[发明专利]一种镉污染土壤和地下水修复剂及其用于镉污染土壤和地下水的修复方法

说明书

本发明公开了一种镉污染土壤和地下水修复剂及其修复方法。该修复剂包括零价铁粉末和氢自养反硝化菌。该方法包括：在镉污染土壤和地下水中投加零价铁粉末、氢自养反硝化菌和硝酸盐，在常温的厌氧环境下进行修复。本发明通过氢自养反硝化菌以零价铁在厌氧条件下与水反应释放的氢气作为电子供体进行反硝化作用，促进零价铁的腐蚀，在零价铁表面生成高活性铁矿物，使得零价铁可以大量吸附和固定镉离子。该修复方法有效地解决了零价铁无法直接与镉发生氧化还原反应而导致零价铁腐蚀受限的困难，可以大幅降低土壤和地下水中镉的迁移能力和生物可利用性。本发明具有修复效果稳定、成本低和对环境影响小等特点，适用于镉污染土壤和地下水的修复。

技术领域

本发明属于土壤和地下水环境修复技术领域，具体涉及一种镉污染土壤和地下水修复剂及其用于镉污染土壤和地下水的修复方法。

背景技术

镉作为重要的化工原料，广泛应用于金属加工、电池制造、电镀、染料等行业。在自然条件下，镉常与铅、锌共生并形成铅锌矿，在矿石的烧结、金属的冶炼等工业生产中，由于生产过程的泄漏、废水的不合理排放和含镉废渣渗出等，大量镉进入土壤和地下水环境中，造成日益严重的镉污染。镉具有生物富集效应，可以通过食物链进行积累传递，而人体摄入过量的镉会对肝、肺、肾等脏器产生损害，同时镉具有致癌作用。因此，如何解决环境中的镉污染问题成为当今环境修复领域重要的研究内容之一。在土壤和地下水环境中，镉通常以水溶态正二价离子(Cd²⁺)存在，借助水动力扩散条件具有很强的迁移能力。因此，在镉污染土壤和地下水修复中，人们主要通过两种途径阻断镉在环境中的有效迁移，降低镉的生物可利用性，从而实现镉污染环境的修复。一是直接将镉从被污染的土壤和地下水中清除，如抽提法、电动力修复法等。另一种途径是通过投加修复剂固定土壤和地下水中游离的镉，降低其在环境中的迁移能力和生物可利用性，包括吸附法、沉淀法等，此途径具有操作简便、修复起效快等优势，但对于所投加修复剂的要求较高，否则易产生二次污染。

零价铁作为一种经济易得、环境友好的材料在环境修复领域得到了研究人员的广泛关注，将其用于固定土壤和地下水中的重金属是近年迅速发展起来的新技术。零价铁与水和氧反应可生成具有强吸附能力的铁氧化物如Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeOOH等，可以有效吸附并固定土壤和地下水中的Cd²⁺，形成稳定的复合物，反应式如下：

≡FeO^-+Cd²⁺→≡FeOCd⁺

≡FeO^-+Cd²⁺→≡FeOCdOH。

相关研究显示，零价铁及其氧化物对Cd²⁺的去除过程是一种发生在固体表面活性位点的界面控制反应，因此镉的去除效率取决于零价铁表面的腐蚀程度、活性位点的数量和铁氧化物的生成量。但是，由于土壤和地下水往往处于厌氧状态，零价铁难以与氧气反应发生氧化腐蚀，而镉的氧化还原电位(Cd/Cd²⁺＝-0.40V)与铁的氧化还原电位(Fe/Fe²⁺＝-0.44V)相近，零价铁与Cd²⁺之间也难以发生氧化还原反应，导致零价铁腐蚀受阻和生成的铁氧化物量非常有限；此外，非生物条件下，零价铁在腐蚀过程中其表面往往会生成致密的钝化层，导致腐蚀过程终止，进一步阻碍了电子传递。有研究显示(臧彩云,沈袁玲,顾敏京,等.零价铁对滩涂土壤重金属镉形态及有效性的影响[J].江苏农业科学,2017,45(18):249-251.)，单纯使用零价铁作为修复剂用于土壤镉污染修复，即使在零价铁投加量高达40g/kg时，土壤中速效镉的去除率也只能达到60％，零价铁利用效率极低，仅有0.2mg Cd²⁺/g Fe⁰。因此，在使用零价铁修复镉污染土壤和地下水的实际操作中，往往存在零价铁腐蚀受阻、镉去除效率低下等问题。