[发明专利]微生物电化学驱动的硫酸盐还原系统原位修复镉、铅污染农田土壤的装置和方法

说明书

本发明公开了一种微生物电化学强化硫酸盐还原用于原位修复镉、铅污染农田土壤的装置和方法。本发明利用硫酸盐还原反应器产生含硫(S^2‑)水系钝化剂，该钝化剂可对镉、铅污染农田土壤进行原位修复，将镉、铅转化为难以被作物吸收的形态。通过构建了双腔室硫酸盐还原反应器，施加电流促进阴极腔室发生产氢反应，阴极室中的自养型硫酸盐还原菌可以利用电极电解水产生的氢气和无机碳源将硫酸盐还原为S^2‑。该含S^2‑的钝化剂与土壤混合后能够降低农田土壤中的镉、铅毒性。本发明利用液体钝化剂进行镉、铅污染农田土壤修复，不会造成土壤理化性质发生明显变化，相比利用生石灰、生物炭等方式进行重金属污染土壤修复具有明显优势。

技术领域

本发明属于镉、铅污染农田土壤原位修复的技术领域，具体涉及一种微生物电化学驱动的硫酸盐还原系统原位修复镉、铅污染农田土壤的装置和方法，其中微生物为硫酸盐还原菌。

背景技术

随着工业化和城市化的发展，重金属土壤污染已成为威胁全球食品安全和人类健康的重大环境问题。根据关于全国土壤污染状况的全国土壤污染调查研究公报，中国有16.2％的土壤被重金属或准金属污染。中国的镉(Cd)和铅(Pb)污染已成为公众关注的焦点。镉，铅污染在农业土壤污染中占很大比例。当前工业废水排放，废水灌溉和磷肥的使用导致农田土壤中镉和铅的积累，很容易通过吸收作物进入食物链，从而产生潜在的人类健康风险。因此，控制土壤中Cd Pb的生物利用度并减少作物Cd和Pb的积累对于确保中国的粮食安全至关重要。重金属元素在植物中积累，通过食物链进入人体并危害人体。通常认为废水灌溉和使用磷肥是向农业土壤中输入重金属的主要来源。

固定化作为降低土壤中重金属的生物利用度，生物利用度和迁移率的一种原位修复方法引起了广泛的关注。固定剂包括粘土矿物，生物炭，氧化铁，石灰材料，主要通过表面络合，化学沉淀，离子交换或吸附来修复土壤。重金属的硫化物结合态在土壤中是一种稳定且安全的形式(kspCdS＝3.6×10^-29，kspPbS＝3.4×10^-28)。硫化钠(Na₂S)和二乙基二硫代氨基甲酸钠(DDTCNa)曾作为固定剂用于土壤修复。但是，修复过程通常伴随着土壤pH值和土壤体积的增加，从而改变了土壤的物理化学性质。

生物电化学系统(BES)是电化学和微生物集成的系统。附着在电极表面的微生物，用于电子转移和生物催化。在电驱动的硫酸盐还原反应器中，阴极将进行还原反应并生成氢气，氢气作为电子供体供给硫酸盐还原菌，将硫酸盐转化为负二价的硫离子。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种微生物电化学驱动的硫酸盐还原系统原位修复镉、铅污染农田土壤的装置和方法，将微生物电化学系统驱动的硫酸盐还原反应器与重金属污染的土壤修复相耦合。含硫(S^2-)水系钝化剂不会造成土壤pH的变化，以温和的方式将土壤中生物有效性的镉和铅金属转化为硫化铅和硫化镉等难溶态，降低植物从土壤中获取的镉、铅重金属含量。修复土壤后的钝化剂将补充硫酸根并回流到硫酸盐还原反应器中完成净化和再生，再生的钝化剂依然可以保持高效修复土壤镉、铅重金属污染。

本发明所采用的具体技术方案如下：

本发明首先公开了一种微生物电化学驱动的硫酸盐还原系统原位修复镉、铅污染农田土壤的装置，包括硫酸盐还原系统(A)和土壤修复系统(B)，所述的硫酸盐还原系统(A)包括电源系统(1)、阴极腔室(2a)、阳极腔室(2b)、位于阴极腔室(2a)内的阴极电极(3a)、位于阳极腔室(2b)内的阳极电极(3b)和质子交换膜(4)；所述土壤修复系统(B)由储罐(5)构成；所述电源系统(1)的正极与阳极电极(3b)相连，负极与阴极电极(3a)相连，用于向阴极腔室(2a)、阳极腔室(2b)供电；所述阴极腔室(2a)和阳极腔室(2b)之间使用质子交换膜相隔(4)；所述阴极腔室(2a)的出水口输出用于修复镉、铅污染农田土壤的溶液，流过土壤的溶液由储罐(5)进行储存，并经管路返回阴极腔室(2a)的入水口。