一种农业废弃物协同微生物处理含砷废液的方法

1.本发明属于水污染处理领域，尤其涉及一种农业废弃物协同微生物处理含砷废液的方法。


背景技术：

2.随着选矿、冶炼、化工等行业的发展，砷逐渐被开发利用，但同时在加工过程中产生了大量含砷废液，若不经妥善处理，将对环境造成严重危害。含砷废液主要源于矿石开采及加工以及农药制造、石油化工等行业的工业排水。由于砷及砷的化合物是公认的强致癌物质，因此含砷废液的排放受到了严格的控制。
3.目前含砷废液的处理方法主要包括化学法、物理法和生物法，化学法又分为中和沉淀法、铁氧体共沉淀法、硫化物沉淀法等，物理法包括吸附法、电化学法，生物法包括生物沉淀、生物吸附、生物絮凝等。出于技术难度、投资与工序长短的考量，当前酸性含砷废液最主要的处理手段为化学沉淀法，通过添加石灰、铁盐以及硫化物等化学试剂作为沉淀剂实现废液中砷的净化，然而处理过程中药剂添加量大，成本高，处理过后产生的沉淀物又形成新的污染物，不仅脱水难度大，堆存引起二次污染的风险也很高。因此，需要开发一种新型清洁高效，环境友好型的含砷废液处理技术。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种农业废弃物协同微生物处理含砷废液的方法。
5.为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种农业废弃物协同微生物处理含砷废液的方法，包括以下步骤：（1）将农业废弃物进行烘干、破碎处理；（2）将步骤（1）破碎后的农业废弃物加水混合，然后加入活化处理的乳酸菌菌液，密封发酵；（3）将步骤（2）发酵后的物料与含砷废液混合反应一段时间，然后加入硫酸盐还原菌菌液，在厌氧条件下反应，反应完成后固液分离，得到的废水达标排放。
6.上述的方法，优选的，所述农业废弃物包括蔗渣与玉米秸秆，所述蔗渣与玉米秸秆的质量比为1:3-3:1。进一步优选的，所述蔗渣与玉米秸秆的质量比为2:1。
7.上述的方法，优选的，步骤（2）中，所述活化处理的乳酸菌菌液是指将乳酸菌冻干粉与生理盐水以质量比为1:20的比例稀释，然后以2-5%的比例接种至121℃高压蒸汽灭菌后的mrs培养基中，在25-35℃兼性厌氧条件下培养2-3天得到的乳酸菌菌液。
8.上述的方法，优选的，步骤（2）中，所述活化处理的乳酸菌菌液先加水稀释10倍，然后与农业废弃物混合物混匀，其中，稀释后的活化处理的乳酸菌菌液与农业废弃物的加入量比值为80-120，比值单位为ml/kg。
9.上述的方法，优选的，步骤（2）中，加水后农业废弃物的含水量为50-60%；所述发酵
的温度为20-40℃，发酵的时间为7-10天。
10.上述的方法，优选的，步骤（3）中，发酵后的物料与含砷废液混合的固液质量比为1:10-1:20。
11.上述的方法，优选的，步骤（3）中，发酵后的物料与含砷废液混合反应的温度为20-40℃，反应的时间为6h-12h，反应过程中的搅拌速率为120-240rpm，ph值不低于3。
12.上述的方法，优选的，步骤（3）中，硫酸盐还原菌菌液的体积添加量为2-5%。
13.上述的方法，优选的，步骤（3）中，所述硫酸盐还原菌菌液为经过耐酸性驯化的还原菌菌液。
14.进一步的，所述耐酸驯化是指用盐酸调节至培养基的ph=3，然后加入质量浓度为20%的乳酸钠水溶液和硫酸根离子浓度为10g/l硫酸钠水溶液，将硫酸盐还原菌接种至该培养基中培养，达到对数生长期后再接种至新的培养基，重复该驯化操作3-4次，直至硫酸盐还原菌可在1-3天内达到对数生长期，并且对硫酸根有显著还原能力，培养基中负二价硫浓度三天后能达到100mg/l以上。
15.上述的方法，优选的，步骤（3）中，在厌氧条件下反应的温度为20-40℃，反应的时间为2-4天，反应过程中的搅拌速率为120-240rpm。
16.上述的方法，优选的，步骤（1）中，农业废弃物破碎后的粒度不超过60目。
17.本发明所使用的蔗渣为制糖厂生产过程中产生的废渣，秸秆选用玉米秸秆，蔗渣和秸秆是良好的生物质吸附材料，一方面是其具有高孔隙率和较大的比表面积， 另一方面则是由于其含有较多的吸附功能团如羟基、氨基、酚羟基等，可以通过离子交换、螯合等方式吸附重金属离子。经过厌氧乳酸发酵后，蔗渣与秸秆中的纤维素、木质素等大分子有机物被分解为乳酸、乙酸、腐殖酸等小分子有机物，可供硫酸盐还原菌直接利用，硫酸盐还原菌将厌氧发酵产生的乳酸等小分子有机物作为电子供体氧化，产生大量高能电子传递给硫酸根离子，硫酸根离子接受电子后与水反应生成负二价硫离子与氢氧根离子，负二价硫离子与废液中剩余的砷和其他重金属离子结合形成难溶的硫化物沉淀，氢氧根离子则与氢离子结合提高废液ph值。此外，硫酸盐还原菌生长过程中产生的胞外分泌物（eps）对砷和其他重金属离子也具有吸附作用，反应结束后，经过固液分离，废液可达到《污水综合排放标准》。
18.本发明中的厌氧发酵反应过程为：。
19.微生物氧化还原反应：；。
20.硫化物沉淀反应：；；
。
21.砷的吸附反应：。
22.上述反应式中，srb为硫酸盐还原菌。硫酸盐还原菌利用乳酸作为生长所需的营养物质，将乳酸氧化分解过程中产生的电子传递给硫酸根离子，将其还原。式中m代表以铅、锌、铁、铜等金属离子，eps为微生物分泌的胞外多聚合物（extracellular polymeric substances），其主要成分为多糖，多肽、蛋白质以及脂类等高聚合分子，含有-cooh、-nh2、-sh、-oh、-po
43
‑ 等官能团，可与金属离子配位形成络合物，对重金属离子有显著的去除效果。
23.与现有技术相比，本发明的优点在于：（1）本发明将蔗渣与秸秆厌氧发酵后的产物作为一种清洁高效的生物质吸附材料，吸附含砷废液中的砷等重金属，同时利用蔗渣与玉米秸秆厌氧发酵产生的乳酸等小分子有机物为硫酸盐还原菌提供生长所需的碳源，使其在含砷废液中大量繁殖，含砷废液作为硫酸盐还原菌生长的液体基质，硫酸盐还原菌生长代谢过程中将废液中硫酸根离子还原为硫化氢，硫化氢与废液中的砷等重金属离子结合形成硫化物沉淀，实现含砷废液的进一步净化，同时农业废弃物发酵产生的腐殖酸对废液中重金属离子有一定吸附作用，强化了含砷废液的净化效果。
24.（2）本发明为微生物介导下的“以废治废”，同时实现蔗渣与秸秆等农业废弃物与含砷废液的有效治理，既解决了农业废弃物资源利用率低下的问题，又有效减少了含砷废液中的砷浓度，实现废液的安全排放。
25.（3）本发明充分利用蔗渣与玉米秸秆的吸附特性，将其作为吸附剂，既不会造成二次污染又可节省外加化学药剂的所耗费的成本。
26.（4）本发明将蔗渣与玉米秸秆的发酵产物作为硫酸盐还原菌生长的碳源，与传统碳源乳酸钠、乙醇相比，成本低、易运输、无毒性。
27.（5）本发明固液分离环节比传统处理方法更方便，使用的农业废弃物孔隙率高易脱水，耗能更低，而传统含砷废液处理过程中添加大量石灰和铁盐，产生的渣量大，含水率高，固液分离和废渣脱水产生的能耗大。
28.（6）本发明硫酸盐还原菌进行了耐酸性培养，使其在酸性条件下依然可以生长，可尽量减少ph调整剂的添加；同时利用硫酸盐还原菌的异化还原硫酸盐能力，将含砷废液中的so
42-还原成负二价硫离子，进一步的与剩余游离态砷和其他重金属离子结合生成硫化物沉淀，使废液最终达到《污水综合排放标准》，而且，本发明所采用硫酸盐还原菌为环境中常见微生物，对生长条件有一定要求，更适合生长在厌氧条件下，对环境不会造成二次污染以及其他不利影响。
29.综上，本发明可一次性解决农业废弃物、含砷废液的“两废”治理，具有清洁、高效、环保、低耗等特点。
附图说明
30.图1是本发明实施例处理含砷废水的工艺流程图。
具体实施方式
31.为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
32.除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
33.除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
34.下述实施例试验过程中采用的硫酸盐还原菌是通过以下方式获取并驯化的：（1）采集某砷冶炼渣堆场附近水库底泥，密封后保存在4℃冰箱中；（2）使用去离子水配制液体基础离子培养基（培养基成分为0.17g/l碳酸氢钠、0.4g/l磷酸二氢钾、1g/l磷酸氢二钾、0.25g/l七水合硫酸镁、1.2g/l硫酸铵、0.072g/l二水合氯化钙，培养基ph值为7.2-7.4），在150ml顶空瓶中加入100ml培养基，充氮气两分钟创造瓶内厌氧环境，最后在高压蒸汽灭菌锅中保持121℃灭菌20分钟；（3）在厌氧操作箱中打开顶空瓶，加入水库底泥（按照每100ml培养基加8g底泥），按照每100ml培养基加入1ml浓度为20%的乳酸钠水溶液和1ml硫酸根离子浓度为10g/l的硫酸钠水溶液的量加入浓度为20%的乳酸钠水溶液和硫酸根离子浓度为10g/l的硫酸钠水溶液，培养6天，每天取0.5ml培养液检测负二价硫与硫酸根浓度，若负二价硫生成浓度随培养时间延长显著增加，而硫酸根浓度降低，伴随着瓶内生成的黑色沉淀，可以说明硫酸根在硫酸盐还原菌作用下被还原成负二价硫，富集成功；（4）同步骤（2）配制培养基，用盐酸调至ph=3，加入同步骤（3）中的乳酸钠与硫酸钠水溶液，将步骤（3）富集完成的硫酸盐还原菌菌液接种至培养基内进行耐酸培养，达到对数生长期后再接种至新的培养基，并重复3次，完成硫酸盐还原菌的驯化。
35.实施例1：本实施例在实验室内进行小规模试验，1号含砷废液选用广西省某锑矿冶炼厂排水，蔗渣来自广西某制糖厂，玉米秸秆采自附近农田，成分见表1和表2所示。
36.表1蔗渣与玉米秸秆成分（wt.%）表21号含砷废液成分（mg/l）本实施例利用农业废弃物协同微生物处理含砷废液的方法，其工艺流程图如图1所示，包括以下步骤：（1）将收集来的蔗渣与玉米秸秆在105℃下烘干，然后机械破碎至60目；（2）将市售的乳酸菌冻干粉与生理盐水以1:20比例稀释，将稀释后的菌液以2%的比例接种至121℃高压蒸汽灭菌后的mrs培养基（蛋白胨10g/l、牛肉膏10g/l、葡萄糖20g/l、吐温-801ml/l，酵母提取物10g/l、乙酸钠5g/l、柠檬酸氢二铵2g/l、磷酸氢二钾2g/
l、七水合硫酸镁0.2g/l、七水合硫酸锰0.05g/l）中，在35℃兼性厌氧条件下培养3天；（3）将步骤（2）后的乳酸菌菌液用水稀释10倍，加入质量比为2:1的破碎后的蔗渣与玉米秸秆中（每1kg蔗渣与玉米秸秆混合物中加入100ml乳酸菌菌液），并加水搅拌，在35℃下密封发酵7天；（4）取10g步骤（3）的发酵产物与1号含砷废液按照1:10的质量比混合搅拌，于厌氧瓶中反应，设置摇床转速为180rpm，温度为30℃，反应时间为8h，结束后取少量上清液检测各元素含量，如表3所示；（5）在步骤（4）处理的废液中按照2%的体积添加量浓度接种驯化的硫酸盐还原菌液，设置摇床转速为180rpm，温度为30℃，反应3天，结束后取上清液检测各元素含量，如下表4。
37.（6）将步骤（5）后的废水固液分离，得到可燃烧废渣和达标废水。
38.表3加入厌氧发酵产物反应后废液成分（mg/l）表4加入硫酸盐还原菌反应后废液成分（mg/l）实施例2：本实施例中蔗渣与玉米秸秆来源同实施例1，2号含砷废液来自某砷渣堆场的酸性排水，废液各组分含量见表5所示。
39.表52号含砷废液成分（mg/l）本实施例利用农业废弃物协同微生物处理含砷废液的方法，其工艺流程图如图1所示，包括以下步骤：步骤（1）、（2）、（3）同实施例1；（4）取10g步骤（3）的发酵产物与2号含砷废液按照1:10的质量比混合，于厌氧瓶中反应，设置摇床转速为180rpm，温度为30℃，反应时间为8h，结束后取少量上清液检测各元素含量，如表6所示；（5）在步骤（4）处理的废液中按照2%的体积添加量接种驯化的硫酸盐还原菌液，设置摇床转速为180rpm，温度为30℃，反应3天，结束后取上清液检测各元素含量，如下表7。
40.（6）将步骤（5）后的废水固液分离，得到可燃烧废渣和达标废水。
41.表6加入厌氧发酵产物反应后废液成分（mg/l）表7加入硫酸盐还原菌反应后废液成分（mg/l）
对比例1：取1号含砷废液，按照2%的体积添加量接种驯化的硫酸盐还原菌液于厌氧瓶中反应，设置摇床转速为180rpm，温度为30℃，反应3天，反应结束后废液成分如表8所示。
42.表81号废液与硫酸盐还原菌单独反应后成分（mg/l）对比例2:本对比例处理含砷废液的方法，包括以下步骤：（1）将收集来的蔗渣与玉米秸秆在105℃下烘干，然后机械破碎至60目，以质量比2：1混合均匀；（2）取10g步骤（1）的蔗渣玉米秸秆混合物与1号含砷废液按照1:10的质量比混合，于厌氧瓶中反应，设置摇床转速为180rpm，温度为30℃，反应时间为8h，结束后取少量上清液检测各元素含量，如表9所示；表9加入农业废弃物（未发酵）反应后废液成分（mg/l）（3）在步骤（2）处理后的废液中按照2%的体积添加量浓度接种驯化的硫酸盐还原菌液，设置摇床转速为180rpm，温度为30℃，反应3天，结束后取上清液检测各元素含量，如表10所示。
43.表10加入硫酸盐还原菌反应后废液成分（mg/l）对比例3：取2号含砷废液，按照2%的体积添加量接种驯化的硫酸盐还原菌液于厌氧瓶中反应，设置摇床转速为180rpm，温度为30℃，反应3天，反应结束后废液成分如表11所示。
44.表112号废液与硫酸盐还原菌单独反应后成分（mg/l）对比例4：取2号含砷废液，处理步骤同对比例2，废水处理结果见表12和表13所示。
45.表122号废液加入农业废弃物（未发酵）反应后成分（mg/l）表132号废液继续加入硫酸盐还原菌反应后成分（mg/l）记录实施例1、2与对比例1-4处理后废液中砷的浓度和去除率，结果见表14所示。
46.表14实施例与对比例处理后效果对比
如表10可以看出，实施例1、2的含砷废液中砷的去除率均高于对照例1、2、3、4中的去除率，说明在没有外加碳源的条件下，硫酸盐还原菌生长明显受到抑制，无法进行电子传递从而还原硫酸盐，也无法发挥硫化沉淀的作用，只有依靠胞外分泌物的吸附作用，对含砷废液的处理效果并不理想。而蔗渣与玉米秸秆若不经发酵，则不能生成更多的乳酸为硫酸盐还原菌提供碳源，而蔗渣与玉米秸秆经过厌氧发酵后的产物不仅能生成腐殖酸大量吸附废液中的重金属离子，还可以为硫酸盐还原菌提供生长所需的碳源，促进负二价硫离子的形成从而提高重金属沉淀效果。因此，蔗渣与玉米秸秆厌氧发酵后与微生物协同处理含砷废液能达到更好的效果。

技术特征：
1.一种农业废弃物协同微生物处理含砷废液的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将农业废弃物进行烘干、破碎处理；（2）将步骤（1）破碎后的农业废弃物加水混合，然后加入活化处理的乳酸菌（lactic acid bacteria）菌液，密封发酵；（3）将步骤（2）发酵后的物料与含砷废液混合反应一段时间，然后加入硫酸盐还原菌（sulfate-reducing bacteria）菌液，在厌氧条件下反应，反应完成后固液分离，得到的废水达标排放。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述农业废弃物包括蔗渣与玉米秸秆，所述蔗渣与玉米秸秆的质量比为1:3-3:1。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述活化处理的乳酸菌菌液是指将乳酸菌冻干粉与生理盐水以质量比为1:20的比例稀释，然后以2-5%的比例接种至121℃高压蒸汽灭菌后的mrs培养基中，在25-35℃兼性厌氧条件下培养2-3天得到的乳酸菌菌液。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述活化处理的乳酸菌菌液先加水稀释10-20倍，然后与农业废弃物混合混匀，其中，稀释后的活化处理的乳酸菌菌液与农业废弃物的加入量比值为80-120，比值单位为ml/kg。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，加水后农业废弃物的含水量为50%-60%；所述发酵的温度为20-40℃，发酵的时间为7-10天。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，发酵后的物料与含砷废液混合的固液质量比为1:10-1:20。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，发酵后的物料与含砷废液混合反应的温度为20-40℃，反应的时间为6h-12h，反应过程中的搅拌速率为120-240rpm，ph值不低于3。8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，硫酸盐还原菌菌液的体积添加量为2-5%。9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，在厌氧条件下反应的温度为20-40℃，反应的时间为2-4天，反应过程中的搅拌速率为120-240rpm。10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，农业废弃物破碎后的粒度不超过60目。

技术总结
一种农业废弃物协同微生物处理含砷废液的方法：将农业废弃物进行烘干、破碎处理；将破碎后的农业废弃物加水混合，然后加入活化处理的乳酸菌菌液，密封发酵；将发酵后的物料与含砷废液混合反应一段时间，然后加入硫酸盐还原菌菌液，在厌氧条件下反应，反应完成后固液分离，得到的废水达标排放。本发明将蔗渣与玉米秸秆厌氧发酵后的产物与硫酸盐还原菌菌液共同处理含砷废液，可以协同改善含砷废液的净化效果。效果。效果。


技术研发人员：陈攀 章可 赵语馨 朱建裕 曹建
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2021.12.01
技术公布日：2022/3/8