硫酸盐还原菌及其用于回收矿山废水中有价金属的工艺的制作方法

本发明涉及微生物冶金技术领域，特别是涉及一种硫酸盐还原菌(Bacillus thuringiensis)、其培养方法以及利用该菌回收矿山废水中重金属的工艺。

背景技术：

利用硫酸盐还原菌处理酸性矿山废水是通过异化硫酸盐的生物还原反应，将酸性矿山废水中的硫酸盐还原为H₂S，在不同的pH条件下，可以利用H₂S选择沉淀不同重金属形成金属硫化物，以去除废水中的重金属离子并回收有价金属，生物还原反应中生成的碱度可以中和酸性矿山废水。该方法具有成本低、适用性强、无二次污染、可以回收酸性矿山废水中的重金属等特点。因此受到环境工作者的广泛关注，成为矿山酸性废水处理技术研究的前沿课题。

然而常规硫酸盐还原菌生长于中性pH，硫酸盐还原菌的生长需要外加额外的碳氮源才能完成，同时产生硫酸盐还原菌的反应器内，硫酸盐还原菌的生长受到金属离子，S^2-离子的抑制，硫酸盐还原效率不高。因此，分离生长于低pH下具有硫酸盐还原活性的菌种，设计符合硫酸盐还原菌生长的合适工艺，提高硫酸盐还原菌还原效率，选择合适的碳源，实现有价金属的回收是实现工业应用的非常重要的环节。

技术实现要素：

本发明的第一个目的是提供一种硫酸盐还原菌，该菌可在低pH条件下高效地还原硫酸盐。

本发明的第二个目的是提供一种回收矿山废水中有价金属的工艺，该工艺使用硫酸盐还原菌，处理进水pH在2-3的酸性矿山废水，利用高浓度有机废水为碳源，可降低50％的处理成本，对矿山酸性废水中Cu²⁺的去除率达95-97％；Zn²⁺的去除率达90-98％；Fe²⁺的去除率达91-99％，Fe³⁺的去除率为79-91％。处理后废水pH为中性。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供一种硫酸盐还原菌，该菌的分类命名为：Uncultured sulfate-reducing bacterium SRB-4，保藏单位为：中国国家典型培养物保藏中心，地址：武汉大学内，保藏日期为：2015年9月14日，保藏号为：CCTCC NO：M2015535。

本发明还提供一种放大培养上述的硫酸盐还原菌的培养基，该培养基配方为：乳酸钠3.5g，NH₄Cl 1.0g，Na₂SO₄1.0g、MgSO₄0.1g、K₂HPO₄0.5g、(NH₄)₂Fe(SO₄)₂·6H₂O 0.65g和CaCl₂0.1g溶于1L蒸馏水中，调整pH为7.0-7.2。

本发明还提供一种回收矿山废水中有价金属的工艺，包括以下步骤：

1)在生物反应器内接种使用上述培养基培养的硫酸盐还原菌，菌浓度10⁸个/mL，接种体积为反应体系的1％，并将高COD浓度的食品加工废水稀释1000倍后作为碳源通入生物反应器；

2)酸性矿山废水依照顺序进入第一接触反应器、第二接触反应器进行选择性沉淀，并在第一接触反应器和第二接触反应器之间设置管道进行回流；

接触反应器内主要是金属离子和S^2-形成金属硫化物沉淀，由于矿山酸性废水水质不一样，所含金属离子浓度、种类、pH均差别较大，根据具体反应进程来调整反应时间。

3)将第二接触反应器排出的废水通入生物反应器，并在第二接触反应器和硫酸盐还原生物反应器之间设置管道进行回流；

4)将生物反应器流出废水通入好氧反应池进行反应，反应液排放或回用，反应产生的污泥返回生物反应器作为碳源。

优选地，步骤1)中所述食品加工废水中COD浓度大于100000mg/L。

优选地，步骤1)中所述食品加工废水为糖蜜废水或酒精废水。

优选地，步骤2)中所述第一接触反应器的pH为2-3，第二接触反应器的pH为4-5。

本发明所用硫酸盐还原菌的菌种分离自德兴铜矿的生活污水。

本发明的硫酸盐还原菌SRB4具有如下特点：菌种为弧菌，菌体大小为0.8-1.0×1.0-3.0μm。革兰氏染色为阳性，有芽孢，能运动，有鞭毛，在含Fe²⁺培养基中菌落为黑色，直径在1～3mm，菌落为圆形。菌种生长的pH范围为3.0～9.0，最适pH为7.5；生长温度范围在20～45℃，最适生长温度为30～35℃；有较高的耐盐性，在含有2～3％NaCl时生长最好。菌种可以利用乳酸钠、乙酸钠、柠檬酸钠、乙醇、丙酮、在乳酸钠和柠檬酸钠中生长最好。菌种除能在硫酸盐中生长外，还可利用S、DMSO、FeCl₃为电子受体。菌种具有过氧化氢酶活性，微量氧气不会影响菌的生长。

硫酸盐还原菌的扩大培养：

将保藏的纯化的硫酸盐还原菌SRB-4菌种以相对于所制备培养基的体积5％的接种量接种入培养基中，在25-35℃的培养温度下，摇床培养3-5天，测 量细菌培养液在600nm处的吸光值，得到的OD600的数值如果在0.6-0.8之间，通过显微镜计数，其菌种浓度在10⁸个/mL。使用时将该菌种以体积比1％的接种量接种该菌液至生物反应器内培养。

高浓度有机废水经稀释后直接通入生物反应器。低pH矿山酸性废水先进入第一接触反应器，然后进入第二接触反应器，最终进入生物反应器；同时，部分废水从生物反应器回流至第二接触反应器2，部分废水从第二接触反应器回流至第一接触反应器，生物反应器出水进入好氧处理工序。后续的好氧处理工艺可以大幅去除废水中的残余的COD，好氧工艺产生的剩余污泥，经浓缩后可以回流至生物反应器做碳源，减少碳源实际消耗量。

本发明的优点在于：

1.所采用的硫酸盐还原菌在酸性pH下具有硫酸盐还原活性，提高废水处理的适应性。

2.本发明提供的工艺采用分相的设计，减少金属离子对生物反应器内微生物的抑制；同时由于生物反应器内微生物生长环境维持在pH6-7，使得硫酸盐还原率高。

3.生物反应器采用升流式厌氧污泥床(UASB)反应器，能够实现泥水的快速分离，回流仅回流液体，而污泥微生物不会被回流；通过回流使得生物反应器内产生的S^2-离子能够实时的回到前面的选择性沉淀池，减少S^2-离子对生物反应器内微生物的抑制。

4.生物硫酸盐还原过程产碱耗酸，产生的碱度可用于提升选择性沉淀池的pH值，通过pH在线探头及水泵可以实现两个选择性沉淀池内pH的控制并进而实现铜、铁分别的选择性沉淀。

5.后置的好氧反应池可以充分利用出水中残余的碳源产生污泥，同时使出水达标；产生的污泥浓缩后可以回流生物反应器做碳源，减少碳源的消耗量。

本发明的有益效果在于：

本发明提供一种硫酸盐还原菌及使用该菌的回收矿山废水中有价金属的工艺，采用回流来控制多个接触反应器选择性沉淀回收有价金属，Cu²⁺的最佳沉淀酸度值为2.5左右；Zn²⁺的最佳沉淀酸度值为3.5左右；Fe²⁺的最佳沉淀酸度值为6.0左右。在Cu²⁺沉淀过程中夹带了部分的Zn²⁺和Fe²⁺一起沉淀，同样在Zn²⁺沉淀过程中Fe²⁺也被部分夹带沉淀。本发明提供的工艺可以比常规工艺成本降低30-50％。

附图说明

图1为本发明所提供硫酸盐还原菌的扫描电镜图。

图2为本发明的回收矿山废水中有价金属的工艺流程图

图3为按照本发明提供的回收矿山废水中有价金属的工艺处理多组分酸性废水离子的选择性沉淀曲线图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供一种硫酸盐还原菌，该菌的分类命名为：Uncultured sulfate-reducing bacterium SRB-4，保藏单位为：中国国家典型培养物保藏中心，地址：武汉大学内，保藏日期为：2015年9月14日，保藏号为：CCTCC NO：M2015535，该菌电镜照片如图1所示，可以看出，该菌为弧菌。

培养上述硫酸盐还原菌的培养基配方为：乳酸钠3.5g，NH₄Cl 1.0g，Na₂SO₄1.0g、MgSO₄0.1g、K₂HPO₄0.5g、(NH₄)₂Fe(SO₄)₂·6H₂O 0.65g和CaCl₂0.1g溶于1L蒸馏水中，调整pH为7.0-7.2。

本发明的回收矿山废水中有价金属的工艺，包括以下步骤：

1)在生物反应器内接种使用上述培养基培养的硫酸盐还原菌，菌浓度10⁸个/mL，接种体积为反应体系的1％，并将高COD浓度的食品加工废水稀释1000倍后作为碳源通入厌氧硫酸盐还原生物反应器；

其中，该食品加工废水COD浓度大于100000mg/L，为糖蜜废水或酒精废水。

2)酸性矿山废水依照顺次进入第一接触反应器、第二接触反应器进行选择性沉淀，并在第一接触反应器和第二接触反应器之间设置管道进行回流；

接触反应器反应原理见图2，基本结构为柱式反应器，反应条件为室温，回流通过水泵及pH反馈探头控制，由于在生物反应器内硫酸根还原产生S^2-的过程是产碱耗酸的，因此该反应器的pH会从中性pH起持续升高，而进水pH是2-3，通过回流可以实现不同池子内pH稳定在不同的水平。

其中，第一接触反应器的pH为2-3，第二接触反应器的pH为4-5。

3)将第二接触反应器排出的废水通入生物反应器，并在第二接触反应器和生物反应器之间设置管道进行回流；

4)将生物反应器流出废水通入好氧反应池进行反应，反应液排放或回用，反应产生的污泥浓缩后返回生物反应器作为碳源。

实施例1：

各装置规格：生物反应器容积3L，第一接触反应器、第二接触反应器容积 均为10L，好氧反应池容积为1升。

将从城市污水处理厂剩余污泥5L浓缩至2.5升(该污泥浓度为5000mg/L)倒入生物反应器内，同时将培养的硫酸盐还原菌SRB-4菌液(菌液浓度为10⁸个/mL)0.03L加入生物反应器内，取糖蜜废水(COD100000mg/L)稀释1000倍，以200mL/h的流量泵入生物反应器，连续运行10天。

其中，污泥是用于提供硫酸盐还原菌生长支撑，后续反应中好氧反应池中产生剩余污泥补充回生物反应器，利于剩余碳源的利用。

将第一接触反应器，第二接触反应器充满自来水，按图2所示连接好，将pH2-3矿山酸性废水(Cu²⁺，2g/L；Fe²⁺，1.0-2.0g/L；Fe³⁺，3g/L；SO4^2-，3g/L；Zn²⁺，200mg/L)以100mL/h的流量通入第一接触反应器，在第一接触反应器和第二接触反应器之间设置回流，并在第二接触反应器和生物反应器之间设置回流，其中第一接触反应器和第二接触反应器之间回流流量为200mL/h，第二接触反应器和生物反应器之间回流流量为2L/h。当反应器稳定运行20天后(以使系统稳定，防止水处理效果发生波动)，反应进行10天，测量从好氧反应池排放出的酸性废水中最终Fe²⁺的去除率为95％，Fe³⁺的去除率为90％，Cu²⁺的去除率为99％，图3显示通过该系统的选择性沉淀曲线，可以看出，其中的铜离子、锌离子的去除率均在85％以上，铁离子的去除率在90％以上，处理后酸性废水中的pH为6.6，COD小于50mg/L，可以达标排放。