CN110303037A - 利用微生物和生物质联合两步法去除磷矿废弃地重金属污染的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用微生物和生物质联合两步法去除磷矿废弃地重金属污染的方法。该方法首先从磷矿废弃地土壤中分离、富集、驯化出抗重金属离子的菌液；然后将该菌液与磷矿废弃地土壤混合进行培养，使得难溶性重金属元素进入溶液中；最后用废弃生物质吸附重金属元素并固液分离，由此实现了磷矿废弃地土壤的重金属污染治理。该方法为解决磷矿废弃地重金属污染提供了新思路和切实可行的方法，具有环保、低能耗、简单高效、无二次污染等诸多优点。

Description

利用微生物和生物质联合两步法去除磷矿废弃地重金属污染 的方法

技术领域

本发明涉及磷矿开采及固废重金属污染治理技术领域，具体涉及利用微生物和生物质联合两步法去除磷矿废弃地重金属污染的方法。

背景技术

我国磷矿产量居世界前列，主要以中低品位磷矿为主。磷矿开采形成了大量低品位磷尾矿，其主要成分为MgO、P₂O₅、CaO、SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃等氧化物，还包括一定量的重金属(如镉、铬、铅、汞、砷等)以及放射性元素(如镭、铀、氡等)、氟化物。磷尾矿中的某些元素在堆放过程中会发生迁移，引起大气、水和土壤的严重污染，进一步造成土地退化、植被毁坏和人畜健康危害，因此必须对磷尾矿进行有效的处理。

目前去除土壤重金属污染的方法主要分为物理法和化学法，其中物理法通常有排土法、客土法、电修复技术法、洗土法、稳定固化法等，化学法主要有改变pH、投入石灰性物质、投入易溶性正磷酸化合物等。这些方法普遍存在操作复杂、成本高、易产生二次污染等缺陷，不适用于磷矿废弃地的治理。开发一种专门针对磷矿废弃地特点，高效去除其中所含重金属元素的治理方法显得十分紧迫和必要。

目前已有研究报道，很多微生物(真菌及放线菌)都有去除重金属污染的效果，但是这些微生物对磷矿废弃地土壤中难溶态重金属的溶解作用还鲜有报道。中国专利CN107142232A公开了一种复合微生物制剂，该制剂由复合液体菌种与秸秆粉、硅藻土混合、干燥而成，能够用于修复含铅土壤。但是这种复合微生物制剂依然存在许多问题，一方面对菌群要求高，菌群的种类及数量较多因而制备困难影响大规模应用；另一方面该复合微生物制剂应用面有限，仅能修复土壤中的铅污染，且对于含量在100mg/kg以下的铅离子去除、修复效果不好，修复时间过长。中国专利CN109465281A公开了一种磷尾矿治理专用微生物制剂，该微生物制剂不仅成分复杂、成本较高，并且需要撒施在磷尾矿表层后配合巨菌草一起使用，土壤修复效果不够稳定、修复效率不够高。本发明筛选所得菌液成分简单，将其与废弃生物质联合使用不仅可以有效去除磷矿废弃地中的各种重金属污染，而且实现了大量废弃生物质材料的回收再利用，具有以废治废的突出优点，因而成本较低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种微生物联合生物质两步去除磷矿废弃地中重金属污染的方法。该方法一方面能够变废为宝，实现了秸秆等废弃生物质资源的再利用，另一方面高效的完成了土壤中重金属的分离、去除，同时避免了二次污染，对于磷矿山开采及修复具有重要的应用前景及战略意义。为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

利用微生物和生物质联合两步法去除磷矿废弃地重金属污染的方法，主要包括以下步骤：(a)将磷矿废弃地土壤样品与水混合后过滤，所得滤液经富集、驯化后，得到抗重金属的菌液；(b)将抗重金属的菌液与磷矿废弃地土壤、培养基混合均匀进行分解培养，以便充分溶解其中所含的难溶重金属；(c)培养完成后用废弃生物质粉末进行过滤吸附即可。

进一步的，步骤(a)具体过程如下：将磷矿废弃地土壤样品与水混合均匀，充分搅拌后过滤，收集上清液作为初始菌液；将初始菌液接种到培养基中进行富集培养，得到富集菌液；将富集菌液接种到培养基中，再加入重金属离子进行驯化培养，得到驯化菌液；驯化过程重复若干次，期间逐渐增大重金属离子加入量，最终得到抗重金属的菌液。

进一步的，磷矿废弃地土壤样品与水混合时的比例为60-150g:1L，富集、驯化、分解培养时的温度为28-32℃，搅拌机转速150-170rpm。

进一步的，所述培养基按照重量份数计的成分为：葡萄糖10.0份，(NH₄)₂SO₄ 0.5份，MgSO₄·7H₂O 0.1份，KCl 0.2份，酵母浸粉0.5份，FeSO₄·7H₂O 0.03份，Ca₃Cl₂ 1份，蒸馏水1000份，pH＝7.0。

进一步的，驯化培养时培养液中重金属离子的含量在5-50g/L之间变化，且逐步递增。

进一步的，步骤(b)中抗重金属的菌液、培养基混合时的比例(体积比)为1:4-10，混合物中磷矿废弃地土壤含量为20-60g/L。

进一步的，步骤(c)中所述废弃生物质粉末由农作物秸秆或甘蔗渣粉碎后过200目筛网得到。

进一步的，该方法还包括步骤(d)：将完成过滤吸附的废弃生物质粉末加入到浓度为0.5-2mol/L的盐酸溶液中进行解析，过滤得到含重金属离子的滤液和滤渣，滤渣反复清洗、干燥后再次回到步骤(c)中利用，合并滤液和洗涤液集中回收处理。

进一步的，所述重金属离子包括铅、镉、砷等。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)选用的微生物菌群来自于磷矿废弃地土壤，本身对重金属离子有一定的分解和耐受能力，通过分离、筛选、驯化培养进一步强化了这种能力，相当于优中选优；(2)被微生物分解掉的难溶重金属经过处理后进入溶液中，被废弃生物质吸附后与土壤分离开来完成修复，吸附有重金属的废弃生物质经酸再生处理后可反复使用，在此过程中重金属离子从废弃生物质中转移至废液中，便于后续回收利用；(3)为解决磷矿废弃地重金属污染提供了新思路和切实可行的方法，具有环保、低能耗、简单高效、无二次污染等诸多优点。

附图说明

图1为分离、富集、驯化所得抗重金属微生物对不同浓度难溶铅的溶解能力对照图。

具体实施方式

为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例进行进一步说明。

本发明所使用的磷矿废弃地土壤采集自湖北省宜昌市夷陵区殷家坪磷矿区磷矿废弃地，经XRF分析其主要成分为Mg(1.7591％)、Al(6.7095％)、P(14.1891％)、Si(21.979％)、Na(0.6717％)、K(3.1089％)、Ca(27.9199％)、C(2.4074％)、Ti(0.7364％)、F(1.2865％)、Mn(0.0297％)、Fe(2.0766％)、Sr(0.068％)、Pb(0.0030％)、As(0.0056％)。

本发明所使用的培养基配方为：葡萄糖10.0份，(NH₄)₂SO₄ 0.5份，MgSO₄·7H₂O 0.1份，KCl 0.2份，酵母浸粉0.5份，FeSO₄·7H₂O 0.03份，Ca₃Cl₂ 1份，蒸馏水1000份，pH＝7.0。本发明所使用的废弃生物质粉末主要材料为农作物秸秆或甘蔗渣，使用前要充分粉碎然后过200目筛网。如无特殊说明，本发明所用其他试剂为普通市售。

抗重金属菌液的分离、筛选、驯化过程具体如下：向20g采集到的磷矿废弃地土壤样品中加入150mL无菌水，搅拌30min，依次用纱布、滤纸过滤，所得上清液即为初始菌液；取10mL初始菌液加入到40mL培养基中，接着在恒温振荡器中于30℃、165rpm下培养3天，过滤得到培养菌液；取10mL培养菌液加入到40mL培养基中，再加入一定量含Pb²⁺的溶液，形成Pb^{2 +}浓度为10mg/L的混合液，将混合液置于恒温振荡器中于30℃、165rpm下培养3天，过滤得到驯化菌液；重复上述驯化过程3-5次，在此过程中混合液中Pb²⁺浓度呈阶梯式增加(从10mg/L逐渐增加至100mg/L)，最终得到目标菌液——抗重金属的菌液。

将单一菌株的目标菌种接种到培养基中培养，连续培养7天，期间取样检测生物量变化，结果发现：第3天生物量最大，随后达到平稳期。因此，本发明后续所用目标菌液均为培养48h后的菌液。

本实施例及实施例2中用含难溶铅的低品位磷矿粉模拟磷矿废弃地土壤。

实施例1

将抗重金属的菌液接种到由低品位磷矿粉、难溶铅、培养基组成的混合液中，得到一系列不同重金属浓度的样品。各个样品中低品位磷矿粉含量为20g/L，难溶铅含量依次为5g/L、10g/L、20g/L、30g/L、40g/L、50g/L，菌液与培养基混合时的体积比为1:5-10。将上述样品置于30℃、165rpm的恒温振荡器中连续培养8天，期间每24h取样在9000g下离心30min并过滤，用原子吸收分光光度计测定其中Pb²⁺含量，结果如图1所示。

由图1可知，该菌液在难溶铅含量为5g/L和10g/L的模拟磷矿废弃地土壤中的溶解能力最强，难溶铅的溶解率在37％左右。这一结果也表明，筛选、驯化所得菌株对模拟磷矿废弃地土壤中的难溶性重金属铅具有较强的溶解能力。实验还发现，将铅替换为其他重金属元素(如镉、砷等)也能得出类似结论。

培养完成后用废弃生物质粉末填充的吸附层对混合物进行吸附，分别得到脱除重金属铅后的固体、含铅的废弃生物质以及滤液。

实施例2

按照1:10-100的质量比将难溶铅、低品位磷矿粉混合均匀后铺在过滤设备上层(分解层)，然后将废弃生物质粉末铺在该过滤设备下层(吸附层)。将培养48h的抗重金属菌液(已经含有培养基)加入到转速为0.2-2rpm的蠕动泵中，再将其输送到过滤设备中。菌液先进入难溶铅-低品位磷矿粉混合层(分解层)，实现了难溶铅的溶解，溶解后的Pb²⁺流入废弃生物质层(吸附层)对Pb²⁺进行吸附。期间每隔1h分别在分解层和吸附层下面取少量滤液，利用原子吸收分光光度计检测其中Pb²⁺含量，结果如表1所示。

表1吸附前后模拟磷矿废弃地土壤中铅含量变化表

由表1可知，2h后通过分解层的溶液中Pb²⁺含量为106.24mg/L，通过吸收层后Pb²⁺的吸附回收率最高可达79.27％，即该方法吸附效率高，在2h就可达到最大吸附效果。

将设备下层吸附有重金属离子Pb²⁺的废弃生物质取出，依次用100mL浓度为1mol/L的盐酸和大量水反复清洗三次并烘干，由此完成了废弃生物质的再生。合并洗涤所得液体及设备最底部滤液，另作他用。

将再生的废弃生物质填充到设备下层重复进行上述实验后发现，其依旧具有良好的吸附性，2h后吸附率依旧达到78.84％。这表明废弃生物质可重复利用，且重复利用时的吸附效率依旧很高。

实施例3

将采集来的磷矿废弃地土壤铺在过滤设备上层，然后将废弃生物质粉末铺在该过滤设备下层。将培养48h的抗重金属菌液加入到转速为0.2-2rpm的蠕动泵中，再将其输送到过滤设备中。菌液先进入磷矿废弃地土壤层实现了重金属的溶解，溶解后的Pb²⁺流入废弃生物质层对Pb²⁺进行吸附。期间每隔1h分别在分解层和吸附层下面取少量滤液，利用原子吸收分光光度计检测其中Pb²⁺含量，结果如表2所示。

表2吸附前后磷矿废弃地土壤中铅含量变化

由表1可知，2h后通过分解层后的溶液中Pb²⁺含量为0.37mg/L，通过吸收层后Pb²⁺的吸附回收率最高可达100％，即吸附效率高，在2h就可达到最大吸附。这说明本发明方法不论是针对高浓度的磷矿废弃地重金属污染，还是低浓度的磷矿废弃地重金属污染，都有良好的去除效果。

Claims (9)

1.利用微生物和生物质联合两步法去除磷矿废弃地重金属污染的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(a)将磷矿废弃地土壤样品与水混合后过滤，所得滤液经富集、驯化后，得到抗重金属的菌液；

(b)将抗重金属的菌液与磷矿废弃地土壤、培养基混合均匀进行分解培养，以便充分溶解其中所含的难溶重金属；

(c)培养完成后用废弃生物质粉末进行过滤吸附即可。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(a)具体过程如下：将磷矿废弃地土壤样品与水混合均匀，充分搅拌后过滤，收集上清液作为初始菌液；将初始菌液接种到培养基中进行富集培养，得到富集菌液；将富集菌液接种到培养基中，再加入重金属离子进行驯化培养，得到驯化菌液；驯化过程重复若干次，期间逐渐增大重金属离子加入量，最终得到抗重金属的菌液。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：磷矿废弃地土壤样品与水混合时的比例为60-150g:1L，富集、驯化、分解培养时的温度为28-32℃，搅拌机转速150-170rpm。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述培养基按照重量份数计的成分为：葡萄糖10.0份，(NH₄)₂SO₄ 0.5份，MgSO₄·7H₂O 0.1份，KCl 0.2份，酵母浸粉0.5份，FeSO₄·7H₂O0.03份，Ca₃Cl₂ 1份，蒸馏水1000份，pH＝7.0。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于：驯化培养时培养液中重金属离子的含量在5-50g/L之间变化，且逐步递增。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(b)中抗重金属的菌液、培养基混合时的比例为1:4-10，混合物中磷矿废弃地土壤含量为20-60g/L。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(c)中所述废弃生物质粉末由农作物秸秆或甘蔗渣粉碎后过200目筛网制得。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于该方法还包括步骤(d)：将完成过滤吸附的废弃生物质粉末加入到浓度为0.5-2mol/L的盐酸溶液中进行解析，过滤得到含重金属离子的滤液和滤渣，滤渣反复清洗、干燥后再次回到步骤(c)中重复利用，合并滤液和洗涤液集中回收处理。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述重金属离子包括铅、镉、砷等。