速度搅拌20min，得到稳定的乳浊液，静置24h没有破乳分层现象.向制备好的乳化油中添加少量酵母浸粉，作为刺激土著微生物快速启动因子.

1.2.2 实验操作 实验在13个250mL磨口玻璃瓶中进行，向瓶中加入250g细砂和200mL反应溶液.容液中Cr（VI），乳化油和酵母浸粉浓度分别为10mg/L、5g/L和100mg/L.将模拟瓶置于恒温培养箱中27度恒温密封存放，定期取样，分析溶液中Fe2+、Cr（VI）、总铬、pH值、Eh，溶液和细砂中的总有机碳（TOC），细砂中的生物活性、总铬等指标变化.

1.2.3 分析方法 总铬水样经0.22μm滤膜过滤后使用火焰原子吸收分光光度计（美国PE AAnalyst-400）测定；生物活性使用荧光素二乙酸盐（FDA）分光光度法测定，以吸光度表征样品生物活性［29-30］；总有机质采用重铬酸钾氧化分光光度法测定（HJ-615-2011），Fe（II）采用硫氰酸盐分光光度法测定，分别分析总铁和Fe（III），两者之差为Fe（II）（DZT 0064.24-93）；介质经HNO3-HF-HClO4消解后使用火焰原子吸收分光光度计测定的总铬含量；pH和Eh利用多参数分析（哈希 sensION+MM374）仪测定.并用X射线光电子能谱分析（赛默飞世尔科技公司）和X射线衍射（德国BRUKER公司）对反应后的细砂进行表征分析.

2 结果与讨论

2.1 Fe和Cr（VI）的生物地球化学还原

由图1可见，水中Cr（VI）在反应第14d完全去除，总铬在第28d完全去除.反应过程分以下两步进行［26-28］：

图1 二价铁、六价铬和总铬浓度随时间变化曲线Fig.1 Variations of the concentration of Fe（II），Cr（VI）and total Cr over time

反应（1）是生物地球化学作用过程，土著铁还原微生物利用乳化油作为电子供体，将细砂中的Fe（III）还原成Fe（II）；反应（2）是化学氧化还原过程，生成的Fe（II）直接将Cr（VI）还原成Cr（III），并生成Fe0.75Cr0.25（OH）3，沉淀.在反应初期，由于铁还原菌活性较低，生成的Fe（II）的量相对较少，在短时间内将Cr（VI）还原成Cr（III），生成Fe0.75Cr0.25（OH）3，同时Fe（II）被氧化成Fe（III），因此溶液中并没有Fe（II）的累积，Cr（VI）和总铬均有良好的去除效果.当反应进行14d后，反应体系中铁还原速率加快，水中Fe（II）浓度达到9.77mg/L，此时Cr（VI）全部被还原.

2.2 二价铁和pH值、Eh之间的关系

图2 二价铁浓度和pH值随时间变化曲线Fig.2 Variations of the concentration of Fe（II）and pH over time

图2为反应体系pH值和Fe（II）浓度随时间的变化规律，从图中可以看出，反应体系pH值总体呈现降低趋势，中间出现波动性上升.影响反应体系pH值变化的因素主要有三点，首先乳化油水解生成油酸、棕榈酸和亚麻酸等长链脂肪酸，微生物对这些长链脂肪酸厌氧代谢产生乙酸［15］，使pH值降低；其次微生物异化铁还原作用的过程生成OH-，使pH值升高，如反应（1）所示；再次Cr（VI）被Fe（II）还原并生成沉淀的过程伴随生成H+，使pH值降低，如反应（2）所示.由于产生的有机酸的量大于消耗的量，因此反应体系pH值总体上呈现下降趋势.由图1可以看出，Cr（VI）的还原和Cr（III）的沉淀主要发生在前14d，因此反应初期的pH值迅速下降，而14d后，水中大部分Cr被去除，微生物异化铁还原反应速率加快，H+的生成量大大降低，因此pH值出现波动性上升.反应28d后Fe（II）在水中大量累积，异化铁还原速率减缓，pH值逐渐降低，最终在6.5附近趋于稳定.说明乳化油注入含水层后，可使含水层pH值轻微降低，但不会明显改变含水层的酸碱性.

如图3所示，反应体系的Eh随反的进行应逐步降低，氧化环境逐步转化为还原环境，最终趋于稳定.反应开始时，溶液中存在Cr（VI），反应体系呈现氧化环境.反应的前14d，Cr（VI）浓度逐渐还原并沉淀，Eh逐渐下降.当反应进行14d后，Fe（II）开始大量出现，水中Cr（VI）完全被去除，Eh降低到0以下，Eh随着Fe（II）的积累最终稳定在-150mV左右.Eh的降低和Fe（II）浓度的升高具有一定的同步性，说明Fe（II）是影响反应体系氧化还原环境的重要因素.

图3 二价铁浓度和Eh随时间变化曲线Fig.3 Variations of the concentration of Fe（II）and Ehover time

2.3 生物活性及有机质变化规律

由图4可以看出，反应前期微生物生长缓慢，反应进行10d之后，微生物已经适应反条件，开始大量繁殖，生物活性在第21d达到峰值.随后一方面由于Fe（II）的不断累积，铁还原微生物活性受到抑制［31］；另一方面由于有机物的消耗，物质和能量供应不足，生物活性开始缓慢降低.

实验以总有机碳（TOC）表示乳化油含量，其随时间变化如图5所示，反应体系中有机质含量逐步降低.反应56d后，TOC由初始的649.56mg降低至332.32mg，降低量占总量的48.9％.说明乳化油在地下环境中可以长期作为电子供体被微生物缓慢代谢.在地下环境中，长时间维持还原环境.

图4 生物活性随时间变化曲线Fig.4 Variation of biological activity over time

图5 TOC含量随时间变化曲线Fig.5 Variation of TOC content over time

2.4 Cr最终形态分析

图6 细砂中总铬含量随时间变化规律Fig.6 Variation of total Cr content in the fine sand over time

图7 细砂中Cr（2p）的XPS分析谱图Fig.7 Cr（2p）regions displayed by the XPS spectra of the fine sand

图8 铬-氧-水体系在不同pH-Eh下的稳定区间（Guertin J［33］.Chromium（VI）Handbook，2004）Fig.8 pH-Ehdiagram for the chromium-oxygen-water system.（Guertin J.Chromium（VI）Handbook，2004）

由图6可以看出，反应10d后，细砂介质中铬开始出现，含量逐步上升，在35d以后趋于稳定.水溶液中的总铬在反应14d后去除率达到91.1％，而此时介质中铬含量仍在增加.说明Cr（VI）被还原成Cr（III）之并生成沉淀物质，最初以悬浮态颗粒存在于溶液中，逐渐沉淀最终转化到固态介质中.

X射线光电子能谱分析（XPS）是分析样品所含元素价态和键能的重要手段.对反应介质产物中的铬进行XPS分析，图7为介质中Cr（2p）的XPS能谱图.对其进行分峰处理得到两个峰，分别位于586.237eV和576.624eV处.与Wanger等［32］给出的Cr（III）标准能谱图对比，可以确定介质中的铬是以+3价存在.反应结束时，反应体系pH值为6.59，Eh为-158.6mV.图8为铬-氧-水体系在不同pH-Eh下的稳定区间［33］，可以看出，在这种条件下Cr（III）主要是以Cr（OH）2+离子形态存在.结合图7和图8的结果，可以说明反应产物中铬的沉淀物并非Cr（OH）3沉淀，而是Cr-Fe共沉淀物质，因为其具有更强的耐酸性［34］.

X射线衍射（XRD）是一种研究晶体结构的分析方法.对反应介质产物进行X射线衍射表征分析.结果如图9所示，整条谱线并没有明显的含铬化合物特征峰，说明介质中的铬是以无定形态结构存在，而不是晶体状态.

图9 细砂的XRD谱Fig.9 XRD pattern of the fine sand

3 结论

3.1 乳化植物油可以作为电子供体，促进土著微生物的异化铁还原作用，将含水层介质中Fe（III）的还原，强化Cr（VI）生物地球化学还原.10mg/L的Cr（VI）在14d内被全部去除，实验结束时，Fe（II）浓度为44.40mg/L.

3.2 乳化植物油注入含水层后，可使地下水呈弱酸性，并明显改变含水层的氧化还原环境.反应56d后，地下水pH值降低至6.59，Eh降低至-158.6mV.5g/L的乳化油经过56d反应，消耗了48.9％，说明乳化油可长期作为电子供体维持微生物生长代谢.

3.3 XPS表征结果表明，Cr（VI）经过生物地球化学作用被还原成Cr（III），对比Cr的pH-Eh图可以推断，Cr最终以Fe-Cr氢氧化物沉淀形式稳定在含水层介质中.XRD分析结果说明介质中的Fe-Cr氢氧化物是以无定形态结构存在.

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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 贺（1990-），男，吉林省吉林人，吉林大学硕士研究生，主要研究方向为地下水污染控制与修复.

2014-10-25

国家自然科学基金项目（41272253）；吉林省自然科学基金项目（20130101027JC）

* 责任作者，教授，dongjun@jlu.edu.cn