CN105754915A - 一种去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂及使用方法，属于废水处理领域。为了克服现有技术中的不足，本发明所述的微生物菌剂包括多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物，其中所述的多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物的制备方法为二段发酵法，其与羧甲基壳聚糖、低亚硫酸钠组合后在去除重金属离子方面具有显著的协同效果，其安全无毒、无二次污染，适合在工业废水处理中推广应用。

Description

一种去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂及使用方法
技术领域
本发明涉及一种去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂及其使用方法，属于废水处理领域。
背景技术
重金属废水的常规处理方法主要包括：化学沉淀法、离子交换法、蒸发浓缩法、电解法、活性炭和硅胶吸附法和膜分离法等，但这些方法存在去除不彻底、费用昂贵、产生有毒污泥或其他废料等缺点。因此，人们一直致力于研究与开发高效环保型的重金属废水处理技术和工艺。微生物处理法是利用细菌、真菌(酵母)、藻类等生物材料及其生命代谢活动去除和(或)积累废水中的重金属，并通过一定的方法使金属离子从微生物体内释放出来，从而降低废水中重金属离子的浓度。近年来，国际上在微生物处理重金属废水的研究中取得了较多成果，该技术在投资、运行、操作管理和金属回收、废水回用等方面优越于传统的治理方法，展现出广阔的应用前景。
现代生物学研究显示，微生物能够对重金属离子实现有效的处理，主要是归结于微生物对重金属离子的吸附作用和沉淀作用。微生物的吸附作用是指利用某些微生物本身的化学成分和结构特性来吸附废水中的重金属离子，通过固液两相分离达到去除废水中的重金属离子的目的。生物吸附剂为自然界中丰富的生物资源，如藻类、地衣、真菌和细菌等。微生物结构的复杂性以及同一微生物和不同金属间亲和力的差别决定了微生物吸附金属的机理非常复杂，至今尚未得到统一认识。根据被吸附重金属离子在微生物细胞中的分布，一般将微生物对金属离子的吸附分为胞外吸附、细胞表面吸附和胞内吸附。
微生物对重金属离子的沉淀作用，一般认为是由于微生物对金属离子的异化还原作用或是由于微生物自身新陈代谢的结果。一方面，一些微生物可分泌特异的氧化还原酶，催化一些变价金属元素发生氧化还原反应，或者其代谢产物或细胞自身的某些还原物直接将毒性强的氧化态的金属离子还原为无毒性或低毒性的离子；另一方面，一些微生物的代谢产物(硫离子、磷酸根离子)与金属离子发生沉淀反应，使有毒有害的金属元素转化为无毒或低毒金属沉淀物。
专利申请201610030346.5公开了一种重金属工业废水吸附材料及其制备方法，其由以下成分以重量份制备而成：交联累托石4-6份、高岭石3-7份、石墨烯纳米层/MnO2复合物5-10份、壳聚糖-石墨烯复合材料6-12份、低亚硫酸钠2-5份、硫酸铝1-3份、羧甲基壳聚糖1-2份、脱乙酰甲壳素1-2份、氯化铁5-10份、氨水5-10份、磷脂酰肌醇1-2份、对羟基苯甲酸甲酯2-4份、双乙酸钠0.2-0.6份、过氧化氢0.4-0.8份、过氧醋酸0.1-0.6份、月桂醇硫酸钠1-2份、氢氧化钠80-100份、乙二醇10-20份、乙醇80-100份、低亚硫酸钠0.1-0.2份、盐酸70-100份、去离子水100-200份。其取得了较为显著的去除重金属离子的效果，但其中含有的成分对后续的活性污泥造成较大的损害作用，且其中的成分的环境污染较大，容易造成二次污染。
发明内容
本发明针对现有技术中去除重金属离子方法的缺点，提供了一种能够去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂及其处理方法，该微生物菌剂包括由生物发酵制备得到，并协助以天然高分子化合物作为补充，两类物质在去除重金属离子方面具有一定的协同效果，其对重金属的去除效率高，且安全无毒、无二次污染的特点。
本发明通过下述技术方案解决上述技术问题：
一种去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂，包括多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物。其中多粘类芽胞杆菌(Paenibacilluspolymyxa)购自中国工业微生物菌种保藏中心，其菌种保藏编号为CICC10010；布氏假单胞菌(Pseudomonasbrenneri)购自美国标准生物品收藏中心，其菌种保藏编号为ATCC49642。
其中多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物的制备方法为二段发酵法，具体包括如下步骤：发酵培养基灭菌后，接入10％的布氏假单胞菌种子发酵液，控制发酵温度为30-32℃、通气量为1.5-1.7m3/h条件下培养40-44h，此时接入10％的多粘类芽胞杆菌种子发酵液，控制发酵温度为26-29℃、通气量为1.8-2.2m3/h条件下培养26-30h，即得。
上述多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物的发酵过程中所使用的发酵培养基(g/L)为：葡萄糖10g，K2HPO42g，KH2PO42g，MgSO4·7H2O0.2g，CaCl20.1g，尿素0.5g，酵母膏0.5g，pH7.2-7.5，120℃灭菌30min。
本发明发酵过程中，所述的布氏假单胞菌和多粘类芽胞杆菌在接入发酵培养基时均处于对数生长期。其中所述的布氏假单胞菌的种子培养基的配方为：蛋白胨5.0g，牛肉浸取物3.0g，NaCl5.0g，琼脂15.0g，蒸馏水1.0L，pH7.0-7.2，其培养条件为培养温度为26-28℃，摇床转速150-180r/min。所述的多粘类芽胞杆菌的种子培养基为成分(g/L)：牛肉膏10.0g，蛋白胨10.0g，葡萄糖10.0g，NaCl5.0g，蒸馏水1.0L，pH7.0-7.2，其培养条件为培养温度为27-29℃，摇床转速120-140r/min。
作为本发明所优选的一种实施方式，上述所述的去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂，其包括蛋白质、糖类以及多种特异的氧化还原酶，其与一般的天然高分子化合物作用机制并不相同，故一般在处理重金属废水时并没有加成效果，但申请人通过多种实验发现，当上述微生物菌剂与羧甲基壳聚糖以及低亚硫酸钠联合使用时，其在去除重金属离子方面具有明显的协同作用，基于此，作为本发明所优选的一种实施方式，所述的微生物菌剂中还包括羧甲基壳聚糖以及低亚硫酸钠，优选地，所述的微生物菌剂包括以下重量份的原料：多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物30-40份、羧甲基壳聚糖50-95份、低亚硫酸钠3-6份。更优选的，多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物35份、羧甲基壳聚糖75份、低亚硫酸钠5份。
本发明还提供一种上述去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂的制备方法，其包括如下步骤：将羧甲基壳聚糖和低亚硫酸钠加入到多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物中即得。
本发明还提供一种上述去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂的使用方法，所述的微生物菌剂用于废水处理时微生物菌剂的投入量为180-210mL/L，优选的，投入量为200mL/L。
本发明所述的去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂用于废水处理时与现有技术相比具有以下技术优势：
1)本发明所述的去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂为天然的属于天然生物高分子，结构较复杂。从化学组成上看，主要是微生物代谢过程中产生的各种多聚糖类、蛋白质或是有糖类和蛋白质形成的高分子化合物，其用于絮凝工艺是不仅絮凝效果好，而且绿色环保，推广应用价值高。
2)本发明微生物菌剂产生的去除重金属离子的效果显著，所述的复合型微生物微生物菌剂中的多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物在絮凝工艺中与羧甲基壳聚糖以及低亚硫酸钠产生了显著的协同作用，絮凝效果更佳优异。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
实施例1本发明所述的去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂及其使用方法
一种去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂，包括多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物。其中多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物的制备方法为二段发酵法，具体包括如下步骤：发酵培养基灭菌后，接入10％的布氏假单胞菌种子发酵液，控制发酵温度为30℃、通气量为1.5m3/h条件下培养40h，此时接入10％的多粘类芽胞杆菌种子发酵液，控制发酵温度为26℃、通气量为1.8m3/h条件下培养26h，即得。
所使用的发酵培养基(g/L)为：葡萄糖10g，K2HPO42g，KH2PO42g，MgSO4·7H2O0.2g，CaCl20.1g，尿素0.5g，酵母膏0.5g，pH7.2-7.5，120℃灭菌30min。所述的布氏假单胞菌的种子培养基的配方为：葡萄糖1％、酵母粉1％，pH7.0，其培养条件为培养温度为26℃，摇床转速150r/min。所述的多粘类芽胞杆菌的种子培养基为成分(g/L)：蛋白胨10.0g，葡萄糖40.0g，pH7.0，其培养条件为培养温度为27℃，摇床转速120r/min。
用于废水处理时微生物菌剂的投入量为180mL/L。
实施例2本发明所述的去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂及其使用方法
一种去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂，包括多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物。其中多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物的制备方法为二段发酵法，具体包括如下步骤：发酵培养基灭菌后，接入10％的布氏假单胞菌种子发酵液，控制发酵温度为32℃、通气量为1.7m3/h条件下培养44h，此时接入10％的多粘类芽胞杆菌种子发酵液，控制发酵温度为29℃、通气量为2.2m3/h条件下培养30h，即得。
所使用的发酵培养基配方、布氏假单胞菌的种子培养基的配方以及多粘类芽胞杆菌的种子培养基配方和培养条件同实施例1。
用于废水处理时微生物菌剂的投入量为210mL/L。
实施例3本发明所述的去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂及其使用方法
一种去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂，包括多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物。其中多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物的制备方法为二段发酵法，具体包括如下步骤：发酵培养基灭菌后，接入10％的布氏假单胞菌种子发酵液，控制发酵温度为32℃、通气量为1.6m3/h条件下培养42h，此时接入10％的多粘类芽胞杆菌种子发酵液，控制发酵温度为28℃、通气量为2.0m3/h条件下培养26-30h，即得。
所使用的发酵培养基配方、布氏假单胞菌的种子培养基的配方以及多粘类芽胞杆菌的种子培养基配方同实施例1。所述的布氏假单胞菌培养条件为培养温度为27℃，摇床转速170r/min。所述的多粘类芽胞杆菌的培养条件为培养温度为28℃，摇床转速130r/min。
用于废水处理时微生物菌剂的投入量为190mL/L。
实施例4本发明所述的去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂及其使用方法
一种去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂，包括多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物。其中多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物的制备方法为二段发酵法，具体包括如下步骤：发酵培养基灭菌后，接入10％的布氏假单胞菌种子发酵液，控制发酵温度为32℃、通气量为1.7m3/h条件下培养44h，此时接入10％的多粘类芽胞杆菌种子发酵液，控制发酵温度为29℃、通气量为2.2m3/h条件下培养26h，即得。
所使用的发酵培养基配方、布氏假单胞菌的种子培养基的配方以及多粘类芽胞杆菌的种子培养基配方同实施例1。所述的布氏假单胞菌培养条件为培养温度为27℃，摇床转速170r/min。所述的多粘类芽胞杆菌的培养条件为培养温度为28℃，摇床转速130r/min。
用于废水处理时微生物菌剂的投入量为195mL/L。
实施例5本发明所述的去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂及其使用方法
一种去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂，包括多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物。其中多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物的制备方法为二段发酵法，具体包括如下步骤：发酵培养基灭菌后，接入10％的布氏假单胞菌种子发酵液，控制发酵温度为30-32℃、通气量为1.5-1.7m3/h条件下培养40-44h，此时接入10％的多粘类芽胞杆菌种子发酵液，控制发酵温度为26-29℃、通气量为1.8-2.2m3/h条件下培养26-30h，即得。
所使用的发酵培养基配方、布氏假单胞菌的种子培养基的配方以及多粘类芽胞杆菌的种子培养基配方同实施例1。所述的布氏假单胞菌培养条件为培养温度为28℃，摇床转速180r/min。所述的多粘类芽胞杆菌的培养条件为培养温度为26℃，摇床转速140r/min。
用于废水处理时微生物菌剂的投入量为205mL/L。
实施例6本发明所述的去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂及其使用方法
一种去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂，包括以下重量份的原料：多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物30份、羧甲基壳聚糖50份、低亚硫酸钠3份。其中多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物按照实施例1所述的工艺制备得到。去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂的制备方法，其包括如下步骤：将羧甲基壳聚糖和低亚硫酸钠加入到多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物中即得。
实施例7本发明所述的去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂及其使用方法
一种去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂，包括以下重量份的原料：多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物40份、羧甲基壳聚糖95份、低亚硫酸钠6份。其中多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物按照实施例2所述的工艺制备得到。去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂的制备方法，其包括如下步骤：将羧甲基壳聚糖和低亚硫酸钠加入到多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物中即得。
实施例8本发明所述的去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂及其使用方法
一种去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂，包括以下重量份的原料：多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物35份、羧甲基壳聚糖75份、低亚硫酸钠5份。其中多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物按照实施例3所述的工艺制备得到。去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂的制备方法，其包括如下步骤：将羧甲基壳聚糖和低亚硫酸钠加入到多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物中即得。
实施例9本发明所述的去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂及其使用方法
一种去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂，包括以下重量份的原料：多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物34份、羧甲基壳聚糖85份、低亚硫酸钠5份。其中多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物按照实施例4所述的工艺制备得到。去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂的制备方法，其包括如下步骤：将羧甲基壳聚糖和低亚硫酸钠加入到多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物中即得。
实施例10本发明所述的去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂及其使用方法
一种去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂，包括以下重量份的原料：多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物38份、羧甲基壳聚糖68份、低亚硫酸钠4份。其中多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物按照实施例5所述的工艺制备得到。去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂的制备方法，其包括如下步骤：将羧甲基壳聚糖和低亚硫酸钠加入到多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物中即得。
实施例6本发明微生物菌剂的去除重金属离子的实验结果测定
测定实施例1-10的微生物菌剂对重金属工业废水的处理效果，设定对比实施例1和对比实施例2，其中对比实施例1为羧甲基壳聚糖，投入量为120g/L；对比实施例2为低亚硫酸钠，投入量为20g/L，实施例1-实施例10的微生物菌剂的投入量为200mL/L，各组对重金属工业废水中重金属离子的处理结果如表1所示。
表1实施例1-10对重金属工业废水中重金属离子的处理结果
产品名称 Cu2+去除率(％) Pb2+去除率(％) Cd2+去除率(％) 脱色率(％)
实施例1 91.1 98.1 90.8 93.1
实施例2 91.3 98.4 90.9 93.2
实施例3 91.5 98.7 91.9 93.2
实施例4 91.7 98.3 90.2 93.5
实施例5 91.2 98.4 91.4 93.7
实施例6 94.1 98.7 93.5 96.8
实施例7 95.3 98.6 94.6 97.1
实施例8 96.8 99.2 95.6 98.2
实施例9 95.9 98.7 94.1 97.2
实施例10 96.2 98.9 93.8 96.3
对比实施例1 2.1 1.2 0.6 1.3
对比实施例2 0.2 0.5 1.3 1.1
表1可知，实施例1-5对各金属离子的去除率都很高，而对比实施例1和对比实施例2单独使用时对重金属离子去除效果甚微，而当其添加到本发明所述的重金属离子的微生物菌剂中时可以大幅度提高微生物菌剂的重金属离子去除效果，三者混合使用时具有显著的协同作用。其中实施例8的去除效果最佳。

Claims (10)

1.一种去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂，其特征在于，所述的微生物菌剂包括多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物，其中所述的多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物的制备方法为二段发酵法，具体包括如下步骤：发酵培养基灭菌后，接入10％的布氏假单胞菌种子发酵液，控制发酵温度为30-32℃、通气量为1.5-1.7m3/h条件下培养40-44h，此时接入10％的多粘类芽胞杆菌种子发酵液，控制发酵温度为26-29℃、通气量为1.8-2.2m3/h条件下培养26-30h，即得。
2.如权利要求1所述的去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂，其特征在于，所述的多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物的制备方法中1L发酵培养基的组分为葡萄糖10g，K2HPO42g，KH2PO42g，MgSO4·7H2O0.2g，CaCl20.1g，尿素0.5g，酵母膏0.5g，pH7.2-7.5，120℃灭菌30min。
3.如权利要求1或2所述的去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂，其特征在于，所述的布氏假单胞菌和多粘类芽胞杆菌在接入发酵培养基时均处于对数生长期。
4.如权利要求1-3所述的去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂，其特征在于，所述的布氏假单胞菌的种子培养基的配方为：蛋白胨5.0g，牛肉浸取物3.0g，NaCl5.0g，琼脂15.0g，蒸馏水1.0L，pH7.0-7.2，其培养条件为培养温度为26-28℃，摇床转速150-180r/min。
5.如权利要求1-3所述的去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂，其特征在于，所述的多粘类芽胞杆菌的1L种子培养基成分为：牛肉膏10.0g，蛋白胨10.0g，葡萄糖10.0g，NaCl5.0g，蒸馏水1.0L，pH7.0-7.2，其培养条件为培养温度为27-29℃，摇床转速120-140r/min。
6.如权利要求1所述的去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂，其特征在于，所述的微生物菌剂包括以下重量份的原料：多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物30-40份、羧甲基壳聚糖50-95份、低亚硫酸钠3-6份。
7.如权利要求1或2所述的去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂，其特征在于其包括以下重量份的原料：多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物35份、羧甲基壳聚糖75份、低亚硫酸钠5份。
8.一种制备权利要求1-7所述去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂的方法，其包括将羧甲基壳聚糖和低亚硫酸钠加入到多粘类芽胞杆菌和布氏假单胞菌的共发酵物中即得。
9.一种权利要求1-8所述去除工业废水中重金属离子的微生物菌剂的使用方法，其特征在于，所述的微生物菌剂用于废水处理时微生物菌剂的投入量为180-210mL/L。
10.如权利要求9所述的微生物菌剂的使用方法，其特征在于，所述的微生物菌剂用于废水处理时微生物菌剂的投入量为200mL/L。
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