專利名稱：利用膠質(zhì)芽孢桿菌處理含汞廢水的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用膠質(zhì)芽孢桿菌處理含汞廢水的方法，屬于微生物吸附法處理含汞廢水技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
重金屬污染嚴(yán)重威脅著生態(tài)環(huán)境安全和人體健康，重金屬污染廢水的治理技術(shù)可以分為物理法、化學(xué)法和生物法以及這些方法不同程度的綜合使用。微生物吸附方法處理重金屬污染廢水具有很多理論上的優(yōu)勢而受到專家學(xué)者的普遍關(guān)注，至今仍然是地球科學(xué)和環(huán)境科學(xué)研究領(lǐng)域的熱點之一，但是由于存在一些尚未解決的理論和實際問題，距離大規(guī)模的實際應(yīng)用還有很長的路。微生物具有吸附多種污染物的能力，不僅可以吸附、吸收重金屬，也可以吸附各種有機污染物、懸浮顆粒物等，甚至還可以降解有機物。幾乎所有的微生物體對重金屬都有吸附作用；微生物活體既可以吸附重金屬也可以吸收重金屬；即使是死的微生物體也都可以吸附重金屬，微生物代謝產(chǎn)物也可以吸附重金屬。物理化學(xué)方法有三個方面的不足之處設(shè)備及使用成本高、非環(huán)境友好技術(shù)、處理技術(shù)對污染物濃度有較強的依賴性。微生物吸附法治理重金屬污染具有以下幾個方面的優(yōu)勢
(1)微生物法可以原位實施治理重金屬污染；
(2)微生物法不產(chǎn)生二次污染，對環(huán)境友好；
(3)微生物法在成本上是可行的。目前，微生物吸附重金屬的研究還存在以下不足①缺少吸附的特異性，②不易固定，③有生物毒性?，F(xiàn)有含汞廢水的處理技術(shù)主要是物理化學(xué)方法，微生物吸附法比較少。重金屬污染的廢水處理技術(shù)一般是將化學(xué)材料、礦物材料、動植物體以及微生物體制成吸附劑，將廢水中的重金屬以及其他污染物吸附并與水溶液分離而去除，使廢水達到排放標(biāo)準(zhǔn)。專門針對含汞廢水的處理技術(shù)有利用黃鐵礦處理含汞廢水(200810132138. 1)，以木屑和動物血液混合制成廉價樹脂用于吸附汞(87100511);其他針對多種重金屬或者有機污染物的專利技術(shù)(200910080596. X利用多元復(fù)合絮凝沉降劑治理重金屬污染的水體的方法，200910096102. 7高強度抗水性多功能高效顆?；钚园淄林苿┑闹苽浞椒捌鋺?yīng)用， 200710052879. 4聯(lián)合脫硫脫汞的濕式氨法煙氣凈化工藝及其系統(tǒng)，200810086797. 6 一種電鍍線路板廢水處理專用重金屬螯合劑的生產(chǎn)方法，201010104121. 2 一種重金屬離子富集纖維素材料的制備方法，200410073499. 5用多相轉(zhuǎn)移法處理多種形態(tài)重金屬廢水的方法及裝置，03142035. 4治理廢水新方法)對汞也有吸附作用，但是物理化學(xué)的處理方法都存在成本高，非環(huán)境友好，不易原位實施的缺點。利用微生物作為吸附劑治理重金屬廢水的專利技術(shù)較多(200910110886. 4電鍍廢水處理工藝及設(shè)備，200510014442. 2含重金屬離子、難降解有機廢水的電生物處理裝置及方法，200810197901. 9凈化重金屬污染的芽胞桿菌MK3-1及用途，200810234601. 3生物質(zhì)固定床處理含重金屬酸性廢水并回收重金屬的方法，201010121617. 0 一種培養(yǎng)細菌的方法及其應(yīng)用，200610041536. 3 一種微生物固結(jié)重金屬離子的方法，200910041803. 0 一種微生物重金屬沉淀劑及其制備方法，200710031098. 7 一種重金屬生物吸附劑及其制備方法和應(yīng)用，200310111175. 1硅酸鹽細菌復(fù)合絮凝劑的制備方法)，但是尚未見到專門處理含汞廢水的微生物吸附專利技術(shù)；現(xiàn)有關(guān)于處理含汞廢水的微生物菌種的報道，只是理論研究，技術(shù)尚未成熟，而且微生物的吸附量也低于膠質(zhì)芽孢桿菌?？傊?，物理化學(xué)法吸附汞存在成本高、非環(huán)境友好、不易原位實施的缺點，以及對低濃度含汞廢水吸附不完全、后處理困難等不足；而微生物吸附技術(shù)目前可以應(yīng)用的微生物品種還比較少，技術(shù)也不夠成熟，與投入實際應(yīng)用有一定距離，還存在吸附量比較小的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用膠質(zhì)芽孢桿菌處理含汞廢水的方法，該方法選用膠質(zhì)芽孢桿菌作為微生物吸附劑，對汞污染廢水有特異性吸附效果，可有效避免汞污染擴散而危害生態(tài)環(huán)境和人體健康。本發(fā)明采用的技術(shù)方案利用膠質(zhì)芽孢桿菌處理含汞廢水的方法將膠質(zhì)芽孢桿菌接種于有氮培養(yǎng)基中，并向其中加入10-100目的含鉀礦粉，于、150rpm搖床中培養(yǎng)5 天，所得發(fā)酵液搖勻后作為吸附劑加入含汞廢水中，發(fā)酵液與含汞廢水的體積比為5 95， 混合后攪拌3-5min，底部出現(xiàn)絮狀沉淀，靜置沉淀10-30min，濾除沉淀物即可。前述方法中的有氮培養(yǎng)基為每IL培養(yǎng)基含蔗糖5g、磷酸氫二鈉(Na2HPO4 ·12Η20) 5g、硫酸鎂(MgSO4 ·7Η20) 0. 5g、碳酸鈣(CaCO3) 0. lg、三氯化鐵(FeCl3) 1. Omg、酵母膏 0. 2g， 其余為潔凈水。前述方法具體實施時，若含汞廢水中的汞濃度小于1. Oppm，在培養(yǎng)膠質(zhì)芽孢桿菌時，向有氮培養(yǎng)基中加入10-20目的含鉀礦粉(6-10g/L) —起培養(yǎng)。前述方法具體實施時，若含汞廢水中汞濃度大于等于1. Oppm，在培養(yǎng)膠質(zhì)芽孢桿菌時，向有氮培養(yǎng)基中加入20-100目的含鉀礦粉(6-10g/L) —起培養(yǎng)。以上所述的含鉀礦粉優(yōu)選為含伊利石或鉀長石等的硅酸鹽礦粉。幾乎所有的微生物品種對重金屬都有一定的吸附性，但是微生物的品種很多，從眾多微生物菌種中發(fā)現(xiàn)好的、適用的品種，需要進行大量的試驗研究和篩選工作。從發(fā)現(xiàn)微生物對重金屬的吸附作用到現(xiàn)在，幾十年也就研究了數(shù)百種微生物菌種，其中有一部分效果還比較差。本發(fā)明人已對膠質(zhì)芽孢桿菌吸附汞(II)的機理進行了試驗研究、理論分析和計算，結(jié)果表明膠質(zhì)芽孢桿菌對汞(II )有很好的吸附效果，吸附平衡符合Iangmuir等溫吸附，通過實驗數(shù)據(jù)和理論計算確定了 Iangmuir等溫吸附飽和吸附量( 和吸附平衡常數(shù)值k，平均每個細菌的飽和吸附量達到9. 83 X IO9個汞(II )，吸附作用在l.Omin內(nèi)即可達到平衡；研究了 PH值對吸附作用的影響并結(jié)合代謝產(chǎn)物成分進行了機理分析；應(yīng)用Visual minTEQ軟件計算結(jié)果對各種濃度下細菌吸附汞(II )的差異進行了解釋。該研究結(jié)果為深入探討膠質(zhì)芽孢桿菌吸附重金屬離子的機理、確定吸附參數(shù)之間的定量關(guān)系，以及膠質(zhì)芽孢桿菌在治理重金屬污染廢水中的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。明確了膠質(zhì)芽孢桿菌對汞的吸附效果之后，在將膠質(zhì)芽孢桿菌應(yīng)用于含汞廢水的處理過程中，其技術(shù)關(guān)鍵點是要實現(xiàn)汞的快速吸附并排除多種金屬離子的競爭吸附，技術(shù)難點在于微生物吸附劑的固定、固定材料的選擇以及固定材料的粒度等問題。為解決上述問題，本發(fā)明人進行了一系列的試驗研究，結(jié)果表明膠質(zhì)芽孢桿菌吸附劑對多種金屬離子都具有較好的吸附作用，但對汞的吸附作用具有特異性，主要表現(xiàn)在 (1)多種金屬離子的存在對汞的生物吸附作用影響很小，無明顯的競爭吸附現(xiàn)象，吸附率保持相對穩(wěn)定；(2)膠質(zhì)芽孢桿菌對汞的吸附速率非?？?，在l.Omin內(nèi)即可達到吸附平衡，而對其他金屬離子的吸附一般需要池左右。試驗例(1)只含Hg2+ 的溶液；(2)同時含有 Hg2+、Cd2+、Zn2+、Cu2+、Ni2+、Pb2+ (各種金屬離子濃度均為10mg/L左右)的溶液；分別向(1)和(2)中加入5%的膠質(zhì)芽孢桿菌發(fā)酵液，達到吸附平衡后，(1)中汞的吸附率為29. 9%，(2)中汞的吸附率為28. 6%，Cd2+、Zn2+、 Cu2+、Ni2+、Pb2+的吸附率分別為16. 4%,22. 4%,33. 0%、15· 6%,58. 8%?？梢?，其他金屬離子的存在對汞的吸附率無明顯影響。其次，膠質(zhì)芽孢桿菌對汞具有生物吸附和生物成礦作用在低的汞濃度下，膠質(zhì)芽孢桿菌對汞的作用以吸附為主，在500mg/L的汞濃度下，細菌可以將溶液中遠未達到飽和狀態(tài)的HgCl2吸附并形成結(jié)晶沉淀下來，而作為對照的其他幾種相同濃度的重金屬(PbCl2、 ZnCl2^CdCl2)尚未發(fā)現(xiàn)有膠質(zhì)芽孢桿菌引發(fā)的生物成礦作用。膠質(zhì)芽孢桿菌對HgCl2還具有很強的耐受性，可以在Hg (II)濃度達到10mg/L的培養(yǎng)基中生長，生物量可以達到無汞培養(yǎng)基中的一半左右。膠質(zhì)芽孢桿菌又稱硅酸鹽細菌或者鉀細菌，是一種常見的土壤微生物，培養(yǎng)條件溫和，最適培養(yǎng)溫度為，有氧、厭氧條件下均可以生長，對營養(yǎng)物質(zhì)要求不高，很容易培養(yǎng)。膠質(zhì)芽孢桿菌對硅酸鹽礦物有一定的風(fēng)化作用，尤其是在缺乏可溶性鉀素情況下容易吸附在含鉀的硅酸鹽礦物上并風(fēng)化礦物、利用其中的鉀進行生長。由于微生物個體較小，吸附重金屬后不容易與溶液分離，膠質(zhì)芽孢桿菌容易吸附在含鉀的硅酸鹽礦物上對實際應(yīng)用非常有利。且膠質(zhì)芽孢桿菌的細菌發(fā)酵液有很高的粘度，使其容易吸附在硅酸鹽礦物上，在實際應(yīng)用中也有利于解決吸附劑的固定以及與溶液的分離等問題。本發(fā)明利用膠質(zhì)芽孢桿菌的特性研究其培養(yǎng)條件，獲得高粘度的菌液，并利用含鉀硅酸鹽礦物一起培養(yǎng)細菌，這樣細菌很容易粘附在硅酸鹽礦物顆粒上，解決了微生物吸附劑的固定以及在實際應(yīng)用中吸附重金屬后與溶液分離的問題。另外，本發(fā)明人經(jīng)過試驗研究，最終選用含鉀礦粉(如含伊利石或鉀長石等的硅酸鹽礦粉)作為固定材料；固定材料的粒度根據(jù)含汞廢水處理工藝選擇為10-100目。為進一步明確與驗證膠質(zhì)芽孢桿菌對含汞廢水的處理效果，本發(fā)明人還建立了研究膠質(zhì)芽孢桿菌吸附汞的模型，實驗中將廢水中汞的最高濃度取到了 lOOOppm，這僅是為了理論研究的需要，一般的含汞廢水很少有濃度大于0. 5ppm的，再取更低汞濃度進行試驗的意義也不大，因為吸附率已經(jīng)接近100%。具體試驗研究結(jié)果可參見以下內(nèi)容。膠質(zhì)芽孢桿菌吸附劑對不同濃度Hg( II )的吸附作用試驗?zāi)z質(zhì)芽孢桿菌發(fā)酵液體積 V=5mL，Hg( II )初始濃度分別為 Ctl=O. 5、1、2、5、10、20、50、100、200、500、1000mg/L，總體積V ο =IOOmL,達到吸附平衡后取上清液測pH，稀釋到2_10ppb范圍內(nèi)測定吸光度，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線公式計算汞濃度值，計算出吸附平衡濃度、被吸附濃度、吸附率和吸附量(ImL發(fā)酵液吸附的汞量mg)，結(jié)果見下表。
膠質(zhì)芽孢桿菌吸附劑對不同濃度Hg( II )的吸附作用結(jié)果
編號發(fā)酵液體積mL汞濃度mg/t吸附率 A %吸附量 q mg/mLpH值初始濃度Q吸附后濃度C被吸附濃度 Q-C15.00. 50. 008880. 49198. 20. 009826. 9225. 01. 00. 02590. 97497. 40. 01956. 9935.02. 00. 2421.7687. 90. 03526. 9745.05. 02.362.6452. 90. 05296. 9255. 010. 05. 904.1041. 00. 08216. 8265. 020. 014. 85. 2026. 00.1046. 6375. 050. 041. 68.4216. S0.1686. 2985. 0100.088. 811.211. 20. 2246. 0595.0200. 018911.25. 620. 2255. 85105. 0BOO. 048316. 93.370. 3375. 53115.01000. 098118. 71. 870. 3745. 24
注表中吸附后的數(shù)值均保留了三位有效數(shù)字。吸附率A = (Ctl-C)/C。X 100%，表示溶液中Hg( II )去除率的高低；
吸附量q = V0X (Ctl-C)/V(mg/mL)，表示單位體積發(fā)酵液細菌吸附Hg( II )量的多少； C0(mg/L)為初始汞濃度，C(mg/L)為吸附平衡后溶液中的汞濃度，Vtl(HiL)為溶液總體積，V(mL)為發(fā)酵液體積。試驗結(jié)果表明，對于含汞為0. 5ppm的廢水，膠質(zhì)芽孢桿菌可以處理去除98. 2%的萊。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用膠質(zhì)芽孢桿菌對汞的特異性吸附效果，采用膠質(zhì)芽孢桿菌作為微生物吸附劑對含汞廢水進行處理，具有吸附速率快，不受其它金屬離子干擾， 吸附率相對穩(wěn)定的特點；并選用含鉀礦粉(如含伊利石或鉀長石等的硅酸鹽礦粉)作為固定材料，使細菌粘附在硅酸鹽礦物顆粒上，從而使得形成的細菌-礦物復(fù)合體吸附汞后容易與溶液分離。汞含量為1. Oppm以下的含汞廢水采用本發(fā)明方法處理一次即可達標(biāo)，汞含量為1. Oppm以上的廢水處理兩次或多次即可達標(biāo)。
具體實施例方式以下所述的有氮培養(yǎng)基均為每IL培養(yǎng)基含蔗糖5g、磷酸氫二鈉(Na2HPO4 · UH2O) 5g、硫酸鎂(MgSO4 ·7Η20) 0. 5g、碳酸鈣(CaCO3) 0. lg、三氯化鐵(FeCl3) 1. Omg、酵母膏 0. 2g， 其余為潔凈水。本發(fā)明的實施例1 將膠質(zhì)芽孢桿菌接種于有氮培養(yǎng)基中，并向其中加入10-20目的含鉀礦粉(加入量6g/L)，于、150rpm搖床中培養(yǎng)5天，所得發(fā)酵液搖勻后作為吸附劑加入含汞廢水中(汞濃度為0. 5mg/L)，發(fā)酵液加入量為總體積的5%，混合后攪拌3-5min，底部出現(xiàn)絮狀沉淀，靜置沉淀15-25min，過濾除去絮狀沉淀物即達去除溶液中汞的目的；經(jīng)檢測，汞濃度降至0. 0089mg/L，低于國家標(biāo)準(zhǔn)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978-1996)中汞的最高允許排放濃度0. 05mg/L，汞的吸附率達到98. 21。本發(fā)明的實施例2 當(dāng)含汞廢水中汞濃度小于1. Oppm時，將膠質(zhì)芽孢桿菌接種于有氮培養(yǎng)基中，并向其中加入10-20目的伊利石粉(加入量88/1)，于觀1、15011)111搖床中培養(yǎng)5天，所得發(fā)酵液搖勻后作為吸附劑加入含汞廢水中，發(fā)酵液與含汞廢水的體積比為 5 95，混合后攪拌3-5min，底部出現(xiàn)絮狀沉淀，靜置沉淀10-20min后過濾，除去絮狀沉淀物即可；經(jīng)檢測，廢水中的汞含量減少90%以上。本發(fā)明的實施例3 當(dāng)含汞廢水中汞濃度大于等于1. Oppm時，將膠質(zhì)芽孢桿菌接種于有氮培養(yǎng)基中，并向其中加入20-100目的鉀長石粉(加入量10g/L)，于、150rpm搖床中培養(yǎng)5天，所得發(fā)酵液搖勻后作為吸附劑加入含汞廢水中，發(fā)酵液與含汞廢水的體積比為5 95，混合后攪拌3-5min，底部出現(xiàn)絮狀沉淀，靜置沉淀20-30min后進行過濾，從而將細菌-礦物復(fù)合體絮狀沉淀物和水體分開；重復(fù)加入發(fā)酵液處理多次直至廢水汞濃度值達標(biāo)。
權(quán)利要求
1.一種利用膠質(zhì)芽孢桿菌處理含汞廢水的方法，其特征在于將膠質(zhì)芽孢桿菌接種于有氮培養(yǎng)基中，并向其中加入10-100目的含鉀礦粉，于、150rpm搖床中培養(yǎng)5天，所得發(fā)酵液搖勻后作為吸附劑加入含汞廢水中，發(fā)酵液與含汞廢水的體積比為5 95，混合后攪拌3-5min，靜置沉淀10-30min，濾除沉淀物即可。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述利用膠質(zhì)芽孢桿菌處理含汞廢水的方法，其特征在于所述的有氮培養(yǎng)基為每 IL 培養(yǎng)基含蔗糖 5g、Na2HPO4 · 12H20 5g、MgSO4 · 7H20 0. 5g、CaCO3 0. lg、 FeCl3 1.0!1^、酵母膏0.28，其余為潔凈水。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述利用膠質(zhì)芽孢桿菌處理含汞廢水的方法，其特征在于若含汞廢水中汞濃度小于l.Oppm，在培養(yǎng)膠質(zhì)芽孢桿菌時，向有氮培養(yǎng)基中加入10-20目的含鉀礦粉一起培養(yǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述利用膠質(zhì)芽孢桿菌處理含汞廢水的方法，其特征在于若含汞廢水中汞濃度大于等于1. Oppm，在培養(yǎng)膠質(zhì)芽孢桿菌時，向有氮培養(yǎng)基中加入20-100目的含鉀礦粉一起培養(yǎng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述利用膠質(zhì)芽孢桿菌處理含汞廢水的方法，其特征在于所述的含鉀礦粉為含伊利石或鉀長石的硅酸鹽礦粉。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述利用膠質(zhì)芽孢桿菌處理含汞廢水的方法，其特征在于每 IL有氮培養(yǎng)基中加入含鉀礦粉6-10g。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用膠質(zhì)芽孢桿菌處理含汞廢水的方法，將膠質(zhì)芽孢桿菌接種于有氮培養(yǎng)基中，并向其中加入10-100目的含鉀礦粉，于28℃、150rpm搖床中培養(yǎng)5天，所得發(fā)酵液搖勻后作為吸附劑加入含汞廢水中，發(fā)酵液與含汞廢水的體積比為5∶95，混合后攪拌3-5min，靜置沉淀，濾除沉淀物即可。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用膠質(zhì)芽孢桿菌對汞的特異性吸附效果，采用膠質(zhì)芽孢桿菌作為微生物吸附劑對含汞廢水進行處理，具有吸附速率快，不受其它金屬離子干擾，吸附率相對穩(wěn)定的特點；選用含鉀礦粉(如含伊利石或鉀長石等硅酸鹽礦粉)作為固定材料，使細菌粘附在硅酸鹽礦物顆粒上，從而使得形成的細菌-礦物復(fù)合體吸附汞后容易與溶液分離。
文檔編號C02F1/28GK102531140SQ20121001721
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月19日
發(fā)明者莫彬彬, 連賓 申請人:中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所