CN114590909A

CN114590909A - 一种生物矿化处理化学镀镍废水的方法

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Publication number: CN114590909A
Application number: CN202210248102.XA
Authority: CN
Inventors: 李其昌; 段锋; 谢浩; 郭君慧; 徐立; 贾明宇; 王霄晗; 冯小粟
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2022-03-14
Filing date: 2022-03-14
Publication date: 2022-06-07

Abstract

一种生物矿化处理化学镀镍废水的方法，该方法先培养巴氏芽孢八叠球菌，得到菌液，再将菌液按特定比例加入尿素和化学镀镍废水的混合溶液中，于室温下进行生物矿化反应，反应完成后收集矿化物依次进行洗涤、干燥，得到碳酸镍沉淀。本设计不仅具有较高的镍离子去除效率，而且副产物碳酸镍可用作陶瓷着色剂、制备氧化镍或有机镍盐，活体细菌可进行回收再利用。

Description

一种生物矿化处理化学镀镍废水的方法

技术领域

本发明属于微生物诱导矿化技术领域，具体涉及一种生物矿化处理化学镀镍废水的方法。

背景技术

工业废水是工艺生产过程中排出的废水和废液，含有多种同原材料有关的无机、有机毒性物质，其中印钞废水具有代表性。它的色度大，污染物浓度高，成分复杂，包括镀废水、擦板废液和清洗废水，其中化学镀镍废水含大量镍离子，几十到几百毫克每升不等。

化学镀镍废水的处理方法通常可分为三类：物理法、化学法和生物修复法。物理法包括混凝法、吸附法和膜分离法，这些方法比较传统，相对于化学法更环保，原理简单，易于自动化运作，劣势在于对机器和材料有损害，成本高。化学法包括化学沉淀法、超滤法、氧化还原法，化学法处理效果好，成本相对物理法低，缺点在于加入的化学物质可能对环境有害、难以除去，反应时间较长。生物修复技术是目前工业废水污染治理中的一个热门研究领域，主要包括微生物吸附法和微生物矿化法，微生物矿化法利用到环境友好且具有强降解能力的微生物，处理废水效果显著，无污染物产生，环保、节能，处理后的废水可达到排放标准。目前通过微生物矿化处理污水中重金属的方法多采用固化胶结的方式，这种方式无法有效回收沉降产物，不利于资源的合理运用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的上述问题，提供一种能够回收沉降产物以及活体细菌的生物矿化处理化学镀镍废水的方法。

为实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：

一种生物矿化处理化学镀镍废水的方法，依次包括以下步骤：

步骤一、培养巴氏芽孢杆菌，得到菌液；

步骤二、先将菌液加入尿素和化学镀镍废水的混合溶液中，于室温下进行生物矿化反应，反应完成后收集矿化物依次进行洗涤、干燥，得到碳酸镍沉淀，其中，所述尿素和化学镀镍废水的混合溶液中尿素的浓度为0.05-0.5mol/L，所述菌液与尿素和化学镀镍废水的混合溶液的体积比为1:0.8-1.2。

步骤二中，所述生物矿化反应的时间为1-3小时，所述碳酸镍沉淀为碱式碳酸镍。

步骤一中，所述巴氏芽孢杆菌的保藏编号为ATCC11859，其培养方法为：

无菌环境下，先将巴氏芽孢杆菌接种至添加有尿素的LB固体培养基中培养，然后挑取单菌落接种至添加有尿素的LB液体培养基中孵育，得到菌液。

所述添加有尿素的LB固体培养基的配方包括：氯化钠9-11g/L、胰蛋白胨9-11g/L、酵母粉4.5-5.5g/L、尿素9-11g/L、琼脂18-22g/L、酚红0.04-0.06g/L；

所述添加有尿素的LB液体培养基的配方包括：氯化钠9-11g/L、胰蛋白胨9-11g/L、酵母粉4.5-5.5g/L、尿素9-11g/L。

步骤二中，将菌液加入尿素和化学镀镍废水的混合溶液前可以对其进行重悬，具体为：

先将菌液离心后取沉淀，再依次用无菌生理盐水、无菌水对沉淀进行洗涤，最后加入无菌水进行重悬，使重悬前、后的菌液体积相同。

所述重悬前、后菌液的OD值分别为2.5-4.0、2.0-3.0。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明一种生物矿化处理化学镀镍废水的方法先培养巴氏芽孢杆菌，得到菌液，再将菌液按特定比例加入尿素和化学镀镍废水的混合溶液中，于室温下进行生物矿化反应，反应完成后收集矿化物依次进行洗涤、干燥，得到碳酸镍沉淀，该方法利用巴氏芽孢八叠球菌分泌到胞外的脲酶在有尿素的环境中通过生化反应得到碳酸根离子并提高胞外环境的pH，使废水中游离的镍离子与碳酸根离子结合生成碳酸镍，从而去除化学镀镍废水中的镍离子，一方面，该方法对化学镀镍废水中的镍离子不仅具有较高的去除率，而且整个反应时间仅需1-3小时，去除速率快；另一方面，该方法得到的终产物碳酸镍沉淀为碱式碳酸镍，可用作陶瓷着色剂、制备氧化镍或有机镍盐；同时能够将碳酸镍沉淀中含有的活体细菌回收再利用。因此，本发明方法不仅具有较高的镍离子去除效率，而且副产物碳酸镍可用作陶瓷着色剂、制备氧化镍或有机镍盐，活体细菌可进行回收再利用。

附图说明

图1为实施例1、实施例2、对比例1、对比例3的镍去除率图。

图2为实施例3、实施例4、对比例2、对比例4的镍去除率图。

图3为实施例4得到的产品的热重TGA分析图。

图4为实施例2、实施例4得到的碳酸镍沉淀以及上清液中的细菌活性考察结果。

图5为选用不同培养基培养细菌的脲酶活性与菌液pH对比图。

图3中，曲线1为质量变化曲线，曲线2为热流曲线，该曲线呈凸起状表示放热，曲线3为温度变化曲线，方框中的数据为曲线1、2、3在时间为0时的数据，即初始数据。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步的说明。

本发明提供了一种生物矿化处理化学镀镍废水的方法，该方法利用巴氏芽孢杆菌(购自北京生物保藏中心，编号ATCC11859)能分泌脲酶到胞外，在有尿素的环境中能将其分解并进行一系列生化反应得到碳酸根离子并提高胞外pH，同时菌体表面含有许多蛋白质、糖类、脂质等成分，这些成分中存在着许多基团，借助基团的静电吸附作用可将二价镍离子吸附在细菌表面，并和胞外的碳酸根离子及氢氧根离子结合生成碱式碳酸镍。

实施例1：

一种生物矿化处理化学镀镍废水的方法，依次按照以下步骤进行：

1、无菌环境下，先将巴氏芽孢杆菌通过平板划线的方式接种至添加有尿素的LB固体培养基中，于37℃下培养36h得到平板菌落，再挑取周围颜色变深红的单菌落接种至3ml添加有尿素的LB液体培养基中，于30℃、220rpm下摇床孵育24h，然后按1:100的体积比将菌液接种于LB液体培养基中，再次于30℃下摇床孵育24h，得到OD值为3.2的菌液，其中，所述添加有尿素的LB固体培养基的配方为：氯化钠10g/L、胰蛋白胨10g/L、酵母粉5g/L、尿素10g/L、琼脂20g/L、酚红0.05g/L，所述添加有尿素的LB液体培养基的配方为：氯化钠10g/L、胰蛋白胨10g/L、酵母粉5g/L、尿素10g/L。

2、室温下将菌液与尿素和氯化镍的混合溶液等体积混合，溶液迅速变浑浊，生成浅绿色悬浮物，静置1小时后于4℃下进行离心，取上清液检测其中镍离子的浓度，取沉淀用无菌水洗涤两次，然后将洗涤后的沉淀于-60℃真空冷冻干燥得到绿色的碳酸镍粉末，其中，所述尿素和氯化镍的混合溶液设置三组浓度，第一组：尿素0.05mol/L、氯化镍0.005mol/L，第二组：尿素0.25mol/L、氯化镍0.025mol/L，第三组：尿素0.5mol/L、氯化镍0.05mol/L。

实施例2：

与实施例1的不同之处在于：

步骤2中，在将菌液加入尿素和氯化镍的混合溶液前对其进行重悬，具体为：

先将菌液在4℃下离心并取沉淀，再依次用无菌生理盐水洗涤一次、无菌水洗涤两次，最后加入无菌水进行重悬，使重悬前、后的菌液体积相同，其中，重悬后的菌液OD值为3.0。

实施例3：

与实施例1的不同之处在于：

步骤2中，本实施例以尿素和化学镀镍废水的混合溶液替换实施例1中的尿素和氯化镍的混合溶液，且混合溶液中尿素的浓度设置同实施例1，镍离子的浓度为28.93mg/L。

实施例4：

与实施例2的不同之处在于：

步骤2中，本实施例以尿素和化学镀镍废水的混合溶液替换实施例2中的尿素和氯化镍的混合溶液，且混合溶液中尿素的浓度设置同实施例2，镍离子的浓度为28.93mg/L。

对比例1：

操作步骤同实施例2，不同之处在于：

步骤2将重悬后的菌液制备成胞内粗酶液后与尿素和氯化镍的混合溶液等体积混合，其中，胞内粗酶液的制备方法为：

将重悬后的菌液超声破碎并于4℃下离心，取上清液过0.22um滤膜，得到胞内粗酶液。

对比例2：

操作步骤同实施例4，不同之处在于：

对比例3：

操作步骤同实施例2，不同之处在于：

步骤2中，采用氯化镍溶液替换尿素和氯化镍的混合溶液，且氯化镍溶液中的镍浓度设置同实施例2。

对比例4：

操作步骤同实施例4，不同之处在于：

步骤2中，采用化学镀镍废水替换尿素和化学镀镍废水的混合溶液，且氯化学镀镍废水中的镍浓度设置同实施例4。

为考察本发明方法以及产品，进行如下测试：

1、镍去除率考察

基于实施例1-4、对比例1-4检测得到的镍离子浓度确定各自的镍去除率，结果参见图1、图2。

从图1可以看出，实施例1、实施例2、对比例1、对比例3的镍去除率分别为(86.61±3.78)％、(90.03±2.57)％、(84.09±4.21)％、(32.25±1.99)％，在添加特定浓度尿素的条件下，无论是菌液、重悬菌液还是胞内粗酶液均具有较高的去除率，而在未添加尿素的条件下镍去除率很低。

从图2可以看出，实施例3、实施例4、对比例2、对比例4的镍去除率分别为(97.98±1.87)％、(97.56±1.99)％、(94.78±2.45)％、(86.9±4.58)％在添加特定浓度尿素的条件下，无论是菌液、重悬菌液还是胞内粗酶液均具有较高的去除率，且处理后废水中的镍质量浓度均在0.5mg/L以下，符合排放标准。而在未添加尿素的条件下镍去除率较低，处理后废水中的镍质量浓度最高可达2.24mg/L，无法达到排放标准。

2、碳酸镍沉淀鉴定

(1)将实施例1-4、对比例1-2得到的碳酸镍沉淀以及AR级化学合成碱式碳酸镍分别进行EDX与XRD分析，结果如表1所示：

表1 EDX与XRD分析结果

由表1可知，从晶型上看，采用菌液进行生物矿化处理可获得晶型为NiCO₃·Ni(OH)₂·H₂O碱式碳酸镍，且得到的晶体比AR级碱式碳酸镍更小，可用作陶瓷着色剂、制备氧化镍或有机镍盐，而采用胞内粗酶液进行生物矿化处理则无法获得具有固定晶型的碳酸镍产品。从碳、镍元素的相对质量分数上看，本申请得到的产品具有比化学合成碱式碳酸镍更高的含碳比，更适用于有机镍盐制备的中间体。

(2)热重TGA分析

对实施例4得到的产品进行热重TGA分析，结果如图3所示。

由图3可知，本发明得到的产品随温度的升高，重量会先上升后下降，最后趋于稳定，整体重量变化不大，温度上升300℃左右重量骤减，放出大量的热，转化为氧化镍，符合碱式碳酸镍的特点。

3、处理废水后的细菌活性分析

将实施例2、实施例4得到的镍最高去除率条件下的碳酸镍沉淀以及上清液于添加有尿素的LB固体培养基中37℃下培养36h，观察细菌数量和活性，结果参见图4。

通过图4可知，对于实施例2，沉淀中的细菌数目远多于上清液，由此判定沉淀中至少有部分活细菌；另外，从培养基的红色深度来看，沉淀中的细菌活性略低于上清液。对于实施例4，沉淀中的细菌数目远多于上清液，由此判定沉淀中至少有部分活细菌；另外，从培养基的红色深度来看，沉淀中的细菌活性高于上清液。因此，可对碳酸镍沉淀中的活菌进行回收，重复处理镍废水，且反复回收处理活体细菌还能得到更抗镍废水的细菌，从而获得更好的除镍效果。

4、培养基考察

对实施例1中步骤1得到的菌液、以LB培养基(与实施例1采用的培养基不同之处在于不加尿素)按实施例1所述方法培养得到的菌液、以M9培养基按实施例1所述方法培养得到的菌液分别进行脲酶活性与菌液pH检测与分析，结果参见图5。

由图5可知，实施例1培养得到的细菌脲酶活性远高于其他两种培养基，菌液pH也高于另外两种，由此判定添加有尿素的LB固体培养基更有利于培养出脲酶活性高、矿化效果好的细菌。

Claims

1.一种生物矿化处理化学镀镍废水的方法，其特征在于：

所述方法依次包括以下步骤：

步骤一、培养巴氏芽孢杆菌，得到菌液；

2.根据权利要求1所述的一种生物矿化处理化学镀镍废水的方法，其特征在于：步骤二中，所述生物矿化反应的时间为1-3小时，所述碳酸镍沉淀为碱式碳酸镍。

3.根据权利要求1或2所述的一种生物矿化处理化学镀镍废水的方法，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的一种生物矿化处理化学镀镍废水的方法，其特征在于：

所述添加有尿素的LB固体培养基的配方包括：氯化钠9-11g/L、胰蛋白胨9-11g/L、酵母粉4.5-5.5g/L、尿素9-11g/L、琼脂18-22g/L；

5.根据权利要求1或2所述的一种生物矿化处理化学镀镍废水的方法，其特征在于：

步骤二中，将菌液加入尿素和化学镀镍废水的混合溶液前对其进行重悬，具体为：

6.根据权利要求5所述的一种生物矿化处理化学镀镍废水的方法，其特征在于：所述重悬前、后菌液的OD值分别为2.5-4.0、2.0-3.0。