CN110724649B - 高效生物淋滤复合菌系及其污泥脱铬过程中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了高效生物淋滤复合菌系，包括功能菌株和辅助菌株，功能菌株包括Acidithiobacillus thiooxidans ATCC 53990，辅助菌株包括Acidiphilium cryptum ATCC 33463、Rhodotorula mucilaginosa ATCC 9449、Alicyclobacillus cycloheptanicus CGMCC 1.7014和Sulfobacillus acidophilus ATCC 700253中的一种菌株或多种菌株的组合菌株。本发明将上述的高效生物淋滤复合菌系用于污泥脱铬工程中，通过具有较强耐酸性的异养菌消耗有机物，降低或消除对自养菌生长的抑制，利于显著提高生物淋滤效果，缩短淋滤周期，提高淋滤效率。

Description

高效生物淋滤复合菌系及其污泥脱铬过程中的应用
技术领域
本发明涉及环保技术领域，具体涉及一种高效生物淋滤复合菌系及其污泥脱铬过程中的应用
背景技术
制革企业污水处理每年能产生高达数十万吨的污泥，由于生皮鞣革中大量硫酸铬的使用及较低的铬利用率，使制革业成为了一个潜在的污染行业。有研究表明传统工艺中大约只有60％铬盐得到了有效利用，其余的铬最终都进入了制革污泥(铬含量可高达1％～4％)，其安全处置是皮革行业可持续发展的关键之一。生物淋滤技术是在有氧条件下，以二氧化碳为主要碳源、硫粉为主要能源，利用嗜酸菌的氧化还原反应及酸化等作用，将污泥等固相中的部分难溶或不可溶成分(如金属硫化物)转为可溶性而溶出进入液相中，最后通过固液分离加以去除。生物淋滤因其高效率、低成本、操作简单等优势而受到研究者的极大关注，已被应用于处理低品位矿、受金属污染的土壤、底泥、污水污泥等。但目前对于生物淋滤法处理制革污泥的关注和研究却非常有限。生物淋滤周期通常较长(8～44天)，极大地限制了这项技术的推广和应用。这个问题可从选择高效的淋滤微生物以及优化淋滤工艺条件两方面入手加以解决。
因此，微生物在生物淋滤工艺中起着至关重要的作用。目前，生物淋滤技术中所利用的细菌主要来自嗜酸性硫杆菌属(Acidithiobacillus)、硫化杆菌属(Sulfobacillus)、钩端螺旋菌属(Leptospirillum)、嗜酸菌属(Acidiphilium)等自养菌。许多研究表明污泥存在的某些可溶性小分子有机物对硫杆菌等自养菌的生长具有明显的抑制作用，影响淋滤效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：制革污泥存在的某些可溶性小分子有机物对硫杆菌等自养菌的生长具有明显的抑制作用，影响生物淋滤效果，本发明提供了解决上述问题的高效生物淋滤复合菌系及其污泥脱铬过程中的应用。
本发明通过下述技术方案实现：
高效生物淋滤复合菌系，所述复合菌系包括功能菌株和辅助菌株，所述功能菌株包括Acidithiobacillus thiooxidans ATCC 53990，所述辅助菌株包括Acidiphiliumcryptum ATCC 33463、Rhodotorula mucilaginosa ATCC 9449、Alicyclobacilluscycloheptanicus CGMCC 1.7014和Sulfobacillus acidophilus ATCC 700253中的一种菌株或多种菌株的组合菌株。
优选地，所述复合菌系是由Acidithiobacillus thiooxidans ATCC 53990与Acidiphilium cryptum ATCC 33463、Rhodotorula mucilaginosa ATCC 9449、Alicyclobacillus cycloheptanicus CGMCC 1.7014、Sulfobacillus acidophilus ATCC700253中任意一种菌株组成的两组分体系。
优选地，所述复合菌系是由Acidithiobacillus thiooxidans ATCC 53990和Rhodotorula mucilaginosa ATCC 9449与Acidiphilium cryptum ATCC 33463、Alicyclobacillus cycloheptanicus CGMCC 1.7014、Sulfobacillus acidophilus ATCC700253中任意一种菌株组成的三组分体系。
优选地，所述复合菌系是由Acidithiobacillus thiooxidans ATCC 53990与Acidiphiliumcryptum ATCC 33463、Alicyclobacillus cycloheptanicus CGMCC 1.7014、Sulfobacillus acidophilus ATCC 700253中任意两种菌株组成的三组份体系。
优选地，所述复合菌系是由Acidithiobacillus thiooxidans ATCC 53990和Rhodotorula mucilaginosa ATCC 9449与Acidiphilium cryptum ATCC 33463、Alicyclobacillus cycloheptanicus CGMCC 1.7014、Sulfobacillus acidophilus ATCC700253中任意两种菌株组成的四组分体系。
优选地，所述复合菌系是由Acidithiobacillus thiooxidans ATCC 53990、Alicyclobacillus cycloheptanicus CGMCC 1.7014、Acidiphilium cryptum ATCC33463、和Sulfobacillus acidophilus ATCC 700253组成的四组分体系。
优选地，所述复合菌系是由Acidithiobacillus thiooxidans ATCC 53990、Acidiphilium cryptum ATCC 33463、Rhodotorula mucilaginosa ATCC 9449、Alicyclobacillus cycloheptanicus CGMCC 1.7014和Sulfobacillus acidophilus ATCC700253组成的五组分体系。
上述的高效生物淋滤复合菌系在污泥脱铬过程中的应用。
优选地，所述复合菌系用于制革污泥脱铬。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明利用自养菌联合异养菌共同淋滤污泥中的重金属，其原理为：具有较强耐酸性的异养菌可以消耗有机物，以降低或消除对自养菌生长的抑制，显著提高生物淋滤效果，缩短淋滤周期，提高淋滤效率。此外，本发明在复配菌系中加入异养酵母菌，利于进一步提高淋滤效率，且未发现有关酵母菌在生物淋滤方面的应用。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
菌株的培养：
Medium4：A液：氯化铵0.5g，二水氯化钙0.1g，磷酸氢二钾0.5g，七水硫酸镁0.4g，蒸馏水500mL，硫酸调节pH为4；B液：五水硫代硫酸钠1.5g，300mL蒸馏水，0.22μm滤膜过滤除菌，待用；C液：分子生物学级琼脂糖15～20g，200mL蒸馏水。A、C液分别在121℃下灭菌15min，待各溶液冷却至60℃后，将A、B、C液三者混匀，迅速倒板待用。液体培养基不添加琼脂糖，并以5g/L单质硫代替五水硫代硫酸钠作为能源物质，采用间歇灭菌法处理硫粉。用于培养Acidithiobacillus thiooxidans ATCC 53990。
Medium5：A液：硫酸铵0.2g，二水氯化钙0.25g，磷酸二氢钾3g，七水硫酸镁0.5g，酵母浸出粉2g，蒸馏水1000mL，硫酸调节pH为4；B液：七水硫酸锌0.1g，四水氯化锰0.03g，硼酸0.3g，六水氯化钴0.2g，二水氯化铜0.01g，六水氯化镍0.02g，二水钼酸钠0.03g，蒸馏水1000mL。A、B液分别于在121℃下灭菌15min，待各溶液冷却至60℃后混合。用于培养Alicyclobacillus cycloheptanicus CGMCC 1.7014。
ATCC medium：硫酸铵0.4g，氯化钾0.1g，磷酸氢二钾0.2g，七水硫酸镁0.5g，酵母浸出粉0.25g，蒸馏水1000mL，硫酸调节pH为2，在121℃下灭菌15min。用于培养Sulfobacillus acidophilus ATCC 700253。
Medium6：A液：硫酸铵0.2g，二水氯化钙0.25g，磷酸二氢钾0.6g，七水硫酸镁0.5g，酵母浸出粉1g，蒸馏水500mL，硫酸调节pH为3～4；B液：葡萄糖1g，琼脂粉15～20g，蒸馏水500mL。A、B液分别于在121℃下灭菌15min，待各溶液冷却至60℃后混匀，倒板。液体培养基不加琼脂粉即可。用于培养Acidiphilium cryptum ATCC 33463
YPD培养基：葡萄糖20g，蛋白胨20g，酵母浸出粉10g，琼脂粉15～20g，蒸馏水1000mL，在121℃下灭菌15min。液体培养基不加琼脂粉即可。用于培养Rhodotorulamucilaginosa ATCC9449
具体使用时先单独培养各个菌株，然后同时加入待处理污泥中进行生物淋滤。
实施例2
本实施例提供了将单一菌株用于生物淋滤制革污泥脱铬的方法，具体操作如下：
将各单菌(ATCC 53990、ATCC 33463和ATCC 9449)经过各液体培养基扩大培养后(其中ATCC 9449为酵母，用YPD进行培养)，离心收集后作为接种物用于生物淋滤制革污泥实验。该实验在250mL摇瓶中进行，制革污泥的浓度为2％(w/v，干重)，硫粉添加量为0.5％(w/v)，分别开展了菌株接种量为10％、5％和2％(v/v)梯度实验(菌浓度约1×108cell/ml)，用无菌水补足至100mL工作体积。制革污泥经过121℃，15min的灭菌处理，硫粉作间歇灭菌处理。采用无菌水代替接种液进行接种作空白试验。摇瓶置于30℃恒温水浴槽中200r/min培养条件下完成生物淋滤过程。每2天取样并测定pH、ORP、SO4 2-和铬离子的浓度等参数。每个实验重复至少两次。
实施例3
本实施例提供了将复合菌群用于生物淋滤制革污泥脱铬的方法，具体操作方法如下：
该实验在250mL摇瓶中进行，制革污泥的浓度为2％(w/v，干重)，硫粉添加量为0.5％(w/v)。以Acidithiobacillus thiooxidans ATCC 53990分别与Sulfobacillusacidophilus ATCC700253、Alicyclobacillus cycloheptanicus CGMCC 1.7014、Acidiphilium cryptum ATCC 33463和Rhodotorula mucilaginosa ATCC 9449按不同组合形式构成的复合菌群作接种物，分别开展了Acidithiobacillus thiooxidans ATCC 53990与各配合菌株在不同菌浓度比例条件下对制革污泥中铬脱除能力的评价实验，其中Acidithiobacillus thiooxidans ATCC 53990接种量为5％(v/v，菌浓度约1×108cell/ml)。用无菌水补足至100mL工作体积，以不接种复合菌群的体系为对照组。摇瓶置于30℃恒温水浴槽中200r/min培养条件下完成生物淋滤过程。每2天取样并测定pH、ORP、SO4 2-和铬离子的浓度等参数。每个实验重复至少两次。五个菌株的信息及命名如下：
Acidithiobacillus thiooxidans ATCC 53990，购买的自养细菌；缩写为At；
Acidiphilium cryptum ATCC 33463，购买的自养细菌；缩写为A；
Rhodotorula mucilaginosa ATCC 9449，购买的异养酵母菌；缩写为Rm；
Alicyclobacillus cycloheptanicus CGMCC 1.7014，购买的异养细菌，缩写为Ac；
Sulfobacillus acidophilus ATCC 700253，购买的异养/自养细菌，缩写为Sa。
实验中铬的淋滤效率计算如下：
铬淋滤效率(％)＝(V×Cw/T)×100
V表示各淋滤体系的实际淋滤体积(mL)，Cw表示液相中可溶性铬的浓度(mg/L)，T表示淋滤之前各淋滤体系中污泥所含重金属铬的量(mg)。
实验结果如表1所示：
表1本发明实验结果
Figure BDA0002226954010000041
Figure BDA0002226954010000051
2对照组实验结果
Figure BDA0002226954010000052
实验结果显示：
对照组1、脱铬菌为单一菌株：
实验结果显示，5个菌株中只有At菌株具有生物脱铬能力，到第6天时，铬淋滤效率为71％。其余4个菌株均无单独生物脱铬能力。
实验组1、脱铬菌为：At+单一辅助菌
复合菌系分别为：At+Sa，At+Ac，At+A，At+Rm四种复合菌系。
研究发现，当At接种量为5％(v/v)时，加入单一辅助菌均可以促进At对制革污泥生物淋滤效果，可提高体系的酸化速率和铬脱除效率。但各菌种在最佳接种比例条件下，淋滤过程中相关参数的变化情况因菌种的不同而有差异，且在淋滤前4天差异较为显著。对比发现在前4天中，各优势菌种对淋滤体系的酸化速率、淋滤效率贡献的显著程度顺序依次为A>Sa>Rm>Ac.。到第6天时，各复合菌体系的参数变化趋于一致，各体系的铬淋滤效率为84％～88％。
实验组2、脱铬菌为：At+酵母菌Rm+单一辅助细菌
复合菌系分别为：At+Rm+Sa，At+Rm+Ac，At+Rm+A三种复合菌系。
(1)酸化速率比较：仅接种5％At的体系，在淋滤前2天pH值的下降并不明显。2天后，pH下降速率增大，到淋滤第6天时，体系的pH值降至1.9。而各复合菌淋滤体系在淋滤第2天即可将体系的pH降低至3.1～3.0，当淋滤进行到第6天时，各体系的pH下降至1.5左右。由此可见接种复合菌的淋滤体系具有更高的酸化速率，在相同时间内，接种复合菌的淋滤体系具有更高的硫酸浓度。
(2)铬淋滤效率比较：到淋滤第2天时，接种5％At的体系未实现有效的铬浸出，到第6天时对铬的浸出效率为71％。各复合菌淋滤体系在淋滤第2天时对铬的淋滤效率已达到20％及以上。经过6天的淋滤，对铬的淋滤效率为91％～94％。
(3)以单一细菌+酵母共同作为辅助菌启动的淋滤体系具有更高的硫粉氧化速率，可进一步提高体系的酸化速率和铬淋滤效率。
实验组3、脱铬菌为：At+两种辅助细菌
复合菌系分别为：At+Sa+Ac，At+A+Sa，At+A+Ac三种复合菌系。
(1)酸化速率比较：仅接种5％的At体系，在淋滤前2天pH值的下降并不明显。2天后，pH下降速率增大。到淋滤第6天时，体系的pH值降至1.9。对于各接种复合菌的体系，到淋滤第2天时，(At+Sa+Ac)体系的pH值稍高，为4.6，到淋滤第6天时，降至1.88。而(At+A+Sa)和(At+A+Ac)体系在淋滤第2天时，pH分别低至2.88和3.1。到淋滤第6天时，pH分别低至1.46和1.47。可见接种复合菌的淋滤体系具有更高的酸化速率，其中以(At+A+Sa)和(At+A+Ac)体系酸化速率最高，(At+Sa+Ac)最慢。
(2)铬淋滤效率比较：在淋滤第2天时，(At+Sa+Ac)和单独的At体系的铬淋效率均低于5％，而(At+A+Sa)和(At+A+Ac)此时的淋滤效率均高于20％。到淋滤第6天时，At体系的铬浸出效率为71％，(At+Sa+Ac)的铬浸出效率为79％，(At+A+Sa)和(At+A+Ac)对铬的淋滤效率则高达98％和95％。
综上，(At+A+Sa)体系的效率最好。
实验组4、脱铬菌为：At+酵母菌Rm+两种辅助细菌
复合菌系分别为：At+Rm+Sa+Ac，At+Rm+A+Sa，At+Rm+A+Ac三种复合菌系。
(1)酸化速率比较：各接种复合菌的淋滤体系各参数的变化情况趋于一致。在淋滤第2天，各体系的pH值便均降至约3，到第6天时，各体系的pH下降至1.44左右。ORP和SO4 2-浓度的变化也趋于一致，且远远高于At体系。
(2)淋滤效率比较：对铬的淋滤效率，在淋滤第2天，便可达到24％以上，到第6天时可实现98％及以上的铬脱除。相对At+两种辅助细菌中各复合体系，酵母菌Rm的加入可进一步提高体系的淋滤效率。
实验组5、脱铬菌为：At+三种辅助细菌
复合菌系为：At+Sa+Ac+A一种复合菌系。
(1)酸化速率比较：在淋滤第2天，接种复合菌的体系pH均能被有效降至约3，明显低于At体系的6.3。到淋滤第6天时，体系的pH值降至1.43，可见接种复合菌的淋滤体系具有更高的酸化速率。从ORP值和SO4 2-浓度的变化来看，接种复合菌的体系具有更高的硫氧化菌活性和硫氧化速率。
(2)淋滤效率比较：在淋滤第2天便能达到33％，淋滤第6天时，对铬的淋滤效率达到100％，明显高于At体系，同时也几乎高于其余所有At和辅助菌共同淋滤时的铬淋滤效率。由此可见，接种三种辅助细菌时，能进一步提高生物淋滤制革污泥的铬脱除效率。
实验组6、脱铬菌为：At+酵母菌Rm+三种辅助细菌
复合菌系为：At+Rm+Sa+Ac+A一种复合菌系。
(1)酸化速率比较：在淋滤第2天，各接种复合菌的体系pH均能被有效降至约3，明显低于仅At体系的6.3。到淋滤第6天时，体系的pH值降至1.45，可见接种复合菌的淋滤体系具有更高的酸化速率。从ORP值和SO4 2-浓度的变化来看，接种复合菌的体系具有更高的硫氧化菌活性和硫氧化速率。
(2)淋滤效率比较：在淋滤第2天便能达到30％，淋滤第6天时，对铬的淋滤效率均达到100％，明显高于At体系。由此可见，在接种三种辅助细菌的情况下，酵母菌Rm的引入对体系淋滤效率的无显著影响，都能取得优异的淋滤效果。
综上所述，At作为极端嗜酸的硫氧化杆菌，是实现高效铬生物淋滤效率的最重要的功能菌株；Sa、Ac、A、Rm以任意组合形式作为淋滤辅助菌均可有效促进制革污泥铬淋滤效率的提高。其中在三种辅助细菌均加入，以及三种辅助细菌和酵母菌同时加入的情况下脱铬效果最佳。
注释：表2中各引用文献信息如下：
[1]Ryu H W,Moon H S,Lee E Y,et al.Leaching characteristics of heavymetals from sewage sludge by Acidithiobacillus thiooxidans MET[J].Journal ofEnvironmental Quality,2003,32(3):751.
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[9]Fang D.and Li J.Isolation of heterotrophic microorganism Bacillussubtilis Lj86 for improving autotrophic sulfur-based bioleaching of metal-polluted sediment.20115th International Conference on Bioinformatics andBiomedical Engineering,Wuhan.
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.生物淋滤复合菌系，其特征在于，所述复合菌系由功能菌株和辅助菌株组成，所述功能菌株采用Acidithiobacillus thiooxidans ATCC 53990，所述辅助菌株采用Acidiphilium cryptum ATCC 33463、Rhodotorula mucilaginosa ATCC 9449、Alicyclobacillus cycloheptanicus CGMCC 1.7014和Sulfobacillus acidophilus ATCC700253中的一种菌株或多种菌株的组合菌株；
在相应的组合菌株中，满足：
Acidithiobacillus thiooxidans ATCC 53990与Acidiphilium cryptum ATCC 33463的配比为1:10；
Acidithiobacillus thiooxidans ATCC 53990与Rhodotorula mucilaginosa ATCC9449的配比为1:1；
Acidithiobacillus thiooxidans ATCC 53990与Alicyclobacilluscycloheptanicus CGMCC 1.7014的配比为1:1；
Acidithiobacillus thiooxidans ATCC 53990与Sulfobacillus acidophilus ATCC700253的配比为1:1。
2.根据权利要求1所述的生物淋滤复合菌系，其特征在于，所述复合菌系是由Acidithiobacillus thiooxidans ATCC 53990与Acidiphilium cryptum ATCC 33463、Rhodotorula mucilaginosa ATCC 9449、Alicyclobacillus cycloheptanicus CGMCC1.7014、Sulfobacillus acidophilus ATCC 700253中任意一种菌株组成的两组分体系。
3.根据权利要求1所述的生物淋滤复合菌系，其特征在于，所述复合菌系是由Acidithiobacillus thiooxidans ATCC 53990和Rhodotorula mucilaginosa ATCC 9449与Acidiphilium cryptum ATCC 33463、Alicyclobacillus cycloheptanicus CGMCC1.7014、Sulfobacillus acidophilus ATCC 700253中任意一种菌株组成的三组分体系。
4.根据权利要求1所述的生物淋滤复合菌系，其特征在于，所述复合菌系是由Acidithiobacillus thiooxidans ATCC 53990与Acidiphilium cryptum ATCC 33463、Alicyclobacillus cycloheptanicus CGMCC 1.7014、Sulfobacillus acidophilus ATCC700253中任意两种菌株组成的三组份体系。
5.根据权利要求1所述的生物淋滤复合菌系，其特征在于，所述复合菌系是由Acidithiobacillus thiooxidans ATCC 53990和Rhodotorula mucilaginosa ATCC 9449与Acidiphilium cryptum ATCC 33463、Alicyclobacillus cycloheptanicus CGMCC1.7014、Sulfobacillus acidophilus ATCC 700253中任意两种菌株组成的四组分体系。
6.根据权利要求1所述的生物淋滤复合菌系，其特征在于，所述复合菌系是由Acidithiobacillus thiooxidans ATCC 53990、Alicyclobacillus cycloheptanicusCGMCC 1.7014、 Acidiphilium cryptum ATCC 33463、和Sulfobacillus acidophilusATCC 700253组成的四组分体系。
7.根据权利要求1所述的生物淋滤复合菌系，其特征在于，所述复合菌系是由Acidithiobacillus thiooxidans ATCC 53990、Acidiphilium cryptum ATCC 33463、Rhodotorula mucilaginosa ATCC 9449、Alicyclobacillus cycloheptanicus CGMCC1.7014和Sulfobacillus acidophilus ATCC 700253组成的五组分体系。
8.权利要求1～7任一项所述的生物淋滤复合菌系在污泥脱铬过程中的应用。
9.根据权利要求8所述的高效生物淋滤复合菌系在污泥脱铬过程中的应用，其特征在于，所述复合菌系用于制革污泥脱铬。
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