CN111534689A - 一种利用纺锤形赖氨酸芽孢杆菌和生石灰矿化固定尾矿重金属的方法 - Google Patents

一种利用纺锤形赖氨酸芽孢杆菌和生石灰矿化固定尾矿重金属的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用纺锤形赖氨酸芽孢杆菌和生石灰矿化固定尾矿重金属的方法；利用生石灰提高微生物矿化固定重金属的效果，生石灰遇水会生成钙离子和氢氧根离子，生成的钙离子可以提供微生物钙化所需的钙源，氢氧根离子可以提高尾矿固化体系的pH，纺锤形赖氨酸芽孢杆菌生成更多碳酸钙晶体固定重金属的同时与生石灰同时胶结尾矿颗粒，从而降低尾矿浸出液中的铅离子、铜离子、锌离子、镍离子的浓度，大大降低了尾矿中重金属浸出流入附近土壤和河流的可能，避免了大范围的环境污染。同时固化体具有一定的抗压强度，为尾矿的资源化利用提供了一条可行的思路。

Description

一种利用纺锤形赖氨酸芽孢杆菌和生石灰矿化固定尾矿重金 属的方法
技术领域
本发明涉及环境工程技术领域，尤其是有色金属细粒尾矿的固化，是一种利用纺锤形赖氨酸芽孢杆菌和生石灰矿化固定尾矿重金属的方法。
背景技术
矿产资源被认为是国家发展和人类赖以生存的物质基础，在矿产资源的开发利用过程中会产生工业废弃物尾矿，尾矿中含有大量可浸出的重金属，大量尾矿产生后随时间推移会导致一系列的环境问题，已经成为我国矿业经济发展和矿业城市可持续发展的瓶颈问题，更对人类的健康和安全造成了一定威胁。
利用微生物诱导的碳酸盐沉淀技术处理重金属污染的场地已经被广泛研究，在尿素降解菌等具有钙化的微生物的作用下，在诱导形成碳酸钙沉淀的过程中，主要形成三种晶型的碳酸钙沉淀，分别是：文石、方解石、球霰石。在这个沉淀的过程中，会将重金属污染场地中的重金属纳入碳酸钙的晶格中或者替换沉淀中的Ca2+，将重金属包裹在形成的碳酸钙中，且其具有一定的强度，能够减少场地中重金属的迁移，同时表面的固化体可以有效抑制尾矿堆表面扬尘的迁移，从而抑制尾矿的污染。
一些研究通过从岩溶洞中分离真菌钙化形成碳酸盐用于生物矿化过程中的重金属修复，研究发现大多数的真菌具有尿素分解作用，表明了尿素底物的高可用性，说明了尿素降解菌可以用于诱导碳酸盐沉淀的生成，真菌在有效产生方解石的同时，可与重金属Pb和放射性核素Sr生成碳酸盐的共沉淀物。表明微生物诱导的碳酸盐沉淀技术是一种用于修复重金属污染场地产生稳定方解石的潜在技术，但是现有的微生物矿化技术所达到的作用并不是很理想，需要进一步的提高场地的修复效果可以从添加助剂的角度来提高重金属的固定效果，从而削减尾矿淋滤液中的重金属浓度。
现有助剂的添加主要是生物絮凝剂类物质、黏土类物质或零价铁。Annette等使用生物絮凝剂用于砂体固结研究发现，生物絮凝剂将在砂粒之间形成钙质桥梁网络，晶体可以固结在砂体的表面。Jing Zhang等将微生物诱导的方解石沉淀过程与生物炭结合，改善Ni的修复的研究中发现，生物炭显示出对生物方解石的抑制作用并抑制了Ni的修复，同时FTIR和XRD解揭示了MICP过程中生物炭作用后碳酸盐结构的解离。
综上所述可知，提高微生物矿化去除重金属的效果有待进一步的研究，生石灰自身作为胶凝材料存在，但同时由于其主要以氧化钙的形式存在，可作为微生物利用钙源的补充，提高微生物的钙化率，从而提高其固定重金属的能力，这种具有多种功能的微生物固化助剂的添加可以作为一种新技术提出用于尾矿重金属污染的治理。
发明内容
为了解决尾矿的重金属污染，进一步提高微生物钙化固定重金属的效果，本发明的目的在于提出一种使用生石灰促进微生物矿化固定尾矿重金属的方法，使其能够有效解决尾矿重金属污染的问题。
本发明是通过以下的技术方案来实现的：使用一种或多种对重金属具有耐受能力且能产生脲酶分解尿素的细菌，在利用细菌钙化固定重金属的同时添加一定比例的生石灰提高重金属的固定效果。由于生石灰遇水可以产生大量的钙离子和氢氧根离子，生石灰在提供微生物钙化所需钙源的同时起到胶凝材料的特性，在提高微生物钙化率的同时胶结固化尾矿中的重金属。生石灰提供的大量钙源可以促使微生物分解尿素生成更多的碳酸钙，在生成碳酸钙的同时将重金属纳入矿物晶格，或者包裹在矿物中，实现重金属的固定。使用TCLP评价重金属的固定效果，在不添加生石灰的情况下微生物固化尾矿中的重金属时，对铜镍尾矿浸出液中的铜、镍的削减率分别为22％-28％、23％-29％，在添加一定比例的生石灰后，可以将铜、镍的削减率分别提高到94.41％、97.32％；对金尾矿浸出液中的铅、锌的削减率分别为34-36％、29-34％，在添加一定比例的生石灰后，可以将铜、镍的削减率分别提高到98.06％、100％。
本发明提供的一种利用纺锤形赖氨酸芽孢杆菌和生石灰矿化固定尾矿重金属的方法，该方法具体步骤如下：
第一步：将购买的纺锤形赖氨酸芽孢杆菌在25-30℃、100-150rpm的摇床中培养10-16h进行活化，活化后的纺锤形赖氨酸芽孢杆菌再次接种到配置浓度为0.018g/L的营养肉汤培养基中置于转速为100-150rpm的摇床上扩大培养1至3天后得到微生物菌液，培养条件为温度20℃-30℃，固化处理尾矿前使用营养肉汤培养基将微生物菌液浓度稀释至OD600＝1.0-1.5；
第二步：取得一定质量的尾矿，按生石灰/尾矿的质量比例为5％-9％向尾矿中加入生石灰，搅拌混合均匀后得到混合样品备用；
第三步：在第一步中得到的OD600＝1.0-1.5的微生物菌液中加入尿素和无水氯化钙固体充分振荡使其完全溶解并混合均匀，得到含有质量分数为2％-8％的尿素和0-40mM的钙离子的混合菌液；
第四步：按照液/固比例为0.3-0.6ml/g在第二步备用的混合样品中加入第三步中得到的混合菌液，充分搅拌使其均匀得到尾矿混合体；
第五步：第四步中的尾矿混合体转移到模具中进行固化，固化温度为20-30℃，固化周期为10-20天。
进一步地，在不添加生石灰的情况下，微生物固化对铜镍尾矿浸出液中的铜、镍的削减率分别为22％-28％、23％-29％；对金尾矿浸出液中的铅、锌的削减率分别为34-36％、29-34％。
进一步地，所述的重金属可以是Cu、Ni、Pb、Zn中的一种或多种。
进一步地，使用标准TCLP浸出铜镍尾矿处理前后的样品，浸出液中Cu的削减率最大达到94.41％、Ni的削减率最大达到97.32％；金尾矿处理前后样品浸出液中Pb的削减率最大达到97.63％、Zn的削减率最大达到100％。
本发明首次公开了使用生石灰提高微生物钙化过程固定重金属的能力，生石灰在整个尾矿的固化体系中起到双重作用，首先是为微生物钙化提供了大量的钙源，其次少量生石灰遇水会提高尾矿固化体系的pH，有利于碳酸钙的生成，同时也发挥自身胶凝材料的特性，使尾矿颗粒胶结成为具有一定强度的块体，生成的消石灰通过纺锤形赖氨酸芽孢杆菌和生石灰的生物固化作用和无机胶凝作用，固化细粒尾矿，使其固化成块，同时固定尾矿中的铜离子、镍离子、锌离子、铅离子等重金属离子，降低尾矿中重金属的淋出率，抑制尾矿重金属的淋出，大大降低了尾矿中重金属浸出流入附近土壤和河流的可能，避免了大范围的环境污染，降低了其对周围环境污染的可能，降低生态风险。基于上述所述，纺锤形赖氨酸芽孢杆菌和生石灰应用于尾矿中重金属的固化，具有治理尾矿污染保护环境的意义。
本发明的有益效果：
(1)生石灰可以部分或完全替代其他钙源，在微生物钙化过程中加入的生石灰来源广泛，价格低廉，相对其他微生物钙化过程成本较低，可广泛应用于产脲酶菌钙化固定重金属的过程。
(2)相对于原有的微生物固化技术，生石灰在固化体系中起到多重作用，提供钙源的同时提高了尾矿微生物固化体系的pH，有利于微生物固化过程中碳酸钙的生成，同时又利用自身胶凝材料的属性，对尾矿起到胶结作用。
(3)相对于原有的微生物矿化技术，尾矿中重金属的固定效果较好，可以削减尾矿淋滤液中95％左右的重金属；相对于其他助剂添加的生石灰不会导致二次污染，操作简单，生石灰在微生物钙化过程中有较大前景的应用。
附图说明
附图1为本发明利用纺锤形赖氨酸芽孢杆菌和生石灰固化细粒尾矿方法流程框图。
具体的实施方式
本发明不受下述实施例的限制，可以根据本发明的技术方案和实际情况来具体确定实施方式。本发明中所提到的各种化学试剂和化学药品如无特殊说明，均为现有技术中公知公用的化学试剂和化学药品。
本发明利用中国北京北纳生物菌种保存库中购得的一株产脲酶菌--纺锤形赖氨酸芽孢杆菌Lysinibacillus fusiformis、编号为BNCC209606，固化胶结尾矿的同时，实现尾矿中重金属的固定。
如图1所示，本发明提供的一种利用纺锤形赖氨酸芽孢杆菌和生石灰矿化固定尾矿重金属的方法，该方法具体步骤如下：
第一步：将国药化学试剂网站上购买的纺锤形赖氨酸芽孢杆菌在25-30℃、100-150rpm的摇床中培养10-16h进行活化，活化后的纺锤形赖氨酸芽孢杆菌再次接种到配置浓度为0.018g/L的营养肉汤培养基中置于转速为100-150rpm的摇床上扩大培养1至3天后得到微生物菌液，培养条件为温度20℃-30℃，固化处理尾矿前使用营养肉汤培养基将微生物菌液浓度稀释至OD600＝1.0-1.5；
第二步：取得一定质量的尾矿，按生石灰/尾矿的质量比例为5％-9％向尾矿中加入生石灰，搅拌混合均匀后得到混合样品备用；
第三步：在第一步中得到的OD600＝1.0-1.5的微生物菌液中加入尿素和无水氯化钙固体充分振荡使其完全溶解并混合均匀，得到含有质量分数为2％-8％的尿素和0-40mM的钙离子的混合菌液；
第四步：按照液/固比例为0.3-0.6ml/g在第二步备用的混合样品中加入第三步中得到的混合菌液，充分搅拌使其均匀得到尾矿混合体；
第五步：第四步中的尾矿混合体转移到模具中进行固化，固化温度为20-30℃，固化周期为10-20天。
本发明在不添加生石灰的情况下，微生物固化对铜镍尾矿浸出液中的铜、镍的削减率分别为22％-28％、23％-29％；对金尾矿浸出液中的铅、锌的削减率分别为34-36％、29-34％。
本发明中所述的重金属可以是Cu、Ni、Pb、Zn中的一种或多种。
本发明使用标准TCLP浸出铜镍尾矿处理前后的样品，浸出液中Cu的削减率最大达到94.41％、Ni的削减率最大达到97.32％；金尾矿处理前后样品浸出液中Pb的削减率最大达到97.63％、Zn的削减率最大达到100％。
实施例中处理的铜镍尾矿取自新疆阿勒泰地区富蕴县喀拉通克铜镍尾矿库，尾矿的粒径＜100μm的含量为85％，且颗粒粒径都在1mm以下，pH＝6.63；金尾矿来源于内蒙古包头鑫达金矿尾矿库，尾矿的粒径＜100μm的含量为80％，且颗粒粒径都在1mm以下，pH＝8.48。
下面结合具体的实施例对本发明作进一步说明：
实施例1：
纺锤形赖氨酸芽孢杆菌和生石灰应用于铜镍尾矿中重金属固定的方法，按下述方法进行：第一步：使用从国药化学试剂网站上购买的营养肉汤培养基，配置浓度为0.018g/ml的液体培养基，在121℃下灭菌30min冷却后，将买来的纺锤形赖氨酸芽孢杆菌在25℃、100rpm的摇床中培养10h进行活化，将活化后的纺锤形赖氨酸芽孢杆菌接种到培养基中置于转速为100rpm的摇床上扩大培养1天后，得到微生物浓度为OD600＝1.0-2.0的菌液，培养条件为温度20℃，固化处理尾矿前使用0.018g/ml的营养肉汤培养基将菌液浓度稀释至OD600＝1.0或1.2；第二步：称取铜镍尾矿样品65g，对于每65g尾矿分别按生石灰/铜镍尾矿质量比为0、5％、7％、9％加入一定质量的生石灰，搅拌混合均匀；第三步：在第一步中得到的OD600＝1.0或1.2的菌液中加入尿素和无水氯化钙固体，使其完全溶解并振荡均匀得到的混合菌液中含有2％、4％、6％、8％的尿素及0、20或40mM的钙离子；第四步：按照液固比例为0.3或0.4ml/g在第二步待处理的混合样品中加入第三步中得到的混合菌液，充分搅拌使其均匀得到尾矿混合体；第五步：第四步中的尾矿混合体转移到模具中进行固化，表1中序号1-4固化温度为20℃，成型后脱模自然风干，固化周期为10天、12天(如表1)；序号5-8固化温度为30℃，成型后脱模自然风干，固化周期为15天、20天(如表1)。固化周期结束后，使用TCLP标准浸出方法浸出处理前后的铜镍尾矿，使用ICP-OES测定尾矿浸出液中的重金属浓度，计算尾矿浸出液中的重金属削减率，评估纺锤形赖氨酸芽孢杆菌和生石灰固定重金属Cu、Ni的能力，不同实验组具体削减率如下表：
表1铜镍尾矿不同实验组浸出液中的Cu、Ni削减率
Figure BDA0002419578100000051
由表1可以看出，不同的菌液浓度、石灰/尾矿质量比、液固比、固化周期都会影响纺锤形赖氨酸芽孢杆菌和生石灰固定重金属的效果，尤其是在7％的石灰/尾矿质量比、生物量浓度OD600＝1.2、20mM的Ca2+浓度、8％的尿素添加量，液固比为0.4、固化周期为15d的条件下，浸出液中Cu、Ni的削减率可分别达到94.41％和97.32％。
实施例2：
纺锤形赖氨酸芽孢杆菌和生石灰应用于金尾矿中重金属固定的方法，按下述方法进行：第一步：使用从国药化学试剂网站上购买的营养肉汤培养基，配置浓度为0.018g/ml的液体培养基，在121℃下灭菌30min冷却后，将买来的纺锤形赖氨酸芽孢杆菌在30℃、150rpm的摇床中培养16h进行活化，将活化后的纺锤形赖氨酸芽孢杆菌接种到培养基中置于转速为150rpm的摇床上扩大培养3天后，得到微生物浓度为OD600＝1.0-2.0的菌液，培养条件为温度30℃，固化处理尾矿前使用0.018g/ml的营养肉汤培养基将菌液浓度稀释至OD600＝1.0或1.5；第二步：称取金尾矿样品65g，对于每65g尾矿分别按生石灰/金尾矿质量比为0％、5％、7％、9％加入一定质量的生石灰，搅拌混合均匀；第三步：在第一步中得到的OD600＝1.0或1.5的菌液中加入尿素和无水氯化钙固体，使其完全溶解并振荡均匀得到的混合菌液中含有2％、4％、6％、8％的尿素及0、20mM、40mM的钙离子；第四步：按照液固比例为0.35或0.6ml/g在第二步待处理的混合样品中加入第三步中得到的混合菌液，充分搅拌使其均匀得到尾矿混合体；第五步：第四步中的尾矿混合体转移到模具中进行固化，表2中序号1-4固化温度为20℃，成型后脱模自然风干，固化周期为10天、12天(如表2)；表2中序号5-8固化温度为30℃，成型后脱模自然风干，固化周期为15天、20天(如表2)。固化周期结束后，使用TCLP标准浸出方法浸出处理前后的金尾矿，使用ICP-OES测定尾矿浸出液中的重金属浓度，计算尾矿浸出液中的重金属削减率，评估纺锤形赖氨酸芽孢杆菌和生石灰固定重金属Cu、Ni的能力，不同实验组具体削减率如下表：
表2金尾矿不同实验组浸出液中的Pb、Zn削减率
Figure BDA0002419578100000061
由表2可以看出，不同的菌液浓度、石灰/尾矿质量比、液固比、固化周期都会影响纺锤形赖氨酸芽孢杆菌和生石灰固定重金属的效果，在7％的石灰/尾矿质量比、生物量浓度OD600＝1.5、20mM的Ca2+浓度、8％的尿素添加量，液固比为0.6、固化周期为15d的条件下，浸出液中Pb、Zn的削减率可分别达到98.06、99.97％。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种利用纺锤形赖氨酸芽孢杆菌和生石灰矿化固定尾矿重金属的方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：
第一步：将购买的纺锤形赖氨酸芽孢杆菌在25-30℃、100-150rpm的摇床中培养10-16h进行活化，活化后的纺锤形赖氨酸芽孢杆菌再次接种到配置浓度为0.018g/L的营养肉汤培养基中置于转速为100-150rpm的摇床上扩大培养1至3天后得到微生物菌液，培养条件为温度20℃-30℃，固化处理尾矿前使用营养肉汤培养基将微生物菌液浓度稀释至OD600＝1.0-1.5。
第二步：取得一定质量的尾矿，按生石灰/尾矿的质量比例为5％-9％向尾矿中加入生石灰，搅拌混合均匀后得到混合样品备用。
第三步：在第一步中得到的OD600＝1.0-1.5的微生物菌液中加入尿素和无水氯化钙固体充分振荡使其完全溶解并混合均匀，得到含有质量分数为2％-8％的尿素和0-40mM的钙离子的混合菌液。
第四步：按照液/固比例为0.3-0.6ml/g在第二步备用的混合样品中加入第三步中得到的混合菌液，充分搅拌使其均匀得到尾矿混合体。
第五步：第四步中的尾矿混合体转移到模具中进行固化，固化温度为20-30℃，固化周期为10-20天。
2.如权利要求1所述的一种利用纺锤形赖氨酸芽孢杆菌和生石灰矿化固定尾矿重金属的方法，其特征在于，在不添加生石灰的情况下，微生物固化对铜镍尾矿浸出液中的铜、镍的削减率分别为22％-28％、23％-29％；对金尾矿浸出液中的铅、锌的削减率分别为34-36％、29-34％。
3.如权利要求1所述的一种利用纺锤形赖氨酸芽孢杆菌和生石灰矿化固定尾矿重金属的方法，其特征在于，所述的重金属可以是Cu、Ni、Pb、Zn中的一种或多种。
4.如权利要求3所述的一种利用纺锤形赖氨酸芽孢杆菌和生石灰矿化固定尾矿重金属的方法，其特征在于，使用标准TCLP浸出铜镍尾矿处理前后的样品，浸出液中Cu的削减率最大达到94.41％、Ni的削减率最大达到97.32％；金尾矿处理前后样品浸出液中Pb的削减率最大达到97.63％、Zn的削减率最大达到100％。
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