建设用地土壤锰微生物-生物炭偶联原位修复研究

叶 虹

(汕头市生态环境技术中心，广东 汕头 515041)

0 前 言

锰是一种重金属元素，存在于地球的岩层中。锰是人体、植物、微生物合成所必需的营养元素[1]。每个正常人体内含有一定的锰，按每千克体重的0.2 mg计算，正常情况下，人每日需要从食物中摄入不小于10 mg的锰。锰对于工业来说，有着及其重要的地位，很多行业都少不了锰的应用。在染色剂、日常生活用品、肥料、生物农药、新材料等多种工业行业中，都需要锰的加入，来提高产品质量和品质。

我国的锰产业很发达，包括金属锰、高纯二氧化锰和锰合金等工业生产，电解锰的生产能力在全球排第一[2]。在中国，锰矿中的锰含量较低，只有10%～12%，这就导致了在锰的提取过程中，会产生大量的废渣。目前，全国产生的锰废渣已经超过了1.5亿t，不仅占用大量土地，且处置困难，严重影响了生态环境[3]。

土壤锰污染现有的修复方法主要分为物理类别修复、化学类别修复和微生物类别修复[4]。主要的原理是通过以上处理减少土壤中锰的含量，改变土壤中锰元素的价态，使锰元素固化或者不能在土壤里迁移，达到土壤修复的作用。物理方法里面又包括有电流法、高温热法和液体淋洗法。电流法顾名思义，就是在土壤中施加一定大小的电流，使土壤中的污染物发生移动，从而除去污染物的方法。高温热法针对的是锰元素的化学形态具有挥发性，采用不同的热源，例如水蒸气、微波加热及红外线辐射处理受污染的土壤，产生的废气通过回收装置进行回收后，达到去除锰的目的。液体淋洗法采用不同的液体化学物质，对土壤中的锰进行吸收处理，让污染物脱离土壤，然后把洗涤液收集到槽子中集中处置[5]。固定化处理是指让锰元素固定在土壤中，不让锰离子在土壤中流动，通过一系列的化学反应，包括化学沉淀、离子络合交换、氧化还原反应等。所采用的化学沉淀试剂[6]有金属类氧化物、磷化物、碱性金属、黏土等物质。生物法是处理锰土壤最环保、简单的方法。通过土壤中的耐锰微生物筛选、分离、纯化，然后施用到锰污染的土壤中，进行原位处理。效果好，不产生任何的副反应。

中国是农业大国，农业是第二生产力，因此农业在中国占据一个重要的位置。随着经济发展得越来越快，会产生数量巨大的农业废弃物[7]。但是农业废弃物的处理却很有限。利用焚烧制备生物炭，可以实现农作物的循环利用，缓解土壤环境，改善生态环境。生物炭的多孔结构，也为复合吸附材料的制备提供了一个较好的界面。秸秆是目前较大的一类农业废弃物，包含有小麦秸秆、玉米秸秆、水稻秸秆等，目前的处理方法是还田，利用价值低。生物炭是生物质类经过高温厌氧处理后，得到的一种多孔类的材料。具有较大的比表面积和孔容量。具备吸附重金属和其他污染物的能力。生物炭的特殊结构，可以使微生物或者其他化学试剂固定或者吸附在孔道上，增加了生物炭对污染物的处理和吸附能力。

微生物-生物炭偶联材料是最近发展起来的一种新兴材料[8]，具有生物炭和微生物的特点。2种物质互相协同互相促进。生物炭对微生物活性的影响是多种多样的，生物炭有较高的孔隙度，微生物可以在孔隙中固定，而且生物炭含有丰富的养分，可以为微生物的存活提供养分。生物炭可以改进土壤的特性，为微生物在土壤中进行扩繁及生长提供一个良好的环境。生物炭能够诱导酶的转化机制，从而影响到土壤中微生物的循环机制。微生物在活性炭的作用下，减少了对土壤原土著微生物释放有毒代谢产物的可能性[9]。

目前采用生物炭及改性材料对水体中重金属处理的研究已经很普遍，主要是处理镉、铅、铬等重金属的污染。对于土壤中锰的污染相关研究较少。本研究采用微生物-生物炭偶联技术，在建设用地原位进行土壤锰污染的处理方法，通过实验验证该方法的有效性及对锰污染土壤的修复效果。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

本次所用的土壤样品来自某市某一重点监管单位周边土壤，采用表层取土法取样土层，对取回土样风干后破碎，用孔径为1 mm的筛网进行筛分，除掉土壤中的植物根系和小颗粒石子。锰污染土壤的pH为弱酸性，土壤中的锰含量为3 642 mg/kg，浸出液中锰的含量为1.23 mg/L。锰污染土壤和玉米秸秆的基本理化性质见表1。

表1 锰污染土壤和玉米秸秆成分

试剂：氢氧化钠(分析纯)、盐酸(分析纯)、NB液体培养基、重铬酸钾(分析纯)、浓硝酸(分析纯)、高氯酸(分析纯)。

仪器：电子分析天平(AW105)、电热鼓风干燥箱(DHG-9070A)、高压蒸汽灭菌锅(DZ-100L)、超净工作台、生化培养箱(SPB-200L)、pH酸度计(PHC-120)、恒温摇床(HYQ-120)、全自动定氮仪(LHU-130)、火焰原子分光光度计(XR-10-Z)。

1.2 微生物-生物炭偶联剂制备

1.2.1 生物炭制备

本研究采用玉米秸秆作为生物炭的来源。将玉米秸秆经过破碎机破碎为1～2 cm长的短秆，然后把玉米短秆放入真空管式炉中进行热解，热解温度设定为650 ℃，时间为3 h。用氮气把真空管式炉中的空气排除，然后完全置换为氮气环境，先升温到260 ℃，保持1 h，然后继续升温到650 ℃，继续热解2 h。热解时间到后，等温度降到室温。把制备好的生物炭取出，研磨粉碎并用网格大小为150 μm的筛网进行筛分，用纯水对生物炭进行清洗，至洗涤液为中性后，把生物炭(BC01)烘干备用。

1.2.2 微生物菌液制备

称取40 g NB培养基，加入到1 L的纯水中，然后溶解，并用盐酸或者氢氧化钠调节培养基的pH为7.0～7.5。再把培养基分装到500 mL锥形瓶中，放入高温灭菌锅中，设定温度为121 ℃，灭菌时间为20 min。灭菌后，把之前筛选的微生物锰-克雷伯氏菌(Klebsiella sp. Strain-QY47)接种到液体培养基，在恒温摇床中培养72 h，完成微生物氧化锰菌液(LQY47)的制备。

1.2.3 微生物-生物炭偶联剂制备

称量50 g BC放入500 mL锥形瓶中，然后加入LQY47菌液300 mL，然后放置在恒温摇床上，设置转速为150 rpm，温度为37 ℃，均匀混合2 h，使BC充分吸附LQY47菌液中的微生物氧化锰菌液。然后在低温条件下，采用旋转蒸发仪完成液体的蒸馏，最后把得到的固体放入烘箱中烘干，从而得到了微生物-生物炭偶联剂BC-LQY47。

1.3 实验方法

取处理好的锰污染土壤1 000 g放入5 L的烧杯中，按照不同的比例加入金属锰处理剂，放入恒温恒湿培养箱中，温度设定为25 ℃，湿度设置为75%，然后每天定时保持土壤的含水量在25%左右，连续地进行吸附处理。根据实验需求，设定3组不同的实验来充分验证锰处理吸附剂的效果。

1.3.1 不同吸附剂吸附效果

为了验证不同吸附材料对土壤中锰的稳定修复效果，同时设置3组实验进行验证，分别为生物活性炭BC组、微生物菌液LQY47组、微生物-生物炭偶联剂BC-LQY47组。3种吸附剂加入量为土壤重量的3%，处理时间为72 h。比较处理前和处理后土壤浸出液锰的含量和对土壤pH的影响程度。

1.3.2 不同吸附剂加入量效果

为了验证不同吸附剂的加入量对土壤中锰离子的吸附稳定效果，设置加入的量为1.5%、2.5%、3.5%、4.5%、5.5% 5个梯度，处理时间设定为72 h，温度设定为25 ℃，湿度设置为75%，处理完成后比较土壤前后锰的含量。

1.3.3 吸附剂处理时间吸附效果

为了验证锰污染土壤护理时间的影响，设定处理时间为3，7，14，28，33，42 d 6个梯度，处理时间设定为72 h，温度设定为25 ℃，湿度设置为75%，处理完成后比较土壤前后锰的含量。

1.3.4 吸附稳定率

为了能够简单直接了解吸附剂对锰污染土壤的处理效果，定义吸附稳定率的计算公式。为锰污染土壤加入吸附剂处理前后锰的浸出浓度差比上锰污染土壤原有的锰浸出浓度。根据吸附稳定率，可直接判定吸附材料在对于锰污染土壤的处理效果和吸附能力大小。

Q=(M1-M2)/M1×100%

(1)

式(1)中，Q为吸附稳定率，%；M1为处理前土壤锰浸出浓度，mg/L；M2为处理后土壤锰浸出浓度，mg/L。

2 结果与讨论

2.1 不同吸附剂对锰污染土壤吸附效果

通过3种不同吸附剂处理后的锰污染土壤，计算出吸附稳定率和测量出土壤的pH(见图1)。3种吸附剂中效果最明显的是BC-LQY47，其吸附稳定率可以达到90%以上，最差的是玉米秸秆生物炭，仅为35%左右。微生物-生物炭耦合吸附剂，在对含锰土壤的处理过程中，表现出很强的吸附性。说明在微生物和生物炭的协同作用下，吸附率有了显著的提升。然后，从pH来看，污染土壤经过处理后，其pH也明显增大，土壤有盐碱化的趋势，会导致土壤固化和板结。需要进一步优化处理条件。

图1 不同吸附剂对锰污染土壤吸附效果

2.2 不同吸附剂加入量对稳定率的影响

不同的土壤污染物吸附剂的加入量对吸附稳定率的影响(见图2)，会随着投入量的增加而有所增强，但是增加的幅度不大。当添加量在4.5%时候，BC和BC-LQY47的容量已经被填满，吸附稳定率几乎不再继续增加；而添加量由4.5%增加至5.5%时，LQY47的吸附稳定率增加到90%以上。BC-LQY47的吸附稳定率最高，在加入量为2.5%的时候就达到了90%以上，效果显著。吸附效果最差的是BC生物炭，加入量达到4.5%的时候，其吸附稳定率仅为35%，且已经达到了吸附容量的上限，继续增加加入量，无法有效地进行吸附。

图2 吸附剂加入量对吸附稳定率的影响

2.3 吸附剂处理时间对吸附稳定率的影响

常规吸附条件下45 d后，3种吸附剂的吸附稳定率效果见图3。LYQ47和BC-LYQ47 2种吸附剂的吸收效果显著，5 d时，吸附稳定率分别达到了85%和95%。BC吸附剂经过30 d的吸附处理后，其吸附稳定率较低，为35%。从应用的角度来看，不具备应用价值。7 d后，LYQ47和BC-LYQ47吸附剂的吸附功能已经完全丧失，吸附剂的孔径已经完全处于饱和状态，已经无法继续对锰污染土壤进行吸附处理。

图3 吸附剂处理时间吸附效果

从时间上来说，3种吸附剂都具备时效性，能够很好地对土壤中游离的、可迁移的锰的氧化物及衍生物产生有效的固化作用。使锰污染土壤的生理活性及物理化学属性得到恢复。

2.4 吸附剂BC-LYQ47吸附动力学分析

吸附剂BC-LYQ47的伪一级和伪二级的吸附动力学模型见图4～5，相关参数见表2。通过拟合方程对吸附时间变化、吸附效果的变化趋势，可知伪一级动力学参数中，相关性只有0.623，说明实际吸附能力不符合一级的模型。而伪二级动力学参数中，相关性高达0.999。说明其动力学过程符合伪二级动力学模型。吸附过程是一个化学反应控制的流程。

表2 BC-LYQ47吸附剂对锰离子吸附的动力学参数

图4 伪一级动力学模型

图5 伪二级动力学模型

3 结 论

利用玉米秸秆和微生物锰-克雷伯氏菌，采用不同方法制备了3种高效吸附剂治理锰污染土壤，研究了BC、LYQ47和BC-LYQ47吸附剂对土壤的吸附处理效果，根据实验结果的分析，得出以下结论。

1)微生物-生物炭耦合吸附剂，在对含锰土壤的处理过程中，表现出很强的吸附性。说明在微生物和生物炭的协同作用下，吸附率有了显著的提升。然后，从pH来看，污染土壤经过处理后，其pH也明显增大，土壤有盐碱化的趋势，会导致土壤固化和板结。需要进一步对处理条件优化。

2)当添加量在3.5%时候，3种吸附材料的容量已经被填满，后续加入量再继续增加，吸附稳定率不再继续增加。3种吸附剂中BC-LQY47的吸附稳定率最高，在加入量为2.5%的时候就达到了90%以上，效果显著。吸附效果最差的是BC生物炭，加入量达到4.5%的时候，其吸附稳定率仅为35%。3种吸附剂经过了30 d后，对锰污染土壤中锰处理的吸附稳定率的效果，LYQ47和BC-LYQ47 2种吸附剂的吸收效果显著。处理5 d后吸附稳定率分别达到了85%和95%。BC吸附剂经过30 d的吸附处理后，其吸附稳定率较低，为35%。

3)通过动力学模型推演，拟合方程对吸附时间、吸附效果的变化趋势。吸附剂BC-LYQ47吸附动力学原理和模型相关性高达0.999。说明其动力学过程符合伪二级动力学模型。吸附过程是一个化学反应控制的流程。

4)BC生物炭融合了不同的原材料，不同的制备工艺和时间，所形成的生物炭吸附剂是完全不相同的，应根据具体需要处理的对象，开发不同的工艺技术路线，结合有效性和经济性来看，分析对生态环境修复的有效性、时效性。不论什么类型的吸附剂，除了需要具备高效的土壤锰污染的处理，还要关注经过处理的土壤的物理化学结构和生物性状是否完好，不能影响后期植被的恢复和生产生活的运行。因此，吸附剂的投加量是一个关键的参数，需要进行多次实验才能得出详细准确的基础数据。