一种嗜酸浸矿微生物包埋体及其制备方法与流程

文档序号:17188774发布日期:2019-03-22 21:45阅读:302来源:国知局
一种嗜酸浸矿微生物包埋体及其制备方法与流程

本发明属于一种微生物固定化技术领域,具体是涉及到一种嗜酸浸矿微生物包埋体及其制备方法。



背景技术:

生物冶金是在相关微生物的催化氧化作用下将矿物中有价金属以离子的形式溶解到浸出液中并加以回收,或将矿物中有害元素溶解并除去,结合湿法冶金等相关工艺方法形成的技术。生物冶金对矿物中元素的浸出作用被发现已经有近百年的历史,但是其基础理论研究较为薄弱,一直没有得到发展,直到20世纪中后期,该技术终于得到一定的发展。生物冶金的巨大优势使得这项技术迅猛发展,目前生物冶金在矿冶工业中已得到广泛应用,继铜、金、铀的生物冶金实现工业化生产之后,镍、钴、锌、锰也逐渐实现工业化应用。

生物冶金微生物培养条件通常是酸性环境,ph值约1.0~2.0,而且它们主要依靠氧化还原态的亚铁离子、单质硫、硫化矿等获取能量而生长繁殖。生物冶金微生物若直接进行分批培养,可获得较高微生物得率,但每批培养过程都依次经过了延滞期→对数期→稳定期→衰亡期,培养周期较长,且对数期和稳定期很难界定,微生物活性很难保证,降低了高活性微生物产率;若采用连续培养,虽然可以提高微生物的培养效率,但绝大多数的浸矿微生物为自养微生物,生长周期相对较长,当连续进出料过程的速度控制不当时,微生物菌体将大量流失,最终导致连续培养体系失衡。

近年来,浸矿微生物的培养过程中也出现了一些固定化培养技术,该技术主要由固定化酶技术衍生而来,为完善和提高游离微生物体系性能而发展起来的。目前,已经在铀矿的生物冶金工艺中得到了大规模的产业化应用。在进入生物浸铀前,微生物在内部固定有立体弹性填料的培养槽内培养,让微生物固定于填料上,达到三价铁离子在微生物培养槽内再生的目的。但该法培养过程的挂膜时间长,只有部分具有吸附能力的铁氧化微生物能在填料表面上生长繁殖,长期运行过程中微生物多样性很难保证,在气流和水流的冲刷作用下微生物会不可避免的大量流失,从而严重影响了其在生产中的推广应用。因此,在浸矿微生物培养过程中急切需要一种既能保证体系的铁氧化活性,又能避免微生物大量流失的固定化培养技术。

包埋是微生物固定化的常用方法,其载体材料主要有两类,一类是天然高分子多糖类,如海藻酸钠、琼脂等,具有容易成型,对微生物毒性小及固定化密度高等优点,但该类载体抗微生物分解能力差,机械强度较低,使用寿命短;另一类是合成的高分子化合物,如聚乙烯醇、聚丙烯酰胺等,具有抗微生物分解性能强、机械强度高、化学稳定性好等优点,但在包埋过程中,聚合物载体网络的形成条件比较剧烈,高浓度交联药剂对微生物损害较大,而且成形多样结构可控性较差。发明专利“微生物载体及其制备方法”(cn201010100571.4)提供了一种微生物载体及其制备方法,是一种具有互穿网络结构的微生物载体,不但具有稳定的结构,而且可以保证所承载微生物和/或酶的活性和扩散性,但该法只适合废水处理过程,微生物完全固定于载体内部,微生物在载体内膨胀后容易失效,需要定期更换。发明专利“一种微生物的固定方法”(cn201810707082.1)为了解决在包埋过程中微生物损害大,载体机械强度较低,寿命短的问题,将微生物与助型剂混合固定于纳米海绵上,该法虽然在固定化微生物的同时不会阻断微生物与营养物或污染物的接触,但微生物牢牢地困在了海绵中,不利于其生长繁殖,水汽通透性差,不适用于形成高效的培养体系。同样,在生物冶金领域,专利“称为biosigma生物浸矿种子(bbs)的活的生物采矿微生物与藻酸盐和铁离子的胶囊及其在生物浸矿过程中接种这些微生物的应用”(cn201380052933.9)将浸矿微生物包埋在海藻酸钠微球中,避免浸矿微生物的流失,但该法得到的微球表层和内部的微生物传质效率相差较大,尤其是微球内部微生物很难获得充分的营养物质。此外,浸矿微生物培养体系中,容易形成黄钾铁矾,导致微球表层硬化,在水流和气流的冲刷下,层层剥离,形成大量固体废物。

有机合成高分子固定化方法也是一种较为常见的微生物固定化方法,其机械强度高、化学稳定性好、抗微生物分解性强、对细胞无毒且价格低廉等优点备受关注,然而,pva包埋法也存在着一些缺陷,如pva-硼酸的交联强度较低,阻碍了包埋细菌的扩散,交联后的细菌活性丧失较大且固定化颗粒易粘连等。为了增加pva-硼酸的交联强度,改善固定化颗粒的硬度及提高包埋细菌的生物活性,聚乙烯醇固定化新方法包埋细菌复合胶体颗粒在毒性检测领域中的应用,徐颖超等,环境化学,第34卷,第10期,2015年10月,研究了掺杂不同添加剂的方式以研究对其性能的影响。主要考察了碳酸钙(caco3)、活性炭(ac)、二氧化硅(sio2)以及海藻酸钠(sa)。从研究的结果考察,pva掺杂ac或sa胶体颗粒的强度明显优于掺杂caco3或sio2的颗粒,其主要的原理是增加了球体的通透性,以及提高了其交联强度。同样,藻酸盐是一种优异的固定化材料,具有无毒、凝胶简单、固定化条件温和,固定生物量大,活性高等优点。但海藻酸钙固定化耐久性差,随着运行时间的延长,机械强度会逐渐降低,从而导致包埋体的解体。在污水处理领域,通常将海藻酸钠再进一步固定在抗磨损填料上来减少流体对包埋体损害,但固定在mbr填料或者立体弹性填料外层上仍然存在水流冲刷脱膜的问题。目前,大部分包埋体仍然是以如海藻酸盐、聚乙烯醇、聚乙二醇等高分子材料为基材,包埋过于严实影响水气通透性能,好氧微生物活性受到影响,而包埋过于疏松则容易导致微球(丸)破裂,达不到包埋效果。此外,考虑到包埋小球内部的细胞营养往往供给不足,积累的代谢产物过多,势必造成凝胶小球内部环境恶化,使得大直径的凝胶小球内微生物(细胞)死亡数目增多,因此,微球尺寸越小越好,甚至要求降低到250μm以下,这种微球的制备难度大,更难适应极端嗜酸微生物生长环境。



技术实现要素:

本发明要解决的技术问题是提供一种针对嗜酸浸矿微生物的包埋体及其制备方法,解决了微生物在连续培养过程中容易流失,且现有的固定化技术又难以兼顾高活性和高细胞浓度微生物溶液的连续产出的问题。

本发明的一种嗜酸浸矿微生物包埋体,是在聚氨酯多孔亲水填料为载体上形成的网状结构,包括如下组成:聚氨酯多孔亲水填料、包埋剂、碳酸盐、嗜酸浸矿微生物悬液、交联剂和稳定剂,所述聚氨酯多孔亲水填料遇水后填料体积膨胀,所述碳酸盐为碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾中的一种或多种,所述稳定剂为多价金属离子的微生物培养液,所述嗜酸浸矿微生物悬液的ph小于3.0。

所述聚氨酯多孔亲水填料为含有亲水高分子凝胶改性的弹性体,优选遇水膨胀,体积膨胀率为110~200%的聚氨酯多孔材料,所述聚氨酯多孔亲水填料优选具有如下性质:比表面积大于4000m2/m3,孔径0.8~2.2mm,孔隙率98%,密度1.1~1.3g/cm3。可以制成规格为10~20±1mm正方体或球体。

所述包埋剂包括海藻酸钠、聚乙烯醇、聚乙二醇等材料,本发明的包埋剂优选为海藻酸钠与聚乙烯醇、聚乙二醇、聚氧乙烯、羟丙甲纤维素中的一种或多种构成的混合物;混合物中,海藻酸钠的重量百分含量大于等于50%。相对于海藻酸钠、聚乙烯醇、聚乙二醇等的单个组分包埋体,混合型包埋体具有更优的稳定性、韧弹性、保水性和机械性能。

所述交联剂为氯化钙与硼酸的混合溶液,氯化钙浓度为0.25~0.5mol/l,硼酸浓度为0.25~0.5mol/l。

所述稳定剂为含多价金属盐的微生物营养液,多价金属盐优选为镁盐、钙盐、铁盐等,营养液优选为硫酸铵、硫酸镁、磷酸氢二钾、氯化钾、硝酸钙和硫酸亚铁的混合溶液,更优选如下组分:七水合硫酸亚铁10~20g/l,硫酸镁0.25~0.5g/l,硫酸铵1.5~3g/l,磷酸氢二钾0.25~0.5g/l,氯化钾0.05~0.1g/l,硝酸钙0.005~0.01g/l,ph值1.5~2.0。稳定剂主要作用:填料在稳定剂中完全膨胀,稳定至后续工作状态下的尺寸大小;稳定剂的酸性环境可以充分中和脱除包埋混悬液中的碳酸盐;平衡包埋体内部的渗透压,避免破裂;让包埋剂与多价金属形成更稳定的交联结构;稳定液主成分是微生物营养液,减轻包埋剂或者交联剂对微生物的不利影响,维持微生物活性。

本发明还提供一种嗜酸浸矿微生物包埋体的制备方法,包括如下步骤,将聚氨酯多孔亲水填料浸入混悬液中,所述混悬液为分散的包埋剂黏液和碳酸盐的混合体,取出后,排除孔隙中多余的残液,得到附着有混悬液的填料;然后将其先后浸入嗜酸浸矿微生物悬液和交联剂中,沥去残余溶液后转移到稳定剂中,浸泡,取出,沥去残液得到嗜酸浸矿微生物包埋体。排除孔隙中多余的残液的方式有离心、挤压等,沥去残余溶液或者沥去残液的方式有重力脱液等。

所述混悬液中,包埋剂的重量百分浓度为1~5%,碳酸盐的浓度为0.05~0.1mol/l。

嗜酸浸矿微生物悬液为嗜酸浸矿微生物悬浮到硫酸溶液中得到,所述嗜酸浸矿微生物的浓度大于等于109个/ml,硫酸溶液的ph值为1.5~2.0。

优选的,将聚氨酯多孔亲水填料完全浸入未完全凝固的混悬液中浸润,浸润时间为30~60s,离心脱液排除孔隙中多余的残液,离心100×g,时间为3~5min。

将附着有混悬液的填料浸入嗜酸浸矿微生物悬液后,在填料未完全膨胀时取出,浸润时间为30~60s;或者,将填料浸泡在交联剂中的时间为1~5min;或者,填料浸泡在稳定剂中的时间为0.5~1h。

所述混悬液的制备方法为,将包埋剂与蒸馏水混合,加热完全溶解,待冷却至50℃以下,立刻加入碳酸盐粉末,充分搅拌至均匀状态,得到包埋液a,保温30~45℃。

以高分子包埋剂聚乙烯醇和海藻酸钠为例,聚乙烯醇的溶解温度为75~80℃,将聚乙烯醇溶解在水中,其重量百分浓度为1~5%,,冷却到50℃以下时,聚乙烯醇水溶液尚未完全凝固,立刻加入0.05~0.1mol/l碳酸钠粉末,充分搅拌均匀,得到包埋混悬液,并在30~45℃保温。载体浸润包埋混悬液后,待包埋液尚未凝固,立即加入酸性溶液中,优选ph值为1.5~2.0稀硫酸溶液。碳酸钠粉末在稀硫酸溶液产生二氧化碳,在包埋液中形成大量微孔,且聚集形成的大尺寸的二氧化碳气泡也其会充斥在包埋剂的内部,增大且增多了包埋剂的内部空隙,给微生物创造了一个较好的生长繁殖的微环境,而且这种空隙的结构也给微生物的截留和固定带来了极大的好处。

本发明所述的嗜酸浸矿微生物包括铁氧化菌leptospirillumferrooxidans、leptospirillumferriphilum、leptospirillumferrodiazotrophum、ferrimicrobiumacidiphilum、acidimicrobiumferrooxidans、ferroplasmaacidiphilum、ferroplasmaacidarmanus、ferroplasmathermophilum、acidiplasmacupricumulans、acidiplasmaaeolicum等,硫氧化菌acidithiobacillusthiooxidans、acidithiobacilluscaldus、acidithiobacillusalbertensis、thiomonascuprina、metallosphaeracuprina等,铁硫氧化菌acidithiobacillusferrooxidans、acidithiobacillusferrivorans、acidianusbrierleyi、acidianusmanzaensis、sulfobacillusacidophilus、sulfobacillusthermosulfidooxidans等,或者以上浸矿微生物的混合培养物。其细胞浓度优选大于等于109个/ml。微生物浓缩方法包括高速离心法和陶瓷膜浓缩法,或者两种的结合,高速离心要求转速达到10000~12000×g,陶瓷膜浓缩陶瓷膜孔径≤0.1μm。

本发明的有益效果是,本发明以聚氨酯多孔亲水填料为基体,依次通过包埋液,浓缩菌液,交联液和稳定液的浸泡处理,制备得到浸矿微生物包埋体。大部分浸矿微生物的大小为100~2000nm,填料载体的表层包埋体凝胶孔径分布在50~5000nm之间,而填料的孔径约1±0.2mm,大部分浸矿微生物受到包埋凝胶和填料的截留,微生物保持量大,不易流失。而微生物所需要营养物质可以透过填料和凝胶层与微生物直接接触,填料空隙也为微生物提供了适宜的微环境,促进微生物生长。本发明中制备包埋体的方法,巧妙地整合了浸矿微生物培养体系与包埋剂的特性,包埋过程中微生物直接与各类高浓度包埋药剂的接触时间相对较短,可有效控制了包埋混悬液和交联液对嗜酸微生物活性的负面影响。本方法具体利用了包埋混悬液中碳酸盐颗粒遇到酸性微生物悬液形成气泡原理,为微生物包埋微孔的形成创造了必要条件,且小气泡汇聚成的大气泡形成连通孔;遇水膨胀的聚氨酯多孔亲水填料浸润到微生物悬液后,由于微生物悬液的粘度更低,填料膨胀速率会有所增加,具有膨胀性的填料可有效避免微生物悬液交联过程中将填料空隙堵死,且利于在空隙内壁上形成表层包埋;汇聚的二氧化碳气泡和填料膨胀都利于载体空隙中多余的微生物悬液快速排出(沥出),避免了高浓度微生物悬液损失。该方法得到的包埋体,其微生物生长的微环境水气通透性比传统包埋法更优,能显著提高浸矿微生物培养体系中的细胞总量及亚铁离子的氧化效率,适用于工业化的浸矿微生物连续培养过程。

该方法充分整合了生物挂膜法和生物包埋法的优势,其有益效果还包括:(1)包埋剂中添加有碳酸盐,在与酸性溶液混合时产生的二氧化碳气体,气泡增大的过程让微生物悬液进一步接触到聚氨酯填料中的包埋剂,且气泡能增加包埋体孔隙率,有效避免包埋剂填充致密而导致的三相传质受阻问题;(2)相比于传统的填料挂膜,本方案直接在载体制备过程中将微生物进行挂膜,有效缩短了挂膜时间;(3)相比于颗粒包埋法,本方案中的包埋体具有多重微生物截留结构,一个是聚氨酯填料本身所具有的1mm多孔结构,不仅减轻曝气过程对包埋结构的剧烈冲刷,还可维持空隙中悬浮微生物流失;另一个是表层包埋剂50~5000nm交联结构,能有效保持体系中的高浓度的微生物,实现高密度培养;(4)该包埋体是在多孔载体的表层形成微生物的包埋结构,氧气、二氧化碳和营养物质等容易进入填料空隙内容部,直接与微生物接触,容易被微生物利用,利于微生物快速的生长繁殖,适当大小的交联孔洞也利于微生物代谢产物和增殖菌体的释放;(5)多种浸矿微生物固定化培养,能有效避免浸矿微生物在规模化共培养过程中容易流失,进而导致的微生物群落功能失效的问题;(6)本方案中的包埋体孔隙水脱除过程会使包埋体体积缩小,将微生物锁住在包埋体交联结构中,而载体及包埋凝胶本身具有保水性,残留的毛细水和结合水还能维持微生物的活性,相比于液态菌剂,更适合长久保藏和运输。

微生物固定化技术的影响因素有三种,为:微生物性质,载体性质以及环境性质(添加吸附剂对包埋固定化微生物凝胶小球性能的影响研究,杨慧,兰州交通大学硕士论文)。本发明中的包埋对象是极端嗜酸浸矿微生物,生长环境ph值1.0~3.0,需要考虑固定化的材料在酸性条件下的溶蚀性,避免固定的失效。而包埋法中载体往往会影响底物和氧气的扩散,载体、包埋剂、交联剂等对微生物的固定程度,微生物所处的微环境,以及微生物和外界环境的交流都会很大程度的影响。聚乙烯醇-饱和硼酸交联法是目前最常见的包埋方法,为了改进其效果,对其进行改进的方向有:固定化颗粒成球性能的改进,机械强度的提高,减少固定化过程中的活性损失,调节固定化颗粒的比重,改善水力性能等。比如加入海藻酸钠、含钡或锶盐的水溶液、硅砂或不锈钢垫圈、棉布、多孔性载体或无纺布,引入海绵状多孔性载体,添加无烟煤、活性炭、石榴石等。

本发明以亲水聚氨酯填料为骨架基体,本身就具有很高的机械强度。首先,在包埋液中加入会产生气体的碳酸盐物质比如碳酸钠粉末,形成包埋混悬液,此时包埋剂的性质并没有明显的改变。然后将填料浸入包埋混悬液中,排除空隙中多余的残液,再将包埋附着体浸入酸性菌液片刻,立即取出,混悬液中的碳酸盐微粒接触到酸性液体后将持续产生二氧化碳气体,在包埋附着体上产生大量微孔,表层的凝胶状包埋液内部空隙增大。重力脱液后,立刻将微生物附着体再浸入交联液中片刻,并立即取出,重力脱液完成交联过程,得到交联附着体。重力脱液后,将其浸入稳定液中,待交联体完全稳定,即得到包埋体。由于稳定液主要成分为含有多价金属离子的微生物营养液,避免了交联过程对微生物的负面影响。

本发明将微生物菌液和包埋剂溶液分开,可以减轻高浓度包埋剂对微生物菌液的直接毒性。其次,将聚氨酯填料先后快速浸入包埋混悬液和微生物悬液中,一方面使碳酸钠的反应集中在包埋剂(比如海藻酸钠、聚乙烯醇等)和填料上,避免了无谓的原材料浪费,碳酸钠的反应环境,或者说二氧化碳的产生位置更为准确,另一方面,使反应可控,避免碳酸钠和酸液的反应太过剧烈或者轻微,达到理想的效果。此外,填料在浸泡了包埋混悬液后,快速离心脱液有效避免了粘稠的包埋液阻塞载体空隙,利于后续的包埋过程的高效进行,且提高了包埋嗜酸微生物的存活率。

本发明在使用交联剂后,将其放入适宜于嗜酸浸矿微生物生长的稳定剂中,让载体完全膨胀,稳定至工作状态的尺寸大小,稳定剂含有大量的营养成分,是微生物生长的养分,也是交联剂,使用稳定剂后,减少了包埋药剂对微生物活性的影响,且包埋体力学性能和抗溶蚀性能明显改善。

附图说明

图1是聚氨酯多孔亲水填料微观结构。

图2是包埋体骨架基体表面的包埋层微观结构。

图3是一株浸矿微生物sulfobacillussp.的形态。

图4是浸矿微生物包埋体的制备流程。

图5是本发明一种浸矿微生物填料固定化的前后的对比图。

具体实施方式

实施例1

一种微生物固定方法,包括有如下步骤:

步骤1,称取10g的海藻酸钠,混合后加入蒸馏水500ml,用微波炉加热完全溶解,温度冷却至50℃时,加入3g的微纳米碳酸钾,平均粒径266nm,搅拌均匀得到包埋混悬液a,保温45℃;

步骤2,将培养好的10l嗜铁钩端螺旋菌(leptospirillumferriphilumysk)和中度嗜热硫氧化硫化杆菌(sulfobacillusthermosulfidooxidansyn22),通过高速离心机10000×g离心20分钟,收集菌泥,用500l的ph2.0的稀硫酸悬浮菌泥,得到3.6×109个/ml的微生物悬液b;

步骤3,称取20g的氯化钙,用蒸馏水溶解,定容至500ml,得到交联液c;

步骤4,称取硫酸铵1.5g,硫酸镁0.25g,磷酸氢二钾0.25g,氯化钾0.05g,硝酸钙0.005g,用500ml蒸馏水溶解后,调节ph值至2.0,加入七水合硫酸亚铁20g,溶解后定容至500l,再用浓硫酸调节ph值2.0,得到稳定液d;

步骤5,取规格为10mm的立方聚氨酯吸水凝胶填料(比表面积大于4000m2/m3,孔隙率98%,密度1.2±0.75g/cm3,外观类似于松质面包内部结构,采购于山东省邦皓环保科技有限公司,型号ppc-1)置于包埋混悬液a中浸泡60秒钟,100×g离心5min,去除空隙中的多余包埋液;

步骤6,再将步骤5处理后的填料浸入微生物悬液b中60秒钟,重力脱液沥去空隙中的溶液,立即转移到交联液c中,浸泡5分钟,重力脱液沥去空隙中的溶液;

步骤7,将步骤6处理之后的填料置于稳定液中浸泡60分钟,重力脱液沥去多余的溶液,得到浸矿微生物包埋体。

该包埋体以20%v/v的投加量加入到5l的曝气反应器中,控温45℃,曝气强度0.1vvm,经过5天的预培养后,体系中的氧化还原电位达到687mv;在连续制备高铁溶液过程中,铁氧化效率最高可达2.06gfe2+/(l·h),可在铁氧化效率2gfe2+/(l·h)以上的前提下连续运行1周以上,连续再生的高铁溶液可以用于铀矿或废弃线路板生物浸出;在利用9k培养基连续制备细菌悬液过程中,停留时间48小时条件下,排液口悬浮微生物数量可达到1~2×108个/ml,维持时间3个月以上。

实施例2

一种微生物固定方法,包括有如下步骤:

步骤1,分别称取20g的聚乙烯醇和30g的海藻酸钠,混合后加入蒸馏水1l,用微波炉加热完全溶解,温度冷却至50℃时,加入5g的碳酸钠粉末,粉末粒径小于5μm,搅拌均匀得到包埋混悬液a,保温30℃;

步骤2,将培养好的50l氧化亚铁硫杆菌(acidithiobacillusferrooxidansatcc23270),通过孔径0.1μm的陶瓷膜反应器浓缩至5l,浓缩菌液再通过高速离心机10000×g离心20分钟,收集菌泥,用1l的ph2.0的稀硫酸悬浮菌泥,得到1.3×1010个/ml的微生物悬液b;

步骤3,分别称取30g的氯化钙和25g的硼酸,用蒸馏水溶解,定容至1l,得到交联液c;

步骤4,称取硫酸铵1.5g,硫酸镁0.25g,磷酸氢二钾0.25g,氯化钾0.05g,硝酸钙0.005g,用500ml蒸馏水溶解后,调节ph值至2.0,加入七水合硫酸亚铁20g,溶解后定容至1l,再用浓硫酸调节ph值2.0,得到稳定液d;

步骤5,取规格为20mm的立方聚氨酯吸水凝胶填料(比表面积大于4000m2/m3,孔径1±0.2mm,孔隙率98%,密度1.2±0.75g/cm3,外观类似于丝瓜囊内部结构,采购于山东省邦皓环保科技有限公司,型号ppc-2)置于包埋混悬液a中浸泡60秒钟,在低速离心机上,转速100×g,离心5min,去除空隙中的多余包埋液;

步骤6,再将步骤5处理后的填料浸入微生物悬液b中30秒钟,重力脱液沥去空隙中的溶液,立即转移到交联液c中,浸泡3分钟,重力脱液沥去空隙中的溶液;

步骤7,将步骤6处理之后的填料置于稳定液中浸泡30分钟,重力脱液沥去多余的溶液,得到浸矿微生物包埋体。

该包埋体以10%v/v的投加量加入到10l的曝气反应器中,控温30℃,经过3天的预培养后,体系中的氧化还原电位达到721mv;在连续制备高铁溶液过程中,铁氧化效率最高可达3.91gfe2+/(l·h),可在铁氧化效率2gfe2+/(l·h)以上的前提下连续运行2周以上,连续再生的高铁溶液可以用于铀矿或废弃线路板生物浸出;在利用9k培养基连续制备细菌悬液过程中,停留时间36小时,排液口悬浮微生物数量可达到3~6×108个/ml,维持时间3个月以上。

本发明涉及到的一种浸矿微生物包埋体的制备方法,将微生物菌以表层包埋的方式固定在弹性填料内部,减少微生物菌的流失。具有空隙结构的填料及表层网状交联结构不会阻断营养物质与微生物接触,能提高微生物菌的培养效率,填料使用寿命长,且不会对环境造成二次污染。

实施例3

一种微生物固定方法,包括有如下步骤:

步骤1,分别称取5g的聚乙烯醇、5g聚氧乙烯和10g的海藻酸钠,混合后加入蒸馏水1l,用微波炉加热完全溶解,温度冷却至50℃时,加入5g的纳米碳酸氢钠粉末,平均粒径约280nm,搅拌均匀得到包埋混悬液a,保温45℃;

步骤2,将培养好的50l嗜酸硫化芽孢杆菌(sulfobacillusacidophilustpy),通过孔径0.1μm的陶瓷膜反应器浓缩至5l,浓缩菌液再通过高速离心机10000×g离心20分钟,收集菌泥,用1l的ph2.0的稀硫酸悬浮菌泥,得到2.1×1010个/ml的微生物悬液b;

步骤3,分别称取30g的氯化钙和20g的硼酸,用蒸馏水溶解,定容至1l,得到交联液c;

步骤4,称取硫酸铵1.5g,硫酸镁0.25g,磷酸氢二钾0.25g,氯化钾0.05g,硝酸钙0.005g,用500ml蒸馏水溶解后,调节ph值至2.0,加入七水合硫酸亚铁20g,溶解后定容至1l,再用浓硫酸调节ph值2.0,得到稳定液d;

步骤5,取规格为20mm的立方聚氨酯吸水凝胶填料(比表面积大于4000m2/m3,孔径1±0.2mm,孔隙率98%,密度1.2±0.75g/cm3,外观类似于丝瓜囊内部结构)置于包埋混悬液a中浸泡60秒钟,在低速离心机上,转速100×g,离心5min,去除空隙中的多余包埋液;

步骤6,再将步骤5处理后的填料浸入微生物悬液b中30秒钟,重力脱液沥去空隙中的溶液,立即转移到交联液c中,浸泡3分钟,重力脱液沥去空隙中的溶液;

步骤7,将步骤6处理之后的填料置于稳定液中浸泡30分钟,重力脱液沥去多余的溶液,得到浸矿微生物包埋体。

该包埋体以10%v/v的投加量加入到100l的曝气反应器中,控温45℃,经过3天的预培养后,体系中的氧化还原电位达到709mv;在连续制备高铁溶液过程中,铁氧化效率最高可达2.91gfe2+/(l·h),可在铁氧化效率2gfe2+/(l·h)以上的前提下连续运行2周以上,连续再生的高铁溶液可以用于铀矿或废弃线路板生物浸出;在利用9k培养基连续制备细菌悬液过程中,停留时间36小时,排液口悬浮微生物数量可达到2~4×108个/ml,维持时间3个月以上。

对比例1

本对比例1和实施例2相比,区别在于,步骤1中的碳酸钠替换为碳酸钙,其他步骤相同。

同等条件下测量,3天的预培养后,体系中的氧化还原电位仅为519mv;连续制备高铁溶液过程中,铁氧化效率最高仅1.75gfe2+/(l·h),在利用9k培养基连续制备细菌悬液过程中,停留时间36小时,排液口悬浮微生物数量仅3.0~4.7×107个/ml。

发明人认为,碳酸钙和酸反应的过程中形成了硫酸钙,硫酸钙粉末阻塞骨架基体中的空隙,影响传质。

对比例2

本对比例2和实施例2相比,区别在于,步骤5和6替换为:取规格为20mm的立方聚氨酯吸水凝胶填料(比表面积大于4000m2/m3,孔径1±0.2mm,孔隙率98%,密度1.2±0.75g/cm3,外观类似于丝瓜囊内部结构)置于包埋混悬液a和微生物悬液b的混合溶液中浸泡60秒钟,挤压去除空隙中的多余的溶液,立即转移到交联液c中,浸泡3分钟,重力脱液沥去空隙中的溶液。其他步骤和实施例2相同。

同等条件下测量,3天预培养后,体系中的氧化还原电位仅为524mv;连续制备高铁溶液过程中,铁氧化效率最高为2.05gfe2+/(l·h),在利用9k培养基连续制备细菌悬液过程中,停留时间36小时,排液口悬浮微生物数量仅5.2~10×107个/ml,运行1周后,培养反应槽底部出现大量脱落的包埋剂。

对比例2的效果和对比例1差不多,效果包埋体并不理想,其可能的原因在于对比例2中,嗜酸微生物提前与中性的包埋液混合,微生物活性出现明显下降,容易出现大量气泡,影响载体的浸润过程;包埋液未交联前长久暴露于酸性环境中容易出现水解;混悬液a和微生物悬液b混合后形成的气泡尺寸很难控制,大气泡影响了载体浸润,溶液很难进入载体内部,浪费了载体的有效比表面积,附着效率大大下降。由此,二氧化碳并没有达到在包埋体中产生更多孔隙和同时包容微生物的目的。

对比例3

本对比例3和实施例2相比,区别在于,去掉步骤7,延长步骤6中填料浸泡在交联剂c中的时间为1h,其他步骤相同。

同等条件下测量,3天的预培养后,体系中的氧化还原电位为527mv;连续制备高铁溶液过程中,铁氧化效率最高为0.87gfe2+/(l·h),在利用9k培养基连续制备细菌悬液过程中,停留时间36小时,排液口悬浮微生物数量为2.3~5.1×107个/ml。

对比例3的效果好于对比例1、2,但差于实施例2,其可能的原因在于一方面交联剂的最佳ph值为8~9,和嗜酸浸矿微生物的最适宜ph值不相同,导致达不到最佳效果,另一方面,稳定剂能改善了微生物的微环境,可减轻交联过程对微生物活性的影响。

对比例4

本对比例4和实施例2相比,区别在于,延长步骤6中填料浸泡在交联剂c中的时间为1h,其他步骤相同。

同等条件下测量,3天的预培养后,体系中的氧化还原电位为633mv;连续制备高铁溶液过程中,铁氧化效率最高为0.89gfe2+/(l·h),在利用9k培养基连续制备细菌悬液过程中,停留时间36小时,排液口悬浮微生物数量为3.5~5.2×107个/ml。

通过实验发现,对比例4和对比例3的效果差不多,说明本发明的稳定剂的主要目的不仅仅是作为微生物培养液,还具有提高其交联效果的作用。

对上述实施例和对比例的技术方案和其效果进行对比,其结果见表1所述。

表1不同实施例和对比例的技术方案和效果对比表

其中,最高铁氧化效率的单位为gfe2+/(l·h),排液口微生物数量的单位为个/ml。

上述方案中,实施例2的包埋效果和微生物活性最强。

以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,本发明涉及到的微生物包埋体的制备方法同样适用于废水、废气污染治理等其他领域的微生物包埋过程,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。

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