CN107312933A - 一种从低浓度重钇稀土废水中回收稀土的生物方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种从低浓度重钇稀土废水中回收稀土的生物方法，属于生物技术领域。该方法用牛肉膏蛋白胨液体培养基培养粘质沙雷氏菌并收获菌体，然后向初始浓度为10～200mg/L稀土溶液中加入粘质沙雷氏菌，在pH4～5.5，温度为20～40℃，转速50～400r/min条件下恒温振荡，再将吸附液在4℃、8000×g条件下离心，收获吸附稀土离子的菌体；用EDTA络合滴定法测定上清液稀土离子浓度，计算稀土离子吸附量；最后，将已知稀土离子吸附量菌体加入至解吸剂中，恒温振荡解吸，将解吸液在4℃、8000×g条件下离心收获菌体；用EDTA络合滴定法测定上清液稀土离子浓度，计算出稀土离子解吸率。该方法能够消除稀土离子对环境危害，从低浓度废水中回收稀土资源，工艺简单易行，操作成本低，对环境友好。

Description

一种从低浓度重钇稀土废水中回收稀土的生物方法
技术领域
本发明涉及生物技术领域，特别是指一种从低浓度重钇稀土废水中回收稀土的生物方法。
背景技术
离子型稀土矿是我国特有的稀土矿种，稀土组成齐全，富含中、重稀土元素，以重稀土为主。离子型稀土开采过程中，企业为了提高资源回收率，通常使用高浓度浸出剂硫酸铵，浸出结束后矿床中残留的硫酸铵在渗滤和迁移过程中会将矿床中残留稀土和下游矿体中的稀土浸出，导致地下水和下游溪流水中含有1～200mg/L稀土离子。
离子型稀土生产企业排放废水中含有的稀土子随地下水迁移至下游区域，导致矿区和下游土壤中稀土元素含量远高于其它地区。高浓度稀土会破坏植物细胞膜性质和结构，影响植物抗氧化系统，扰乱植物对矿质营养元素正常吸收和利用，诱使植物细胞出现发育不良、染色体畸变等问题；而且对土壤中动物具有生理毒性。
矿区土壤中稀土超标导致农作物、蔬菜和水果中稀土含量远高于其它地区。由于稀土元素不可生物降解，稀土会随食物链进入人体内并累积，导致矿区人体内稀土超标。一些研究已经表明赣南稀土矿区的儿童智力比对照地区低，稀土冶炼作业影响女性生育能力，长期摄入稀土不但能降低人体免疫功能，而且会加重肝和肾生理负担。低浓度稀土废水直接排放不仅造成了稀土资源浪费，而且污染了矿区环境，对矿区及下游人群的健康有潜在危害。
目前离子型稀土冶炼废水中的稀土离子去除和回收还未引起重视，不仅对稀土矿区环境和人体有严重危害，而且也造成了稀土资源浪费。传统的水处理方法有化学沉淀法、化学氧化还原法、活性炭吸附法、离子交换法、溶剂萃取法、膜分离法、电化学处理和蒸发法等。这些方法都有各自的适用条件，但都存在一些问题，如离子交换和膜处理成本高而且操作复杂、化学沉淀容易产生二次污染、电化学处理和蒸发法成本高等缺点，而且这些方法的最突出缺点是难处理低浓度(<100mg/L)重金属废水。
微生物吸附法相比传统水处理方法具有比表面积大、操作成本低、吸附和解吸速率快、选择性高、对稀溶液处理效果好、生物吸附剂可再生、环境友好等优点，已经广泛应用于重金属离子废水处理。从上世纪90年代开始，国内外研究者开展了许多微生物吸附稀土离子相关研究。
国内从2000年开始有研究者进行稀土离子生物吸附研究，但是目前研究者大多是研究实验室现有的对稀土离子具有吸附能力的微生物对稀土离子的吸附。通常，稀土矿区存在一些对稀土离子耐受和吸附能力强的微生物，但是目前鲜有从离子型稀土矿区筛选出微生物对稀土离子的吸附的研究。
发明内容
本发明针对目前缺乏经济有效方法从低浓度稀土废水中回收稀土资源的问题，提供一种从低浓度重钇稀土废水中回收稀土的生物方法。
该方法包括如下步骤：
(1)用牛肉膏蛋白胨液体培养基培养粘质沙雷氏菌2～4天，收取生长平衡期的菌液，在4℃、5000～8 000×g条件下离心10～30min，收获菌体；
(2)向初始浓度为10～200mg/L的稀土溶液中加入粘质沙雷氏菌，在pH值4～5.5，温度为20～40℃，转速50～400r/min条件下恒温振荡，得到吸附液；
(3)将步骤(2)所得吸附液在4℃、5000～8 000×g条件下离心20min，收获吸附稀土离子的菌体，余下的为上清液一；
(4)测定步骤(3)所得的上清液一的体积，用EDTA络合滴定法测定上清液一稀土离子浓度，计算稀土离子吸附量；
(5)将已知稀土离子吸附量的菌体加入解吸剂中，在pH值1～5、转速50～200r/min条件下恒温振荡解吸10～120min；
(6)将步骤(5)解吸后的解吸液在4℃、5000～8 000×g条件下离心20min，收获菌体，余下的为上清液二；
(7)测定步骤(6)中所得上清液二的体积，用EDTA络合滴定法测定上清液二稀土离子浓度，计算稀土离子解吸率。
其中，步骤(1)中所用的粘质沙雷氏菌是从赣南典型重钇稀土矿区废水中分离得到的。
步骤(2)中稀土溶液为浓度小于200mg/L的重钇稀土浸出液、浸出废水、冶炼废水等含低浓度重钇稀土离子的溶液中的一种或多种。
步骤(5)中的解吸剂为盐酸、硝酸、EDTA、柠檬酸钠等中的一种或几种。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明方法利用从赣南典型重钇稀土矿山废水中分离出的对重钇稀土离子具有良好吸附能力的粘质沙雷氏菌从重钇稀土废水中吸附稀土离子，然后采用合适的解吸剂将稀土离子解吸，在消除稀土离子对环境危害的同时从废水中回收稀土资源。利用对重钇稀土离子吸附能力强的粘质沙雷氏菌为生物吸附剂，通过从低浓度重钇稀土废水中吸附-解吸回收稀土资源的方法，不但可以消除稀土离子对环境危害，而且可以从低浓度废水中回收稀土资源，工艺简单易行，操作成本低，对环境友好。
附图说明
图1为本发明实施例1中不同pH条件下粘质沙雷氏菌的吸附量；
图2为本发明实施例2中不同吸附时间下粘质沙雷氏菌的吸附量；
图3为本发明实施例3中不同初始稀土离子浓度条件下粘质沙雷氏菌对重钇稀土离子的吸附量；
图4为本发明从低浓度重钇稀土废水中回收稀土的生物方法的工艺路线图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对目前缺乏经济有效方法从低浓度稀土废水中回收稀土资源等问题，提供一种从低浓度重钇稀土废水中回收稀土的生物方法。
如图4所示，为该方法的技术路线图，该方法首先培养粘质沙雷氏菌，再离心收获菌体，然后用粘质沙雷氏菌吸附重钇稀土离子，进一步离心收获粘质沙雷氏菌，最后进行重钇稀土离子解吸。
下面结合具体实施例予以说明。
实施例1
(1)向含有250mL初始浓度为0.104g/L稀土溶液的500mL三角瓶中，分别加入约0.25g粘质沙雷氏菌(湿重)，调整吸附液pH分别为4.0、4.5、5.0、5.5、6.0，在30℃、转速为200r/min的恒温水浴摇床中吸附1h。
(2)将吸附液在4℃,8 000×g条件下离心20min，收获吸附稀土离子的菌体。
(3)测定上述步骤离心所得上清液体积，用EDTA络合滴定法测定上清液稀土离子浓度，计算出稀土离子解吸量，不同pH条件下粘质沙雷氏菌的吸附量如图1所示。
从图1可以看出，在研究的pH范围内，粘质沙雷氏菌对重钇稀土离子吸附量随pH增大而快速增大。pH从4.0增大至5.5，粘质沙雷氏菌对重钇稀土离子的吸附量从39.1mg/g增大至253.2mg/g。实验中发现当pH大于5.5时，溶液中重钇稀土离子由于形成稀土氢氧化物沉淀而浑浊，在吸附试验中很难区分稀土氢氧化物沉淀和粘质沙雷氏菌对重钇稀土离子的吸附对溶液中稀土离子去除的贡献。因此，粘质沙雷氏菌吸附重钇稀土离子最适pH为5.5。
实施例2
(1)向含有250mL初始浓度为0.103g/L重钇稀土溶液的500mL三角瓶中，分别加入约0.25g粘质沙雷氏菌(湿重)，调整吸附液pH为5.5，在30℃、转速为200r/min的恒温水浴摇床中吸附5、15、20、40、60、120分钟。
(2)将吸附液在4℃,8 000×g条件下离心20min，收获吸附稀土离子的菌体。
(3)测定上述步骤离心所得上清液体积，用EDTA络合滴定法测定上清液稀土离子浓度，计算出稀土离子解吸量，不同吸附时间下粘质沙雷氏菌的吸附量如图2所示。
从图2可以看出，粘质沙雷氏菌对重钇稀土离子吸附量随吸附时间增加而增大。当吸附时间小于60分钟，吸附量随着吸附时间增加快速增大，粘质沙雷氏菌对重钇稀土离子吸附量从5分钟的84.4mg/g增大至60分钟的203.7mg/g；当吸附时间大于60分钟，吸附量增大速率显著减小，吸附时间从60分钟增大至120分钟，吸附量仅增加了24.1mg/g，因此最适吸附时间是120分钟。
实施例3
(1)向含有250mL不同初始浓度重钇稀土离子溶液的500mL三角瓶中，分别加入约0.25g的粘质沙雷氏菌(湿重)，调整吸附液pH为5.5，在30℃、转速为200r/min的恒温水浴摇床中吸附1h。
(2)将吸附液在4℃,8 000×g条件下离心20min，收获吸附稀土离子的菌体。
(3)测定上述步骤离心所得上清液体积，用EDTA络合滴定法测定上清液稀土离子浓度，计算出稀土离子解吸量，不同初始稀土离子浓度条件下粘质沙雷氏菌对重钇稀土离子的吸附量如图3所示。
从图3可以看出，粘质沙雷氏菌对稀土离子吸附量随重钇稀土离子初始浓度增大而增大。当稀土离子浓度从52.4mg/L增大至250mg/L，粘质沙雷氏菌对稀土离子吸附量从13.06mg/g增大至112mg/g。当稀土离子浓度大于52.4mg/L，粘质沙雷氏菌对稀土离子吸附量随稀土离子浓度增大速率显著降低。
实施例4
(1)称取吸附量为220mg/g(干重)的粘质沙雷氏菌体100mg，加入到含有200毫升1.5mol/L pH为1.5的EDTA溶液的500毫升三角瓶中，在室温、搅拌转速为200r/min条件下解吸1小时。
(2)解吸液用冷冻离心机在4℃、离心力为8000g条件下离心20分钟，收获上清液，测定上清液体积和稀土离子浓度。
(3)通过计算可知稀土离子的解吸率为88.6％。
实施例5
(1)称取吸附量为220mg/g(干重)的粘质沙雷氏菌体100mg，加入到含有200毫升0.5mol/L HCl的500毫升三角瓶中，在室温、搅拌转速为200r/min条件下解吸60min。
(2)解吸液用冷冻离心机在4℃、离心力为8000g条件下离心20分钟，收获上清液，测定上清液体积和稀土离子浓度。
(3)通过计算可知稀土离子的解吸率为91.2％。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种从低浓度重钇稀土废水中回收稀土的生物方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)用牛肉膏蛋白胨液体培养基培养粘质沙雷氏菌2～4天，收取生长平衡期的菌液，在4℃、5000～8 000×g条件下离心10～30min，收获菌体；
(2)向初始浓度为10～200mg/L的稀土溶液中加入粘质沙雷氏菌，在pH值4～5.5，温度为20～40℃，转速50～400r/min条件下恒温振荡，得到吸附液；
(3)将步骤(2)所得吸附液在4℃、5000～8 000×g条件下离心20min，收获吸附稀土离子的菌体，余下的为上清液一；
(4)测定步骤(3)所得的上清液一的体积，用EDTA络合滴定法测定上清液一稀土离子浓度，计算稀土离子吸附量；
(5)将已知稀土离子吸附量的菌体加入解吸剂中，在pH值1～5、转速50～200r/min条件下恒温振荡解吸10～120min；
(6)将步骤(5)解吸后的解吸液在4℃、5000～8 000×g条件下离心20min，收获菌体，余下的为上清液二；
(7)测定步骤(6)中所得上清液二的体积，用EDTA络合滴定法测定上清液二稀土离子浓度，计算稀土离子解吸率。
2.根据权利要求1所述的从低浓度重钇稀土废水中回收稀土的生物方法，其特征在于：所述步骤(1)中所用的粘质沙雷氏菌是从赣南典型重钇稀土矿区废水中分离得到的。
3.根据权利要求1所述的从低浓度重钇稀土废水中回收稀土的生物方法，其特征在于：所述步骤(2)中稀土溶液为浓度小于200mg/L的重钇稀土浸出液、浸出废水、冶炼废水中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的从低浓度重钇稀土废水中回收稀土的生物方法，其特征在于：所述步骤(5)中的解吸剂为盐酸、硝酸、EDTA、柠檬酸钠中的一种或几种。
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