发明内容
本发明的第一个目的是提供一株硫酸盐还原菌,该菌可在高氯离子浓度和高锌离子浓度存在下,高效地还原硫酸盐。
本发明的第二个目的是提供一种回收冶炼废水中有价金属的工艺,采用该工艺,可降低50%的处理成本,去除锌、铅、砷、镉、铜等重金属离子,稳定保证出水中污染物浓度低于国家标准的要求。
为了实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
本发明提供一种硫酸盐还原菌,该菌的分类命名为Clostridium sartagoformeGRINMds1,保藏单位为:中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,地址为:北京市朝阳区北辰西路1号院3号,中国科学院微生物研究所,保藏日期:2016年12月22日,保藏编号:CGMCC No.13369。
本发明的硫酸盐还原菌(Clostridium sartagoforme)GRINMds1菌落特征为:在固体培养基上35℃生长较快,3天后菌落直径为3mm,菌落呈规则圆形,质地致密。
本发明所用提取细菌的样品来自于广西某矿产周边的河流底泥,经筛选分离后,得到一株耐氯、耐锌离子的硫酸盐还原菌株,编号为40#菌株。经过形态学鉴定、菌株的16SrDNA序列鉴定,将其鉴定命名为Clostridium sartagoforme GRINMds1菌株,经检测该菌株具有较好的硫酸盐还原能力。
本发明还提供一种放大培养上述的硫酸盐还原菌的培养基,该培养基配方为:该培养基的制备方法为:基础培养基:1.0g/L氯化铵,2.0g/L硫酸钠,1.0g/L硫酸锌,2.0g/L七水硫酸镁,0.5g/L磷酸二氢钾,0.1g/L氯化钙,3.0g/L蛋白胨,2.8mL/L乳酸钠,pH7.0~7.5,121℃灭菌20min冷却备用;硫酸亚铁铵母液:10g/L硫酸亚铁铵,0.1g/L抗环血酸,4g/L L-半胱氨酸盐酸盐,过滤灭菌;将基础培养基和硫酸亚铁铵母液按照体积比20:1的比例混合均匀。
本发明还提供一种回收锌冶炼废水中有价金属的工艺,包括以下步骤:
1)将锌冶炼废水调pH中和至pH5.0-6.0;
2)在生物反应器内接种使用权利要求2所述培养基培养的权利要求1所述硫酸盐还原菌,菌浓度108个/mL,接种体积为生物反应器体积的1%,然后将碳源通入生物反应器;
3)使步骤1)经中和的锌冶炼废水依照顺序进入接触反应器进行选择性沉淀得到重金属沉淀物和上清液,重金属沉淀物作为原料进入锌选冶***,上清液进入生物反应器,并在接触反应器和生物反应器之间设置管道进行回流;
4)将生物反应器流出废水通入好氧反应器进行反应,反应液排放或回用,反应产生的污泥浓缩后返回生物反应器作为碳源。
优选地,步骤1)步骤为:将锌冶炼废水流入中和反应器,加入石灰乳调节pH,充分搅拌后静置,得到沉渣和上清液,沉渣经过压滤后,得到滤渣和滤液,将上清液和滤液合并即为经中和的锌冶炼废水。
优选地,步骤2)中所述碳源的终浓度为:甘油9%,乳酸钠7%。
优选地,步骤3)中所述接触反应器的pH为5.0-6.0。
优选地,步骤3)中所述接触反应器的HRT为2-3h。
优选地,所述生物反应器为升流式厌氧污泥床反应器,内部填充玻璃微珠,玻璃微珠直径为1~2mm,堆积密度为270±30kg/m3,填充率为20%。
优选地,所述生物反应器的HRT为14-18h,生物反应器内温度为28~35℃。
优选地,所述好氧反应器的HRT为2-6h。
HRT为水力停留时间,指待处理污水在反应器内的平均停留时间。
本发明的优点在于:
1.采用的硫酸盐还原菌在弱酸性pH(pH5.0-6.0)下,存在高浓度氯离子和锌离子的情况下,具有硫酸盐还原活性,提高废水处理的适应性。
2.本发明提供的工艺采用分相的设计,减少金属离子对生物反应器内微生物的抑制;同时由于生物反应器内微生物生长环境维持在pH6-7,使得硫酸盐还原率上升至80%以上。
3.生物反应器采用升流式厌氧污泥床(UASB)反应器,能够实现泥水的快速分离,回流仅回流液体,而污泥微生物不会被回流;通过回流使得生物反应器内产生的S2-离子能够实时的回到前面的选择性沉淀池,减少S2-离子对生物反应器内微生物的抑制。
4.生物硫酸盐还原过程产碱耗酸,产生的碱度可用于提升选择性沉淀池的pH值,通过pH在线探头及水泵可以实现选择性沉淀池内pH的控制并进而实现有价重金属的选择性沉淀。
5.后置的好氧反应池可以充分利用出水中残余的碳源产生污泥,同时使出水达标;产生的污泥浓缩后可以回流生物反应器做碳源,减少碳源的消耗量。
本发明的有益效果在于:
本发明提供一种硫酸盐还原菌及使用该菌的回收锌冶炼废水中有价金属的工艺,采用回流来控制接触反应器选择性沉淀回收有价金属,本发明提供的工艺可以比常规工艺成本降低30-50%。
具体实施方式
本发明包括耐受高浓度重金属离子的有机物降解菌株的富集分离、筛选纯化、降解能力检测以及鉴定,具体说明如下:
本发明所用的硫酸盐还原菌,该菌的分类学命名为Clostridium sartagoformeGRINMds1,保藏单位为:中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,地址为:北京市朝阳区北辰西路1号院3号,中国科学院微生物研究所,保藏日期:2016年12月22日,保藏编号:CGMCC No.13369。
实施例1
硫酸盐还原菌的富集分离及纯化
(1)培养基
基础固体培养基:1.0g/L氯化铵,2.0g/L硫酸钠,1.0g/L硫酸锌,2.0g/L七水硫酸镁,0.5g/L磷酸二氢钾,0.1g/L氯化钙,3.0g/L蛋白胨,2.8mL/L乳酸钠,琼脂粉20g,pH7.4~7.6。
基础液体培养基:1.0g/L氯化铵,2.0g/L硫酸钠,1.0g/L硫酸锌,2.0g/L七水硫酸镁,0.5g/L磷酸二氢钾,0.1g/L氯化钙,3.0g/L蛋白胨,2.8mL/L乳酸钠,pH7.0~7.5。
上述基础培养基分别在高压灭菌锅中121℃灭菌20min冷却备用。另配制硫酸亚铁铵母液:10g/L硫酸亚铁铵,0.1g/L抗环血酸,4g/L L-半胱氨酸盐酸盐,过滤灭菌后每100mL基础培养基加入5mL该硫酸亚铁铵母液,制成固体培养基和液体培养基。
(2)样品采集及准备
本试验所用分离细菌的样品来自于广西某地的尾矿样品,在尾矿库表层下10~20cm处取1kg尾矿样品装入无菌封口袋种,在24h内通过冷链运输将样品带回实验室并放置于4℃冰箱保存备用。
(3)硫酸盐还原菌株的富集培养
准确称量20g的尾矿样品放入装有100mL液体培养基的250mL锥形瓶,用磁力搅拌器以300r/min的转速搅拌40min,静置分层。取上清液观察,菌量较少。
取20mL上清液于装有200mL上述液体培养基的250mL锥形瓶中,封好瓶口在35℃培养箱静置富集培养,在瓶口处提前放置一张湿润的醋酸铅试纸。当培养基完全变黑,醋酸铅试纸变黑,打开瓶口能闻到明显的臭鸡蛋气味的气体,说明硫酸盐还原菌大量繁殖,菌液的浓度达到108个/mL。取出锥形瓶,取上清液分别进行10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6,六个梯度的稀释。将灭过菌的固体培养基倒入平皿,厚度大概占平皿的三分之一。待琼脂冷却后,分别向对应的培养皿中加入各稀释梯度的菌悬液20μL,用涂布棒涂布均匀。待菌液渗透几分钟后,在平皿内再导入一定量冷却的固体培养基,使培养基占整个平板的三分之二,菌液夹在两层培养基之间,造成厌氧的环境。每个浓度重复三次,将制好的平板放在35℃培养箱中,静置培养3~4天,每天观察平板菌落的变化。
(4)硫酸盐还原菌株的纯化
观察固体平板上菌落的变化,用接菌环挑取单个颜色变黑的菌落到装有10ml液体培养基的试管中,在35℃条件下静置培养三天得到单个的纯菌。
实施例2
菌种的鉴定
观察固体培养基平板上的菌落形态,并用光学显微镜观察菌株的形态,将所得的菌株的形态学特征与《真菌鉴定手册对比(魏景超著)》比对,得到所要菌株的初步鉴定结果。然后再用PCR扩增菌株的16S rDNA序列并进行测序分析分析,测序数据如下SEQ IDNo.1所示。
将测序获得的16S序列到NCBI公共数据库(https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi?PROGRAM=blastn&PAGE_TYPE=Blast Search&LINK_LOC=blasthome)进行比对,比对结果为Clostridium sartagoforme,命名为GRINMds1,扫描电镜图如图1所示。
实施例3
回收某锌冶炼废水中有价金属的工艺流程参考图2所示。
步骤一:某锌冶炼废水流入中和反应器(中和池),加入石灰乳调节pH,控制pH为5.7,充分搅拌后静置,得到沉渣和上清液,沉渣经过压滤后,得到滤渣(即石膏渣)和滤液,上清液和滤液合为经中和的锌冶炼废水;
步骤二:将硫酸盐还原菌GRINMds1加入到液体培养基中35℃静置培养至菌浓度108个/mL,按照接种体积为反应体系的1%接种到生物反应器中,然后加入甘油,乳酸钠至终浓度(质量百分比)为甘油9%,乳酸钠7%作为碳源;
所用生物反应器为升流式厌氧污泥床(UASB)反应器,内部填充玻璃微珠,玻璃微珠直径为1~2mm,堆积密度为270±30kg/m3,填充率为20%。
步骤三:将步骤一得到的经中和的锌冶炼废水与生物反应器出水进入接触反应器,充分搅拌后静置,得到以硫化锌为主的重金属沉淀物和上清液,以硫化锌为主的重金属沉淀物可作为原料进入锌选冶***,其中,接触反应器的pH为5.7,接触反应器的HRT(水力停留时间)为2.5h,接触反应器连接生物反应器出水的管道的出口位置应设置在接触反应器内液面下1.5m;
在这一pH下,溶液中的Zn2+离子可以和生物反应器回流液中的S2-离子反应生成ZnS,实现锌等重金属的沉淀。
然后使上清液部分流入至生物反应器,流入量为100%,生物反应器出水溢流(回流)至接触反应器,其中,生物反应器HRT为15h,生物反应器内水温保持在33℃;
生物反应器可硫酸盐还原菌生长,硫酸盐还原菌利用碳源还原水体里的硫酸根为S2-离子,通过含有生成S2-离子的反应液回流至接触反应器,可以使S2-离子和接触反应器进水中的Zn2+反应,生成ZnS沉淀,用于回收。
步骤四:步骤三回流后剩余的上清液进入好氧反应器内反应,好氧反应器HRT为4h,好氧反应器出水可直接排放,反应产生的污泥浓缩后返回生物反应器作为碳源。
接触反应器至生物反应器至好氧反应器为通过高程控制的重力溢流,在生物反应器回流接触反应器的过程设置水泵进行回流。
对锌冶炼废水以及处理后出水中重金属进行检测,检测结果见表1。得到重金属沉淀物中锌元素的含量为15.3%。
表1 (单位mg/L)
|
Zn |
As |
Cu |
Cd |
Pb |
Cl |
原水 |
123.4 |
50.4 |
0.3 |
11.6 |
70.4 |
200 |
出水 |
0.97 |
0.11 |
0.09 |
0.01 |
0.12 |
140 |
排放限值a) |
1.5 |
0.5 |
0.5 |
0.05 |
0.3 |
- |
a)GB25466-2010《铅锌工业污染物排放标准》
从上述实施例可以看出,本发明提供的硫酸盐还原菌不仅具有很强耐氯、耐锌离子能力,并且可以有效去除重金属,实现达标排放。
SEQUENCE LISTING
<110> 北京有色金属研究总院
<120> 一株硫酸盐还原菌及其用于回收锌冶炼废水中有价金属的工艺
<160> 1
<170> PatentIn version 3.3
<210> 1
<211> 1311
<212> DNA
<213> Clostridium sartagoforme
<400> 1
ctagcggcgg acgggtgagt aacacgtggg caacctgcct tatagagggg aatagccttc 60
cgaaaggaag attaataccg cataacatta cattttcgca tgaagaagta attaaaggag 120
taatccgcta taagatgggc ccgcggcgca ttagctagtt ggtgaggtaa cggctcacca 180
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