CN115181573B - 基于铁尾矿为原料处理生活污水的土壤改良剂及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于铁尾矿为原料处理生活污水的土壤改良剂的制备方法，其包括如下步骤：对铁尾矿进行酸浸后，利用磷酸钠和双氧水合成聚合硫酸铁；取BacilluslicheniformisC GMCCNo.7388发酵液和Paenibacillussp.CGMCCNo.2040发酵液，混合后取上清液，加入乙醇离心沉淀，再利用氯仿对沉淀进行洗涤，然后干燥，与聚合硫酸铁混合，加入生活污水进行处理，取絮凝物；将BacilluslicheniformisCGMCCNo.7388发酵液上清液与絮凝物混合，即得。本发明对污水相关物质去除率均可达到99％以上，可使马铃薯亩产达到3100kg以上。
Description
技术领域
本发明属于环保技术及土壤改良领域，涉及矿渣和生活污水处理以及土壤改良领域，具体涉及一种基于铁尾矿为原料处理生活污水的土壤改良剂及制备方法。
背景技术
环境保护和土壤改良技术日益成为受人们重视的研究领域，其原由在于两者对于可持续发展息息相关。
铁尾矿是众多矿物废弃物中的一种，通常采用堆置的方式处理，易造成环境污染。针对这一情况，发明人在之前的研究中，提出了将其制备为聚合硫酸铁以用于处理造纸污水，达到缓解铁尾矿污染和处理造纸污水的双重效果[1]。然而，类似发明人这项研究的相关技术，随可实现对污水进行处理，但其所得物质仍需要再做无废处理。这就导致相关污染产品通常仅仅是从一种形态转化至另一种形态而已，即使转换形态后的物质易于无废处理，但往往使得该过程缺乏经济性，而难以在实际中推广应用。
对固废物进行处理的最佳方式之一，是将其转化为肥料或者土壤改良剂，以绿色环保的途径重回大地。在这方面，研究得比较多的是利用可食用物质的渣料制备相关产品，也偶见利用某些有益矿物的废渣来配置相关产品。不过，利用对污水处理后的物质来制备土壤改良剂的报道相对较少，一般是利用污泥来制备土壤改良剂，也尚未在增产方面获得很好的效果。如，王宗华等人[2]利用污水处理厂污泥制备了制备园林用土壤改良剂，施川[3]污泥制备污泥生物炭并作为土壤改良剂，袁绍春等人[4]利用堆肥-蚯蚓处理组合工艺将污水污泥转化为无害的、有价值的土壤改良剂。
因此，如果能利用污水处理剂处理污水后，还能使得处理后所得物质作为土壤改良剂，无疑是一项非常有意义的研究。特别的，如果该污水处理剂还是利用矿物废渣制备而得，则可以实现矿渣处理—污水处理—土壤改良闭环处理，全程不会产生额外废渣。
本部分参考现有技术：
[1]纪丁愈,李云祯,邹渝.铁尾矿制备聚合硫酸铁实验及造纸污水处理效果初步评价[J].无机盐工业,2021,53(08):96-100.
[2]王宗华,张唯佳,任慧莹,徐海.污水处理厂污泥制备园林用土壤改良剂进行资源化利用[J].发明与创新(职业教育),2021(04):126-127.
[3]施川.污泥生物炭作为吸附剂和酸性土壤改良剂的可行性研究[D].北京林业大学,2016.
[4]袁绍春,张智,王敏,胡坚,赵冀平.蚯蚓处理污水污泥制取土壤改良剂[J].环境工程学报,2012,6(06):2097-2103.
发明内容
针对现有技术的缺点和本领域的需求，本发明的目的在于提供一种可以集成矿渣处理、污水处理和土壤改良为一体，不会产生额外废渣的技术。具体提供一种基于铁尾矿为原料处理生活污水的土壤改良剂的制备方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
基于铁尾矿为原料处理生活污水的土壤改良剂的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)对铁尾矿进行酸浸后，利用磷酸钠和双氧水合成聚合硫酸铁；
(2)等体积取Bacillus licheniformis CGMCC No.7388发酵液和Paenibacillussp.CGMCC No.2040发酵液，混合后取上清液，之后加入乙醇之后离心沉淀，再利用氯仿对沉淀进行洗涤，然后进行干燥；其中，Bacillus licheniformis CGMCC No.7388发酵液和Paenibacillus sp.CGMCC No.2040发酵液的菌浓比为1000:1；
(3)按重量比1:100～120的比例将步骤(1)所得物和步骤(2)所得物混合，得到絮凝剂；将所得絮凝剂加入至生活污水进行处理，取絮凝物；
(4)按体积重量比1L:5～8kg，将Bacillus licheniformis CGMCC No.7388发酵液上清液与步骤(3)所得物混合，即得所述土壤改良剂。
聚合硫酸铁是已知的污水处理剂，可以降低污水的浊度，这在本发明此前的研究《铁尾矿制备聚合硫酸铁实验及造纸污水处理效果初步评价》[1]有相应报道。
利用微生物处理污水，特别是作为絮凝剂使用，是环境保护技术中的重要研究方向之一。例如，张超等人[2]从节杆菌LF-Tou2发酵液中提取了絮凝剂LF-Tou2，可以对COD、SS和一些金属离子具有很好的去除效果。
发明人在此前申请的专利CN110227417B中采用了Paenibacillus sp.CGMCCNo.2040的发酵上清液作为制备生物炭的改性剂。但实质上，Paenibacillus sp.CGMCCNo.2040最初是在CN103820358B中作为产絮菌以制备絮凝剂使用的。
不过，仅利用Paenibacillus sp.CGMCC No.2040的发酵液作为絮凝剂，用量较大，且无法将絮凝物作为土壤改良剂使用。通过摸索，发明人发现，在将聚合硫酸铁作物絮凝剂成分之一的基础上，当将Bacillus licheniformis CGMCC No.7388发酵液和Paenibacillus sp.CGMCC No.2040的发酵液混合并进行相关沉淀和洗涤处理后作为另一絮凝剂成分，可以显著的减少絮凝剂的用量。更为重要的是，所得絮凝物可以作为土壤改良剂使用，仅需配合常用肥料便可以实现作物的增产。
如本发明的一个实验例所示，本发明可以实现对污水的高效处理，可以显著的去除污水中的COD(化学耗氧量，说明书其他部分同此含义)、SS(悬浮固体，说明书其他部分同此含义)和相关金属离子。
在本发明中，聚合硫酸铁在絮凝中可能为本发明两种菌液产物提供了铁离子，并作为助凝物，以此提高了絮凝效率，减少了絮凝剂用量。
如本发的一个实施例所示，当将Bacillus licheniformis CGMCC No.7388发酵液上清液替换为Paenibacillus sp.CGMCC No.2040发酵液上清液，并与絮凝物混合，无法实现改良土壤并促进作物增产的效果。这提示，在本发明中，土壤改良效果的重要影响因素之一为Bacillus licheniformis CGMCC No.7388发酵液上清液。另外，如本发明另一个实施例所示，当缺少聚合硫酸铁之后，也未能产生促进作物增产的效果。这提示聚合硫酸铁也是本发明的重要影响因素。
硫酸铁曾被用作土壤改良剂的组分之一使用。例如，曾维爱等人[3]利用腐植酸和硫酸铁配置土壤改良剂，实现了对偏碱烟田土壤的改良；再如，蒋毅等人[4]利用石灰石、硅藻土和硫酸铁改变了土壤镉砷赋存形态。然而，据发明人所知，在硫酸铁是否能与其它物质产生促进作物增产的协同作用方面，现有技术尚未有相关报道。
在本发明中，由于絮凝物对COD、SS、Mn2+和Zn2+进行了絮凝，因此，这些物质很可能也是本发明土壤改良剂的有效成分，并促进作物的增产。
作为本发明的一个可实施的技术方案，所述磷酸钠的浓度为0.15mol/L、所述双氧水的浓度为0.4mol/L；在合成聚合硫酸铁时，温度为35℃，聚合时间为0.4小时。
作为本发明的一个可实施的技术方案，所述Bacillus licheniformis CGMCCNo.7388发酵液和Paenibacillus sp.CGMCC No.2040发酵液均是利用LB液体培养基对菌进行培养至对数生长后期后，取其发酵液所得。
作为本发明的一个可实施的技术方案，在进行步骤(2)所述干燥时，于40℃下进行真空干燥。
优选的，所述生活污水包含浓度至少为100ml/L的COD、浓度至少为20mg/L的SS、浓度至少为0.02mg/L的Mn2+和浓度至少为0.1mg/L的Zn2+。
优选的，在步骤(3)中，絮凝剂的添加量为5～10mg/L，絮凝时间为5～10分钟，絮凝时温度为25～30℃。
优选的，Bacillus licheniformis CGMCC No.7388发酵液上清液与步骤(3)所得物的体积重量比1L:6.5kg。
本发明提供的土壤改良剂由上述方法制备而得。
本发明的另外一个目的在于提供上述土壤改良剂在提高作物产量方面的应用，具体为提高马铃薯的产量。
本发明的有益效果：
本发明可以实现矿渣处理、污水处理和土壤改良三位一体的技术效果，全程不产生额外固废，具有良好的环保和经济成本低的优势；本发明可以高效的处理生活污水，对污水COD、SS、Mn2+和Zn2+的去除率均可达到99％以上，且絮凝剂的使用量可低至5mg/L；本发明可显著的促进马铃薯的增产，使得亩产达到3100kg以上。
本部分参考现有技术：
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[4]蒋毅,刘雅,辜娇峰,杨世童,曾雄,王轩宁,周航,廖柏寒.三元复合调理剂对土壤镉砷赋存形态和糙米镉砷累积的调控效应[J].环境科学,2021,42(01):378-385.
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是以下实施例只是用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
1.主要原料：
采用的铁尾矿取自四川某地区的尾矿坝，主要成分见论文《铁尾矿制备聚合硫酸铁实验及造纸污水处理效果初步评价》中的表1所示。Bacillus licheniformis CGMCCNo.7388和Paenibacillus sp.CGMCC No.2040均购于中国普通微生物菌种保藏管理中心，本发明不涉及上述两种菌的筛选。
生活污水取自都江堰市污水处理站，污水水质指标为：COD为156.44mg/L、浊度为7.4mg/L、SS为28mg/L、pH为7.6、Mn2+为0.04mg/L、Zn2+为0.15mg/L。
Bacillus licheniformis CGMCC No.7388发酵液和Paenibacillus sp.CGMCCNo.2040发酵液均是利用LB液体培养基对菌进行培养至对数生长后期后，取其发酵液所得；之后调整Bacillus licheniformis CGMCC No.7388发酵液的菌浓至1×107cfu/ml，调整Paenibacillus sp.CGMCC No.2040发酵液的菌浓至1×104cfu/ml，备用。
磷酸钠：0.15mol/L，双氧水：0.4mol/L，两者均为现配。
2.土壤改良剂的制备：
(1)采用《铁尾矿制备聚合硫酸铁实验及造纸污水处理效果初步评价》中记载的最佳聚合硫酸铁合成试验制备聚合硫酸铁，具体条件为：聚合温度为35℃、聚合时间为0.4小时、n(双氧水):n(Fe2+)比值为0.08:1、n(磷酸钠):n(Fe2+)比值为0.07:1；
(2)等体积取Bacillus licheniformis CGMCC No.7388发酵液和Paenibacillussp.CGMCC No.2040发酵液，混合后取上清液，之后加入5倍体积的乙醇，进行离心沉淀，再利用氯仿对沉淀进行洗涤，共洗涤3次，然后于40℃下进行真空干燥；
(3)按重量比1:100的比例将步骤(1)所得聚合硫酸铁和步骤(2)所得物混合，得到絮凝剂；将所得絮凝剂加入至生活污水进行处理，添加量为5mg/L，于室温(27±1℃)下处理5分钟，取絮凝物；
(4)按体积重量比1L:5kg，将Bacillus licheniformis CGMCC No.7388发酵液上清液与步骤(3)所得絮凝物混合，即得所述土壤改良剂。
实施例2
除了步骤(3)中，步骤(1)所得物和步骤(2)所得物的重量比1:120之外，其余与实施例1相同。
实施例3
除了步骤(3)中，步骤(1)所得物和步骤(2)所得物的重量比1:110之外，其余与实施例1相同。
实施例4
除了步骤(4)中，Bacillus licheniformis CGMCC No.7388发酵液上清液与步骤(3)所得絮凝物的体积重量比1L:8kg之外，其余与实施例1相同。
实施例5
除了步骤(4)中，Bacillus licheniformis CGMCC No.7388发酵液上清液与步骤(3)所得絮凝物的体积重量比1L:6kg之外，其余与实施例1相同。
对比实施例1
除了步骤(4)中，将Bacillus licheniformis CGMCC No.7388发酵液上清液替换为Paenibacillus sp.CGMCC No.2040发酵液上清液(菌浓为1×107cfu/ml)之外，其余与实施例1相同。
对比实施例2
絮凝剂的制备方法：等体积取Bacillus licheniformis CGMCC No.7388发酵液和Paenibacillus sp.CGMCC No.2040发酵液，混合后取上清液，之后加入5倍体积的乙醇，进行离心沉淀，再利用氯仿对沉淀进行洗涤，共洗涤3次，然后于40℃下进行真空干燥；
将所得絮凝剂加入至生活污水进行处理，添加量为5mg/L，于室温(27±1℃)下处理5分钟，取絮凝物；
按体积重量比1L:5kg，将Bacillus licheniformis CGMCC No.7388发酵液上清液与所得絮凝物混合。
实验例
对实施例1-3在污水处理过程中的相关指标进行测试，并利用实施例1、实施例4-5所得土壤改良剂、对比实施例1-2所得产物用于马铃薯增产实验。
1.污水处理测试方法
(1)COD的测定采用重铬酸钾法；
(2)SS测定采用滤纸法，参考文献：常青.水处理絮凝学[M].北京：化学工业出版社，2003：50-160.
(3)Mn2+检测采用高碘酸钾氧化光度法：
(4)Zn2+检测采用双硫腙分光光度法。
2.污水处理测试结果
如表1所示，对比实施例1-3对于COD、SS、Mn2+和Zn2+的去除率均达到99.0％以上，可以实现对生活污水的高效处理。
表1
注：表1中的数据均为重复3组实验后去平均值所得。
3.马铃薯增产实验
分别将实施例1、实施例4、实施例5、对比实施例1和对比实施例2所得物，按1kg：1000kg的比例与有机肥混合。其中有机肥由牛粪、羊粪和锯木粉按重量比6:3:1混合后腐熟而得。
在马铃薯种植试验田(100m2)利用上述所得物进行施肥，施肥量均为1000kg/亩，收获时将产量折算为亩产，以仅施用有机肥为对照组。如表2所示，本发明实施例1、实施例4和实施例5能显著的提高马铃薯的亩产，而对比文件1和对比文件2对马铃薯亩产的影响较小。
表2 单位：kg/亩
| 对照组 | 实施例1 | 实施例4 | 实施例5 | 对比实施例1 | 对比实施例2 | |
| 产量 | 2236.24 | 3124.56 | 3112.45 | 3119.68 | 2309.02 | 2260.77 |
Claims (9)
1.基于铁尾矿为原料处理生活污水的土壤改良剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)对铁尾矿进行酸浸后，利用磷酸钠和双氧水合成聚合硫酸铁；
(2)等体积取Bacillus licheniformis CGMCC No.7388发酵液和Paenibacillussp.CGMCC No.2040发酵液，混合后取上清液，之后加入乙醇之后离心沉淀，再利用氯仿对沉淀进行洗涤，然后进行干燥；其中，Bacillus licheniformis CGMCC No.7388发酵液和Paenibacillussp.CGMCC No.2040发酵液的菌浓比为1000:1；
(3)按重量比1:100～120的比例将步骤(1)所得物和步骤(2)所得物混合，得到絮凝剂；将所得絮凝剂加入至生活污水进行处理，取絮凝物；
(4)按体积重量比1L:5～8kg，将Bacillus licheniformis CGMCCNo.7388发酵液上清液与步骤(3)所得物混合，即得所述土壤改良剂；
所述Bacillus licheniformis CGMCC No.7388发酵液和Paenibacillus sp.CGMCCNo.2040发酵液均是利用LB液体培养基对菌进行培养至对数生长后期后，取其发酵液所得。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述磷酸钠的浓度为0.15mol/L、所述双氧水的浓度为0.4mol/L；在合成聚合硫酸铁时，温度为35℃，聚合时间为0.4小时。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在进行步骤(2)所述干燥时，于40℃下进行真空干燥。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述生活污水包含浓度至少为100ml/L的COD、浓度至少为20mg/L的SS、浓度至少为0.02mg/L的Mn2+和浓度至少为0.1mg/L的Zn2+。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，絮凝剂的添加量为5～10mg/L，絮凝时间为5～10分钟，絮凝时温度为25～30℃。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，Bacillus licheniformis CGMCCNo.7388发酵液上清液与步骤(3)所得物的体积重量比1L:6.5kg。
7.一种土壤改良剂，其特征在于，所述土壤改良剂由权利要求1～6任一项所述制备方法制备而得。
8.权利要求7所述土壤改良剂在改良土壤以提高作物产量方面的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述应用为提高马铃薯的产量。
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