一種耐酸性紅酵母菌及其用於汙泥中重金屬的生物脫除的方法
2023-06-21 04:36:31
專利名稱：一種耐酸性紅酵母菌及其用於汙泥中重金屬的生物脫除的方法
技術領域：
本發明涉及一種耐酸性紅酵母菌及其用於汙泥生物脫除重金屬的方法，是一項利用酵母菌與硫桿菌互作去除市政汙泥和工業汙泥中重金屬的技術，屬於環境工程技術領域。
二、技術背景我國每年產生大量的、亟待安全處置的各類含重金屬的工業汙泥和城市市政汙泥。雖然汙泥土地利用多年來一直被認為是處置費用低廉，並能實現汙泥資源化利用的途徑，但由於汙泥中有毒重金屬的存在(我國多數城市汙泥中Cu、Zn、Cr、Ni等重金屬含量可達數百至數千mg/kg，工業汙泥如製革汙泥中Cr含量可達1％～4％；電鍍汙泥中重金屬可達10％甚至更高)，汙泥土地利用中重金屬的潛在汙染始終是人們擔憂的問題，汙泥農用的阻力和爭議也一直很大。而採用其他處理方法，例如汙泥焚燒、汙泥做建材、堆填等仍然存在重金屬危害之虞。從汙泥中去除重金屬，使汙泥「潔淨」化，便於汙泥再生利用，有十分重要的意義。
汙泥中重金屬主要以難溶性的硫化物，有機物結合態，沉澱態等形式存在於汙泥的固相中。要去除汙泥中的重金屬，就得設法使重金屬從固相中溶解出來。過去有研究者採用化學浸提法，利用無機酸或絡合劑等處理汙泥以溶解和浸提重金屬以達到去除汙泥中重金屬的目的。但化學方法耗酸量大、處理費用高、操作不安全，難以付諸於工程實際，而且對某些重金屬的去除效果較差(如Cu的去除率低於50％，Cr的去除率低於40％)。
近年來，有研究者試圖利用微生物方法來溶解去除汙泥中重金屬。美國專利5,217,615和5,454,948公開了一種採用微生物去除汙泥重金屬的方法，它是利用氧化硫硫桿菌和排硫硫桿菌以元素硫作為能源物質產生硫酸來溶解去除汙泥中重金屬。但汙泥中的主要有毒重金屬Cr不能被有效去除，其去除率僅為13～57％。
本課題組前期申請的兩項專利，氧化亞鐵硫桿菌及其去除汙泥重金屬的方法，專利申請號為02112924.X，和氧化硫硫桿菌及製革汙泥中鉻的生物脫除方法專利申請號02137921.1，前者提供了一種氧化亞鐵硫桿菌及其去除汙泥重金屬的方法，利用汙泥中分離的氧化亞鐵硫桿菌Thiobacillus ferrooxidans LX5，氧化底物，產酸溶解重金屬，然後固液分離去除重金屬。後者利用從製革汙泥中分離的氧化硫硫桿菌ThiobacillusthiooxidansTS6脫除製革汙泥中的鉻，使得Cr的去除率達到90％以上，汙泥中植物養分N、P和有機質保留率在80％以上。
但是，氧化亞鐵硫桿菌和氧化硫硫桿菌都是專性化能自養菌，對水溶性有機物特別是低分子量的有機酸有一定的敏感性，而汙泥中水溶性有機物(以水溶性有機碳DOC計)含量可達500～1500mg/L。因此，在以單一的硫桿菌為主導的系統中，往往難於保證生物去除作用的穩定，接種以水溶性有機物為能量來源和物質來源的異養菌，主要為酵母菌，可大幅度降低這些有毒的小分子在汙泥中的濃度，有助於硫桿菌Thiobacillus對汙泥中重金屬的溶出，從而提高汙泥重金屬去除效率和縮短2天以上的處理時間，為該技術走向實際工程提供了技術保障。
發明內容
技術問題本發明的目的在於提供一種異養微生物紅酵母菌及其用於汙泥生物脫除重金屬的方法，酵母菌是真核微生物，利用汙泥中的水溶性有機物生長繁殖，消耗汙泥中的水溶性有機物，消除了水溶性有機物對自養菌Thiobacillus sp.的毒害，提高硫桿菌的生長活性，縮短汙泥重金屬去除的周期，減少動力消耗，降低成本。
技術方案本發明提供的酵母菌，分離自製革汙泥，命名紅酵母菌屬(Rhodotorula sp.)R30，該菌株特徵為單細胞，呈卵圓形，直徑4.5～5.5μm，芽殖。不產生子囊孢子。菌落呈粘質樣，產生粉紅色色素，形成莢膜。不發酵糖，不能利用肌醇作唯一碳源，不形成類澱粉化合物，能同化KNO3和(NH4)2SO4。酵母R30營養要求簡單，易於擴大培養，接種於PDA培養基，28℃～30℃，pH＝3～7時，生長良好。當pH＜3.0時，生長受到一定的影響，但仍然能耐受pH2左右的酸性環境。並且能利用汙泥中的水溶性有機物生長，接種酵母R30菌苔一環於汙泥水溶性有機物中，在28℃的搖床上培養96h，汙泥中DOC的量從1485mg/L降至345mg/L，減少了77％，且酵母菌的數量達4.8×107個/mL。
酵母菌R30及其應用於汙泥生物脫除重金屬的方法，其特徵在於1、酵母菌R30的分離與擴大培養，配製PDA培養基，成分馬鈴薯200g，蔗糖或葡萄糖20g，水1000mL，pH自然，121℃，30min滅菌。其分離方法吸取1mL製革汙泥於9ml無菌水中，作系列稀釋，取合適梯度的稀釋液0.1mL塗布於PDA平板上，於28℃培養48h，挑取粉紅色菌落，製片，染色，鏡檢，觀測到直徑為0.5μm的橢圓形菌體，並進一步在PDA平板上劃線純化，得到形態一致的單菌落，轉接斜面，保存於4℃冰箱備用。液體培養條件從斜面上取酵母菌R30菌苔，接種於PDA液體培養基中，28～30℃，於180rpm往復式搖床培養2天，菌數達108個/mL。
2、酵母菌R30可使介質中溶解性有機質減少70％以上，並能耐受pH2左右的酸性環境。
3、硫桿菌Thiobacillus sp.，主要為本實驗室分離的菌株Thiobacillus thiooxidans TS6(CGMCC NO.0759)。其培養條件與專利申請號為02137921.1的氧化硫硫桿菌及製革汙泥中鉻的生物脫除方法相同。
4、向生物反應器中加入待處理汙泥和0.5～30g/L單質硫，並分別接種3％～7％的硫桿菌和1％～3％酵母菌R30，於28℃下，進行通氣和攪拌處理2-6天(當目的重金屬溶出率達到95％以上時，結束處理)，泵出處理過的汙泥。
5、上述處理過的汙泥經過沉降，將10～20％的沉降汙泥回流至生物反應器中代替馴化汙泥用，投加待處理汙泥和0.5～30g/L單質硫，循環處理。
6、剩餘沉降汙泥進行脫水處理，得到脫除重金屬的固相部分和含重金屬的液相部分。
7、含重金屬的液相部分通過投入鹼性物質(氧化鎂、石灰和氫氧化鈉)調節pH，使其中的重金屬沉澱後，上清液進入汙水處理廠進行處理。
8、汙泥經過沉降，脫水處理，得到脫除重金屬的固相部分和含重金屬的液相部分。
9、含重金屬的液相部分通過投入鹼性物質調節pH，使其中的重金屬沉澱後，排水進入汙水廠處理。
10、脫除重金屬後的固相部分經用鹼性物質(石灰和氨水等)中和後直接農用，或進一步直接製備成商品有機肥或基質。
本發明的技術原理是在反應中添加酵母菌，酵母菌利用汙泥中的水溶性有機物生長繁殖，消耗汙泥中的水溶性有機物，達到消除或減低水溶性有機物對自養菌Thiobacillus sp.毒害的作用，以提高硫桿菌的生長活性，縮短汙泥重金屬去除的周期，降低成本。
有益效果本發明提供的酵母菌及其用於汙泥生物脫除重金屬的方法，具有以下有益效果1、本發明提供的酵母菌R30，分離自製革汙泥，單細胞真核微生物，營養要求低，生長條件粗放，易於擴大培養，汙泥中的水溶性有機物基本滿足酵母菌R30的生長要求，接種酵母菌R30於汙泥水溶性有機物中，在28℃培養96h，汙泥中DOC的量從1485mg/L降至345mg/L，減少了77％。
2、利用本發明提供的酵母菌R30與硫桿菌複合的方法，反應液中pH下降速度快，處理時間顯著縮短，重金屬溶出率高，尤其Cr的溶出率達95％～100％。
3、酵母菌R30廣泛存在於環境中，實驗證明為非致病菌，對人體和動物無害。
4、與化學浸提法相比，本發明反應溫和，操作環境友好，不產生二次汙染，運行成本低廉。化學浸提法去除汙泥重金屬的操作過程中，由於需要投加大量無機酸，與有機質豐富的汙泥反應產生大量氣泡和臭味，使得操作環境惡劣。而本發明是利用多種微生物複合作用，其中異養菌消耗有機物，減少有機物對自養菌的毒害，促進自養菌生長活性及產酸，生物反應溫和，無二次汙染產生。
5、經該法處理後汙泥中的植物養分N、P和有機質保留率在80％以上，其中N的保留率80-85％，P為75-80％，有機質為85-85％；四具體實施方式
實施例1(1)採樣取浙江某製革廢水處理廠的濃縮池汙泥，該製革汙泥基本性質見表1。
表1供試製革汙泥的基本性質pH Cr 含固率N P 有機質mg/kg------------- ％ -------------8.21 147304.84 2.83 0.8145.68(2)酵母菌R30的培養配製PDA培養基，馬鈴薯200g，蔗糖或葡萄糖20g，水1000mL，pH自然，121℃，30min滅菌。液體培養條件從PDA培養基斜面上取酵母菌R30菌苔，接種於PDA液體培養基中，28～30℃，於180rpm往復式搖床培養2天，菌數達108個/mL。
(3)硫桿菌菌株硫桿菌Thiobacillus thiooxidans TS6，是本實驗室保存菌株，已在中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心保存，登記號為CGMCC NO.0759。該菌為專性無機化能自養菌。
(4)製革汙泥中Cr生物脫除反應製革汙泥中添加1.0g/L硫粉，接種10％的Thiobacillus thiooxidans TS6，3％的Rhodotorula sp.R30，在搖床中180rpm振蕩培養處理5～6天，設置不加R30的對照處理，每天測定反應介質中的pH變化。反應結束後，測定汙泥中Cr溶出率。實驗測定反應液中pH＝2.0時，Cr的溶出率70％，反應液中pH＝1.7時，Cr的溶出率85％，反應液中pH＝1.5時，Cr的溶出率100％。表2示不同處理反應液中pH的變化及鉻的溶出情況，添加酵母處理和對照相比反應時間縮短約28h。
表2不同處理反應液中pH的變化情況及鉻的溶出率％
(5)處理後汙泥的固液分離及含鉻廢液的回收再利用見本課題組前期專利「氧化硫硫桿菌及製革汙泥中鉻的生物脫除方法」(專利申請號02137921.1)，即上述處理汙泥經離心後，得到含鉻廢液和脫鉻汙泥濾餅。脫鉻汙泥濾餅完全符合農用汙泥中汙染物控制標準(GB4284-84)，經生石灰中和後即可作為肥料使用。含鉻廢液投加MgO使含鉻廢液中Cr3+變成Cr(OH)3沉澱，再用硫酸溶解後作為鉻鞣劑。
實施例2(1)採樣取江蘇某城市汙水處理廠的濃縮池汙泥，該汙泥基本特性見表3。
表3供試汙泥基本特性pH 含固N P 有機質 Zn Cr Cu率------------- ％ --------------------------mg/kg-------------7.563.342.691.1543.7 1578310 522(2)酵母菌R30的培養，同實施例1(3)Thiobacillus thiooxidans TS6菌株同實施例1(4)城市汙泥中Zn、Cr、Cu生物脫除反應城市汙泥中添加5g/L單質硫，接種10％的Thiobacillus thiooxidans TS6，3％的Rhodotorula sp.R30，在搖床中180rpm振蕩培養處理4～6天；設置不加Rhodotorula sp.R30的對照處理，每天測定反應介質中的pH變化。反應結束後，測定汙泥中Cr、Zn、Cu的溶出率。不同處理反應介質中pH的變化及Cr、Zn、Cu的溶出情況見表4，添加酵母處理和對照相比鉻的完全溶出時間至少縮短56h，鋅的完全溶出時間縮短48h，銅的完全溶出時間至少縮短50h。
表4不同處理反應液中pH的變化情況及鉻、鋅、銅的溶出率％
五
圖1為利用紅酵母菌用於汙泥中重金屬生物脫除的方法流程圖。
權利要求
1.紅酵母菌屬(Rhodotorula sp.)R30，中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心保存，保藏日期為2004年5月13日，保藏登記號為CGMCC No.1147；該菌株特徵為單細胞，呈卵圓形，直徑4.5～5.5μm，芽殖。不產生子囊孢子。菌落呈粘質樣，產生粉紅色色素，形成莢膜。不發酵糖，不能利用肌醇作唯一碳源，不形成類澱粉化合物，能同化KNO3和(NH4)2SO4。營養要求簡單，易於擴大培養，接種於PDA培養基，28℃～30℃，pH＝3～7時，生長良好。
2.根據權利要求1所述，紅酵母菌屬(Rhodotorula sp.)R30的特徵在於能耐受pH2左右的酸性介質環境。
3.根據權利要求1所述，紅酵母菌屬(Rhodotorula sp.)R30的特徵在於能使介質中溶解性有機質含量減少70％以上。
4.根據權利要求1所述，紅酵母菌R30與硫桿菌Thiobacillus sp.互作去除市政汙泥和工業汙泥中重金屬的方法，其特徵在於1)向汙泥中投加1％～3％的R30菌株和3％～7％的硫桿菌Thiobacillus sp.，在28℃和通氣攪拌條件下，作用2-6天，泵出處理過的汙泥；2)上述處理過的汙泥經過沉降，將10～20％的沉降汙泥至生物反應器中代替馴化汙泥用，投加待處理汙泥和0.5～30g/L單質硫，循環處理；3)剩餘沉降汙泥進行脫水處理，得到脫除重金屬的固相部分和含重金屬的液相部分；4)含重金屬的液相部分通過投入鹼性物質調節pH，使其中的重金屬沉澱後，排水進入汙水廠處理。
5.根據權利要求4所述的酵母菌及其用於汙泥生物脫除重金屬的方法，其特徵在於紅酵母菌R30與硫桿菌Thiobacillus sp.複合互作。
6.根據權利要求4所述的酵母菌及其用於汙泥生物脫除重金屬的方法，其特徵在於其中脫除重金屬後的固相部分經用鹼性物質中和後直接農用，或進一步經過發酵處理後製備成商品有機肥或基質。
7.根據權利要求4所述的酵母菌及其用於汙泥生物脫除重金屬的方法，其特徵在於其方法中所用鹼性物質指的是氧化鎂，石灰，氫氧化鈉，氨水。
8.根據權利要求6所述的酵母菌及其用於汙泥生物脫除重金屬的方法，其特徵在於其方法中所用鹼性物質指的是石灰和氨水。
9.根據權利要求4或6所述的酵母菌及其用於汙泥生物脫除重金屬的方法，其特徵在於其方法中所用鹼性物質指的是生石灰。
全文摘要
本發明是一種耐酸性紅酵母菌及其用於汙泥中重金屬的生物脫除的方法，是一項利用酵母菌與硫桿菌Thiobacillus sp.互作去除市政汙泥和工業汙泥中重金屬的技術。酵母菌株命名為紅酵母菌屬(Rhodotorula sp.)R30，保藏號CGMCCNo.1147。向生物反應器中加入待處理汙泥，並分別接種1～10％的硫桿菌TS
文檔編號C02F1/62GK1590530SQ20041004484
公開日2005年3月9日 申請日期2004年5月31日 優先權日2004年5月31日
發明者周立祥, 王世梅 申請人:南京農業大學