CN101475259B - 去除剩余活性污泥中重金属的一种方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了去除剩余活性污泥中重金属的一种方法，采用土著氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidans，T.f)和氧化硫硫杆菌(Thiobacillusthiooxidans，T.t)，在含有剩余活性污泥的体系中，分别接种上述土著T.f和T.t，淋滤反应在28-35℃下振荡培养，初始pH 4-7。淋滤时间为6-12天。土著T.f和T.t混合菌群淋滤对剩余活性污泥中的重金属具有很高的去除率，并且优于T.f和T.t单菌的淋滤效果。土著T.f和T.t混合菌群对剩余活性污泥中重金属的去除率分别达到：Cu 98.32％，Zn 98.60％，Cr 93.47％，Ni 97.88％，As 96.09％。该工艺过程具有耗酸量少、能耗低、处理成本低、金属溶出率高、处理条件温和、常温常压反应、操作简便的优点，具有极好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用土著氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌去除剩余活性污泥中重金属的方法，用于污水处理厂剩余活性污泥重金属的去除技术领域。
背景技术
我国70％的污水处理厂采用生物法处理污水。活性污泥法是最常用的生物法之一。活性污泥中微生物在净化污水的同时自身也生长繁殖，不断增加，使污水处理池中活性污泥浓度过高，导致污水中缺乏氧气，影响污水处理的效果。因此，必须定期排掉一定量的污泥，使污水处理池中活性污泥浓度保持在一定水平，排出的这部分污泥即为剩余活性污泥。目前，处置剩余污泥的方法主要包括：填埋、焚烧等，均不能满足环保要求。剩余活性污泥的土地回用被认为是最具可行性的方法之一。但是，由于污水处理过程中活性污泥富集了污水中多种重金属，必须加以去除，才能使之应用于农田。因此，去除剩余活性污泥中有毒有害重金属的过程就显得至关重要。
通常使用化学法去除污泥中的重金属，如氯化、离子交换、络合和酸化等。但是化学法具有成本高、操作困难、能耗高和金属溶解量低等缺点。因此，去除剩余活性污泥中重金属受到限制。
生物淋滤是国际上近年兴起的一项金属浸提技术。对生物淋滤技术的研究和应用正在逐步扩展到环境污染治理领域。生物淋滤技术是利用自然界中一些自养微生物的直接作用或其代谢产物的间接作用，将固相中不溶性成分(重金属)分离浸提出来的方法。生物淋滤采用的主要细菌是氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillusferrooxidans，T.f)和氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans，T.t)等嗜酸性硫杆菌，在其新陈代谢过程中，产生氧化、还原、络合、吸附或溶解作用。
生物淋滤中，T.f和T.t被用作有效的淋滤载体。这种嗜酸性的化能自养型细菌以大气中的CO2为碳源，分别以铁的无机盐或单质硫S为能源来维持生长，不需要为它提供外来的碳源和电子供体。另外，由于pH值很低，抑制了其它细菌的生长，所以在实际操作过程中无需严格的无菌条件。因此，生物淋滤法具有成本低、操作简单、能耗低、金属去除率高，且副产物无毒性等优点。
发明内容
本发明提出了采用生物淋滤法，并同时接种土著氧化亚铁硫杆菌T.f和氧化硫硫杆菌T.t去除剩余活性污泥中重金属的方法，以提高剩余活性污泥中重金属Cu、Zn、Cr、Ni、As的去除率。
本发明通过下述技术方案予以实现：
1)从待处理剩余活性污泥中分离土著T.f和T.t，具体方法为：采用9K培养基，在30℃，150rpm振荡条件下，将定量待处理剩余活性污泥培养7—10天，得到T.f菌液和T.t菌液；
2)采用稀释梯度培养法对土著T.f进行菌种纯化，采用固体平板划线培养法对土著T.t进行菌种纯化；
3)将上述已纯化的T.f菌液或T.t菌液转移至新鲜9K培养基中富集培养，分别得到T.f或T.t单菌的富集培养液；
4)将上述纯化并富集好的T.f和T.t培养液接种于含有脱水污泥5-20％(w/v)的淋滤体系中，土著T.f和T.t的接种量均为2.0-5.0％(v/v)；
5)淋滤反应温度在28-35℃的振荡(80-150rpm)培养；
6)淋滤体系的初始pH为4.0-7.0；
7)淋滤培养时间为6-12天；
8)淋滤前后的污泥采用电感耦合等离子体发射光谱(ICP)法进行重金属的含量检测。
9)上述9K培养基基本配方为：(NH4)2SO4 3.00g，K2HPO4 0.5g，MgSO4.7H2O0.50g，KCl 0.10g，Ca(NO3)2.4H2O 0.01g，蒸馏水1000ml。使用时，根据所培养菌种不同，再加入FeSO4.7H2O 44.0g或单质硫S10.0g作为能源物质。即培养T.f时，加入FeSO4.7H2O，培养T.t时加入单质硫S；同时培养使用T.f和T.t时，二者都加。
本发明的有益效果是：采用土著T.f和T.t混合菌群对剩余活性污泥进行淋滤，具有更高的重金属去除率，并且优于T.f和T.t单菌的淋滤效果。土著T.f和T.t混合菌群对剩余活性污泥中重金属的去除率分别达到：Cu98.32％，Zn98.60％，Cr93.47％，Ni97.88％，As96.09％。该工艺过程具有耗酸量少、能耗低、处理成本低、金属溶出率高、处理条件温和、常温常压反应、、操作简便的优点，因而，具有极好的应用前景。
本发明具体实施方式为：
1.土著T.f的分离
采用9K培养基100ml，加入1.0-2.0g剩余活性污泥，30℃，150rpm振荡培养7—10天。9K培养基配方如下：(NH4)2SO4 3.00g，K2HPO4 0.5g，MgSO4.7H2O 0.50g，KCl 0.10g，Ca(NO3)2.4H2O 0.01g，FeSO4.7H2O 44.0g，蒸馏水1000ml，pH2.0。
培养过程中，培养液颜色先变为红棕色，然后变为黄褐色，并产生黄铁钒沉淀。由于T.f代谢过程中产酸，10天后溶液pH降为2.0。
选取上述菌液转接入新鲜培养基富集培养，2天后，培养液变黄；3天后，培养液变为红棕色；4天以后，培养液颜色变为黄褐色，并且有黄铁钒沉淀。整个培养过程中，培养液颜色逐渐变深。
2.土著T.f的纯化与富集
采用稀释梯度法进行纯化。
第一次稀释培养：
分别向12支试管中加入9.0ml 9K液体培养基；取上述分离得到的T.f菌液1.0ml加入第一支试管，得到的菌液浓度为10-1；取10-1浓度的菌液1.0ml加入第二支试管，得到的菌液浓度为10-2；按此方法，每次取1.0ml菌液加入下一试管，使菌液浓度稀释至10-12。将菌液放入30℃培养箱中，150rpm振荡培养10天。10-8浓度试管中的培养液变为黄褐色，且产生黄铁钒沉淀，说明有T.f生长，由于10-9未出现生长迹象，推测10-8为单种纯菌。
第二次稀释培养：
将上述10-8得到的菌液作为原液，使浓度从10-1递减到10-10，进行稀释培养。30℃培养箱中，150rpm振荡培养10天。结果是10-1到10-10浓度的菌液全部产生黄铁钒沉淀。取浓度为10-10的菌液，透射电镜观察，菌体形态单一，为杆状，约1.0-2.0μm长，0.5-1.0μm宽。
取上述菌液5.0mL转移至新鲜的9K培养基中富集培养，得到T.f单菌的富集培养液。
3.土著T.t的分离
采用硫粉代替9K培养基中的FeSO4分离T.t。100ml培养基中加入1-2g剩余活性污泥，30℃，150rpm振荡培养7-10天。培养基配方如下：(NH4)2SO4 3.00g，K2HPO4 0.50g，MgSO4.7H2O 0.50g，KCl 0.10g，Ca(NO3)2.4H2O0.01g，硫粉10.00g，蒸馏水1000ml，pH3.5-4.0。培养10天后，培养基的pH由初始的3.8降低到了1.0。向少许培养液中加入饱和Ba(OH)2溶液，产生白色沉淀者推测培养液中有T.t生长，因为T.t能够利用硫粉，产生硫酸，从而出现BaSO4沉淀。
选取上述pH最低并能够出现BaSO4沉淀，推测有T.t生长的培养液转入新鲜培养基，进行富集培养，同时做不加菌液的空白对照，以验证pH的降低及硫酸根的产生不是由硫的自然氧化引起。3-5天后，接入菌液的培养液变浑，而对照瓶中依然澄清。10天后富集培养液的pH降低至1.0以下，而对照瓶的pH仅有微小变化。
4.土著T.t的纯化与富集
采用平板划线分离培养法进行T.t纯化。
用接种环沾取上述少许富集培养液，在固体培养基划线，置入培养箱，30℃培养。培养基配方如下：(NH4)2SO4 0.30g，K2HPO4 0.05g，MgSO4.7H2O0.05g，KCl 0.01g，Ca(NO3)2.4H2O 0.001g，Na2S2O3 1.00g，蒸馏水100ml，pH4.0，琼脂3％.
4天后，固体平板上开始出现肉眼可见的菌落。菌落为浅黄色，圆形。由于菌体代谢过程产酸，菌落外围有一层透明圈。
挑取菌落外围有透明圈的单菌落接入新鲜液体培养基富集培养，30℃，150rpm振荡培养。10天后菌悬浮液的pH降至1.0以下。透射电镜观察，菌体形态单一，均为杆状，长1.0-2.0μm，宽0.3-0.5μm。
将上述纯化了的T.t转移至新鲜的9K培养基中富集培养，得到T.t单菌的富集培养液。
5.利用T.f和T.t混合菌进行生物淋滤去除剩余活性污泥中的重金属
生物淋滤反应在500mL三角瓶中进行，内含200mL淋滤液。淋滤液包括9K培养基液体成分(NH4)2SO4 0.6g，KCl 0.02g，K2HPO4 0.1g，MgSO4·7H2O0.1g，Ca(NO3)2·4H2O 0.002g，和FeSO4.7H2O 8.8g和单质硫粉S 2.0g。脱水剩余活性污泥5-20％(w/v)，T.f和T.t的接种量均为2.0-5.0％(v/v)，淋滤液的初始pH以H2SO4调节至4.0-7.0。生物淋滤反应在温度为28-35℃的振荡培养箱中进行，淋滤时间为6-12天。
淋滤前后的污泥分别用浓硝酸和高氯酸消解，通过ICP法检测重金属含量，并且计算重金属去除率。
污泥消化处理的方法：将污泥烘干(105℃)至恒重。取1.0g加入至50ml定氮烧瓶中，加入9.0ml浓HNO3和3.0ml高氯酸，瓶口插入小漏斗，倾斜45度。以加热套加热消煮至沸腾。然后控温维持沸腾。如液面下降过多，补加4.5ml浓HNO3和1.5ml高氯酸，消煮过程中定期振摇，消煮时间6-10小时。消煮终点为上清变澄清，污泥发白成糊状。移开小漏斗，继续加热。以1.0％HNO3清洗定氮烧瓶，使沉淀完全洗脱，滤纸过滤，滤液定容至25ml，再以0.45μm滤膜过滤，取10ml滤液进行ICP检测。
具体实施例
实施例1.
1.处理前污泥重金属含量的测定
污水处理厂的剩余活性污泥，离心得到沉淀部分于105℃烘干后，取1.0g用浓硝酸和高氯酸的混合酸液进行消解，使用1％HNO3清洗烧瓶，把沉淀完全洗脱，用滤纸过滤，滤液定容至25mL，再用0.45μm滤膜过滤，取10mL滤液，用ICP方法检测重金属含量。
2.氧化亚铁硫杆菌T.f的准备
培养基的配制，准备液体部分：(NH4)2SO4 0.6g，KCl 0.02g，K2HPO40.1g，MgSO4·7H2O 0.1g，Ca(NO3)2·4H2O 0.002g，蒸馏水200mL，用H2SO4调节pH至2.0，121℃高压蒸汽灭菌20min；准备固体部分：FeSO4.7H2O 8.8g，紫外灭菌60min。二者混合后，接种5mL T.f菌液。30℃，150rpm振荡培养7天。
3.氧化硫硫杆菌T.t的准备
培养基的配制，准备液体部分：(NH4)2SO4 0.6g，KCl 0.02g，K2HPO40.1g，MgSO4·7H2O 0.1g，Ca(NO3)2·4H2O 0.002g，蒸馏水200mL，用H2SO4调节pH至3.5-4.0，121℃高压蒸汽灭菌20min；准备固体部分：硫粉2g，紫外灭菌60min。二者混合后，接种5mL T.t菌液。30℃，150rpm振荡培养7天。
4.重金属去除---生物淋滤操作
准备500mL三角瓶，内装200mL上述培养基液体部分，向瓶中加入10.0g脱水污泥，10mL T.f菌液和10mLT.t菌液，8.8g FeSO4和2g S。
淋滤液的初始pH用H2SO4调节至4.0。生物淋滤反应在温度为30℃的振荡培养箱中进行，调节转速为150rpm。9天后停止淋滤反应。
5.处理后污泥重金属含量的测定
淋滤后的污泥离心得到沉淀部分，在105℃烘干后，取1.0g用于消解，进行ICP检测重金属含量。
6.实验结果
生物淋滤前后重金属的去除率
实施例2.
1.处理前污泥重金属含量的测定同实施例1
2.氧化亚铁硫杆菌的准备同实施例1
3.氧化硫硫杆菌准备同实施例1
4.重金属去除---生物淋滤操作
准备三角瓶及内装液成份同实例1，向瓶中加入20.0g脱水污泥，4mL T.f菌液和4mL T.t菌液，8.8g FeSO4和2g S。
淋滤液的初始pH用H2SO4调节至5.0。生物淋滤反应在温度为28℃的振荡培养箱中进行，调节转速为150rpm。12天后停止淋滤反应。
5.处理后污泥重金属含量的测定同实施例1
6.实验结果
生物淋滤前后重金属去除率
实施例3.
1.处理前污泥重金属含量的测定同实施例1
2.氧化亚铁硫杆菌的准备同实施例1
3.氧化硫硫杆菌准备同实施例1
4.重金属去除---生物淋滤操作
准备三角瓶及内装液成份同实例1，向瓶中加入40.0g脱水污泥，8mL T.f菌液和8mL T.t菌液，8.8g FeSO4和2g S。
淋滤液的初始pH用H2SO4调节至7.0。生物淋滤反应在温度为35℃的振荡培养箱中进行，调节转速为150rpm。6天后停止淋滤反应。
5.处理后污泥重金属含量的测定同实施例1
6.实验结果
生物淋滤前后重金属去除率
Claims (1)
1.去除剩余活性污泥中Cu、Zn、Cr、Ni、As的一种方法，其特征在于采用生物淋滤法，并同时接种土著氧化亚铁硫杆菌T.f和氧化硫硫杆菌T.t，所述方法包括下列步骤：
1)从待处理剩余活性污泥中分离土著T.f或T.t，具体方法为：采用9K培养基，在30℃，150rpm振荡条件下，将定量待处理剩余活性污泥培养7-10天，得到T.f菌液或T.t菌液；
2)采用稀释梯度培养法对土著T.f进行菌种纯化；采用固体平板划线培养法对土著T.t进行菌种纯化；
3)将上述已纯化的T.f菌液或T.t菌液转移至新鲜9K培养基中富集培养，分别得到T.f或T.t单菌的富集培养液；
4)将上述纯化并富集好的T.f和T.t培养液按各2.0-5.0％(v/v)的接种量同时接种于含有5.0-20.0％(w/v)脱水污泥的淋滤体系中，淋滤体系初始pH 4-7；在28-35℃、80-150rpm条件下振荡培养6-12天，即完成淋滤过程；所述9K培养基基本配方为：(NH4)2SO4 3.00g，K2HPO4 0.5g，MgSO4·7H2O 0.50g，KCl 0.10g，Ca(NO3)2·4H2O 0.01g，蒸馏水1000ml；使用时，根据所培养菌种不同，再加入FeSO4·7H2O 44.0g或单质硫S 10.0g作为能源物质；即培养T.f时，加入FeSO4·7H2O，培养T.t时加入单质硫S；同时接种T.f和T.t时，二者都加；
5)淋滤前后的污泥采用电感耦合等离子体发射光谱(ICP)法进行Cu、Zn、Cr、Ni、As的含量检测。
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