CN110586605A - 基于兼氧硫酸盐还原菌膜包覆的硫废矿石稳定化处理方法 - Google Patents

基于兼氧硫酸盐还原菌膜包覆的硫废矿石稳定化处理方法 Download PDF

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吴代赦
杜俊逸
李建龙
朱凯莉
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Abstract

本发明公开了一种基于兼氧硫酸盐还原菌膜包覆的硫废矿石稳定化处理方法，该方法包括以下步骤：(1)兼氧硫酸盐还原菌富集培养：向培养基中按体积比1％‑5％接种兼氧硫酸盐还原菌进行培养，部分培养液进行转培，重复此富集培养操作30天；(2)接种于复合碳源培养液：按体积比2％‑10％，将步骤(1)中富集培养得到的兼氧硫酸盐还原菌接种于配制好的复合碳源培养液；(3)废矿石表面微生物挂膜；(4)表面硬化；(5)生物结皮。本发明的方法基于兼氧硫酸盐还原菌的代谢作用包裹含硫废矿石对其进行稳定化处理技术，对修复含硫废矿石污染、升高酸性矿山废矿石淋滤液pH、降低重金属污染等，均有十分重要的意义。

Description

基于兼氧硫酸盐还原菌膜包覆的硫废矿石稳定化处理方法
技术领域
本发明涉及矿区废矿石处理领域，尤其是一种基于兼氧硫酸盐还原菌膜包覆的硫废矿石稳定化处理方法。
背景技术
我国矿产资源丰富，矿产需求量巨大，截止2016年底全年矿石原矿量开采总量已经超过300亿吨。大量开采矿山导致了大量固体废弃物的产生，而我国每年开采矿山产生的固体废弃物占所有固体废弃物总量的70％。含硫废矿石堆积在废石场，经长期自然氧化、雨水淋浸作用，产生大量富含硫酸盐和重金属离子(As、Cu、Cd、Pb等)的酸性矿山废水。嗜酸氧化性微生物的存在会加速废矿石的浸出过程。释放出的重金属随酸性废水迁移，或经吸附和离子交换进入矿区水体沉积物和土壤，严重污染周边的水体与土壤，酸性废水污染之后的区域，草木枯萎、鱼虾死亡，对农、渔业生产环境与饮用水造成严重的污染。除此之外，植物从环境中吸收重金属后，会通过食物链在动植物、人体内富集，不仅人类身体健康有害，更严重危害了生态环境。
矿区废石的污染问题一直是人们的焦点，目前矿区污染修复主要有三大类：物理法、化学法、生物法。物理法费用高、工程浩大且还需再次处理；化学法需要添加化学试剂，会造成二次污染且处理费用高，这两种方法不仅处理费用高，而且都不能完全治理含硫废石的污染，不能可持续的长期的对含硫废矿石进行稳定化处理。微生物法具有处理彻底、工艺稳定、处理费用低、可去除多种重金属离子等优点，目前对于生物法的研究和应用太少。因此，需要设计一种基于兼氧硫酸盐还原菌膜包覆的含硫废矿石稳定化处理方法。
发明内容
针对现有的技术中的缺陷，提供一种基于兼氧硫酸盐还原菌膜包覆的硫废矿石稳定化处理方法。
本发明通过下述方案实现：
一种基于兼氧硫酸盐还原菌膜包覆的硫废矿石稳定化处理方法，该方法包括以下步骤：
(1)兼氧硫酸盐还原菌富集培养：向培养基中按体积比1％-5％接种兼氧硫酸盐还原菌进行培养，当体系释放的硫化氢使醋酸铅试纸变黑时，取部分培养液进行转培，重复此富集培养操作30天；
(2)接种于复合碳源培养液：按体积比2％-10％，将步骤(1)中富集培养得到的兼氧硫酸盐还原菌接种于配制好的复合碳源培养液；
(3)废矿石表面微生物挂膜：在废矿石堆的下游设置排水渠，在废矿石堆上方喷淋步骤(2)得到的接种了兼氧硫酸盐还原菌的复合碳源培养液，待溶液从废石堆下方排水渠排出后，用泵将溶液抽提到废石堆上方循环喷淋，直至出水pH高于5.0，硫酸根浓度小于250mg/L；
(4)表面硬化：在废矿石堆表面覆盖石英砂、土壤后喷淋含有碳酸盐矿化菌的生物溶液形成生物水泥；
(5)生物结皮：在生物水泥表面植覆由细菌、真菌、苔藓、藻类和地衣等复合形成的生物结皮。
在步骤(1)中，将所述培养基装入具塞锥形瓶中，按按体积比1％-5％接种兼氧硫酸盐还原菌后培养5天。
在步骤(1)中，以质量浓度计算，所述培养基由以下物质组成：0.5g/L的磷酸氢二钾、1.0g/L的氯化铵、1.0g/L的硫酸钠、0.1g/L的氯化钙、2.0g/L的七水合硫酸镁、0.5g/L的乙醇、1.0g/L的酵母膏。
在步骤(1)中，在所述转培中，接种的体积比1％-5％。
在步骤(2)中，以质量浓度计算，所述复合碳源培养液由以下物质组成：0.5g/L的磷酸氢二钾、1.0g/L的氯化铵、1.0g/L的硫酸钠、0.1g/L的氯化钙、2.0g/L的七水合硫酸镁、1.0g/L的酵母膏、10～20g/L的聚乙烯醇、3～5g/L海藻酸钠、100～500g/L的污泥、0.5～1g/L的麦芽糊精、0～5g/L的乙醇。
所述污泥的含碳量超过30％，所述污泥的pH值大于7。
本发明的有益效果为：
(1)采用纯化菌种与矿渣堆积场浸出水培育出可在有氧环境中生长的兼氧硫酸盐还原菌，克服了传统硫酸盐还原菌不耐氧的局限；
(2)研制出独特的复合碳源配方供兼氧硫酸盐还原菌长期生长，发挥长效稳定作用，喷淋液中添加的乙醇能作为电子供体与碳源直接被兼氧硫酸盐还原菌利用，同时麦芽糊精与污泥可被污泥中的其他微生物降解成小分子碳源，为兼氧硫酸盐还原菌提供碳源，故而利用污泥、麦芽糊精、乙醇作为复合碳源可以节省费用、资源再利用、源源不断的为微生物提供生长必须物质，且价格经济；
(3)聚乙烯醇和海藻酸钠作为凝胶基质固定污泥及细菌；
(4)加入适量碱性污泥，增加喷淋液的碱度，中和废石氧化产生的酸度，提升体系pH，有利于兼氧硫酸盐还原菌的大量繁殖，从而利用其生长代谢还原硫酸盐；
(5)除氮源和复合碳源外，本技术不需其他外加辅助药剂，充分利用废矿石中含有的硫酸盐和金属元素，避免了添加化学药剂造成二次污染的问题；
(6)硫酸盐还原菌在废矿石表面形成包覆生物膜，创造独特的微还原环境，有效防止废矿石中硫化物的氧化和重金属的释放。
具体实施方式
下面对本发明优选的实施例进一步说明：
一种基于兼氧硫酸盐还原菌膜包覆的硫废矿石稳定化处理方法，该方法包括以下步骤：
(1)兼氧硫酸盐还原菌富集培养：向培养基中按体积比1％-5％接种兼氧硫酸盐还原菌进行培养，当体系释放的硫化氢使醋酸铅试纸变黑时，取部分培养液进行转培，重复此富集培养操作30天；
(2)接种于复合碳源培养液：按体积比2％-10％，将步骤(1)中富集培养得到的兼氧硫酸盐还原菌接种于配制好的复合碳源培养液；
(3)废矿石表面微生物挂膜：在废矿石堆的下游设置排水渠，在废矿石堆上方喷淋步骤(2)得到的接种了兼氧硫酸盐还原菌的复合碳源培养液，待溶液从废石堆下方排水渠排出后，用泵将溶液抽提到废石堆上方循环喷淋，直至出水pH高于5.0，硫酸根浓度小于250mg/L；
(4)表面硬化：在废矿石堆表面覆盖石英砂、土壤后喷淋含有碳酸盐矿化菌的生物溶液形成生物水泥；
(5)生物结皮：在生物水泥表面植覆由细菌、真菌、苔藓、藻类和地衣等复合形成的生物结皮。增强表层的稳定性，降低表层随风力和水力的侵蚀。
目前，国内还未出现利用兼氧硫酸盐还原菌，加入乙醇、污泥、麦芽糊精等作为碳源、氮源补充微生物生长代谢必需物质，对硫酸盐产生还原作用并且产生碱度，结合生物水泥的覆盖作用对含硫废矿石进行稳定化处理的技术记载。本发明的方法基于兼氧硫酸盐还原菌的代谢作用包裹含硫废矿石对其进行稳定化处理技术，对修复含硫废矿石污染、升高酸性矿山废矿石淋滤液pH、降低重金属污染等，均有十分重要的意义。
在步骤(1)中，将所述培养基装入具塞锥形瓶中，按按体积比1％-5％接种兼氧硫酸盐还原菌后培养5天。在步骤(1)中，以质量浓度计算，所述培养基由以下物质组成：0.5g/L的磷酸氢二钾、1.0g/L的氯化铵、1.0g/L的硫酸钠、0.1g/L的氯化钙、2.0g/L的七水合硫酸镁、0.5g/L的乙醇、1.0g/L的酵母膏。在步骤(1)中，在所述转培中，接种的体积比1％-5％。
在步骤(2)中，以质量浓度计算，所述复合碳源培养液由以下物质组成：0.5g/L的磷酸氢二钾、1.0g/L的氯化铵、1.0g/L的硫酸钠、0.1g/L的氯化钙、2.0g/L的七水合硫酸镁、1.0g/L的酵母膏、10～20g/L的聚乙烯醇、3～5g/L海藻酸钠、100～500g/L的污泥、0.5～1g/L的麦芽糊精、0～5g/L的乙醇。所述污泥的含碳量超过30％，所述污泥的pH值大于7。
下面结合具体的中试实验对本发明做进一步的阐述。对目标含硫废矿石粒径＜2cm。本方案中在室温下取规格为Φ30×300mm的柱子，分别加入200g的含硫废矿石，兼氧硫酸盐还原菌接种量为2％，其实验方法为：富集兼氧硫酸盐还原菌菌液后，取定量菌液至实验柱中，选择乙醇作为唯一碳源，乙醇浓度为0.1～0.5g/L，间断加入乙醇，不连续进水。每7天取出水样，经0.45μm滤膜过滤后检测溶液的pH、SO4 2-浓度、Fe3+浓度、Fe2+浓度，与重金属Cu、As、Pb浓度。
pH的测定依据GB/T 6920-86，SO4 2-浓度的测定依据HJ/T342-2007，Fe3+浓度、Fe2+浓度的测定依据HJ/T342-2007，重金属Cu、As、Pb含量的测定依据HJ 776-2015。
测试结果显示，含硫废矿石经兼氧硫酸盐还原菌稳定化之后，pH显著提高，重金属危害降低；SO4 2-浓度显著降低，最低时可达到出水0mg/L。兼氧硫酸盐还原菌对含硫废矿石进行生物膜包覆后可以稳定废矿石，降低含硫废矿石对环境的污染和危害。
本发明的方法能够将废矿石氧化释放的硫酸根转化为硫离子，通过生成重金属硫化物的方式固定游离态重金属，并在这一过程中产生碱度以中和酸性废水。同时，兼氧硫酸盐还原菌在废矿石表面形成包覆生物膜，创造独特的微还原环境，有效防止废矿石中硫化物的氧化和重金属的释放。
尽管已经对本发明的技术方案做了较为详细的阐述和列举，应当理解，对于本领域技术人员来说，对上述实施例做出修改或者采用等同的替代方案，这对本领域的技术人员而言是显而易见，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种基于兼氧硫酸盐还原菌膜包覆的硫废矿石稳定化处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)兼氧硫酸盐还原菌富集培养：向培养基中按体积比1％-5％接种兼氧硫酸盐还原菌进行培养，当体系释放的硫化氢使醋酸铅试纸变黑时，取部分培养液进行转培，重复此富集培养操作30天；
(2)接种于复合碳源培养液：按体积比2％-10％，将步骤(1)中富集培养得到的兼氧硫酸盐还原菌接种于配制好的复合碳源培养液；
(3)废矿石表面微生物挂膜：在废矿石堆的下游设置排水渠，在废矿石堆上方喷淋步骤(2)得到的接种了兼氧硫酸盐还原菌的复合碳源培养液，待溶液从废石堆下方排水渠排出后，用泵将溶液抽提到废石堆上方循环喷淋，直至出水pH高于5.0，硫酸根浓度小于250mg/L；
(4)表面硬化：在废矿石堆表面覆盖石英砂、土壤后喷淋含有碳酸盐矿化菌的生物溶液形成生物水泥；
(5)生物结皮：在生物水泥表面植覆由细菌、真菌、苔藓、藻类和地衣等复合形成的生物结皮。
2.根据权利要求1所述的一种基于兼氧硫酸盐还原菌膜包覆的硫废矿石稳定化处理方法，其特征在于：在步骤(1)中，将所述培养基装入具塞锥形瓶中，按按体积比1％-5％接种兼氧硫酸盐还原菌后培养5天。
3.根据权利要求2所述的一种基于兼氧硫酸盐还原菌膜包覆的硫废矿石稳定化处理方法，其特征在于，以质量浓度计算，所述培养基由以下物质组成：0.5g/L的磷酸氢二钾、1.0g/L的氯化铵、1.0g/L的硫酸钠、0.1g/L的氯化钙、2.0g/L的七水合硫酸镁、0.5g/L的乙醇、1.0g/L的酵母膏。
4.根据权利要求1所述的一种基于兼氧硫酸盐还原菌膜包覆的硫废矿石稳定化处理方法，其特征在于：在步骤(1)中，在所述转培中，接种的体积比1％-5％。
5.根据权利要求1所述的一种基于兼氧硫酸盐还原菌膜包覆的硫废矿石稳定化处理方法，其特征在于：在步骤(2)中，以质量浓度计算，所述复合碳源培养液由以下物质组成：0.5g/L的磷酸氢二钾、1.0g/L的氯化铵、1.0g/L的硫酸钠、0.1g/L的氯化钙、2.0g/L的七水合硫酸镁、1.0g/L的酵母膏、10～20g/L的聚乙烯醇、3～5g/L海藻酸钠、100～500g/L的污泥、0.5～1g/L的麦芽糊精、0～5g/L的乙醇。
6.根据权利要求5所述的一种基于兼氧硫酸盐还原菌膜包覆的硫废矿石稳定化处理方法，其特征在于：所述污泥的含碳量超过30％，所述污泥的pH值大于7。
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