文摘

沙列与土著微生物接种(黑曲霉)被用来调查期间bioclogging放射性废水渗流的影响。水力梯度、体积流量和铀酰离子浓度随着时间的推移被监控。沙列和连续操作放射性废水的铀尾矿水库。68天之后,沙列的渗透系数降低72%以上,和铀酰离子的吸附率黑曲霉达到90%以上。环境扫描电子显微镜成像证实了生物膜覆盖砂颗粒的表面,将砂颗粒联系在一起,导致渗透系数的降低。结果表明,传播的黑曲霉可以堵塞渗流通道,有效吸附放射性废水的铀酰离子在多孔介质中,它提供了一个合适的测量控制放射性流出物的迁移的铀尾矿水库到地下环境中。

1。介绍

核燃料的需求增加,数以百计的铀尾矿水库建成存储放射性核废物在采矿生产。尾矿水库建成以来退役很久了,尾矿水库可能泄露由于工程障碍的失败,地质变化,地震等等。如果泄漏是没有及时治疗,放射性废水会污染地下水和破坏生态环境,永远沿着食物链积累和对人体造成损害1- - - - - -5]。

由于放射性流出物的特殊性,传统技术遇到一些障碍如成本高,很难找到泄漏的来源,效率低,等等6]。bioclogging技术具有检测和自动密封泄漏的来源接种微生物和营养为多孔介质,可降低多孔介质的渗透率和吸附污染物的增长,微生物的繁殖和死亡7- - - - - -12]。它适用于复杂的环境。

实验室实验和数值模拟进行了研究近年来bioclogging的现象。循环等人分析了无污染bioclogging对多孔介质的流体动力学的影响通过一个独立的数学模型[在人工湿地13]。Surasani等人进行了水驱数值测试基于多组分反应运输模型来量化的影响bioclogging通过注入l . mesenteroides高渗透地层(14]。新人等人建立了一个一维数值表示研究bioclogging过程对渗流的影响(15]。手等人研究了bioclogging过程对水力特性的影响在多孔介质不同粒径在不同有机碳浓度和氧含量(16]。Pintelon等人提出了一个三维生物膜模型考虑到生物膜的渗透性的影响研究bioclogging在多孔介质的渗透系数(11]。本Rajeb等人分析了代bioclogging及其对污水净化的影响在渗滤液的处理污水通过一维沙列实验(17]。沃格特等人利用磁共振技术分析bioclogging过程的影响在多孔介质渗流动力学(18]。卡鲁索等人调查的封锁效应hyporheic通量bioclogging通过水生生物地球化学模型的建模19]。火腿等人建立了一个数学模型,基于宏观bioclogging饱和多孔介质方法探讨影响生物量增长和附件的渗透率和孔隙度20.]。柏林等人研究了氮的迁移下的非饱和多孔介质bioclogging过程和发现的运输铵氮和硝态氮明显延迟(21]。Soleimani等人利用两维非饱和水流和运输模型来分析土壤水力性质的影响以及在bioclogging机制不饱和土壤孔隙度(22]。Thullner等人发现bioclogging可以降低多孔介质的渗透率由计算网络模拟(2 - 3个数量级23]。你们等人测量的bioclogging级别厌氧methanol-supply benchscale砂在一个二维渗流场和使用泰勒模型,Vandevivere的模型塞其的模型和克莱门特的模型来模拟这一过程中,(24]。bioclogging Thullner比较和分析实验结果的一维、二维流场和模拟结果在不同孔隙度(25]。上述研究表明,微生物菌落和生物膜的增长有助于减少孔隙度和渗透系数的减少并导致bioclogging。

沙列接种黑曲霉了在这个研究调查的影响下bioclogging恒定渗流(放射性废水)。本文旨在解释的现象和机制bioclogging过程中渗透,并提供实验证据来处理铀尾矿水库的渗漏问题与微生物技术。

2。微生物的繁殖

2.1。菌株

五种土著微生物(细菌和两个真菌三)试验从周围的铀尾矿水库。菌株保存在超低温冰箱,注册一个1,一个2,一个3,一个4,一个5,分别在识别之前。

2.2。实验方法

试管菌株接种到含有10毫升液体介质(牛肉extract-peptone媒介细菌、真菌的土豆培养基)消毒循环。那么试管被安排在一个恒温的摇晃孵化器被设定为30°C为4天。文化上层清液被消毒循环和执行连续固体培养基上接种盘子,然后接种板放入恒温培养箱设置为30°C 3天直到孢子菌丝的顶端生成。

孢子被刮消毒棉签和筛选了离心管的2毫升液体介质在清洁工作台。振动离心管5分钟后,菌丝是过滤细菌液体,和细菌液体的OD600价值与蛋白质核酸分析仪测定,与液体培养基稀释到1.0。

为了消除其他微生物的干扰,包装瓶和50毫升放射性废水是放置在一个高压灭菌器设置为121°C 30分钟,然后50毫升的液体培养基中涌入包装瓶,接种1毫升细菌液体(OD600 = 1.0)。包装瓶是放在恒温空气浴瓶孵化器是设置为30°C 2天,旋转速度设置为200 r / min,和观察微生物的传播。

2.3。微生物的选择

五项微生物细菌液体的OD600值如表所示1。我们可以看到OD600价值一个5比别人高,这意味着一个5可以迅速形成了明显的殖民地在传播。考虑到沙列中的渗流速度快,微生物容易冲走,所以很难实现好的堵塞效果如果不能迅速传播。所以,一个5是bioclogging最合适的微生物实验和被确认为黑曲霉。

表1
汇总表OD600价值的变化。

3所示。Bioclogging实验

3.1。实验材料和设备
3.1.1。沙子

实验中使用的沙子从地下铀尾矿水库周围2米。筛选试验表明,级配参数d10的样品是0.093毫米,d30.是0.28毫米,d60是0.56毫米;不均匀系数Cu是6.02和曲率系数Cc是1.51;相对密度G年代是2.56,密度ρ1.374克/厘米吗3和孔隙比e是0.632。粒子的累积曲线组成的沙子样本如图1。金沙是在高压蒸汽灭菌黑曲霉接种。


图1
沙子样本粒子累积曲线。
3.1.2。放射性废水

液体来自放射性废水收集铀尾矿的水库。铀酰离子的放射性废水的浓度为1.75 mg / L的分光光度计和pH = 7.85。

3.1.3。的培养黑曲霉

(1)培养皿是用牛皮纸包好,高温下消毒。然后他们被放在一个干净的房间使用培养皿时冷却到室温。(2)准备的土豆中被放置在一个瓶灭菌。当土豆介质的温度下降到50 - 60°C,它是在液体状态下的培养皿。(3)马铃薯培养基凝固后,培养皿都倒防止盖子上的冷凝水污染介质。(4)接种后,培养皿放置在一个恒温的孵化器,是设置为30°C 2天。(5)孢子从培养皿中刮,接种到液体介质。把液体介质恒温摇孵化器是设置为30°C 2天。旋转速度设置为200 r / min。

3.1.4。沙列模型

的示意图表示沙列模型被用在这个实验中数据所示2和3。沙列的物理模型是用聚氯乙烯(PVC)建造的50厘米长15厘米的内径。两个压强计管被安装在模型的顶部的距离20厘米来测量水头的区别。水头差可以通过调整出口流量控制器控制的。九洞直径1.5厘米被保留在模型的顶部提供氧气,灌注营养液,土壤样本。在模型中,两个过滤器屏幕直径1毫米压强计管之间设置。消毒砂中充满两个滤波器之间的屏幕,和4 - 5毫米砾石了过滤器屏风间的进口和出口。三沙列(列1和第2列接种细菌的液体,第三列是一个空白的引用)准备实验用同样的重量。


图2
实验模型的外观示意图。

图3
飞机实验模型的草图。
3.1.5。接种量黑曲霉和营养解决方案

根据相关文献[8,9),接种量黑曲霉孢子悬液的含水量是1%饱和砂30毫升/ 10厘米3。大约有3400厘米3金沙在沙子里列,接种量黑曲霉孢子悬液约为100毫升。黑曲霉强大的生殖能力在500毫升的营养液均匀注入沙列每天虽然初步实验。

3.1.6。实验数据测定

(1)渗透系数的计算。渗透系数是衡量作为时间的函数在每个沙列恒定水头。保持水的压强计管的压头差2厘米通过调整出口流量控制器(水力梯度我= 2厘米/ 20厘米= 0.1,这与水力梯度的实际环境是一致的),和导水率K由达西定律计算如下: 在哪里 :渗透系数(m / s), :单位时间(m的体积流量3/秒), :渗流标本(m)的长度, :测压管水头差(m),和 :横断面标本区域(m2)。

在实验期间,每个砂柱的平均流量随着时间的推移,监控和渗透系数 计算根据方程(1)。

(2)铀酰离子的浓度。在实验期间,20毫升放射性流出物的样本收集每个沙列随着时间的推移,和铀酰离子的浓度与分光光度计测量。

铀酰离子的浓度数据处理: 在哪里 :吸附率(%), :初始浓度的铀酰离子U (mg / L) :铀酰离子的浓度在时间T U (mg / L)。

3.2。Bioclogging测试

打开进水阀,让放射性流出物饱和砂列。压强计管的水头差调整获得时间旅行等于24小时,然后保持不变直到流出的稳定。初始渗透系数 沙子样本和铀酰离子浓度测量。

关闭进气阀和接种100毫升黑曲霉孢子悬液,把500毫升的营养液倒入沙列通过预留孔均匀。的渗透系数K和铀酰离子浓度监测下68天恒流(每2天在初始阶段的实验中,每5天之后两周后)。实验结束后,打开沙列模型和环境扫描电子显微镜观察砂样品。

3.3。数据分析

渗透系数的变化作为时间的函数图所示4。从图中,沙列的初始渗透系数约为6.3×10−5m / s。68天之后,沙列的导水率降低到1.68×10−5m / s(第1列)和1.60×10−5米/秒(第2列),分别减少了74.4%和74.6%。然而,空白列的渗透系数(列3)只减少了11.8%。


图4
渗透系数的变化作为时间的函数。

渗透系数的变化作为时间的函数可以分为三个阶段。在阶段1(1 - 15天),的最大导水率下降,因为生物量的增长。在第二阶段(天16-40),渗透系数的变化速度减慢。在第三阶段(天41 - 65),沙列的水力传导率趋于稳定。

在初始阶段,黑曲霉传播迅速,因为沙列的宽松的发展环境和充足的营养,以及砂之间的毛孔被阻塞导致渗透系数的减小。然后,氧气和营养液供给的减少导致的繁殖速度黑曲霉慢下来的时间和砂的渗透系数不断降低。最后,传播的黑曲霉达到稳态,水力传导率的下降率作为时间的函数并不明显,直到稳定。

从图5铀酰离子的吸附率的变化作为时间的函数可分为三个阶段。在最初的阶段(1 d-15 d),铀酰离子的吸附率黑曲霉很快,两周后达到47%。在第二阶段(16 d-40 d),吸附速率减缓下降的有效吸附网站。60天后,铀酰离子的吸附率达到91.3%,趋于稳定。铀酰离子的吸附速率的空白列(列3)只减少了8.9%。


图5
吸附率的变化作为时间的函数。

在初始阶段,黑曲霉其表面吸附铀酰离子。这个过程是快速、可逆的,被动吸附,不需要能量。在第二阶段,黑曲霉将铀酰离子转移到细胞内消化和分解。这个过程是主动吸附不可逆和所需能量,细胞代谢有关。

3.4。环境扫描电子显微图

研究中的bioclogging机制砂列,采用SEM观察实验后的沙子样本。扫描电子显微图呈现在图6,它可以观察到,沙子样本接种黑曲霉形成的生物膜覆盖砂颗粒的表面,砂颗粒连接在一起,导致渗透系数的减小。

(一)
(一)
(b)
(b)
图6
SEM图像后的沙子样本实验(50 x (a);(b) 200 x)。

4所示。结论

在这篇文章中,黑曲霉被接种到沙列调查bioclogging和铀酰离子的吸附率的影响下放射性废水渗流,并得到了以下结论:(1)在这个实验中,五个土著微生物培养,黑曲霉被选为最强大的生殖能力。(2)Bioclogging接种实验表明,沙列黑曲霉能有效地堵塞渗流通道的金沙和吸附铀酰离子。68天后,砂的渗透系数下降72%以上,和铀酰离子的吸附率达到90%以上。(3)扫描电子显微图显示,产生的生物膜黑曲霉覆盖砂颗粒的表面和多孔介质的渗流通道阻塞,这是水力传导率的减少的主要原因的沙列。

数据可用性

的数据支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(51774187)、科学技术厅湖南省重点研发计划项目(2017 sk2280),核与辐射安全监督项目环境保护部(1728 - 21),和铀尾矿仓库弹性湖南省工程技术研究中心。