利用铁还原菌溶矿作用阻滞Fe(0)-PRB的钝化和促进铀尾矿渗滤液中铀酰的去除

The zero-valent iron permeable reactive barrier (Fe(0)-PRB) technology has become an important method for in situ remediation of radionuclide pollution from uranium tailings leachate. However, the Fe(0) surface is prone to inactivation or passivation, thereby greatly shortening the service life of PRBs. The Fe(0) corrosion products, ferric (hydr)oxides, are the key factors leading to its surface passivation. In this project, we are going to take the tailings leachate from the uranium impoundment in South China as the research object of typical nuclear wastewater, and build a new combined system (Fe(0) loaded with iron(III) reducing bacteria (FeRB)) to remove uranium pollution in the leachate. The goal of this project is to remove the corrosion products on the iron surface effectively through the ore bio-dissolution by FeRB and to retard the Fe(0) surface passivation during the PRB operation process, thereby enhancing the Fe(0) reaction activity and prolonging the working life of the PRB. In this work, the combination of ex situ and in situ remediation technologies will be used to study in-depth the interactions and interface effects among Fe(0), iron corrosion products, FeRB, uranyl and its transformation products, to elucidate the mechanisms on the combined chemical and biological removal of uranium, and to understand its long-term physical and chemical behavior in the complex environment. In this study, a new idea of controlling uranyl contamination in water environment will be given, and a theoretical basis for the design and improvement of PRBs will be provided.

零价铁可渗透性反应墙（Fe(0)-PRB）技术成为原位修复铀尾矿渗滤液中核素铀污染的重要途径，然而Fe(0)表面易于失活或钝化，极大地缩短了PRB的使用寿命。Fe(0)腐蚀产物（铁(氢)氧化物膜）是导致其表面钝化的关键因素。本项目以中国南方某铀尾矿库渗滤液为典型核素废水研究对象，拟构建一种Fe(0)负载铁还原菌（FeRB）的新型组合体系用于消除渗滤液中的铀酰污染，旨在通过FeRB的生物溶矿作用有效清除Fe(0)腐蚀产物，阻滞PRB运行过程中Fe(0)表面的钝化，增强Fe(0)的反应活性和延长PRB的工作寿命。本项目还将通过室内模拟修复和野外原位修复相结合，深入研究Fe(0)及其腐蚀产物、FeRB、铀酰及其转化产物之间的相互作用规律及界面效应，阐释核素化学生物联合消除机理，了解核素在复杂环境体系中长期的物理化学行为。本项目为水环境中铀酰污染的控制提供新思路，为PRB的设计及改进提供理论依据。

应用零价铁可渗透性反应墙技术控制地下水铀酰污染有较好的前景，但Fe(0)的腐蚀产物固相Fe(III)(氢)氧化物矿物会导致表面钝化和缩短其使用寿命。本课题针对上述问题，通过将异化铁还原菌(FeRB)负载于Fe(0)基质材料之上构建新型Fe(0)+FeRB联合体系，进而利用其来去除核素U(VI)污染，探明了Fe(0)的主要腐蚀产物对FeRB生物还原沉淀U(VI)的影响规律，揭示了核素在联合反应墙中的消除机理，初步达到了用FeRB来阻滞Fe(0)表面钝化和延长反应墙工作寿命的目的。首先，研究发现Fe(0)的腐蚀产物赤铁矿和针铁矿对硫酸盐还原菌还原U(VI)的过程均有抑制作用，前者抑制作用较大，后者抑制作用较小。这可能是因为一方面该细菌不能以固相Fe(III)矿物作为电子受体，另一方面固相Fe(III)矿物对微生物还原形成的难溶U(IV)具有缓慢的再氧化/溶解作用。然而上述两种矿物对FeRB生物还原U(VI)的过程均具有明显强化作用，而且赤铁矿含量越高，U(VI)的去除速率越快。这可能与“该微生物可利用固相Fe(III)矿物作为电子受体并使其溶解，由此所产生的可溶性Fe(II)能将U(VI)非生物还原成难溶U(IV)”有关。然后，利用室内柱式反应器对含铀酸性废水进行了处理，发现Fe(0)+FeRB联合反应器在碱化废水和脱除U(VI)的效率方面均明显优于Fe(0)反应器，证实了在基材Fe(0)上引入FeRB对处理酸性含铀废水具有明显的协同增强效应。最后，采用二次生长和液相还原法合成了微纤复合NaA分子筛膜@Fe(0)新型复合材料，采用SEM和XPS进行了表征，研究了该材料对Cu(II)和Pb(II)混合溶液的去除动力学，考察了连续固定床反应器中pH值、入口浓度和床层高度对Cu(II)和Pb(II)去除效果的影响。结果表明，纳米Fe(0)均匀负载于分子筛膜表面，经过固定床动力学实验后，铜和铅附着在复合材料上；随着pH增加或入口浓度降低，Cu(II)和Pb(II)透过时间均延长，随着床层高度从0.45cm增加到0.65cm，Cu(II)和Pb(II)透过时间略有增加，继续增加床层高度到0.90cm，Cu(II)和Pb(II)透过时间显著延长。本研究为利用我国丰富的铁资源和地微生物资源来改进反应器/墙的设计模式，从而更好地控制水体核素和重金属污染提供理论依据和技术支撑。