一种生物质炭负载锰氧化菌固定化颗粒及其应用

1.本发明属于微生物处理锰矿废水的技术领域，具体涉及一种生物质炭负载锰氧化菌固定化颗粒及其应用。


背景技术：

2.锰是重要的黑色金属矿产资源，对国民经济的发展具有重要作用。我国锰矿资源十分丰富，居世界第4位，且大多分布在南方地区。广泛的应用导致开采、冶炼与加工过程产生了大量的锰矿废水。当含锰废水进入环境中，可导致受污染水体、土壤中的锰元素通过食物链富集至人体内，使肝脏等器官发生生化改变而坏死，而且导致许多出生缺陷、恶性肿瘤的发生。所以，迫切的希望开发一种能够高效去除锰矿废水的方法。
3.绝大多数锰氧化菌的最适ph为中性，强酸环境会影响其氧化mn
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活性。zhou等研究了恶臭假单胞菌mnb1在不同ph值条件下对15mg/l mn
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氧化行为，发现当ph为7.5时，反应约30 h后无定形β-mno2的浓度可达10 mg/l，然而当ph降为5.6时，反应40 h后，仅有2 mg/l的锰氧化物生成。吴泽等在好氧条件下探究不同ph与水力停留时间对锰氧化细菌处理模拟酸性矿山废水中mn
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的影响，结果发现在中性条件下，反应24 h锰氧化细菌对20 mg/l mn
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的去除率可达99%以上，当进水ph 为3.0 时，水力停留时间为72 h，mn
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的去除率仅为20%左右。然而，由于微生物的特性，在锰氧化菌进行氧化过程中，由于微生物的特性，容易发生微生物与废水接触不均匀及流失的问题，因此，开发一种能够应用在酸性锰矿废水的固定化微生物处理方法，必将为生物氧化除锰处理锰矿废水提供一种新的方法和途径。


技术实现要素：

4.本发明的目的之一在于为了解决以上技术问题，提供一种生物质炭负载锰氧化菌固定化颗粒的制备方法，取一定量生物质炭与聚乙烯醇投入到去离子水中，加热，然后加入海藻酸钠，形成凝胶溶液；待其冷却至37℃以下，量取耐酸性锰氧化菌或耐酸性锰氧化菌悬菌液与凝胶溶液混合均匀得到凝胶菌炭溶液；将凝胶菌炭溶液用胶头滴管滴入到含有cac12的硼酸溶液中，在室温下硬化后，取出，用盐水洗2~3次，制成固定化颗粒。
5.优选的，所述耐酸性锰氧化菌为klebsiella sp. strain m3，保藏编号为cctcc m 2021261；优选的，所述振荡培养18~24小时，使其进入对数期；优选的，所述离心的速度为8000~10000 转/分钟，时间为10~15分钟，凝胶溶液中生物质炭的质量比为5~10%，聚乙烯醇的质量比为2-4%，海藻酸钠的质量比为0.8~1.5%，耐酸性锰氧化菌或悬菌液与凝胶液的体积为1:10~2:10，所述生物质炭为秸秆生物质炭颗粒，ph为9.0~10.5，阳离子交换量为20~35 cmol/kg；优选的，所述生物质炭包括前处理，所述前处理是将秸秆生物质炭加入稀hcl溶液中浸泡12~24小时，离心、用去离子水多次洗涤，100~110℃烘干，过 50目筛，备用；优选的，制备耐酸性锰氧化菌悬菌液是将冷藏保存的菌株，按照5%体积比的接种
量将其接种到jfm培养基中，振荡培养一段时间，收集菌液进行离心，用pycm液体培养基重新悬浮，制成悬菌液；优选的，所述振荡培养18~24小时，使其进入对数期；优选的，所述离心的速度为8000~10000 转/分钟，时间为10~15分钟；本发明的目的之二在于为了解决以上技术问题，提供一种锰矿废水处理方法，采用生物质炭负载锰氧化菌固定化颗粒处理所述锰矿废水。
6.优选的，所述锰矿废水酸性锰矿废水，所述酸性锰矿废水为锰矿区采选废水；优选的，包括静置前处理，将所述锰矿废水静置后去除底部沉积物；优选的，去除底部沉积物的废水ph为4.5~6.5，mn(ii)离子浓度为10~50 mg/l；优选的，向经过前处理的锰矿废水中投加一定量的柠檬酸，然后将生物质炭负载锰氧化菌固定化颗粒填充到整个上流式生化反应器中；然后使用蠕动泵自下而上泵入锰矿废水，每隔1天测定出水中mn(ii)离子浓度；优选的，上流式生化反应器为有机玻璃制成的圆柱，径高比为1:5~1:6，反应器底部、上部分别设有进出水口；优选的，锰矿废水中添加柠檬酸的浓度为2~4 g/l；优选的，处理锰矿废水的水力停留时间为12~18小时；本发明的有益效果在于：（1）本发明提供的锰氧化菌的耐酸性、耐锰性较强，能够较快的适应锰矿废水环境，避免了去除反应启动慢的问题；（2）秸秆生物质炭呈碱性，在反应过程中能够缓解废水酸度，提高废水ph，促进锰氧化菌氧化活性，提高处理效果；（3）采用的固定颗粒，制备方法简单，微生物不易流失，且固液容易分离；（4）通过本发明的固定化锰氧化菌处理废水中锰浓度长时间保持较低水平，运行稳定，运作成本低。
附图说明
7.图1为生物质炭负载锰氧化菌固定化颗粒图。
8.图2为反应结束后产物sem图。
9.图3为反应结束后产物eds谱图。
10.图4为反应结束后产物ftir谱图。
具体实施方式
11.下面通过实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
12.应当理解，本文所使用的诸如“具有”，“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
13.实施例1选用ph为9.5、阳离子交换量为25 cmol/kg的秸秆生物质炭颗粒作为载体；将4℃保存的菌株接种到jfm培养基中活化，振荡培养18小时，进入对数期，收集菌
液以9000转/分钟进行离心10分钟，去除上清液后用pycm液体培养基重新悬浮，制成悬菌液；将秸秆生物质炭放置0.1 mol/l hcl溶液浸泡12小时，离心、用去离子水多次洗涤，105℃烘干，过50目筛；取60 g生物质炭与30 g聚乙烯醇投入到1000 ml去离子水，加热至80 ℃，然后加入10 g海藻酸钠，形成凝胶溶液。待其冷却至30 ℃时，取100 ml悬菌液与1000 ml凝胶溶液混合均匀；将凝胶菌炭溶液用胶头滴管滴入到含有6% cac12的饱和硼酸溶液中，在室温下硬化24小时后，取出，用7%生理盐水洗2~3次，制成生物质炭负载锰氧化菌固定化颗粒。
14.收集锰矿区采选废水，静置24小时后去除底部沉积物，经过预处理后拟处理废水ph为5.0，mn(ii)离子浓度为10 mg/l；再向经过预处理的锰矿废水中添加柠檬酸，使其浓度为3 g/l；选择有机玻璃制成的径高比为5.5圆柱体作为生化反应器，将制备所得固定化锰氧化菌颗粒填充到其中，使用蠕动泵自下而上泵入处理废水，调节进水速度，使水力流停留时间为12小时，每隔1天测定出水中mn(ii)离子浓度，结果表明反应器运行前110天，出水中几乎检测不到锰，但是随之锰浓度缓慢升高，大约到180天出水锰浓度等于进水锰浓度，同时反应前80天出水ph一直维持在6.5~8.0之间，随后出水ph缓慢降低，最终维持在5.2左右。
15.实施例2选用ph为9.0、阳离子交换量为30 cmol/kg的秸秆生物质炭颗粒作为载体；将4℃保存的菌株接种到jfm培养基中活化，振荡培养24小时，进入对数期，收集菌液以10000转/分钟条件下进行离心12 分钟，去除上清液后用pycm液体培养基重新悬浮，制成悬菌液；将秸秆生物质炭放置0.15 mol/l hcl溶液浸泡15小时，离心、用去离子水多次洗涤，105℃烘干，过50目筛；取70 g生物质炭与40 g聚乙烯醇投入到1000 ml去离子水，加热至80 ℃，然后加入12 g海藻酸钠，形成凝胶溶液；待其冷却至30℃时，取150 ml悬菌液与1000 ml凝胶溶液混合均匀；将凝胶菌炭溶液用胶头滴管滴入到含有6% cac12的饱和硼酸溶液中，在室温下硬化24小时后，取出，用7%生理盐水洗2~3次，制成生物质炭负载锰氧化菌固定化颗粒。
16.收集锰矿区采选废水，静置24小时后去除底部沉积物，经过预处理后拟处理废水ph为5.5，mn(ii)离子浓度为30 mg/l；再向经过预处理的锰矿废水中添加柠檬酸，使其浓度为4 g/l；选择有机玻璃制成的径高比为6.0圆柱体作为生化反应器，将制备所得固定化锰氧化菌颗粒填充到其中，使用蠕动泵自下而上泵入处理废水，调节进水速度，使水力流停留时间为15小时，每隔1天测定出水中mn离子浓度。结果表明反应器运行前65天，出水中几乎检测不到锰，但是随之锰浓度缓慢升高，大约到140天出水锰浓度等于进水锰浓度，同时反应前92天出水ph一直维持在6.5~8.0之间，随后出水ph缓慢降低，最终维持在5.8左右。
17.实施例3选用ph为10、阳离子交换量为30 cmol/kg的秸秆生物质炭颗粒作为载体；将4℃保存的菌株接种到jfm培养基中活化，振荡培养24小时，进入对数期，收集菌液以9000转/分钟条件下进行离心15分钟，去除上清液后用pycm液体培养基重新悬浮，制成悬菌液；将秸秆生物质炭放置0.2 mol/l hcl溶液浸泡12小时，离心、用去离子水多次洗
涤，110℃烘干，过50目筛；取80 g生物质炭与40 g聚乙烯醇投入到1000 ml去离子水，加热至80 ℃，然后加入12 g海藻酸钠，形成凝胶溶液。待其冷却至30 ℃时，取180 ml悬菌液与1000 ml凝胶溶液混合均匀；将凝胶菌炭溶液用胶头滴管滴入到含有6% cac12的饱和硼酸溶液中，在室温下硬化24小时后，取出，用7%生理盐水洗2~3次，制成生物质炭负载锰氧化菌固定化颗粒。
18.收集锰矿区采选废水，静置24小时后去除底部沉积物，经过预处理后拟处理废水ph为6.0，mn(ii)离子浓度为40 mg/l，再向经过预处理的锰矿废水中添加柠檬酸，使其浓度为2g/l；选择有机玻璃制成的径高比为5.0圆柱体作为生化反应器，将制备所得固定化锰氧化菌颗粒填充到其中，使用蠕动泵自下而上泵入处理废水，调节进水速度，使水力流停留时间为18小时，每隔1天测定出水中mn离子浓度。结果表明反应器运行前70天，出水中几乎检测不到锰，但是随之锰浓度缓慢升高，大约到120天出水锰浓度等于进水锰浓度，整个反应过程中出水ph一直维持在6.5~8.3之间。
19.实施例4选用ph为10.5、阳离子交换量为33 cmol/kg的秸秆生物质炭颗粒作为载体；将4℃保存的菌株接种到jfm培养基中活化，振荡培养24小时，进入对数期，收集菌液以9500转/分钟条件下进行离心15分钟，去除上清液后用pycm液体培养基重新悬浮，制成悬菌液；将秸秆生物质炭放置0.16 mol/l hcl溶液浸泡20小时，离心、用去离子水多次洗涤，110℃烘干，过50目筛；取90 g生物质炭与35 g聚乙烯醇投入到1000 ml去离子水，加热至80 ℃，然后加入13 g海藻酸钠，形成凝胶溶液。待其冷却至30 ℃时，取150 ml悬菌液与1000 ml凝胶溶液混合均匀；将凝胶菌炭溶液用胶头滴管滴入到含有6% cac12的饱和硼酸溶液中，在室温下硬化24小时后，取出，用7%生理盐水洗2~3次，制成生物质炭负载锰氧化菌固定化颗粒。
20.收集锰矿区采选废水，静置24小时后去除底部沉积物，经过预处理后拟处理废水ph为5.0，mn(ii)离子浓度为10 mg/l；再向经过预处理的锰矿废水中添加柠檬酸，使其浓度为3 g/l；选择有机玻璃制成的径高比为5.5圆柱体作为生化反应器，将制备所得固定化锰氧化菌颗粒填充到其中，使用蠕动泵自下而上泵入处理废水，调节进水速度，使水力流停留时间为20小时，每隔1天测定出水中mn离子浓度。结果表明反应器运行前125天，出水中几乎检测不到锰，但是随之锰浓度缓慢升高，大约到190天出水锰浓度等于进水锰浓度，同时反应前93天出水ph一直维持在6.5~8.0之间，随后出水ph缓慢降低，最终维持在5.5左右。
21.反应结束后固相产物表征分析试验结束后回收固定化颗粒物，进行破碎，收集固体产物，进行扫描电镜-能谱（sem-eds）、傅里叶红外光谱（ftir）表征。图2为扫描电镜图，可见反应产物由均相纳米颗粒组成，平均粒径小于50 nm，这证明了锰氧化菌可以氧化锰离子生成了矿物质。图3为能谱图，证实了该物质主要由c、o、mn元素组成，其中锰元素平均质量分数为69.09%。图4为傅里叶红外谱图，其中在3378.40 cm-1
处出现的特征峰是结合水中-oh的伸缩振动峰；由于产物中存在微生物与生物质炭，在1610.98 cm-1
处吸收峰代表芳香骨架c=c键的伸缩振动，1388.29 cm-1
处出现了c-h键的弯曲振动峰，953.57 cm-1
处为c=c弯曲振动峰；最重要的是，在478.36 cm-1
处出现了mn-o健的伸缩振动峰，再次表明溶液中的mn(ii)离子为锰氧化菌氧
化，以锰氧化物的形式存在于固相产物中。
22.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。