专利名称：氧化硫硫杆菌及制革污泥中铬的生物脱除方法
技术领域：
本发明涉及氧化硫硫杆菌及制革污泥中铬的生物脱除方法，是一项利用嗜酸性硫杆菌去除制革污泥中有毒重金属铬的技术，属于环境工程技术领域。
背景技术：
制革污泥(Tannery Sludge)是制革厂处理废水过程中产生的沉淀物，我国大部分制革企业采用化学-生物法为主要工艺处理的制革废水。据中国皮革工业协会统计，1998年我国原皮加工量约为1亿标张，制革行业每年废水排放量为1亿吨，产生300万吨制革污泥(以含固率10％计)。制革污泥含有丰富的N(3～5％)、P(0.5～1％)等营养元素和有机质(约60％)，是良好的有机肥资源，其肥效相当于优质的鸡粪，优于猪粪等农家肥。然而，制革污泥中有毒金属Cr含量(干重)高达10000～40000 mg/kg，超出土壤背景值250～1000倍，超过国家限定的污泥可农用标准(GB4284-84)10～40倍，是一类危险废物。
目前，我国制革污泥主要处置方式是就近堆放和简单填埋。这不仅违背废弃物回收与再利用的原则，而且污泥浸出液中的铬会对土壤和水环境以及人畜健康造成重大威胁。采用微核试验监测制革污泥浸出液对鱼血红细胞微核诱变的研究结果表明，制革污泥浸出液具有较强的致突变与致癌作用。
高含量的铬是制约制革污泥资源化的最关键的限制因素。因此脱除制革污泥中铬的含量是实现制革污泥资源化，使制革污泥变“废”为“宝”的前提。Macchi，G.等(1991)和Panswad，T.(1995)提出了硫酸浸提法去除制革污泥中铬的方案，其原理是利用H2SO4降低pH以溶解和浸提污泥中的Cr，该法它虽能在短时间内大幅度去除Cr，但由于存在耗酸量大(约1吨浓H2SO4/吨污泥)、处理费用高、操作环境恶劣、产生硫化氢等二次污染物等缺点而难以付诸于工程实际。
申请号为02112924.X的中国专利介绍了一个利用氧化亚铁硫杆菌去除城市污水污泥中重金属的方法，采用该法去除污水污泥中重金属，Zn、Cu的去除率达95-100％，Cr的去除率在90％以上，然而由于城市污水污泥中Cr的含量较低，一般在1000mg/kg(干重)以下，而制革污泥的组成与城市污水污泥有很大的差异，制革污泥中Cr的含量高达10000～40000mg/kg，是城市污水污泥的10～40倍，同时由于制革污泥中还存在其它的一些不利于氧化亚铁硫杆菌生长与增殖的因素诸如水溶性有机物含量较高和酸缓冲性较强。因此采用该法用于制革污泥中Cr的生物去除并不能取得满意的效果。现有技术中还没有专门用于去除制革污泥中铬的微生物菌株和方法。
发明内容
1、发明目的本发明的目的在于提供一种氧化硫硫杆菌及制革污泥中铬的生物脱除方法，克服现有技术中化学浸提法存在的费用高、操作环境恶劣、产生二次污染等缺陷，采用生物的方法脱除制革污泥中有毒重金属Cr，使得Cr的去除率达到95％-100％，污泥中植物养分N、P和有机质保留率在80％以上。
2、技术方案本发明提供的氧化硫硫杆菌菌株，命名为TS6，分类号硫杆菌属Thiobacillus thiooxidans，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2002年7月4日，保藏登记号为CGMCC NO.0759；该细菌特征为短杆状，0.5×1.0μm，革兰氏阴性菌，最适温度为28～35℃，适宜pH2～6，好氧、嗜酸、专性化能自养菌，其特点是可耐受高浓度的Cr3+和有机物，在1500～5000mg/L Cr3+和2000～5000mgC/L水溶性有机物存在的条件下，其繁殖世代时间为6.5～8.0小时。
本发明提供的氧化亚铁硫杆菌培养条件为1、培养基组成成分(g/L)(NH4)2SO40.4；KH2PO43.0，CaCl2·2H2O 0.25，MgSO4·7H2O 0.5，FeSO4·7H2O 0.01，蒸馏水1升。
2、用稀硫酸调pH为3.0，置于往复式摇床中180rpm振荡培养，培养温度为30～35℃。
利用上述氧化硫硫杆菌脱除制革污泥中铬的方法，其特征在于1.向生物反应器中投加待处理制革污泥和1～3g/L元素硫、接种10～20％(v/v)TS6氧化硫硫杆菌菌株，进行通气和搅拌处理3-6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％的沉降污泥回流至生物反应器中代替TS6菌株用，投加待处理的制革污泥和1～3g/L元素硫，循环处理；3.80～90％的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加碱性物质将其中的Cr3+变成Cr(OH)3沉淀，沉淀经硫酸溶解后进入铬鞣工段。所用碱性物质指的是氧化镁、碳酸氢钠、氢氧化钠或生石灰，其中最好的是用氧化镁。
5.脱除Cr后的固相部分经用碱性物质中和后直接农用，或制备成有机肥。所用碱性物质指的是石灰或氨水，其中最好的是用生石灰。
本发明的技术原理是，以制革污泥本身所含的无机盐作为嗜酸性硫杆菌的营养物质，同时添加硫粉作为其能源物质，氧化硫硫杆菌大量增殖，将制革污泥中的硫化物和外源添加的元素S氧化成硫酸，可使污泥介质pH降低至3.0以下，氧化还原电位提高至700mV，从而使污泥中的不溶性Cr(OH)3变成可溶性的Cr3+，然后通过固液分离脱除污泥中的铬。
3、有益效果本发明提供的制革污泥中铬的生物脱除，具有以下优点和积极效果(1)TS6菌株是直接从制革污泥中分离到，能耐受高浓度的重金属Cr和有机物。实验证明，该菌株可在1500～5000mg/L Cr3+和2000～5000mgC/L水溶性有机物存在的条件下，利用硫粉为能源物质迅速增殖，其繁殖世代时间为6.5～8.0小时。另外，氧化硫硫杆菌已于上世纪六十年代开始被广泛应用于湿法冶金等工业领域，并被公认为非致病菌，对人体和动物无害；(2)利用本发明提供的制革污泥中铬的生物脱除方法，制革污泥中的Cr的去除率在95％～100％，完全符合农用污泥中污染物控制标准(GB4284-84)；本发明处理后，制革污泥中的植物养分N、P和有机质保留率在80％以上，其中N、P的保留率为80～85％，有机质为85～90％，制革污泥的肥料价值损失较少；(4)经本发明处理后，制革污泥中原来存在的高浓度的硫化物以及添加的少量硫粉将100％转化为硫酸盐，因此脱毒污泥土地利用后不再存在“后酸化”作用(指脱毒污泥中存在未完全氧化的元素硫或其它还原态硫，这种污泥施入土壤后，由于硫氧化菌对还原态硫的继续氧化而导致土壤迅速酸化的现象)。
(5)发明得到含铬废水中的Cr3+经加碱性物质生成Cr(OH)3沉淀后，再经硫酸溶解后进入铬鞣工段作为铬鞣剂，从而实现制革企业铬的循环利用；(6)与现有技术——硫酸浸提法相比，本发明采用微生物产酸，其反应温和，操作环境友好，不产生二次污染，运行成本低廉。硫酸浸提法去除制革污泥中铬的操作过程中，由于需要投加大量无机酸(一般加入量为约1吨浓H2SO4/吨污泥)，硫酸与含有机质与硫化物丰富的制革污泥反应产生大量硫化氢泡沫和臭味，使得操作环境恶劣。而本发明是利用微生物自身代谢作用产生酸化和氧化作用，反应温和，无气泡和臭味产生；四
附图为氧化硫硫杆菌用于制革污泥中铬的生物脱除方法的流程图。
实施例1(1)采样取浙江海宁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
(2)TS6菌的分离与扩大培养
本发明提供的氧化硫硫杆菌菌株被命名为TS6，分类号硫杆菌Thiobacillusthiooxidans，已在中国专利局指定的保藏单位——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2002年7月4日，保藏登记号为CGMCC NO.0759。该菌特征为短杆状，革兰氏阴性菌，单一极鞭毛，最适温度为28～35℃，适宜pH2～6，为好氧、嗜酸、专性无机化能自养菌。
该TS6菌是从制革污泥中分离得到的。培养基组成成分(g/L)为(NH4)2SO40.4；KH2PO43.0，CaCl2·2H2O 0.25，MgSO4·7H2O 0.5，FeSO4·7H2O 0.01，蒸馏水1升，pH3.0。其分离方法为吸取20ml污泥于200ml已灭菌的上述培养基中，于28℃往复式摇床中180rpm振荡培养至pH下降至2.0。随后取1ml上述培养物进行倍比稀释至10-9，取10-4-10-9稀释度的稀释液涂布于平板上，培养15-20天后平板上出现1-3mm大小的淡黄色菌落。挑取淡黄色菌落制成菌悬液按上法作稀释分离，如此重复2次以后，革兰氏染色镜检，观测到大小为0.5×1.0μm，形态一致的短杆状细菌，即为纯化的氧化硫硫杆菌。采用同样的液体培养基进行该菌的扩大培养。氧化硫硫杆菌已于上世纪六十年代开始被广泛应用于湿法冶金等工业领域，并被公认为非致病菌，对人体和动物无害。
(3)制革污泥中Cr生物脱除反应添加2.0g/L元素硫，接种TS610％(v/v)，在摇床中180rpm振荡培养处理4天；(4)处理后污泥的固液分离及含铬废液的回收再利用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调节pH为7-8，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。
(5)结果分析采用真空冰冻干燥法(EDWARDS Pirani 501，USA)干燥过滤饼，并测定其中的全N、全P、有机质和总Cr，其中全N采用半微量开氏定氮法(K2SO4-CuSO4-Se蒸馏法)；全P采用HNO3-HClO4消煮，钼蓝比色法测磷；重铬酸钾外加热法测定有机质；总Cr采用三酸(HCl-HNO3-HClO4)消化，二苯碳酰二肼法测定。根据试验前后样品中Cr和植物养分含量的差值，计算污泥中Cr去除率与植物养分的损失率。经计算，制革污泥中Cr的去除率在97％，植物养分全N、全P和有机质的损失率分别为16％、18％和10％。表2为污水污泥处理前后重金属和植物养分含量的变化。
表2 处理前后制革污泥Cr及植物养分含量
实施例2(1)采样取浙江海宁某制革废水处理厂的浓缩池制革污泥，该污泥与实施例1中的污泥样相同。
(2)TS6菌的分离与扩大培养同实施例1。
(3)生物反应器的启动与运行向生物反应器中加入上述未脱水的制革污泥，添加1g/L元素硫，同时添加上述TS610％(v/v)进行搅拌并通气培养以启动微生物脱除Cr的反应，待生物反应器中制革污泥的pH由8.05降至2.0时(需3-5天)，抽出生物反应器中的污泥，进入沉降池进行重力沉降，15％(v/v)的沉降污泥重新回流至生物反应器，剩余的85％固液分离；(4)固液分离及含铬废液的回收再利用上述剩余沉降污泥经离心后，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NaHCO3调节pH为7-8，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。
(5)结果分析采用真空冰冻干燥法(EDWARDS Pirani 501，USA)干燥过滤饼，并测定其中的全N、全P、有机质和总Cr，其中全N采用半微量开氏定氮法(K2SO4-CuSO4-Se蒸馏法)；全P采用HNO3-HClO4消煮，钼蓝比色法测磷；重铬酸钾外加热法测定有机质；总Cr采用三酸(HCl-HNO3-HClO4)消化，二苯碳酰二肼法测定。根据试验前后样品中Cr和植物养分含量的差值，计算污泥中Cr去除率与植物养分的损失率。经计算，制革污泥中Cr的去除率在98％，植物养分全N、全P和有机质的损失率分别为19％、20％和12％。表3为污泥处理前后重金属和植物养分含量的变化。
表3 处理前后制革污泥Cr及植物养分含量
实施例3(1)采样取江苏南京某制革厂的未脱水污泥，该污泥基本特性见表4。
表4供试制革污泥的基本特性
(2)TS6菌的分离与扩大培养同实施例1。
(3)生物反应器的启动与运行向生物反应器中加入上述未脱水的污泥，添加3g/L元素硫，添加上述TS6(10％，v/v)进行搅拌并通气培养以启动微生物去除重金属的反应，待生物反应器中污水污泥的pH由7.55降至2.0时(需3-6天)，就可通过蠕动泵抽出生物反应器中的污泥，20％(v/v)的污泥重新回流至生物反应器，剩余的80％经固液分离器进行固液分离；(4)固液分离及含铬废液的回收再利用上述剩余沉降污泥经离心后，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调节pH为7-8，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。
(5)结果分析采用真空冰冻干燥法(EDWARDS Pirani 501，USA)干燥过滤饼，并测定其中的全N、全P、有机质和总Cr，其中全N采用半微量开氏定氮法(K2SO4-CuSO4-Se蒸馏法)；全P采用HNO3-HClO4消煮，钼蓝比色法测磷；重铬酸钾外加热法测定有机质；总Cr采用三酸(HCl-HNO3-HClO4)消化，二苯碳酰二肼法测定。根据试验前后样品中Cr和植物养分含量的差值，计算污泥中Cr去除率与植物养分的损失率。经计算，制革污泥中Cr的去除率在98％，植物养分全N、全P和有机质的损失率分别为15％、16％和9％。表5为污泥处理前后重金属和植物养分含量的变化。
表5 处理前后制革污泥Cr及植物养分含量
权利要求
1.一种氧化硫硫杆菌菌株，命名为TS6，分类号硫杆菌属Thiobacillusthiooxidans，中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心保存，保藏登记号为CGMCC NO.0759；该细菌特征为短杆状，0.5×1.0μm，革兰氏阴性菌，最适温度为28～35℃，适宜pH2～6，好氧、嗜酸、专性化能自养菌，其特点是可耐受高浓度的Cr3+和有机物，在1500～5000mg/L Cr3+和2000～5000mgC/L水溶性有机物存在的条件下，其繁殖世代时间为6.5～8.0小时。
2.利用权利要求1所述的氧化硫硫杆菌脱除制革污泥中铬的方法，其特征在于1)向生物反应器中投加待处理制革污泥和1～3g/L元素硫、接种10～20％(v/v)TS6氧化硫硫杆菌菌株，进行通气和搅拌处理3-6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％的沉降污泥回流至生物反应器中代替TS6菌株用，投加待处理的制革污泥和1～3g/L元素硫，循环处理；3)80～90％的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加碱性物质将其中的Cr3+变成Cr(OH)3沉淀，沉淀经硫酸溶解后进入铬鞣工段；5)脱除Cr后的固相部分经用碱性物质中和后直接农用，或制备成有机肥。
3.根据权利要求2所述的利用氧化硫硫杆菌脱除制革污泥中铬的方法，其特征在于在第4步中投加的碱性物质指的是氧化镁、碳酸氢钠、氢氧化钠或生石灰，其中最好的是用氧化镁；
4.根据权利要求2所述的利用氧化硫硫杆菌脱除制革污泥中铬的方法，其特征在于在第5步中所用的碱性物质是石灰或氨水，其中最好的是用生石灰；
全文摘要
本发明涉及氧化硫硫杆菌及制革污泥中铬的生物脱除方法。菌株命名为TS
文档编号C02F11/02GK1389564SQ0213792
公开日2003年1月8日 申请日期2002年7月9日 优先权日2002年7月9日
发明者周立祥, 周顺桂 申请人:周立祥, 周顺桂