CN113373139A

CN113373139A - 一种含重金属离子废水处理用固定化微生物材料及制备方法

Info

Publication number: CN113373139A
Application number: CN202110661080.5A
Authority: CN
Inventors: 胡嘉源; 史广宇; 李尚珂; 余志强
Original assignee: Foshan Nanhai Suke Environmental Research Institute; Suzhou University of Science and Technology
Current assignee: Foshan Nanhai Suke Environmental Research Institute; Suzhou University of Science and Technology
Priority date: 2021-06-15
Filing date: 2021-06-15
Publication date: 2021-09-10

Abstract

本发明涉及一种含重金属离子处理用固定化微生物材料及制备方法，所述固定化微生物材料包括包埋骨架以及包埋在所述包埋骨架内的产脲酶微生物、尿素和缓冲剂。本发明将尿素和产脲酶微生物包埋于包埋骨架中，有效解决了尿素加入酸性废水时易水解的难题，同时引入缓冲剂并包埋于包埋骨架中，有效解决了尿素的稳定存在，确保MICP过程能够顺利进行。用于处理含重金属离子废水时，重金属离子去除率高，且具有良好的解吸‑吸附能力，可以多次重复利用，降低重金属废水处理成本，具有良好的工程应用价值。

Description

一种含重金属离子废水处理用固定化微生物材料及制备方法

技术领域

本发明属于废水处理技术领域，具体涉及一种含重金属离子废水用固定化微生物材料及制备方法。

背景技术

镉（Cd）是一种危害极大的重金属元素，目前镉污染主要来自于采矿、电镀、电池等生产过程，通过工业排放的污水及降雨过程的冲刷等途径进入水体中的镉，严重危害水生动植物并通过食物链危害人体健康。当前小型电镀企业仍采用氢氧化物沉淀法去除破络后水体中重金属，一级处理时Cd²⁺、Cr²⁺等重金属离子未能达标，还需二级处理，此外水体中Ca² ⁺、Fe²⁺离子浓度过高，具有潜在生态危害。

现有的重金属污染水体的修复手段中，生物法相比较传统活性炭吸附、沉淀法、膜技术等物理化学手段具有成本低、能耗低、无二次污染等显著优点。但在电镀废水处理时，微生物易受高浓度污染物胁迫，导致其处理效果不佳。

MICP（微生物诱导碳酸钙沉淀）技术是目前新兴的重金属污染修复技术，其主要利用微生物诱导碳酸钙盐沉淀修复重金属污染水体，其中应用较为广泛的是利用产脲酶微生物代谢产生脲酶分解尿素，产生氨和碳酸，促进环境中碳酸盐的形成。

中国专利CN110713959A公开了用于重金属污染修复的微生物菌剂及其应用，微生物菌剂的原料按重量份计，包含1~2份的水生产碱菌、1~2份的枯草芽孢杆菌、90~100份的蛋白胨、15~20份的酵母膏、0.5~1份的磷酸高铁、30~40份的尿素、1000份的水、0.2~0.5份的氢氧化钠。将所述微生物菌剂的原料在37℃，120~130r/min振荡培养18h后可获得本发明的微生物菌剂。

该微生物菌剂以产生吸附或者沉积作用促进土壤和废水中重金属形态的转变和析出，通过向土壤和废水中加入复合微生物菌剂和尿素，在土壤和废水中培养和繁殖大量的水生产碱菌和枯草芽孢杆菌，通过分解尿素产生的碳酸氢根，在其作用下土壤和废水中重金属形成碳酸盐沉积达到去除重金属的目的。然而该微生物菌剂在加入含重金属离子的废水中后，尿素在含重金属离子的废水中容易分解，能被微生物分解的量大大降低，去除废水中的重金属离子主要依靠微生物自身的吸附作用。此外在被修复水体和土壤中引入外源微生物，易破坏土著微生物群落结构，引起土著微生物与外源微生物竞争，影响修复效果，带来潜在环境风险。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术中的重金属离子废水中尿素易水解、MICP过程无尿素难以顺利进行的难题，而提供一种固定化微生物材料。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种固定化微生物材料，所述固定化微生物材料包括包埋骨架以及包埋在所述包埋骨架内部的产脲酶微生物、尿素和缓冲剂。

根据本发明的一些实施方式，所述缓冲剂为磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、磷酸氢二钠中的一种或多种的组合。所述缓冲剂的加入有助于尿素的稳定存在，参与MICP过程，使MICP过程顺利的进行。

在一些优选且具体实施方式中，所述产脲酶微生物为土著产脲酶微生物。

所述土著产脲酶微生物是指在待修复环境中或周围水体中具有产生脲酶分解尿素矿化重金属能力的微生物群体，其通过将自然水体水样接入5mol/L尿素溶液培养24h，再取初筛后溶液加入LB培养基富集24h后离心的方法而得到，采用土著产脲酶微生物菌液，相比传统的采用商购微生物，避免了土著微生物与外源微生物之前的竞争关系，也避免了引入外源微生物而破坏水体中各土著微生物之间平衡性，同时避免了后续的杀菌工序，简化废水的处理步骤。

在一些优选且具体实施方式中，所述固定化微生物材料还包括嵌设在所述包埋骨架内和/或包埋在所述包埋骨架内部的生物炭。

优选地，所述生物炭为300~400℃热解秸秆生物炭粉末，其粒径为200~300目。所述生物炭不仅具有吸附重金属的功能，还具有吸附尿素分解后产生的NH₄ ⁺，最大限度的减少材料对处理水体的影响，也降低出水时达标的难度；而低温热解生物炭还可以作为碳源、氮源为微生物提供基质供其生长繁殖，提高微生物活性，提高产脲酶细菌产生的脲酶活性。此外，所述生物炭还起到支撑骨架作用，增加材料的强度以及增加材料的比表面积，有利于增加材料孔隙率且降低内扩散阻力，增强载体通透性，提高材料传质性能。

根据本发明的一些实施方式，所述包埋骨架由海藻酸钠和钙盐交联而成。

在一些优选且具体实施方式中，所述固定化微生物材料为丝状材料或由一根或多根所述丝状材料缠绕而成的材料。所述固定化微生物材料制备过程中，由一根或多根丝状材料缠绕而成，或所述固定化微生物材料在使用时，由一根或多根丝状材料缠绕而成，丝状材料缠绕后形成致密的网状结构，为水中其他微生物提供附着位点，形成生物膜，相比传统的球状材料（球状材料表面难以附着生物膜），有助于提高对水体的综合修复效果。

进一步地，所述丝状材料的直径为0.1-0.5mm。

本发明采取的第二技术方案是：一种固定化微生物材料的制备方法，所述固定化微生物材料的原料配方包括海藻酸钠、生物炭、产脲酶微生物、尿素、缓冲剂和钙盐，所述制备方法包括：将海藻酸钠、生物炭、产脲酶微生物、尿素和缓冲剂加水制成悬浮液，然后将所述悬浮液以一定流量加入钙盐水溶液中，交联固化，得到所述固定化微生物材料的步骤。

在一些优选且具体实施方式中，所述产脲酶微生物的投料采用产脲酶微生物菌液形式投料，所述产脲酶微生物菌液中OD₆₀₀为1.2~1.8，所述悬浮液中，海藻酸钠的质量浓度为1~3%，生物炭的质量浓度为1~3%，尿素的质量浓度为5~10%，缓冲剂的质量浓度为1~2%，所述产脲酶微生物菌液的质量浓度为5~10%。

优选地，所述产脲酶微生物菌液中OD₆₀₀=1.5。

根据本发明的一些实施方式中，所述钙盐水溶液的质量浓度为1~5%。

根据本发明的一些实施方式中，所述一定流量为0.8~1.2mL/s。

根据本发明的一些实施方式中，所述交联固化温度为1~10℃，所述交联固化时间为18~26h。

根据本发明的一些实施方式中，所述制备方法还包括将交联固化的产物用Tris-HCl洗涤，然后置于温度1~10℃下储存。

本发明采取的第三技术方案，上述所述的固定化微生物材料在用于含重金属离子废水处理中的用途。在用于处理含重金属离子废水时，一方面利用微生物表面带负电荷，可以富集废水中的重金属阳离子，另一方面利用产脲酶微生物分解尿素提高废水pH促进重金属离子沉淀，同时将重金属离子（如Ca²⁺、Pb²⁺、As²⁺、Cd²⁺等离子）与碳酸根结合以碳酸盐形成沉淀下来，加速水体中重金属离子的矿化形成难溶的碳酸盐沉淀，在沉淀去除重金属离子的同时去除水体中过量的Ca²⁺。

在一些优选且具体实施方式中，所述废水为含镉-钙离子废水。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明将尿素和产脲酶微生物包埋于包埋骨架中，有效解决了尿素加入酸性废水时易水解的难题，同时引入缓冲剂并包埋于包埋骨架中，有效解决了尿素的稳定存在，确保MICP过程能够顺利进行。

本发明的固定化微生物材料用于处理含重金属离子废水时，去除率高，且具有良好的解吸-吸附能力，可以多次重复利用，降低重金属废水处理成本，具有良好的工程应用价值。

附图说明

图1为实施例1的固定化微生物材料使用时形态示意图；

图2 为实施例1的固定化微生物材料与对照组1和对照组2的脲酶活性示意图；

图3为实施例1~3和对比例1~2的固定化微生物材料去除废水中重金属Cd能力对比示意图；

图4为实施例1的固定化微生物材料的对重金属离子的去除率及重复利用性能示意图。

具体实施方式

当前电镀废水处理的过程中，常使用石灰(CaO)调节废水的pH，沉淀废水中的Cd等重金属离子，在实际工程运用中，经过第一道工艺（投加石灰和混凝剂）后废水中Cd²⁺浓度约为1.3mg/L，Ca²⁺浓度约为2000mg/L，未达到国家排放标准。产脲酶微生物在进行MICP技术处理重金属污染废水的过程中，一方面是重金属离子替换碳酸钙沉淀中Ca²⁺通过共沉淀的形式将金属离子沉淀到方解石晶体中，从而实现金属离子的固定化，另一方面重金属离子直接结合CO₃ ^2-形成碳酸盐沉淀。

固定化技术固定产脲酶菌液的技术难度主要在于尿素加入酸性废水时易分解。此外产脲酶微生物与其他微生物不同，其他微生物处理重金属污染废水的机理主要包括吸附、氧化还原等，产脲酶微生物还可以通过分解尿素这一物质加速水体中重金属离子的矿化形成难溶的碳酸盐沉淀。

发明人通过使用微生物固定化技术包埋产脲酶微生物和尿素，材料强度高，易于收集，微生物不易扩散。微生物固定化技术可以显著提高微生物在高浓度污染物环境下的酶活性，提高微生物矿化重金属离子效率，在矿化废水中重金属离子的同时去除水体中过量Ca²⁺，降低尾水排放的潜在生态风险。然而，即使将尿素与产脲酶微生物一同包埋，尿素仍然难以稳定的存在，能被产脲酶微生物分解的尿素的有效利用率较低，影响重金属离子的去除率及固定化微生物材料的重复利用性。发明人进一步地在包埋骨架中引入缓冲剂，减少尿素的水解，提高被产脲酶微生物分解的尿素的有效利用率。

另外，发明人为了提高被产脲酶微生物分解的尿素的有效利用率，也实验过提高尿素的添加量，然而尿素过量添加时，会导致包埋骨架的孔隙率变大，反而不利于提高被产脲酶微生物分解的尿素的有效利用率。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附后权利要求书限定的范围内。

实施例1

本实施例提供的固定化微生物材料，包括包埋骨架以及包埋在包埋骨架内部的产脲酶微生物、尿素和缓冲剂。

该固定化微生物材料还包括生物炭，生物炭嵌设在包埋骨架上以及包埋在包埋骨架内部。

包埋骨架由海藻酸钠和钙盐交联而成。

本例中，缓冲剂为磷酸氢二钾（KH₂PO₄）。

产脲酶微生物采用土著产脲酶微生物菌液投料，菌液中OD₆₀₀=1.5。

生物炭采用自然风干后水稻秸秆于300℃无氧环境下热解3h制得，目数为300目。

海藻酸钠的粘均分子量为185000。

本例的固定化微生物材料通过以下方法制备得到：

（1）将制备包埋骨架的海藻酸钠加入去离子水中浸泡24h，70℃加热溶解，然后加入生物炭搅拌均匀后放入高压蒸汽灭菌锅中灭菌，冷却至室温后备用。

（2）向步骤（1）制备的体系中加入尿素、KH₂PO₄及土著产脲酶微生物菌液，混合搅拌制得悬浮液，按重量百分含量计，悬浮液中，海藻酸钠2%、生物炭2%、尿素6%、KH₂PO₄ 1%、土著产脲酶微生物菌液6%和余量为去离子水。

（3）在距离CaCl₂溶液液面5cm处用注射器将步骤（2）制备的混浮液以1mL/s的流量射入2%（w/w）CaCl₂溶液中，然后置于4℃冰箱中交联硬化24h制得直径为0.2mm的丝状材料。

（4）将步骤（3）制备的丝状材料取出，用Tris-HCl（50 mmol/L，pH=8.5）洗涤3次，再用去离子水洗涤3次，沥干水分，4℃保存备用，即得固定化微生物材料，该固定化微生物材料在使用时，将丝状材料缠绕在一起使用，如图1所示。

实施例2

本实施例提供固定化微生物材料，与实施例1的不同之处在于：步骤（2）的悬浮液中，海藻酸钠1%、生物炭3%、尿素8%、KH₂PO₄ 1%和土著产脲酶微生物菌液5%和余量为去离子水。其余同实施例1。

实施例3

本实施例提供固定化微生物材料，与实施例1的不同之处在于：步骤（2）的悬浮液中，海藻酸钠3%、生物炭1%、尿素5%、KH₂PO₄ 2%、土著产脲酶微生物菌液10%和余量为去离子水。其余同实施例1。

对比例1

本对比例提供固定化微生物材料，与实施例1的不同之处在于：不加KH₂PO₄。

本例中，步骤（2）中的悬浮液中，海藻酸钠2%、生物炭2%、尿素6%、土著产脲酶微生物菌液6%和余量为去离子水。

其它同实施例1。

对比例2

本对比例提供的固定化微生物材料，与实施例1的不同之处在于：固定化微生物材料的形状为直径0.5mm的球状材料。

本例中，制备方法的步骤（3）中，用注射器将步骤（2）中的悬浮液以液滴的形式注入2%（w/w）CaCl₂溶液中，然后置于4℃交联24h制得球状材料。

其余同实施例1。

性能测试

1、脲酶活性测试

试验组：取16.66g(对应土著产脲酶微生物菌液含量为1mL)实施例1的固定化微生物材料，使用去离子水冲洗固定化微生物材料3次后沥干水分，以去除表面离子，减少对电导率法测定脲酶活性的干扰。

对照组1：海藻酸钠溶液直接射入钙盐水溶液形成的材料。

对照组2： 1mL土著产脲酶微生物菌液。

取3个容器，分别加入30mL 1mol/L尿素溶液，将电导率仪电极放入容器中，读数稳定后，分别向3个容器加入16.66g实施例1的固定化微生物材料、16.66g对照组1的材料、1mL土著产脲酶微生物菌液，读取5min内电导率的平均变化值。结果见图2。

电导率数值越大表明脲酶活性越高，脲酶活性越高，微生物分解尿素诱导碳酸盐沉淀矿化重金属离子（如Cd²⁺、Ca²⁺）的能力越强，其废水处理效果越好。

2、去除重金属离子能力及重复利用性能测试

2.1去除重金属离子能力测试

分别精确称量10g实施例1~3和对比例1~2的固定化微生物材料，去离子水冲洗3次后沥干水分备用。

设置5个1000 ml模拟镉-钙废水样本（Cd²⁺浓度：2mg/L；Ca²⁺浓度：2000mg/L），将上述固定化微生物各放入1个废水样本中，分别置于恒温振荡培养箱（20℃,120rpm）培养24h，检测各废水样本中Cd²⁺浓度，结果如图3所示。

2.2重复利用性能测试

精确称量10g实施例1的固定化微生物材料，去离子水冲洗3次后沥干水分备用。

将固定化微生物材料加入1000ml模拟镉-钙废水（Cd²⁺浓度：2mg/L；Ca²⁺浓度：2000mg/L），置于恒温振荡培养箱（20℃,120rpm）培养24h，每3h取样检测溶液中Cd²⁺浓度。以24h为一个周期，取出固定化微生物材料，用去离子水清洗3次后放入0.1mol/L HNO₃溶液中脱附3h。

用去离子水将脱附后的固定化微生物材料清洗干净，沥干水分，进行下一周期实验。结果如图4所示。

相比较实施例2和3及对比例1和对比例2的固定化微生物材料对废水中Cd²⁺的去除能力，实施例1的固定化微生物材料性能最为优异，此外实施例1的固定化微生物材料对镉-钙废水中的镉有较好的吸附与矿化沉淀能力，在四次吸附-脱附试验中镉去除率均保持在95%以上，具有较好的工程运用潜力。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

Claims

1.一种固定化微生物材料，其特征在于：所述固定化微生物材料包括包埋骨架以及包埋在所述包埋骨架内的产脲酶微生物、尿素和缓冲剂。

2.根据权利要求1所述的固定化微生物材料，其特征在于：所述缓冲剂为磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、磷酸氢二钠中的一种或多种的组合。

3.根据权利要求1所述的固定化微生物材料，其特征在于：所述产脲酶微生物为土著产脲酶微生物。

4.根据权利要求1所述的固定化微生物材料，其特征在于：所述固定化微生物材料还包括嵌设在所述包埋骨架内和/或包埋在所述包埋骨架内部的生物炭。

5.根据权利要求4所述的固定化微生物材料，其特征在于：所述生物炭为300~400℃热解秸秆生物炭粉末，其粒径为200~300目。

6.根据权利要求1所述的固定化微生物材料，其特征在于：所述包埋骨架由海藻酸钠和钙盐交联而成。

7.根据权利要求1所述的固定化微生物材料，其特征在于：所述固定化微生物材料为丝状材料或由一根或多根所述丝状材料缠绕而成的材料。

8.根据权利要求7所述的固定化微生物材料，其特征在于：所述丝状材料的直径为0.1-0.5mm。

9.一种固定化微生物材料的制备方法，其特征在于，所述固定化微生物材料的原料配方包括海藻酸钠、生物炭、产脲酶微生物、尿素、缓冲剂和钙盐，所述制备方法包括：将海藻酸钠、生物炭、产脲酶微生物、尿素和缓冲剂加水制成悬浮液，然后将所述悬浮液以一定流量加入钙盐水溶液中，交联固化，得到所述固定化微生物材料的步骤。

10.根据权利要求9所述的固定化微生物材料的制备方法，其特征在于：所述产脲酶微生物的投料采用产脲酶微生物菌液形式投料，所述产脲酶微生物菌液中OD₆₀₀为1.2-1.8，所述悬浮液中，海藻酸钠的质量浓度为1~3%，生物炭的质量浓度为1~3%，尿素的质量浓度为5~10%，缓冲剂的质量浓度为1~2%，所述产脲酶微生物菌液的质量浓度为5~10%。

11.根据权利要求9所述的固定化微生物材料的制备方法，其特征在于：所述钙盐水溶液的质量浓度为1~5%；或/和，所述一定流量为0.8~1.2mL/s；或/和，所述交联固化温度为1~10℃。

12.权利要求1~8中任一项权利要求所述的固定化微生物材料在用于含重金属离子废水处理中的用途。