一种耐酸性红酵母菌及其用于污泥中重金属的生物脱除的方法

专利名称：一种耐酸性红酵母菌及其用于污泥中重金属的生物脱除的方法
技术领域：
本发明涉及一种耐酸性红酵母菌及其用于污泥生物脱除重金属的方法，是一项利用酵母菌与硫杆菌互作去除市政污泥和工业污泥中重金属的技术，属于环境工程技术领域。
二、技术背景我国每年产生大量的、亟待安全处置的各类含重金属的工业污泥和城市市政污泥。虽然污泥土地利用多年来一直被认为是处置费用低廉，并能实现污泥资源化利用的途径，但由于污泥中有毒重金属的存在(我国多数城市污泥中Cu、Zn、Cr、Ni等重金属含量可达数百至数千mg/kg，工业污泥如制革污泥中Cr含量可达1％～4％；电镀污泥中重金属可达10％甚至更高)，污泥土地利用中重金属的潜在污染始终是人们担忧的问题，污泥农用的阻力和争议也一直很大。而采用其他处理方法，例如污泥焚烧、污泥做建材、堆填等仍然存在重金属危害之虞。从污泥中去除重金属，使污泥“洁净”化，便于污泥再生利用，有十分重要的意义。
污泥中重金属主要以难溶性的硫化物，有机物结合态，沉淀态等形式存在于污泥的固相中。要去除污泥中的重金属，就得设法使重金属从固相中溶解出来。过去有研究者采用化学浸提法，利用无机酸或络合剂等处理污泥以溶解和浸提重金属以达到去除污泥中重金属的目的。但化学方法耗酸量大、处理费用高、操作不安全，难以付诸于工程实际，而且对某些重金属的去除效果较差(如Cu的去除率低于50％，Cr的去除率低于40％)。
近年来，有研究者试图利用微生物方法来溶解去除污泥中重金属。美国专利5,217,615和5,454,948公开了一种采用微生物去除污泥重金属的方法，它是利用氧化硫硫杆菌和排硫硫杆菌以元素硫作为能源物质产生硫酸来溶解去除污泥中重金属。但污泥中的主要有毒重金属Cr不能被有效去除，其去除率仅为13～57％。
本课题组前期申请的两项专利，氧化亚铁硫杆菌及其去除污泥重金属的方法，专利申请号为02112924.X，和氧化硫硫杆菌及制革污泥中铬的生物脱除方法专利申请号02137921.1，前者提供了一种氧化亚铁硫杆菌及其去除污泥重金属的方法，利用污泥中分离的氧化亚铁硫杆菌Thiobacillus ferrooxidans LX5，氧化底物，产酸溶解重金属，然后固液分离去除重金属。后者利用从制革污泥中分离的氧化硫硫杆菌ThiobacillusthiooxidansTS6脱除制革污泥中的铬，使得Cr的去除率达到90％以上，污泥中植物养分N、P和有机质保留率在80％以上。
但是，氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌都是专性化能自养菌，对水溶性有机物特别是低分子量的有机酸有一定的敏感性，而污泥中水溶性有机物(以水溶性有机碳DOC计)含量可达500～1500mg/L。因此，在以单一的硫杆菌为主导的系统中，往往难于保证生物去除作用的稳定，接种以水溶性有机物为能量来源和物质来源的异养菌，主要为酵母菌，可大幅度降低这些有毒的小分子在污泥中的浓度，有助于硫杆菌Thiobacillus对污泥中重金属的溶出，从而提高污泥重金属去除效率和缩短2天以上的处理时间，为该技术走向实际工程提供了技术保障。

发明内容
技术问题本发明的目的在于提供一种异养微生物红酵母菌及其用于污泥生物脱除重金属的方法，酵母菌是真核微生物，利用污泥中的水溶性有机物生长繁殖，消耗污泥中的水溶性有机物，消除了水溶性有机物对自养菌Thiobacillus sp.的毒害，提高硫杆菌的生长活性，缩短污泥重金属去除的周期，减少动力消耗，降低成本。
技术方案本发明提供的酵母菌，分离自制革污泥，命名红酵母菌属(Rhodotorula sp.)R30，该菌株特征为单细胞，呈卵圆形，直径4.5～5.5μm，芽殖。不产生子囊孢子。菌落呈粘质样，产生粉红色色素，形成荚膜。不发酵糖，不能利用肌醇作唯一碳源，不形成类淀粉化合物，能同化KNO3和(NH4)2SO4。酵母R30营养要求简单，易于扩大培养，接种于PDA培养基，28℃～30℃，pH＝3～7时，生长良好。当pH＜3.0时，生长受到一定的影响，但仍然能耐受pH2左右的酸性环境。并且能利用污泥中的水溶性有机物生长，接种酵母R30菌苔一环于污泥水溶性有机物中，在28℃的摇床上培养96h，污泥中DOC的量从1485mg/L降至345mg/L，减少了77％，且酵母菌的数量达4.8×107个/mL。
酵母菌R30及其应用于污泥生物脱除重金属的方法，其特征在于1、酵母菌R30的分离与扩大培养，配制PDA培养基，成分马铃薯200g，蔗糖或葡萄糖20g，水1000mL，pH自然，121℃，30min灭菌。其分离方法吸取1mL制革污泥于9ml无菌水中，作系列稀释，取合适梯度的稀释液0.1mL涂布于PDA平板上，于28℃培养48h，挑取粉红色菌落，制片，染色，镜检，观测到直径为0.5μm的椭圆形菌体，并进一步在PDA平板上划线纯化，得到形态一致的单菌落，转接斜面，保存于4℃冰箱备用。液体培养条件从斜面上取酵母菌R30菌苔，接种于PDA液体培养基中，28～30℃，于180rpm往复式摇床培养2天，菌数达108个/mL。
2、酵母菌R30可使介质中溶解性有机质减少70％以上，并能耐受pH2左右的酸性环境。
3、硫杆菌Thiobacillus sp.，主要为本实验室分离的菌株Thiobacillus thiooxidans TS6(CGMCC NO.0759)。其培养条件与专利申请号为02137921.1的氧化硫硫杆菌及制革污泥中铬的生物脱除方法相同。
4、向生物反应器中加入待处理污泥和0.5～30g/L单质硫，并分别接种3％～7％的硫杆菌和1％～3％酵母菌R30，于28℃下，进行通气和搅拌处理2-6天(当目的重金属溶出率达到95％以上时，结束处理)，泵出处理过的污泥。
5、上述处理过的污泥经过沉降，将10～20％的沉降污泥回流至生物反应器中代替驯化污泥用，投加待处理污泥和0.5～30g/L单质硫，循环处理。
6、剩余沉降污泥进行脱水处理，得到脱除重金属的固相部分和含重金属的液相部分。
7、含重金属的液相部分通过投入碱性物质(氧化镁、石灰和氢氧化钠)调节pH，使其中的重金属沉淀后，上清液进入污水处理厂进行处理。
8、污泥经过沉降，脱水处理，得到脱除重金属的固相部分和含重金属的液相部分。
9、含重金属的液相部分通过投入碱性物质调节pH，使其中的重金属沉淀后，排水进入污水厂处理。
10、脱除重金属后的固相部分经用碱性物质(石灰和氨水等)中和后直接农用，或进一步直接制备成商品有机肥或基质。
本发明的技术原理是在反应中添加酵母菌，酵母菌利用污泥中的水溶性有机物生长繁殖，消耗污泥中的水溶性有机物，达到消除或减低水溶性有机物对自养菌Thiobacillus sp.毒害的作用，以提高硫杆菌的生长活性，缩短污泥重金属去除的周期，降低成本。
有益效果本发明提供的酵母菌及其用于污泥生物脱除重金属的方法，具有以下有益效果1、本发明提供的酵母菌R30，分离自制革污泥，单细胞真核微生物，营养要求低，生长条件粗放，易于扩大培养，污泥中的水溶性有机物基本满足酵母菌R30的生长要求，接种酵母菌R30于污泥水溶性有机物中，在28℃培养96h，污泥中DOC的量从1485mg/L降至345mg/L，减少了77％。
2、利用本发明提供的酵母菌R30与硫杆菌复合的方法，反应液中pH下降速度快，处理时间显著缩短，重金属溶出率高，尤其Cr的溶出率达95％～100％。
3、酵母菌R30广泛存在于环境中，实验证明为非致病菌，对人体和动物无害。
4、与化学浸提法相比，本发明反应温和，操作环境友好，不产生二次污染，运行成本低廉。化学浸提法去除污泥重金属的操作过程中，由于需要投加大量无机酸，与有机质丰富的污泥反应产生大量气泡和臭味，使得操作环境恶劣。而本发明是利用多种微生物复合作用，其中异养菌消耗有机物，减少有机物对自养菌的毒害，促进自养菌生长活性及产酸，生物反应温和，无二次污染产生。
5、经该法处理后污泥中的植物养分N、P和有机质保留率在80％以上，其中N的保留率80-85％，P为75-80％，有机质为85-85％；四具体实施方式
实施例1(1)采样取浙江某制革废水处理厂的浓缩池污泥，该制革污泥基本性质见表1。
表1供试制革污泥的基本性质pH Cr 含固率N P 有机质mg/kg------------- ％ -------------8.21 147304.84 2.83 0.8145.68(2)酵母菌R30的培养配制PDA培养基，马铃薯200g，蔗糖或葡萄糖20g，水1000mL，pH自然，121℃，30min灭菌。液体培养条件从PDA培养基斜面上取酵母菌R30菌苔，接种于PDA液体培养基中，28～30℃，于180rpm往复式摇床培养2天，菌数达108个/mL。
(3)硫杆菌菌株硫杆菌Thiobacillus thiooxidans TS6，是本实验室保存菌株，已在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心保存，登记号为CGMCC NO.0759。该菌为专性无机化能自养菌。
(4)制革污泥中Cr生物脱除反应制革污泥中添加1.0g/L硫粉，接种10％的Thiobacillus thiooxidans TS6，3％的Rhodotorula sp.R30，在摇床中180rpm振荡培养处理5～6天，设置不加R30的对照处理，每天测定反应介质中的pH变化。反应结束后，测定污泥中Cr溶出率。实验测定反应液中pH＝2.0时，Cr的溶出率70％，反应液中pH＝1.7时，Cr的溶出率85％，反应液中pH＝1.5时，Cr的溶出率100％。表2示不同处理反应液中pH的变化及铬的溶出情况，添加酵母处理和对照相比反应时间缩短约28h。
表2不同处理反应液中pH的变化情况及铬的溶出率％

(5)处理后污泥的固液分离及含铬废液的回收再利用见本课题组前期专利“氧化硫硫杆菌及制革污泥中铬的生物脱除方法”(专利申请号02137921.1)，即上述处理污泥经离心后，得到含铬废液和脱铬污泥滤饼。脱铬污泥滤饼完全符合农用污泥中污染物控制标准(GB4284-84)，经生石灰中和后即可作为肥料使用。含铬废液投加MgO使含铬废液中Cr3+变成Cr(OH)3沉淀，再用硫酸溶解后作为铬鞣剂。
实施例2(1)采样取江苏某城市污水处理厂的浓缩池污泥，该污泥基本特性见表3。
表3供试污泥基本特性pH 含固N P 有机质 Zn Cr Cu率------------- ％ --------------------------mg/kg-------------7.563.342.691.1543.7 1578310 522(2)酵母菌R30的培养，同实施例1(3)Thiobacillus thiooxidans TS6菌株同实施例1(4)城市污泥中Zn、Cr、Cu生物脱除反应城市污泥中添加5g/L单质硫，接种10％的Thiobacillus thiooxidans TS6，3％的Rhodotorula sp.R30，在摇床中180rpm振荡培养处理4～6天；设置不加Rhodotorula sp.R30的对照处理，每天测定反应介质中的pH变化。反应结束后，测定污泥中Cr、Zn、Cu的溶出率。不同处理反应介质中pH的变化及Cr、Zn、Cu的溶出情况见表4，添加酵母处理和对照相比铬的完全溶出时间至少缩短56h，锌的完全溶出时间缩短48h，铜的完全溶出时间至少缩短50h。
表4不同处理反应液中pH的变化情况及铬、锌、铜的溶出率％

五

图1为利用红酵母菌用于污泥中重金属生物脱除的方法流程图。
权利要求
1.红酵母菌属(Rhodotorula sp.)R30，中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心保存，保藏日期为2004年5月13日，保藏登记号为CGMCC No.1147；该菌株特征为单细胞，呈卵圆形，直径4.5～5.5μm，芽殖。不产生子囊孢子。菌落呈粘质样，产生粉红色色素，形成荚膜。不发酵糖，不能利用肌醇作唯一碳源，不形成类淀粉化合物，能同化KNO3和(NH4)2SO4。营养要求简单，易于扩大培养，接种于PDA培养基，28℃～30℃，pH＝3～7时，生长良好。
2.根据权利要求1所述，红酵母菌属(Rhodotorula sp.)R30的特征在于能耐受pH2左右的酸性介质环境。
3.根据权利要求1所述，红酵母菌属(Rhodotorula sp.)R30的特征在于能使介质中溶解性有机质含量减少70％以上。
4.根据权利要求1所述，红酵母菌R30与硫杆菌Thiobacillus sp.互作去除市政污泥和工业污泥中重金属的方法，其特征在于1)向污泥中投加1％～3％的R30菌株和3％～7％的硫杆菌Thiobacillus sp.，在28℃和通气搅拌条件下，作用2-6天，泵出处理过的污泥；2)上述处理过的污泥经过沉降，将10～20％的沉降污泥至生物反应器中代替驯化污泥用，投加待处理污泥和0.5～30g/L单质硫，循环处理；3)剩余沉降污泥进行脱水处理，得到脱除重金属的固相部分和含重金属的液相部分；4)含重金属的液相部分通过投入碱性物质调节pH，使其中的重金属沉淀后，排水进入污水厂处理。
5.根据权利要求4所述的酵母菌及其用于污泥生物脱除重金属的方法，其特征在于红酵母菌R30与硫杆菌Thiobacillus sp.复合互作。
6.根据权利要求4所述的酵母菌及其用于污泥生物脱除重金属的方法，其特征在于其中脱除重金属后的固相部分经用碱性物质中和后直接农用，或进一步经过发酵处理后制备成商品有机肥或基质。
7.根据权利要求4所述的酵母菌及其用于污泥生物脱除重金属的方法，其特征在于其方法中所用碱性物质指的是氧化镁，石灰，氢氧化钠，氨水。
8.根据权利要求6所述的酵母菌及其用于污泥生物脱除重金属的方法，其特征在于其方法中所用碱性物质指的是石灰和氨水。
9.根据权利要求4或6所述的酵母菌及其用于污泥生物脱除重金属的方法，其特征在于其方法中所用碱性物质指的是生石灰。
全文摘要
本发明是一种耐酸性红酵母菌及其用于污泥中重金属的生物脱除的方法，是一项利用酵母菌与硫杆菌Thiobacillus sp.互作去除市政污泥和工业污泥中重金属的技术。酵母菌株命名为红酵母菌属(Rhodotorula sp.)R30，保藏号CGMCCNo.1147。向生物反应器中加入待处理污泥，并分别接种1～10％的硫杆菌TS
文档编号C02F1/62GK1590530SQ20041004484
公开日2005年3月9日 申请日期2004年5月31日 优先权日2004年5月31日
发明者周立祥, 王世梅 申请人:南京农业大学