CN109456916A - 一种生物炭强化土著氧化亚铁细菌去除猪粪中重金属的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种生物炭强化土著氧化亚铁细菌去除猪粪中重金属的方法，这是一项生物炭强化氧化亚铁细菌去除猪粪和其他畜禽粪便中重金属的方法。生物炭为小麦秸秆500℃缺氧煅烧制备而成。向生物反应器加入待处理猪粪，分别接种10％～15％土著氧化亚铁细菌和5～10g/L生物炭，在30℃±2℃条件下曝气处理4～7天，泵出处理过的猪粪，猪粪脱水后，调节液相部分pH沉淀重金属，固相部分中和后农用。猪粪中重金属去除率高达90％～98％，猪粪中养分损失量减少10％以上。该方法操作简便，经济可行，安全，是一种高效去除猪粪中重金属的方法。

Description

一种生物炭强化土著氧化亚铁细菌去除猪粪中重金属的方法
一、技术领域
本发明涉及一种生物炭强化土著氧化亚铁细菌去除猪粪中重金属的方法，是一项利用生物炭的氧化还原活性和吸附性促进氧化亚铁细菌生长进而去除畜禽粪便中重金属同时减少营养物质流失的技术，属于环境工程技术领域。
二、背景技术
近年来，随着规模化畜禽养殖的快速发展，每年有大量的畜禽粪便产生，据统计2010年畜禽粪便产量为2.43亿吨。由于畜禽粪便中富含丰富的氮，磷，有机物等营养物质，被广泛的用作农用土壤肥料。然而，在畜禽养殖生产过程中，为了能够促进动物生长、提高饲料使用率和便于治疗控制疾病，饲料中添加了大量的微量元素添加剂，如Cu，Zn，As等，而这些元素在畜禽体内的消化吸收率极低，因此畜禽固体排泄物中聚集了高浓度的重金属元素。据报道，猪粪中Cu，Zn的含量可达数百至数千mg/kg，As的含量可达数十mg/kg。这些重金属污染的畜禽废弃物一方面应用到农业生产中会被农作物吸收富集，进而直接导致粮食、蔬菜的重金属污染；另一方面会随着迁移转化造成水环境和土壤的污染，间接导致水生生物和植物的重金属污染，最终危害人的身体健康。采用经济高效的技术手段解决畜禽粪便重金属在粪便资源化过程中的污染问题是目前我国农业与环境方面面临的重要问题。
目前，畜禽粪便重金属处理最常用的方法是堆肥法和固化剂法，属于重金属钝化技术。国家专利局201610604784.8和200910084706.X分别公开了一种堆肥法和固化剂法处理猪粪中重金属的方法。这类方法在一定程度上可有效降低重金属的活性、减少重金属浸出量。但钝化法并没有从根本上减少重金属的含量，长期看来对人类健康和环境仍具有潜在威胁。还有研究者采用化学沥浸法，利用无机酸、有机酸或络合剂等处理猪粪以溶解和浸提重金属达到去除猪粪中重金属的目的。但是化学沥浸法耗酸量大，处理成本高，反应强烈，操作不安全，难以投入实际的工程应用，且化学法对部分重金属的处理效果差(如对Cu的去除率低于50％)。
近年来，生物沥浸法已被广泛的用于污泥、河道底泥和土壤等污染物中重金属的去除。国家专利局02137921.1公开了一种氧化亚铁硫杆菌及其去除污泥中重金属的方法，它利用污泥中分离的氧化亚铁硫杆菌氧化底物，产酸溶解重金属，然后固液分离去除重金属。但氧化亚铁细菌普遍生长速率缓慢、生长周期长，且污泥生物沥浸过程会造成大量的氮、磷等营养物质流失，总氮(TN)和总磷(TP)的损失率分别可以达到20～33％和17～68％。
针对目前畜禽粪便重金属固化技术去除不彻底、易造成二次污染，而常规的生物沥浸技术周期较长、去除效率低、营养流失严重等问题，特开展本项目生物炭强化氧化亚铁细菌生物沥浸分离畜禽粪便重金属技术研究，以期为我国畜禽废弃物中重金属的去除提供技术支撑和工程实践参考，保证畜禽废物在资源化过程中实现无害资源化利用，为粮食生产、食品安全和人类健康提供有力保障。
三、发明内容
发明目的
本发明的目的在于提供一种利用小麦秸秆制备生物炭及其用于猪粪营养物质保留和强化重金属生物沥浸脱除的方法，生物炭可促进亚铁与微生物之间的电子传递，加快氧化亚铁细菌的生长，缩短生物沥浸周期，降低动力消耗，同时通过吸附等作用减少氮、磷等营养物质的流失。
技术方案
本发明所提供的生物炭由小麦秸秆制备而成。生物炭的BET比表面积为236.3m2/g；吸附平均孔径为1.7nm；pH值为10.9；C，N，H元素的含量分别为69.6％，1.9％，0.9％；电导率(EC)为4.9mS/cm。
生物炭及其强化土著氧化亚铁细菌生物沥浸去除猪粪中重金属的方法，其特征在于：
1、生物炭的制备，将秸秆剪成3-5cm的小段，放入密封的反应釜；密封之后，再将反应釜放入马弗炉中缺氧煅烧。煅烧温度为500℃，煅烧时间为2h，升温速率为10℃·min-1；煅烧制备完成后，生物炭用玛瑙研钵研磨后过100目标准筛。
2、生物炭能调节生物沥浸反应器中微生物的群落结构，促进氧化亚铁细菌的生长繁殖。
3、生物炭能使猪粪中总氮的流失量减少10％以上。
4、生物炭能使猪粪中生物有效态磷的含量增加10％以上。
5、土著氧化亚铁细菌接种液，是以养殖场新鲜猪粪作为氧化亚铁硫杆菌的培养底物及接种菌源，用9K培养基筛选制备而成。经16S rDNA序列分析，鉴定接种液中96％以上为脂环酸芽孢杆菌(Alicyclobacillus)。该类菌株特征为：革兰氏阳性，嗜酸，能利用有机物和Fe2+作为能源物质。
6、将猪粪稀释至含固率为2％～4％，向猪粪中投加5～10g/L生物炭、10～30g/L硫酸亚铁，按体积比接种10％～15％土著氧化亚铁细菌接种液，在自然初始pH条件下，28℃曝气搅拌，反应4～7天(反应器中pH值降至2.5以下时，重金属浸出率达到90％以上)，泵出处理过的猪粪。
7、上述处理过的猪粪沉降，将10％～20％沉降的猪粪混合液回流至生物处理反应器，投加待处理猪粪、10～30g/L硫酸亚铁和5～10g/L生物炭，循环处理。
8、80％～90％沉降猪粪进行脱水处理，得到脱除重金属的猪粪固体和含有重金属的浸出液。
9、含重金属的浸出液通过投入碱性物质调节pH，使其中的重金属沉淀去除后，作为稀释猪粪用水或排入污水厂处理。
上述生物炭强化土著氧化亚铁细菌生物沥浸去除猪粪中重金属的方法中，去除重金属后的猪粪经碱性物质中和后直接农用，或经堆肥处理等制备成商品有机肥或基质。中和所采用的碱性物质主要为氨水、氢氧化钠或石灰，其中最适用的是生石灰。
本发明提供的土著氧化亚铁细菌菌液的富集培养条件为：
1、预培养：将新鲜猪粪样品稀释成含固率为2％(质量/体积)的混合液；预先调节猪粪混合液pH值为4.0，投加10g/L的FeSO4·7H2O，置于摇床180r/min，28℃条件下培养，定时测定混合液体系的pH值。当pH＜2.5时，预培养完成。
2、富集培养：取完成预培养的混合液10％(体积比)于新配置的9K无菌培养基中，置于摇床180r/min，28℃条件下培养3～4d。重复前面的操作3次。实验用氧化亚铁硫杆菌接种液制备完成。
3、9K培养基组分：(NH4)2SO4，3g L-1；KCl 0.1g L-1；K2HPO4，0.5g L-1；MgSO4·7H2O，0.5g L-1；Ca(NO3)2，0.01g L-1；FeSO4·7H2O 44.72g L-1；蒸馏水1L。
本技术发明的原理是：在猪粪生物沥浸过程中加入生物炭，生物炭具有氧化还原活性，加快亚铁与微生物之间的电子传递速率，促进氧化亚铁细菌的生长，缩短生物沥浸周期，降低动力消耗，同时生物炭的吸附特性可以保留猪粪中N、P等营养物质，有效的减少营养物质的损失。
有益效果
本发明提供的生物炭强化土著氧化亚铁细菌生物沥浸猪粪中重金属的方法，具有以下有益效果：
1、本发明提供的生物炭由小麦秸秆制备而成，来源广，制备过程简单，易于工程应用。
2、生物炭可以有效调节生物沥浸过程中反应液中的生物群落，加快Fe2+与微生物之间的电子传递作用，促进氧化亚铁细菌的生长，特别是Alicyclobacillus的生长量可以提高6倍以上。
3、采用本发明的生物炭和土著氧化亚铁细菌结合的生物沥浸方法，反应系统中pH下降和ORP上升的速率明显加快，生物沥浸的时间显著缩短，重金属浸出率高，Cu和Zn的浸出率均能达到95％以上。
4、采用本发明的生物炭和土著氧化亚铁细菌结合的生物沥浸方法处理畜禽粪便，无需调节反应系统初始pH值，可以减少酸耗，降低运行成本。
5、经该法处理后可有效减少猪粪中植物养分的损失率，N的损失率减少10％以上，有机质的损失减少20％以上，生物有效态磷的含量提高10％以上。
四、附图说明
图1为生物炭强化土著氧化亚铁细菌生物脱除猪粪中重金属的方法流程图。
五、具体实施方式
实施例1：
(1)采样
供试猪粪取自天津西青区某养殖场的干清粪，该猪粪的基本特性见表1。
表1 供试猪粪的基本特性
(2)生物炭的制备
将秸秆剪成3-5cm的小段，放入密封的反应釜；密封之后，再将反应釜放入马弗炉中缺氧煅烧。煅烧温度为500℃，煅烧时间为2h，升温速率为10℃/min；煅烧制备完成后，生物炭用玛瑙研钵研磨后过100目标准筛。
(3)土著氧化亚铁细菌接种液的制备
9K培养基配制：(NH4)2SO4，3g L-1；KCl，0.1g L-1；K2HPO4，0.5g L-1；MgSO4·7H2O，0.5g L-1；Ca(NO3)2，0.01g L-1；FeSO4·7H2O，44.72g L-1；蒸馏水1L。预培养：将新鲜猪粪样品稀释成含固率为2％(质量/体积)的混合液，投加10g/L的FeSO4·7H2O，置于摇床180r/min，28℃条件下培养，定时测定混合液体系的pH值。当pH＜2.5时，预培养完成。富集培养：取完成预培养的混合液10％(体积比)于新配置的9K无菌培养基中，置于摇床180r/min，28℃条件下培养3～4d。重复前面的操作3次。实验用氧化亚铁硫杆菌接种液制备完成。
(4)猪粪中重金属生物沥浸去除反应
原猪粪稀释至含固率为2％，向猪粪中投加5g/L生物炭、20g/L硫酸亚铁，接种10％(体积比)土著氧化亚铁细菌接种液，置于摇床180r/min，28℃条件下振荡培养8～10d。设置不加生物炭的对照处理。沥浸反应完成后，测定猪粪浸出液中重金属(Cu、Zn、Mn)的含量。
(5)结果分析
处理后的猪粪混合液于12000r/min离心15min，过0.45μm滤膜。送于南开大学环境科学与工程学院采用原子吸收TAS-990型原子吸收仪(Persee，China)测定浸出液中的Cu、Zn和Mn。离心的固体猪粪采用真空冷冻干燥法(Scientz-N，China)干燥后测定总氮、总磷和总有机质的含量。总氮的测定采用凯氏定氮法测定；总磷的测定采用HNO3-HClO4消解，钼酸铵分光光度法测磷；猪粪中磷的形态分析采用标准测量测试(SMT)程序提取，钼酸铵分光光度法测磷。经测定，不同处理猪粪混合液中Cu、Zn、Mn的浸出率和处理后猪粪中植物养分的含量分别见表2和表3。投加生物碳处理和对照处理相比，Cu的浸出率达到90％以上的时间缩短了3天，Zn的浸出率达到90％以上的时间缩短了5天，Mn的浸出率达到90％以上所需的时间缩短了4天。另外，投加生物炭处理与对照相比，总氮和总磷的损失率分别减少14.1％和1.7％，且有效态磷(有机磷+非磷灰石磷)的含量增加了13.7％。
表2 不同处理猪粪中重金属浸出率的变化
表3 不同处理后猪粪中植物养分的含量
实施例2：
(1)采样
供试猪粪取自天津武清区某养殖场的干清粪，该猪粪的基本特性见表4。
表4 供试猪粪的基本特性
(2)生物炭的制备，同实施例1
(3)土著氧化亚铁细菌接种液的制备，同实施例1
(4)猪粪中重金属生物沥浸去除反应
原猪粪稀释至含固率为2％，向猪粪中投加10g/L生物炭、20g/L硫酸亚铁，接种10％(体积比)土著氧化亚铁细菌接种液，28℃条件下曝气搅拌反应8～10d。设置不加生物炭的对照处理。沥浸反应完成后，测定猪粪浸出液中重金属(Cu、Zn、Mn、Cd)的含量。
(5)结果分析
处理后的猪粪离心分离后，采用TAS-990原子吸收仪(Persee，China)测定滤液中的Cu、Zn、Mn、Cd。沥浸固体猪粪经真空冷冻干燥(Scientz-N，China)后测定总氮、总磷含量。总氮的测定采用凯氏定氮法测定；总磷的测定采用HNO3-HClO4消解，钼酸铵分光光度法测磷；猪粪中磷的形态分析采用标准测量测试(SMT)程序提取，钼酸铵分光光度法测磷。经测定，不同处理猪粪混合液中Cu、Zn、Mn、Cd的浸出率和处理后猪粪中植物养分的含量分别见表5和表6。投加生物碳处理和对照处理相比，Cu的浸出率达到90％以上的时间缩短了3天，Zn的浸出率达到90％以上的时间缩短了4天，Mn的浸出率达到90％以上所需的时间缩短了3天，Cd的浸出率达到90％以上所需的时间缩短了4天。另外，投加生物炭处理与对照相比，总氮和总磷的损失率分别减少15.8％和14.7％，且有效态磷(有机磷+非磷灰石磷)的含量增加了38％。
表5 不同处理猪粪中重金属浸出率的变化
表6 处理后猪粪中植物养分的含量

Claims (9)

1.土著氧化亚铁细菌接种液，以猪粪为接种源，用9K培养基筛选制备接种液；培养基组分为：(NH4)2SO4，3g L-1；KCl 0.1g L-1；K2HPO4，0.5g L-1；MgSO4·7H2O，0.5g L-1；Ca(NO3)2，0.01g L-1；经鉴定接种液中96％以上为Alicyclobacillus。
2.生物炭由小麦秸秆制备而成，将秸秆剪成3～5cm的小段，放入密封的反应釜中；密封之后，再将反应釜放入马弗炉中缺氧煅烧。煅烧温度分别为500℃，煅烧时间为2h，升温速率为10℃/min；煅烧完成后，生物炭用玛瑙研钵研磨后过100目标准筛。
3.权利要求2所述的生物炭及其强化土著氧化亚铁细菌去除猪粪中重金属的方法，其特征在于：
(1)将猪粪释至含固率为2％～4％，向猪粪中投加5～10g/L生物炭和10～30g/L硫酸亚铁，按体积比接种10％～15％土著氧化亚铁细菌，在28℃曝气搅拌的条件下，反应4～7天，泵出处理过的猪粪；
(2)上述处理过的猪粪沉降，将10％～20％沉降的猪粪混合液回流至生物处理反应器，投加待处理猪粪和10～30g/L硫酸亚铁，循环处理；
(3)80％～90％沉降猪粪进行脱水处理，得到脱除重金属的固相部分和含有重金属的液相部分；
(4)含重金属的液相部分通过投入碱性物质调节pH，使其中的重金属沉淀后，作为稀释猪粪用水或排入污水处理厂。
4.根据权利要求3所述的生物炭强化土著氧化亚铁细菌去除猪粪中重金属的方法，其特征在于：生物炭能调节猪粪的生物群落结构，促进氧化亚铁细菌生长，加速生物沥浸反应进程，猪粪中重金属浸出率达到90％以上的时间缩短3～5天。
5.根据权利要求3所述的生物炭强化土著氧化亚铁细菌去除猪粪中重金属的方法，其特征在于：生物炭能使猪粪中总氮的流失量减少10％以上。
6.根据权利要求3所述的生物炭强化土著氧化亚铁细菌去除猪粪中重金属的方法，其特征在于：生物炭能使猪粪中生物有效态磷的含量增加10％以上。
7.根据权利3要求所述的生物炭强化土著氧化亚铁细菌去除猪粪中重金属的方法，其特征在于：脱除重金属后的猪粪用碱性物质中和后直接农用，或进一步经过堆肥发酵处理后制备成商品有机肥或基质。
8.根据权利3要求所述的生物炭强化土著氧化亚铁细菌去除猪粪中重金属的方法，其特征在于：方法中所用的碱性物质为石灰、氧化镁、氨水、氢氧化钠。
9.根据权利要求7所述的生物炭强化土著氧化亚铁细菌去除猪粪中重金属的方法，其特征在于：其方法中所用的碱性物质指的是石灰和氨水。
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