CN112642090A - 一种缓释长效滞固重金属的微生物复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缓释长效滞固重金属的微生物复合材料及其制备方法，复合材料由1～10%的复合菌剂、1～10%的交联剂和80～98%的载体材料组成。制备时首先筛选高效固化/稳定化重金属菌剂，其次以交联剂凝胶为支架负载微生物营养物质，然后以多孔材料为基质挂生物膜，将功能型微生物缓释材料和营养缓释型材料混合即得。本发明的材料能够有效固化/稳定化选冶渣中重金属，且效果持久，具有广阔的市场应用前景。

Description

一种缓释长效滞固重金属的微生物复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及重金属的微生物复合材料，属于选冶渣重金属污染修复技术领域。

背景技术

矿产资源是我国社会经济发展的重要支柱。随着矿业开发力度的加大，产生了大量固体废弃 物，如废石、尾矿和冶炼渣等。仅2018年，尾矿产生量为8.8亿吨，治炼废渣产生量为3.7 亿吨，炉渣产生量为3.1亿吨，选冶渣重金属含量较高，通过大气传输、地表径流和地下水 迁移扩散，导致矿区及其周边土壤重金属污染等系列环境问题。重金属破坏环境微生物和植 物群落结构，或进入食物链引发食品安全、危及人类健康，因此，矿山重金属污染问题亟待 解决。

根据重金属和固化材料相互作用机理，重金属污染土壤修复技术大致分为物理修复、化 学修复和生物修复三大类。物理修复采取翻土、换土和客土等三种方法，具有快速、彻底、 稳定的特点，但工程量较大、投资大。化学修复包括固化/稳定化、淋洗、电化学方法、浮 选法等，存在成本高、易产生二次污染等问题。生物修复是利用某些特定动物、植物以及微 生物，较快地吸附转移或降解土壤中污染物，达到净化土壤或者安全利用的目的，具有高效、 绿色环保的优点，成为当前研究的热点。

美国超级基金最新公布的修复原则为绿色修复、原位修复和高效修复，代表着未来场地 修复技术的发展方向。微生物原位修复采用向污染土壤或选冶渣喷洒菌剂，并提供营养物 质。若停止供给菌剂和营养物质，随着营养物质的消耗，细菌持续繁殖能力弱，体系细菌浓 度降低，重金属阻滞能力减弱或丧失。因此亟需一种缓释长效滞固重金属的微生物复合材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种缓释长效滞固重金属的微生物复合材料及其制备方法，为长效 高效修复重金属污染的选冶渣或土壤提供技术服务。

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种缓释长效滞固重金属的微生物复合材料，其特征在于，它的组分及各重量百分含量 为：

A、复合菌剂1～10％、

B、交联剂1～10％、

C、载体材料80～98％。

所述的复合菌剂由硫酸盐还原菌、枯草芽孢杆菌、灵芝真菌、酵母菌和嗜酸性氧化亚铁 菌等中的一种或几种细菌混合组成，扩大培养后的菌体等量混合；所述的交联剂为壳聚糖、 聚乙烯醇、聚氨酯、海藻酸盐、明胶；所述的载体材料为硅藻土、沸石、蒙脱石、生物炭。

一种权利要求1所述的缓释长效滞固重金属的微生物复合材料的制备方法，依次包括如 下步骤：

A、营养缓释型材料制备：以水玻璃、聚乙烯醇、聚氨酯、海藻酸盐和明胶等中的一种 或几种为交联剂，将交联剂溶于高浓度微生物培养基溶液，培养基组分相对含量不变，各组 分浓度为正常值的2～30倍，喷洒CaCl2水溶液、稀硫酸、稀醋酸等中的一种或多种，-4～-8℃冷冻形成凝胶，最后经过-85～-40℃冷冻干燥(优选48～144h，更优选72～96h) 形成多孔结构，通过剪切破碎获得多孔负载高浓度营养物质的凝胶颗粒(粒度小于5.0mm)，即获得营养缓释型材料；

B、负载功能型微生物缓释材料制备：以硅藻土、沸石、蒙脱石和生物炭等中的一种或 几种为载体材料，破碎至粒度小于2mm，利用填料塔式细菌氧化法等，将微生物培养溶液反复喷洒到载体材料表面，温度范围为20～35℃，待载体材料表面形成完整生物膜后，利用蒸馏水清洗载体表面未牢固吸附的菌体，重复洗涤3～6次，然后在25～35℃风干，即 得负载功能型微生物缓释材料；

C、缓释长效滞固重金属的微生物复合材料制备：按照1：2～10比例，将功能型微生物 缓释材料和营养缓释型材料混合，即得一种缓释长效滞固重金属的微生物复合材料。

本发明获得一种缓释长效滞固重金属的微生物复合材料，用于固化/稳定化选冶渣中的 重金属，具体应用为：将制备完成的缓释长效滞固重金属的微生物复合材料，分三层分别置 于选冶渣堆表面下0.5米、1.7米和2.9米处，每层微生物材料厚度0.2米左右，保持渣堆湿 润，雨季主要靠降雨保持渣堆湿润，利于固化菌剂迁移，干季适量喷水。将功能型微生物缓 释材料和营养缓释型材料混合，形成固化/稳定化重金属微生物高密度区域，微生物缓慢迁 移到达渣堆各部位，固化/稳定化重金属，降低选冶渣中重金属生物有效性，由于菌剂和营 养物质的载体材料的特殊结构和构造，能保持细菌长期缓慢繁殖，并保持较高的菌剂密度， 逐渐向渣堆释放微生物菌剂，维持渣堆各部位有合适固化/稳定化重金属微生物密度，进而 实现选冶渣堆中重金属的长效滞固。采用该应用方案三个月之后，间隔3个月连续取样，持 续监测3年，分析重金属形态和细菌密度，分析结果表明，三个月后渣堆中重金属生物有效 性降低90％以上，渣堆中各部位微生物浓度保持在1×10⁷～3×10⁹个/g之间，实现了选冶渣 中重金属长效高效阻隔，该方法在环境温度下进行，无需额外投加大量微生物菌剂，反应温 和且环境友好，适合工业化推广应用。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于此：

实施例1：

①制备微生物菌剂，以硫酸盐还原菌(Sulfate-Reducing Bacteria，简称SRB)为固化/ 稳定化菌剂，扩大培养后，获得所需微生物。

②制备营养缓释型材料：将海藻酸钠溶于微生物营养液，其中：K₂HPO₄ 15g/L、Na₂SO₄ 30g/L、CaCl₂·2H₂O 60g/L、MgSO₄·7H₂O 60g/L、60％乳酸钠60g/L和酵母膏30g/L，后 于4℃冷冻至呈粘稠状，喷洒CaCl₂水溶液，-4～-8℃冷冻形成凝胶，最后经过75～85℃冷 冻干燥(优选48～144h，更优选72～96h)形成多孔结构，通过剪切破碎获得多孔负载高浓 度营养物质的凝胶颗粒(粒度小于5.0mm)，即获得营养缓释型材料。

③制备负载功能型微生物缓释材料：以硅藻土和沸石为载体材料(比例为1:1)，破碎至 粒度小于2mm，浸没于硫酸盐还原菌培养溶液中，温度范围为20～35℃，待载体材料表面 形成完整生物膜后，清洗载体表面未牢固吸附的菌体，重复洗涤3～6次，然后在25～35℃ 风干，既得负载功能型微生物缓释材料。

④按照1：3比例，将功能型微生物缓释材料和营养缓释型材料混合，既得一种缓释长 效滞固重金属的微生物复合材料。

⑤按照应用技术方案，用于治理铅超标的选冶渣。

实施例2：

①制备微生物菌剂，以硫酸盐还原菌(Sulfate-Reducing Bacteria，简称SRB)和嗜酸性 氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans，简称A.f)为固化/稳定化菌剂，扩大培养后 的菌体等量混合。

②制备营养缓释型材料：将水玻璃溶于微生物营养液(pH值为4.0～6.5之间)，其中： (NH₄)₂SO₄60 g/L、K₂HPO₄23 g/L、Na₂SO₄ 30g/L、CaCl₂·2H₂O 60g/L、MgSO₄·7H₂O 68g/L、 60％乳酸钠60g/L和酵母膏30g/L。静置固态化，最后经过75～85℃冷冻干燥(优选48～144h，更优选72～96h)形成多孔结构，通过剪切破碎获得多孔负载高浓度营养物质的凝胶颗粒(粒度小于5.0mm)，即获得营养缓释型材料。

③制备负载功能型微生物缓释材料：以蒙脱石和生物炭为载体材料(比例为1:1)，破碎 至粒度小于2mm，浸没于硫酸盐还原菌和嗜酸性氧化亚铁硫杆菌混合菌剂培养溶液中，温 度范围为20～35℃，待载体材料表面形成完整生物膜后，清洗载体表面未牢固吸附的菌体， 重复洗涤3～6次，然后在25～35℃风干，既得负载功能型微生物缓释材料。

④按照1：4比例，将功能型微生物缓释材料和营养缓释型材料混合，既得一种缓释长 效滞固重金属的微生物复合材料。

⑤按照应用技术方案，用于治理铜和镉超标的选冶渣。

实施例3：

①制备微生物菌剂，以枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)和嗜酸性氧化亚铁硫杆菌 (Acidithiobacillusferrooxidans，简称A.f)为固化/稳定化菌剂，扩大培养后的菌体等量混合。

②制备营养缓释型材料：将利用醋酸配制的壳聚糖溶于微生物营养液(pH值为4.0～6.5 之间)，其中：(NH₄)₂SO₄60 g/L、K₂HPO₄8 g/L、MgSO₄·7H₂O 8g/L、KCl3.0 g/L、蛋白胨300 g/L、酵母提取物150g/L、氯化钠300g/L。加入适量戊二醛溶液，静置成胶后，-50℃下真空冷冻干燥(12～48h，优选24h)，形成多孔结构，通过剪切破碎获得多孔负载高浓度营 养物质的凝胶颗粒(粒度小于5.0mm)，即获得营养缓释型材料。

③制备负载功能型微生物缓释材料：以沸石和生物炭为载体材料(比例为1:1)，破碎至 粒度小于2mm，利用填料塔式细菌氧化器，将枯草芽孢杆菌和嗜酸性氧化亚铁硫杆菌混合 培养溶液反复喷洒到载体材料表面，温度范围为20～35℃，待载体材料表面形成完整生物 膜后，利用蒸馏水清洗载体表面未牢固吸附的菌体，重复洗涤3～6次，然后在25～35℃ 风干，既得负载功能型微生物缓释材料。

④按照1：5比例，将功能型微生物缓释材料和营养缓释型材料混合，既得一种缓释长 效滞固重金属的微生物复合材料。

⑤按照应用技术方案，用于治理铅和镉超标的选冶渣。

分别对本发明应用实例1-3进行重金属固化/稳定化效果检测，检测结果如表1所示：

生物有效性：基于欧共体修正的BCR顺序提取法，依次提取可交换态(T₁)、可还原态(T₂)、可氧化态(T₃)和残渣态(T₄)，生物有效性计算公式如下：

采集选冶渣堆5米深处的样品，运用BCR法分析修复前后选冶渣重金属形态，计算生 物有效性，多点取样分析，取平均值，并计算修复后生物有效性降低率。

选冶渣中细菌密度的测定：采用平板培养菌落计数法，测定选冶渣堆5米深处的细菌密 度，多点取样分析，取平均值。

表1性能检测结果

从表1可以看出，采用缓释长效滞固重金属的微生物复合材料后，选冶渣重金属生物有 效性快速降低，连续3年监测，选冶渣中细菌保持较高密度，重金属生物有效性基本稳定， 表明本发明的材料能够有效固化/稳定化选冶渣中重金属，且效果持久，具有广阔的市场前 景。

Claims (5)

1. 种缓释长效滞固重金属的微生物复合材料，其特征在于，它的组分及各组分的质量百分含量为：

A、复合菌剂1～10%、

B、交联剂1～10%、

C、载体材料80～98%。

2.据权利要求1所述的缓释长效滞固重金属的微生物复合材料，其特征在于，所述的复合菌剂由硫酸盐还原菌、枯草芽孢杆菌、灵芝真菌、酵母菌和嗜酸性氧化亚铁菌等中的一种或几种细菌混合组成，扩大培养后的菌体等量混合。

3.据权利要求1所述的缓释长效滞固重金属的微生物复合材料，其特征在于，所述的交联剂为壳聚糖、聚乙烯醇、聚氨酯、海藻酸盐、明胶。

4.据权利要求1所述的缓释长效滞固重金属的微生物复合材料，其特征在于，所述的载体材料为硅藻土、沸石、蒙脱石、生物炭。

5.种权利要求1所述的缓释长效滞固重金属的微生物复合材料的制备方法，依次包括如下步骤：

A、营养缓释型材料制备：以水玻璃、聚乙烯醇、聚氨酯、海藻酸盐和明胶等中的一种或几种为交联剂，将交联剂溶于高浓度微生物培养基溶液，培养基组分相对含量不变，各组分浓度为正常值的2～30倍，喷洒CaCl₂水溶液、稀硫酸、稀醋酸等中的一种或多种，-4～-8 ℃冷冻形成凝胶，最后经过-85～-40 ℃冷冻干燥（优选48～144 h，更优选72～96 h）形成多孔结构，通过剪切破碎获得多孔负载高浓度营养物质的凝胶颗粒（粒度小于5.0mm），即获得营养缓释型材料；

B、负载功能型微生物缓释材料制备：以硅藻土、沸石、蒙脱石和生物炭等中的一种或几种为载体材料，破碎至粒度小于2 mm，利用填料塔式细菌氧化法等，将微生物培养溶液反复喷洒到载体材料表面，温度范围为20～35 ℃，待载体材料表面形成完整生物膜后，利用蒸馏水清洗载体表面未牢固吸附的菌体，重复洗涤3～6次，然后在25～35 ℃风干，即得负载功能型微生物缓释材料；

C、缓释长效滞固重金属的微生物复合材料制备：按照1：2～10比例，将功能型微生物缓释材料和营养缓释型材料混合，即得一种缓释长效滞固重金属的微生物复合材料。