铬及其化合物作为重要的工业原料广泛地应用于电镀、制革、印染、合金等行业。然而,铬盐生产过程中产生大量铬渣,铬渣无组织堆存和排放将形成大大小小的“铬渣山”,造成周边环境铬污染严重。我国历史遗留的铬渣堆场数量多且污染重。铬渣中的铬主要以Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)存在,其中Cr(Ⅵ)毒性大、易迁移和生物可利用性强,所以对铬渣处理的实质就是去除游离态Cr(Ⅵ)。目前,我国急需修复铬渣中的Cr(Ⅵ)关键技术。本文以青海某铬盐厂湿法解毒后铬渣堆场作为研究对象,针对该场区的Cr(Ⅵ)复溶,出现“返黄”现象,引起场区土壤的二次污染问题进行研究。通过调研场地污染特征,提出采用经济、环保和可持续的微生物修复技术处理湿法解毒后场地铬污染。通过选育具有修复功能微生物菌株,揭示了功能微生物修复铬污染的机理,并以实现场区铬污染的现场修复为目标,进行了系统的研究,确定了微生物技术对铬渣堆场修复的可行性,为类似场地的修复提供了实验基础和工艺思路。本研究获得的主要研究成果如下:(1)选育了 4株具有修复功能的微生物菌株。通过场地调研,在查清铬渣堆场污染特征的基础上,对铬渣样品的进行高通量测序,确定属地存在能够去除Cr(Ⅵ)的微生物菌群;对属地微生物进行了驯化、分离、纯化及鉴定,选育出具有修复功能微生物:Stenotrophomonas maltophilia,Ochrobactrum sp.,Bacillus megaterium 和Pseudomonasputida;对比纯功能微生物与复合功能微生物去除Cr(Ⅵ)能力,结果表明,复合功能微生物去除能力较纯微生物更强,所以选择复合功能微生物用于后续的工艺优化研究。(2)获得了功能微生物去除Cr(Ⅵ)的最优培养工艺。为了提高功能微生物对Cr(Ⅵ)的去除能力,采用单一因子试验,获得各因子的最优值;采用Plackett-Burman试验,比较各因子对功能微生物去除Cr(Ⅵ)的影响,结果表明,碳源>接种量>温度>pH值>盐分>氮源>转速;采用响应面的Box-Behnken模型预测各敏感因子交互作用下的最优值,获得微生物的最优培养工艺为:碳源添加至1.8 g/L、pH值调整为8.0、接种量为10%、温度设置为30℃,此条件下Cr(Ⅵ)去除率和OD600值分别高达89.01%和1.36。(3)揭示了功能微生物修复Cr(Ⅵ)的机理。功能微生物去除Cr(Ⅵ)包括生物吸附、生物还原和生物矿化三大机理。对Cr(Ⅵ)去除的贡献呈现为:生物还原(69.61%)>生物吸附(19.26%)>生物矿化(11.23%)。通过收集产物进行X射线光电子能谱技术分析发现,在功能微生物的作用下,通过铬还原酶的催化作用水溶态Cr(Ⅵ)逐渐还原为Cr(Ⅲ)沉淀,且电子顺磁共振检测到还原过程中有不稳定的中间产物Cr(V)生成。剖析生物吸附机理,通过三维荧光光谱分析发现,微生物代谢过程中累积的胞外聚合物(EPS)主要由类蛋白质和富里酸类物质组成。傅里叶红外光谱分析表明,EPS中包含大量功能基团,为吸附污染物提供丰富的结合位点。对产物进行镜检和物相分析发现,随矿化时间产物不断累积,且逐渐有稳定的晶体物质生成。(4)分析了功能微生物修复Cr(Ⅵ)的可行性。通过摇瓶试验、柱试验扩大到现场中试研究,结果表明,在功能微生物的修复过程中,铬渣体系宏观和微观的变化佐证了生物修复技术的可行性。宏观上,Cr(Ⅵ)的去除率逐渐增加,中试后期去除率高达99%以上;体系内的氧化还原电位逐渐由200 mV以上降低至-100 mV以下,由强氧化状态转化为还原态;柱体系渗透能力逐渐降低,修复后期渗透率几乎为0;体系中铬的赋存形态分析表明,逐渐由非稳定态转化为稳定态,经过355天的修复稳定态达95%以上;浸出毒性表明,体系浸出液中Cr(Ⅵ)的浓度逐渐降低,修复后期仅为3.1 mg/L,低于固体废物浸出液允许排放的标准(50mg/L)(HJ/T 299-2007)。微观上,修复过程中,体系OD600值逐渐增加,为Cr(Ⅵ)的去除提供了丰富的生物材料。微生物群落演替表明,功能微生物的相对丰度不断增加,成为优势菌群,在体系中构建了相对有利于生物修复的群落结构。上述研究证明微生物修复铬污染技术实现了由实验室探索阶段到现场应用的转化。该技术能够实现持久稳定的修复效果,可持续的解决铬渣中Cr(Ⅵ)复溶问题,从而有效遏制湿法解毒后的“返黄”现象。