CN108623017B - 硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石处理煤矿废水的方法 - Google Patents

硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石处理煤矿废水的方法 Download PDF

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Abstract

一种硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石处理煤矿废水的方法，属于废水处理领域。该方法为：将自燃煤矸石样品筛分，得到粒径为0.074～0.600mm的自燃煤矸石粉，干燥；以污水的底泥作为活性污泥，在厌氧环境下，用Postgate培养基，经富集培养，得到对数生长期的SRB菌种，离心，得到SRB菌悬液；将自燃煤矸石粉和SRB菌悬液加入到不含Fe2+的Postgate培养基中，液封，于30～35℃的恒温振荡培养箱培养5～7天，得到硫酸盐还原菌与自燃煤矸石样品，在30～35℃下，将其投入煤矿废水中，进行废水处理。该方法利用微生物协同自燃煤矸石处理煤矿废水，既可减少煤矿废水对环境的污染，又可解决煤矸石的堆放问题，有良好的应用前景。

Description

硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石处理煤矿废水的方法
技术领域
本发明涉及废水处理领域，具体涉及一种硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石处理煤矿废水的方法。
背景技术
煤矿废水是由于矿物开采过程中硫和重金属元素在长期雨水淋溶作用下形成的，高酸性和富含重金属的煤矿废水未经处理直接排放，会严重污染矿区的水体和土壤。煤矿废水的污染是一个全球性问题，目前，国内外治理煤矿废水的方法主要包括化学法、人工湿地法和微生物法等。其中，化学法包括中和法、离子交换法、膜分离法等；人工湿地法是利用人工介质、土壤、植物和微生物的联合作用下，通过截留、络合和降解等作用去除废水中的污染物。化学法存在操作要求高、一次投资费用较高、去除率低等问题；人工湿地法存在占地面积大、易受环境影响等缺点。
自燃煤矸石是煤炭开采和洗煤过程中主要固体废弃物，占煤炭开采量的10％～20％，利用自燃煤矸石作为吸附材料处理煤矿废水可有效促进煤矸石的利用。目前，采用自燃煤矸石处理煤矿废水的主要研究方向为对自燃煤矸石进行改性后用作吸附剂，利用酸、碱等化学试剂对自燃煤矸石进行改性，进而依靠结构通道、较高的比表面积和表面荷电性吸附污染物。改性后的自燃煤矸石处理煤矿废水具有原料获取方便，处理成本低等优点；但由于自燃煤矸石孔隙有限，会存在吸附饱和的问题，同时煤矸石直接吸附废水中离子会造成二次污染。针对上述问题，采用微生物协同自燃煤矸石协同处理煤矿废水。
微生物法以硫酸盐还原菌(Sulfate-reducingbacteria，简称SRB)处理废水为代表，硫酸盐还原菌可将SO4 2-等硫氧化物异化还原成H2S，废水中金属离子可与S2-反应生成固体硫化物，有效去除废水中的SO4 2-和金属离子。国内外相关研究表明硫酸盐还原菌可与其他材料结合或协同作用处理煤矿废水，均获得较好的效果，现已逐渐成为研究的热点。
发明内容
针对化学法和人工湿地法的不足，本发明的目的在于提供一种硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石处理煤矿废水的方法，尤其是处理含Fe2+、Mn2+和SO4 2-的煤矿废水的静态实验方法。本发明利用微生物协同自燃煤矸石处理煤矿废水，既可减少煤矿废水对环境的污染，又可解决煤矸石的堆放问题，有良好的应用前景。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石处理煤矿废水的方法，包括如下步骤：
步骤1：自燃煤矸石粉的制备
将自燃煤矸石样品筛分，得到粒径为0.074～0.600mm的自燃煤矸石粉，用蒸馏水洗涤，烘干，得到干燥的自燃煤矸石粉，备用；
步骤2：硫酸盐还原菌的制备
以污水的底泥作为活性污泥，在厌氧环境下，利用Postgate培养基，经富集培养，培养基变黑，得到对数生长期的SRB菌种；
将SRB菌种，进行离心，得到离心后的SRB菌悬液；
步骤3：硫酸盐还原菌与煤矸石协同样品的制备
将干燥的自燃煤矸石粉和离心后的SRB菌悬液加入到不含Fe2+的Postgate培养基中，添加液体石蜡进行液封，得到液封后的培养基；其中，干燥的自燃煤矸石粉：离心后的SRB菌悬液：不含Fe2+的Postgate培养基＝(1～3)g：(0.5～1.5)mL：10mL；
将液封后的培养基，置于30～35℃的恒温振荡培养箱中，培养5～7天，得到硫酸盐还原菌与自燃煤矸石样品；
步骤4：煤矿废水的处理
在30～35℃下，将硫酸盐还原菌与自燃煤矸石样品投入煤矿废水中，进行废水处理，得到去除Fe2+、Mn2+和SO4 2-的废水；其中，处理过程中，振荡时间为30～240min，投加量为每100mL煤矿废水加入硫酸盐还原菌与自燃煤矸石样品为2～10g，煤矿废水pH值为2～6，振荡频率为0～200r/min，硫酸盐还原菌与自燃煤矸石样品粒径为0.074～0.600mm。
所述的步骤1中，用蒸馏水洗涤3次及以上。
所述的步骤1中，烘干，烘干温度为50～70℃，烘干时间为4～6h。
所述的步骤1中，所述的自燃煤矸石粉的粒径分别为0.600～0.450mm、0.450～0.300mm、0.300～0.200mm、0.200～0.125mm、0.125～0.074mm中的一种。
所述的步骤3中，所述的恒温振荡培养箱的振荡频率为100～150r/min。
所述的步骤4中，所述的振荡时间优选为170～190min。
所述的的步骤4中，所述的投加量优选为每100mL煤矿废水加入硫酸盐还原菌与自燃煤矸石样品为3～5g。
所述的步骤4中，所述的振荡频率优选为140～160r/min。
所述的步骤4中，所述的硫酸盐还原菌与自燃煤矸石样品粒径优选为0.200～0.125mm。
采用本发明的硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石处理煤矿废水的方法，可以去除Fe2+、Mn2+和SO4 2-，其中，Fe2+去除率为70.94％～84.38％，Mn2+去除率为65.48％～83.33％，SO4 2-去除率为65.40％～77.58％，同时处理后，煤矿废水的pH值为6.37～7.51。
本发明的硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石处理煤矿废水的方法中，SRB协同煤矸石处理煤矿废水是一个复杂的过程，包括溶解-释放、吸附-解析以及微生物作用以及离子共存等过程。煤矸石中的无机盐和重金属离子会在溶液中发生溶解释放，大量的Fe2+、Mn2+和SO4 2-会随释放过程迁移进入水体。在浸泡初期(0～1d)，煤矸石表面形成的氧化产物中的污染物质能迅速溶出。当Fe2+、Mn2+浓度较高时，会对SRB有毒害作用，抑制SRB将硫酸盐还原为二价硫离子，导致SO4 2-去除率较低。当S2-含量较少时，Fe2+、Mn2+主要以化学沉淀和煤矸石吸附的形式被去除，极少量以细胞吸附的形式被去除；随着时间的延长，当SRB已基本适应反应环境时，SO4 2-逐渐被还原为硫化物，Fe2+、Mn2+主要以硫化物沉淀的形式被去除；同时体系中多种离子共存对金属离子的去除也存在影响。煤矸石吸附的离子会达到饱和，随着振荡会发生解析现象。
本发明的一种硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石处理煤矿废水的方法，具有以下有益效果：
1.与处理煤矿废水的众多方法相比，本发明以硫酸盐还原菌作为优势菌种协同自燃煤矸石处理煤矿废水具有成本低、适用性强、处理彻底等特点。相比于改性煤矸石处理煤矿废水有吸附效果明显、无二次污染等好处。
2.本发明将利用硫酸盐还原菌代谢和自燃煤矸石吸附作用之间的协同效应，对含有金属离子和硫酸盐的煤矿废水进行静态试验处理，实现同步去除金属离子和硫酸盐。硫酸盐还原菌附着于自燃煤矸石表面和孔隙中，在处理煤矿废水中离子同时，也可有效减少自燃煤矸石中有害离子含量，有效减少煤矿废水和煤矸石对环境的污染。
3.本发明基于微生物法和吸附法，以SRB和自燃煤矸石为材料，采用SRB协同自燃煤矸石修复煤矿废水中离子污染的方法，可有效改善自燃煤矸石和煤矿废水污染环境的问题。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实施例中，SBR菌种的培养，按照文献《硫酸盐还原菌在中水中的分离及生长特性研究》(焦迪,李进,李娟,等.硫酸盐还原菌在中水中的分离及生长特性研究[J].环境科学与技术,2010,33(10):69-72+96.)进行培养。
以下实施例中，自燃煤矸石样品取自辽宁阜新高德矿的混合自燃煤矸石。
以下实施例中，活性污泥为阜新市细河的底泥。
实施例1
一种硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石处理煤矿废水的方法，包括如下步骤：
步骤1：自燃煤矸石粉的制备
将取自辽宁阜新高德矿的自燃煤矸石样品筛分，得到粒径为0.074～0.600mm的自燃煤矸石粉，蒸馏水浸洗3遍、60℃烘干后，得到干燥的自燃煤矸石粉，备用；
步骤2：硫酸盐还原菌的制备
以阜新市细河的底泥作为活性污泥，在厌氧环境下，利用Postgate培养基，采用液体石蜡液封、橡胶塞塞住瓶口以及凡士林密封，经富集培养，培养基变黑，打开瓶塞能闻到硫化氢气体的味道，得到对数生长期的SRB菌种；
将SRB菌种，进行离心，得到离心后的SRB菌悬液；
步骤3：硫酸盐还原菌与煤矸石协同样品的制备
将粒径为0.074～0.600mm的干燥的自燃煤矸石粉和离心后的SRB菌悬液加入到不含Fe2+的Postgate培养基中，添加液体石蜡进行液封，得到液封后的培养基；其中，干燥的自燃煤矸石粉：离心后的SRB菌悬液：不含Fe2+的Postgate培养基＝20g：10mL：100mL；
将液封后的培养基，置于35℃，振荡频率为100r/min恒温振荡培养箱中，厌氧培养5天，得到硫酸盐还原菌与自燃煤矸石样品；所述的硫酸盐还原菌与自燃煤矸石样品的粒径为0.074～0.600mm；
步骤4：煤矿废水的处理
为了试验，进行实验室配制煤矿废水，模拟煤矿废水中，Fe2+为65mg/L、Mn2+为20mg/L、SO4 2-为1000mg/L。利用盐酸和氢氧化钠对煤矿废水进行调节以得到不同pH值，得到煤矿废水；
在35℃下，以250mL锥形瓶为容器，将硫酸盐还原菌与自燃煤矸石样品投入煤矿废水中，进行废水处理，得到去除Fe2+、Mn2+和SO4 2-的废水；分别进行振荡时间为30～240min、硫酸盐还原菌与煤矸石协同样品的投加量为2～10g/100mL、废水pH值为2～6、振荡频率为0～200r/min和样品粒径为0.074～0.600mm五个因素不同水平下的静态单因素试验，通过测定废水中剩余的Fe2+、Mn2+和SO4 2-含量，进而确定SRB协同自燃煤矸石对煤矿废水的最佳去除条件。其中，Fe2+采用邻菲啰啉分光光度法测定、Mn2+采用高碘酸钾分光光度法测定、SO4 2-采用铬酸钡分光光度法测定。
通过不同水平下单因素试验，Fe2+、Mn2+和SO4 2-去除率在振荡时间为180min、SRB协同自燃煤矸石投加量为40g/L、废水初始pH为5、振荡频率为150r/min、样品粒径为0.125～0.200mm时达到最高，分别为84.38％、83.33％和77.85％。同时处理后，煤矿废水的pH值为7.51。
优选地，步骤3中，所述硫酸盐还原菌与自燃煤矸石协同样品的制备方法：将0.600～0.450、0.450～0.300、0.300～0.200、0.200～0.125、0.125～0.074mm不同粒径的自燃煤矸石样品，分别以20g自燃煤矸石与10mL SRB菌悬液的比例添加到100mL不含Fe2+的Postgate培养基中。
优选地，步骤4所述中，
(1)振荡时间这一因素分别考察在30、60、90、120、150、180、210、240min时的硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石样品对煤矿废水中Fe2+、Mn2+和SO4 2-去除效果；
(2)样品投加量这一因素考察分别投加2、4、6、8、10g/100mL时的硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石样品对煤矿废水中Fe2+、Mn2+和SO4 2-去除效果；
(3)废水pH值这一因素考察pH值分别为2、3、4、5、6时的煤矿废水对硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石样品去除Fe2+、Mn2+和SO4 2-效果的影响；
(4)振荡频率这一因素分别考察在0、50、100、150、200r/min条件下的硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石样品对煤矿废水中Fe2+、Mn2+和SO4 2-去除效果；
(5)样品粒径这一因素考察五个水平下粒径分别为：0.600～0.450、0.450～0.300、0.300～0.200、0.200～0.125、0.125～0.074mm的硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石样品，其余振荡时间、投加量、废水pH值以及振荡频率四个因素均采用粒径为0.600～0.125mm的硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石样品进行不同水平的试验。
实施例2
一种硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石处理煤矿废水的方法，同实施例1。
不同点在于，
1)步骤1中，得到粒径为0.600～0.450mm的自燃煤矸石粉；
2)步骤3中，干燥的自燃煤矸石粉：离心后的SRB菌悬液：不含Fe2+的Postgate培养基＝30g：5mL：100mL；
其他相同。
采用本实施例的硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石处理煤矿废水的方法，可以去除Fe2+、Mn2+和SO4 2-，其中，Fe2+去除率为70.94％，Mn2+去除率为83.33％，SO4 2-去除率为65.40％，同时处理后，煤矿废水的pH值为6.91。
实施例3
一种硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石处理煤矿废水的方法，同实施例1。
不同点在于，
1)步骤1中，得到粒径为0.450～0.300mm的自燃煤矸石粉；
2)步骤3中，干燥的自燃煤矸石粉：离心后的SRB菌悬液：不含Fe2+的Postgate培养基＝30g：10mL：100mL；
其他相同。
采用本实施例的硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石处理煤矿废水的方法，可以去除Fe2+、Mn2+和SO4 2-，其中，Fe2+去除率为84.38％，Mn2+去除率为65.48％，SO4 2-去除率为77.58％，同时处理后，煤矿废水的pH值为7.51。
实施例4
一种硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石处理煤矿废水的方法，同实施例1。
不同点在于，
1)步骤1中，得到粒径为0.300～0.200mm的自燃煤矸石粉；
2)步骤3中，干燥的自燃煤矸石粉：离心后的SRB菌悬液：不含Fe2+的Postgate培养基＝10g：10mL：100mL；
其他相同。
采用本实施例的硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石处理煤矿废水的方法，可以去除Fe2+、Mn2+和SO4 2-，其中，Fe2+去除率为80.26％，Mn2+去除率为75.36％，SO4 2-去除率为72.15％，同时处理后，煤矿废水的pH值为6.37。
实施例5
一种硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石处理煤矿废水的方法，同实施例1。
不同点在于，
1)步骤1中，得到粒径为0.200～0.125mm的自燃煤矸石粉；
2)步骤3中，干燥的自燃煤矸石粉：离心后的SRB菌悬液：不含Fe2+的Postgate培养基＝10g：15mL：100mL；
其他相同。
采用本实施例的硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石处理煤矿废水的方法，可以去除Fe2+、Mn2+和SO4 2-，其中，Fe2+去除率为83.56％，Mn2+去除率为72.86％，SO4 2-去除率为71.32％，同时处理后，煤矿废水的pH值为7.48。
实施例6
一种硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石处理煤矿废水的方法，同实施例1。
不同点在于，
1)步骤1中，得到粒径为0.125～0.074mm的自燃煤矸石粉；
2)步骤3中，干燥的自燃煤矸石粉：离心后的SRB菌悬液：不含Fe2+的Postgate培养基＝20g：15mL：100mL；
其他相同。
采用本实施例的硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石处理煤矿废水的方法，可以去除Fe2+、Mn2+和SO4 2-，其中，Fe2+去除率为79.38％，Mn2+去除率为73.24％，SO4 2-去除率为68.51％，同时处理后，煤矿废水的pH值为6.82。
以上所述仅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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石处理煤矿废水的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：自燃煤矸石粉的制备
将自燃煤矸石样品筛分，得到粒径为0.074～0.600mm的自燃煤矸石粉，用蒸馏水洗涤，烘干，得到干燥的自燃煤矸石粉，备用；
步骤2：硫酸盐还原菌的制备
以污水的底泥作为活性污泥，在厌氧环境下，利用Postgate培养基，经富集培养，培养基变黑，得到对数生长期的SRB菌种；
将SRB菌种，进行离心，得到离心后的SRB菌悬液；
步骤3：硫酸盐还原菌与煤矸石协同样品的制备
将干燥的自燃煤矸石粉和离心后的SRB菌悬液加入到不含Fe2+的Postgate培养基中，添加液体石蜡进行液封，得到液封后的培养基；其中，干燥的自燃煤矸石粉：离心后的SRB菌悬液：不含Fe2+的Postgate培养基＝(1～3)g：(0.5～1.5)mL：10mL；
将液封后的培养基，置于30～35℃的恒温振荡培养箱中，培养5～7天，得到硫酸盐还原菌与自燃煤矸石协同 样品；其中，恒温振荡培养箱的振荡频率为100～150r/min；
步骤4：煤矿废水的处理
在30～35℃下，将硫酸盐还原菌与自燃煤矸石协同 样品投入煤矿废水中，进行废水处理，得到去除Fe2+、Mn2+和SO4 2-的废水；其中，处理过程中，振荡时间为30～240min，投加量为每100mL煤矿废水加入硫酸盐还原菌与自燃煤矸石协同 样品为2～10g，煤矿废水pH值为2～6，振荡频率为0～200r/min，硫酸盐还原菌与自燃煤矸石协同 样品粒径为0.074～0.600mm；
煤矿废水处理后，Fe2+去除率为70.94％～84.38％，Mn2+去除率为65.48％～83.33％，SO4 2-去除率为65.40％～77.58％，煤矿废水的pH值为6.37～7.51。
2.如权利要求1所述的硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石处理煤矿废水的方法，其特征在于，所述的步骤1中，烘干，烘干温度为50～70℃，烘干时间为4～6h。
3.如权利要求1所述的硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石处理煤矿废水的方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的自燃煤矸石粉的粒径分别为0.600～0.450mm、0.450～0.300mm、0.300～0.200mm、0.200～0.125mm、0.125～0.074mm中的一种。
4.如权利要求1所述的硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石处理煤矿废水的方法，其特征在于，所述的步骤4中，所述的振荡时间为170～190min。
5.如权利要求1所述的硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石处理煤矿废水的方法，其特征在于，所述的步骤4中，所述的投加量为每100mL煤矿废水加入硫酸盐还原菌与自燃煤矸石协同 样品为3～5g。
6.如权利要求1所述的硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石处理煤矿废水的方法，其特征在于，所述的步骤4中，所述的振荡频率为140～160r/min。
7.如权利要求1所述的硫酸盐还原菌协同自燃煤矸石处理煤矿废水的方法，其特征在于，所述的步骤4中，所述的硫酸盐还原菌与自燃煤矸石协同 样品的粒径为0.200～0.125mm。
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