CN114958387B - 一种微生物复合试剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种微生物复合试剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种微生物复合试剂的制备方法，包括：获取黄铁矾以及硫酸盐还原菌菌液，然后将所述黄铁矾以及所述硫酸盐还原菌菌液进行厌氧培养；其中，所述黄铁矾与所述硫酸盐还原菌菌液的固液比为1‑5g/L；所述硫酸盐还原菌菌液密度为107‑1010CFU/mL。相比于现有技术，所述微生物复合试剂对重金属，尤其是铅、铬，具有高效稳定化的效果，且修复见效所需周期短。突破了现有技术的重金属稳定化效果差、修复见效所需周期长以及容易引起二次污染的技术瓶颈。

Description

一种微生物复合试剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及重金属污染处理领域，尤其一种微生物复合试剂及其制备方法和应用。
背景技术
重金属污染严重威胁着人类的生命健康，尤其是铅、铬。过量的铅会损害人类的肠胃、肾脏以及损伤神经，还有可能导致铅性贫血等。主要来源于矿场采选、工业废水以及含铬固废长期堆放等的铬具有致癌、致畸、致突变的危害特点，并且六价铬常以阴离子的形式进入环境中，地面水和工业用水中六价铬的最高允许浓度和排放浓度分别是0.05mg/L和0.5mg/L，而且六价铬的毒性远高于三价铬。因此诸如铅、铬等重金属污染问题亟需解决。
目前重金属污染处理方法包括化学还原法、电化学法、光催化还原以及生物还原等。其中，化学法通常使用添加铁盐或硫化物的方式对重金属，尤其是六价铬进行还原，使其转化为毒性更低、更易附着在固体表面的金属价态，从而实现重金属稳定化处理。虽然这种化学还原法处理效果明显、比较迅速，但是，此类化学还原法的投加剂量需求较大、成本高，容易引起二次污染。而生物还原法，硫酸盐还原菌产生的代谢产物能与重金属离子作用，促使重金属还原或沉淀，具有渗透好、廉价、持续的特点，但修复见效所需周期长且现有技术的去除效果不明显。由此可知，现有技术均存在较多局限。
鉴于此，有必要提供一种微生物复合试剂及其制备方法和应用，以解决或至少缓解上述重金属稳定化效果差、修复见效所需周期长以及容易引起二次污染的技术缺陷。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种微生物复合试剂及其制备方法和应用，旨在解决现有技术重金属稳定化效果差、修复见效所需周期长以及容易引起二次污染的技术缺陷。为实现上述目的，本发明提供一种微生物复合试剂的制备方法，包括：获取黄铁矾以及硫酸盐还原菌菌液，然后将所述黄铁矾以及所述硫酸盐还原菌菌液进行厌氧培养；
其中，所述黄铁矾与所述硫酸盐还原菌菌液的固液比为1-5g/L；所述硫酸盐还原菌菌液密度为107-1010CFU/mL。
进一步地，所述黄铁矾的获得方式包括：将铁盐与碱液在95-100℃条件下水热合成，然后将所述水热合成后的固体产物研磨成粒径<5μm的粉末，得所述黄铁矾；其中，所述铁盐包括：硫酸铁；所述碱液包括：氢氧化钾、氢氧化钠和氨水中的一种或多种。
进一步地，所述黄铁矾包括黄钾铁矾、黄钠铁矾和黄铵铁矾中的一种或多种。
进一步地，所述厌氧培养的培养温度为20-40℃，培养时长为3-7d，pH为5-7。
进一步地，在所述厌氧培养的过程中进行频率为150-200rpm的振荡处理。
进一步地，所述硫酸盐还原菌菌液的获得方式包括：自活性污泥中富集、培养。
本发明还提供了一种采用如上述任意一项所述的制备方法进行制备。
本发明还提供了一种如上所述的微生物复合试剂在去除环境中的重金属的应用。
进一步地，包括：将如上所述的微生物复合试剂加入待处理的所述重金属废水或所述重金属污染土壤中，以实现所述微生物复合试剂对重金属的去除；
其中，所述重金属废水或所述重金属污染土壤的pH值为5-10。
进一步地，所述重金属包括二价铅、六价铬中的一种或多种。
本发明中涉及的主要技术原理包括：
1、首先，需要理解的是，现有技术仍需突破重金属稳定化效果差、修复见效所需周期长以及容易引起二次污染的技术瓶颈。且现有技术的处理效果与修复见效所需周期二者不可兼得。此外，尽管黄铁矾能对环境中的重金属进行初步沉淀去除，但容易受到多种环境的因素影响而再次释放于环境中，造成二次污染。
然而，与现有技术不同的是，本发明中提供的所述微生物复合试剂采用黄铁矾与硫酸盐还原菌菌液复合培养，旨在提升重金属稳定化效果、降低修复见效所需周期以及杜绝或至少缓解修复所用试剂造成的二次污染。
2、其次，需要明确的是，本发明中，所述微生物复合试剂原料中的黄铁矾(即黄铁矾原料)组分本身对重金属就具有一定的吸附作用，能实现部分重金属的去除；而在厌氧培养过程中，在硫酸盐还原菌组分产生的二价硫离子的影响作用下，黄铁矾原料表面结构变得更加粗糙并产生了新的亚铁矿物。这些亚铁矿物、原有的黄铁矾与硫酸盐还原菌无序结合，形成微生物复合试剂中的结合体。结合体的分散性较高，并且其表面粗糙、孔隙复杂，比表面积远大于黄铁矾原料的比表面积，使得所述微生物复合试剂存在更多的重金属吸附位点，大幅提升了吸附性能，且吸附后很难脱附；同时在所述亚铁矿物的作用下，发生一系列生物化学反应，提升了硫酸盐还原菌本身对重金属的耐受性。
值得注意的是，所述微生物复合试剂含有大量的还原性物质，具有强还原能力。所述硫酸盐还原菌菌液利用所述黄铁矾产生的硫酸根离子作为电子受体，将硫酸盐还原为硫离子，一方面能使铅离子形成硫化铅沉淀，另一方面有利于六价铬还原为更难迁移的三价铬，最终沉淀产物以及还原产物会与所述微生物复合试剂发生吸附及共沉淀，从而达到稳定重金属铅和铬的目的。
此外，需要强调的是，通过以上所述各机理的协同作用以及共同配合下，才实现了对所述重金属，尤其是铅、铬的高效稳定化。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：
1、对重金属，尤其是铅、铬，具有高效稳定化的效果，且修复见效所需周期短。
2、对重金属，尤其是铅、铬的稳定化效果佳。具体表现为采用黄铁矾与硫酸盐还原菌菌液进行复合培养后的所述微生物复合试剂中的黄铁矾衍生形成了多种亚铁矿物，增加了更多的吸附位点和还原位点，增大了所述微生物复合试剂的吸附容量，使得沉淀产物以及还原产物难以脱附；而所述复合试剂中的硫酸盐还原菌能持续提供硫离子，能实现重金属的长效还原稳定。因此，所述微生物复合试剂在包括黄铁矾与硫酸盐还原菌的协同作用下，使得重金属铅、铬去除快速，且长久稳定。
3、不易造成二次污染，制备简单、成本低。所述微生物复合试剂采用了黄铁矾而非直接引入硫酸盐，黄铁矾可以为硫酸盐还原菌提供恰到好处的硫酸盐，减少因硫酸盐过量而造成的环境污染。所述微生物复合试剂制备步骤简单，成本低，具有长效性，有一定的经济价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为分析例1中黄铁矾材料与微生物复合试剂的扫描电子显微镜(SEM)对比分析图；其中，(a)为黄铁矾材料的SEM图，(b)为微生物复合物试剂(SRB+黄铁矾)的SEM图；
图2为分析例1中黄铁矾材料与微生物复合试剂的X射线衍射(XRD)对比分析图；
图3为实施例2中的微生物复合试剂(黄钾铁矾+SRB)、对比例1中的SRB材料以及对比例2中的黄钾铁矾材料分别处理35ppm的含铬溶液(Cr 35ppm)、50ppm的含铬溶液(Cr50ppm)、35ppm的含铅溶液(Pb 35ppm)、50ppm的含铅溶液(Pb 50ppm)对比图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施方式，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
需要说明，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。
除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。本领域技术人员应当知道的是，作为对本申请文件的一种说明，在不影响对本申请技术方案实际理解的情况下，Intensity可以表示为强度，2θ可以表示为入射X射线的延长线与反射X射线的夹角，XRD可以表示为X射线衍射技术，ICP-OES可以表示为电感耦合等离子体原子发射光谱仪，SEM可以表示为扫描式电子显微镜，SRB即硫酸盐还原菌，“黄钾铁矾+SRB”即微生物复合试剂。
当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。下列实施例中所需要的材料或试剂，如无特殊说明均为市场购得。
说明书附图中，“SRB”为硫酸盐还原菌，“黄钾铁矾+SRB”为微生物复合试剂，“Cr35ppm”为35ppm的含铬溶液，“Cr 50ppm”为50ppm的含铬溶液，“Pb 35ppm”为35ppm的含铅溶液，“Pb 50ppm”为50ppm的含铅溶液。
为了在不引起二次污染的情况下实现重金属的快速高效去除，本发明提供一种微生物复合试剂的制备方法，包括：获取黄铁矾以及硫酸盐还原菌菌液，然后将所述黄铁矾以及所述硫酸盐还原菌菌液进行厌氧培养；
其中，所述黄铁矾与所述硫酸盐还原菌菌液的固液比为1-5g/L；所述硫酸盐还原菌菌液密度为107-1010CFU/mL。
进一步地，所述黄铁矾的获得方式包括：将铁盐与碱液在95-100℃条件下水热合成，然后将所述水热合成后的固体产物研磨成粒径<5μm的粉末，得所述黄铁矾；其中，所述铁盐包括：硫酸铁；所述碱液包括：氢氧化钾、氢氧化钠和氨水中的一种或多种。在所述95-100℃条件下，所述黄铁矾的合成效果佳，便于后续协同硫酸盐还原菌联合培养，形成所述微生物复合试剂。
进一步地，所述黄铁矾包括黄钾铁矾、黄钠铁矾和黄铵铁矾中的一种或多种。其中，黄钾铁矾可以采用硫酸铁和氢氧化钾水热合成制得；黄钠铁矾可以采用硫酸铁和氢氧化钠水热合成制得；黄铵铁矾可以采用硫酸铁和氨水水热合成制得。
进一步地，所述厌氧培养的培养温度为20-40℃，培养时长为3-7d，pH为5-7。培养温度小于2 0℃会影响制备出的微生物复合试剂的处理效果；当温度过高时，则会使硫酸盐还原菌失活，不能发挥活性。
进一步地，在所述厌氧培养的过程中进行频率为150-200rpm的振荡处理。
进一步地，所述硫酸盐还原菌菌液的获得方式包括：自活性污泥中富集、培养。选用活性污泥中富集培养出的硫酸盐还原菌，不仅方便取用，解决了污水处理系统中的污泥循环问题，自此处取用的硫酸盐还原菌还具有更优的还原活性。当然，硫酸盐还原菌经鉴定包括Dechlorosoma suillum、Azospira sp.I09、Desulfovibrio desulfuricans、Desulfovibrio carbinolicus等微生物，或通过中国普通微生物菌种保藏管理中心购买Desulfovibrio desulfuricans纯硫酸盐还原菌种进行培养得到，也能实现相似效果。
本发明还提供了一种采用如上述任意一项所述的制备方法进行制备。
本发明还提供了一种如上所述的微生物复合试剂在去除环境中的重金属的应用。
进一步地，包括：将如上所述的微生物复合试剂加入待处理的所述重金属废水或所述重金属污染土壤中，以实现所述微生物复合试剂对重金属的去除；
其中，所述重金属废水或所述重金属污染土壤的pH值为5-10。
进一步地，所述重金属包括二价铅、六价铬中的一种或多种。
为对本发明作进一步的理解，现举例说明：
实施例1
一种微生物复合试剂的制备方法以及应用，包括：
1、配制培养基
按照K2HPO4 0.5g/L、NH4Cl 1.0g/L、Na2SO4 1.0g/L、CaCl2·2H2O 0.1g/L、MgSO4·7H2O 2.0g/L、酵母浸粉1.0g/L、L-乳酸钠4.0g/L配制总体积为1L的培养基；。
2、培养硫酸盐还原菌菌液
将硫酸盐还原菌菌群接种于培养基中并在30℃下厌氧培养至对数期，或者直接选用取自活性污泥中的硫酸盐还原菌；当硫酸盐还原菌菌液密度培养至107CFU/mL时备用。
3、合成微生物复合试剂
取用50mL步骤1中所述的培养基至厌氧瓶中，向所述培养基中加入0.1g的黄钾铁矾，再向加入黄钾铁矾后的厌氧瓶中接种步骤2中所述硫酸盐还原菌菌液，接种量为所述培养基体积的5％；将接种后的厌氧瓶放在恒温摇床中摇晃反应培养6d。
4、制备模拟废水
用去离子水配制35ppm的Cr(Ⅵ)溶液、50ppm的Cr(Ⅵ)溶液、35ppm的Pb(Ⅱ)溶液、50ppm的Pb(Ⅱ)溶液，向其中均通入氮气以用来排除部分氧，均加入占溶液总体积5％的4.0g/L的L-乳酸钠作为碳源，将溶液pH值均调节至5-7之间，作为模拟废水。
5、重金属的去除
量取步骤4中的四种模拟废水各50mL，分别向步骤4中的四种溶液中加入采用步骤3合成的微生物复合试剂，加入量为所述模拟废水体积的10％；均放置于30℃下，150rpm的恒温摇床中反应8h。
利用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-OES)检测反应后液体中Pb(Ⅱ)的含量；采用二苯碳酰二肼分光光度法测定Cr(Ⅵ)的含量。
最终，35ppm的Cr(Ⅵ)的模拟废水、50ppm的Cr(Ⅵ)的模拟废水、35ppm的Pb(Ⅱ)的模拟废水、50ppm的Pb(Ⅱ)的模拟废水的去除率分别为92％、80％、98％、96％。
实施例2
一种微生物复合试剂的制备方法以及应用，包括：
本实施例的微生物复合试剂的制备过程中，相较实施例1，仅改变步骤2中硫酸盐还原菌菌液的密度条件。
即：将硫酸盐还原菌菌群接种于培养基中并在30℃下厌氧培养至对数期，或者直接选用取自活性污泥中的硫酸盐还原菌；当硫酸盐还原菌菌液密度培养至5×108CFU/mL时备用。
最终，35ppm的Cr(Ⅵ)的模拟废水、50ppm的Cr(Ⅵ)的模拟废水、35ppm的Pb(Ⅱ)的模拟废水、50ppm的Pb(Ⅱ)的模拟废水的去除率分别为99％、92％、99.7％、97.8％。。
实施例3
一种微生物复合试剂的制备方法以及应用，包括：
本实施例的微生物复合试剂的制备过程中，相较实施例1，仅改变步骤2中硫酸盐还原菌菌液的密度条件。
即：将硫酸盐还原菌菌群接种于培养基中并在30℃下厌氧培养至对数期，或者直接选用取自活性污泥中的硫酸盐还原菌；当硫酸盐还原菌菌液密度培养至1010CFU/mL时备用。
最终，35ppm的Cr(Ⅵ)的模拟废水、50ppm的Cr(Ⅵ)的模拟废水、35ppm的Pb(Ⅱ)的模拟废水、50ppm的Pb(Ⅱ)的模拟废水的去除率分别为99％、92％、99％、97％。
对比例1
一种硫酸盐还原菌菌液的培养及应用，相较于实施例2仅不采取步骤3，其余条件保持不变；
即：直接向四种模拟废水中加入步骤2中培养至5×108CFU/mL的硫酸盐还原菌菌液，加入量为所述模拟废水体积的10％；均放置于30℃下，150rpm的恒温摇床中反应8h。
利用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-OES)检测反应后液体中Pb(Ⅱ)的含量；采用二苯碳酰二肼分光光度法测定Cr(Ⅵ)的含量。
最终，35ppm的Cr(Ⅵ)的模拟废水、50ppm的Cr(Ⅵ)的模拟废水、35ppm的Pb(Ⅱ)的模拟废水、50ppm的Pb(Ⅱ)的模拟废水的去除率分别为46..7％、38.5％、81％、68％。
对比例2
一种黄钾铁矾的应用，包括：
1、制备模拟废水
用去离子水配制35ppm的Cr(Ⅵ)溶液、50ppm的Cr(Ⅵ)溶液、35ppm的Pb(Ⅱ)溶液、50ppm的Pb(Ⅱ)溶液，向其中均通入氮气以用来排除部分氧，均加入占溶液总体积5％的4.0g/L的L-乳酸钠作为碳源，将溶液pH值均调节至5-7之间，作为模拟废水。
2、重金属的去除
量取上述步骤中的的四种模拟废水各50mL，分别向步骤4中的四种溶液中加入2g/L黄钾铁矾；均放置于30℃下，150rpm的恒温摇床中反应8h。
利用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-OES)检测反应后液体中Pb(Ⅱ)的含量；采用二苯碳酰二肼分光光度法测定Cr(Ⅵ)的含量。
最终，35ppm的Cr(Ⅵ)的模拟废水、50ppm的Cr(Ⅵ)的模拟废水、35ppm的Pb(Ⅱ)的模拟废水、50ppm的Pb(Ⅱ)的模拟废水的去除率分别为8％、5％、9.7％、7.3％。
分析例1
表征分析
1、材料结构形貌分析
使用扫描式电子显微镜(SEM)观察实施例3中加入硫酸盐还原菌菌液之前的黄钾铁矾材料(即黄钾铁矾原料)与加入硫酸盐还原菌菌液之后制备出的微生物复合试剂；黄钾铁矾原料、微生物复合试剂(SRB+黄钾铁矾)分别如图1中的(a)、(b)所示。
据图1观察可知，(b)表面结构相比于(a)变得更加粗糙无序且孔隙复杂；这是由于在硫酸盐还原菌组分产生二价硫离子的影响作用下，黄钾铁矾表面产生了新的亚铁矿物，这些亚铁矿物堆积结合于硫酸盐还原菌以及黄钾铁矾表面，三者无序结合；使得微生物复合试剂中结合体的比表面积大大增加，获得了更多的重金属吸附位点，更有利于重金属的沉淀稳定。
2、定性分析
将实施例3中加入黄钾铁矾原料与加入硫酸盐还原菌菌液之后制备出的微生物复合试剂用X射线衍射技术(XRD)检测，黄钾铁矾材料和微生物复合试剂(SRB+黄钾铁矾)XRD检测结果如图2所示。
据图2中观察可知，采用实施例3制备出的微生物复合试剂中的黄钾铁矾原有特征峰强度减弱，表明黄钾铁矾晶体结晶度下降，侧面反映出黄钾铁矾晶体变得粗糙，这与扫描电镜图像相符，这有利于提高原黄钾铁矾的比表面积，而且出现其他的特征峰信号，表明有新矿物相如蓝铁矿的形成，这类矿物对重金属的去除有积极的影响。
分析例2
对比例1、对比例2以及实施例2的重金属的去除效果对比分析
如图3所示，对比例1、对比例2以及实施例2的重金属去除率进行对比分析。
据图3观察可知，黄钾铁矾材料以及SRB单独处理重金属均呈现较差的处理效果；而采用微生物复合试剂分别处理35ppm的Cr(Ⅵ)的模拟废水、50ppm的Cr(Ⅵ)的模拟废水、35ppm的Pb(Ⅱ)的模拟废水，均可以达到90％以上的去除率。
由此可见，所述微生物复合试剂对重金属，尤其是铅、铬，具有高效稳定化的效果，且修复见效所需周期短。突破了现有技术的重金属稳定化效果差、修复见效所需周期长以及容易引起二次污染的技术瓶颈。
综上所述，本发明的上述技术方案中，以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的技术构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围。

Claims (9)

1.一种微生物复合试剂的制备方法，其特征在于，包括：获取黄铁矾以及硫酸盐还原菌菌液，然后将所述黄铁矾以及所述硫酸盐还原菌菌液进行厌氧培养；
其中，所述黄铁矾与所述硫酸盐还原菌菌液的固液比为1-5 g/L；所述硫酸盐还原菌菌液密度为107-1010 CFU/mL；
所述厌氧培养的培养温度为20-40℃，培养时长为3-7 d，pH为5-7。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述黄铁矾的获得方式包括：将铁盐与碱液在95-100℃条件下水热合成，然后将所述水热合成后的固体产物研磨成粒径<5μm的粉末，得所述黄铁矾；
其中，所述铁盐包括：硫酸铁；所述碱液包括：氢氧化钾、氢氧化钠和氨水中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述黄铁矾包括黄钾铁矾、黄钠铁矾和黄铵铁矾中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述厌氧培养的过程中进行频率为150-200 rpm的振荡处理。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硫酸盐还原菌菌液的获得方式包括：自活性污泥中富集、培养。
6.一种微生物复合试剂，其特征在于，采用如权利要求1-5任意一项所述的制备方法进行制备。
7.一种如权利要求6所述的微生物复合试剂在去除环境中的重金属的应用。
8.根据权利要求7所述的微生物复合试剂的应用，其特征在于，包括：将所述的微生物复合试剂加入待处理的所述重金属废水或所述重金属污染土壤中，以实现所述微生物复合试剂对重金属的去除；
其中，所述重金属废水或所述重金属污染土壤的pH值为5-10。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述重金属包括二价铅、六价铬中的一种或多种。
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