一种从含铬污水中回收氮磷制备鸟粪石的方法

本发明属于环保领域，尤其涉及一种从含铬污水中回收氮磷制备鸟粪石的方法。

背景技术：

磷是所有生命体必需的营养元素之一，也是一种不可再生资源。然而，磷矿石的储量有限，这使得磷成为人类发展的限制因素。同时，由于肥料、洗涤剂和杀虫剂等含磷产品的使用，大量的磷被排入天然水体中，造成了水体富营养化。随着污水排放标准不断提高以及磷资源循环利用的需求日益迫切，污水处理技术已经开始由去除氮、磷向回收氮、磷的方向发展。从废水中沉淀和结晶鸟粪石由此应运而生。鸟粪石是一种斜方晶系矿物，其化学式是mgnh4po4·6h2o。由于其在水中溶解度低，可作为一种理想的缓释肥。

然而，目前大多数研究都集中于鸟粪石矿化参数的优化，而较少考虑污水中重金属的影响。实际上，污水中广泛存在多种重金属离子，如zn、pb、cu、ni和cr，有调查表明，在从多种污水(如尿液，养殖和市政废水)回收的鸟粪石中检出了重金属杂质。若重金属含量超标的鸟粪石用作肥料将会对农作物和环境构成威胁，且重金属可通过食物链富集到人体内，进而威胁人体健康。近年来，cr(vi)在电镀、染料和不锈钢焊接等工业领域应用广泛，普遍存在于多种污水中；cr(vi)高度可溶且毒性极强(毒性为cr(iii)的一百倍)，长期暴露会导致诱变和致癌作用。因此，从污水中回收的鸟粪石中铬的含量需严格控制，目前国际上鸟粪石肥料管理标准的铬赋存量上限值为270mg/kg。如何从含cr(vi)污水中回收铬含量较低的鸟粪石，已成为本领域亟待攻克的技术难题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种从含铬污水中回收氮磷制备鸟粪石的方法，该方法能够获得铬含量较低的鸟粪石，同时可以将污水中的六价铬还原为毒性较低的三价铬。

本发明提供了一种从含铬污水中回收氮磷制备鸟粪石的方法，包括以下步骤：

a)将奥奈达希瓦氏菌进行活化，得到活化菌液；

b)将所述活化菌液、镁源化合物和含铬污水混合，好氧培养，得到鸟粪石；

所述含铬污水中含有六价铬、磷元素和氮元素。

优选的，步骤a)中，所述活化菌液中的细菌密度为1×10⁹～15×10⁹cfu/ml。

优选的，所述步骤a)具体包括：

将奥奈达希瓦氏菌的种子液接种到液体培养基中，好氧培养，得到活化菌液。

优选的，步骤a)中，所述液体培养基为lb培养基。

优选的，步骤a)中，所述好氧培养的温度为25～35℃；所述好氧培养的时间为12～48h。

优选的，步骤b)中，以mg²⁺计的所述镁源化合物与含铬污水的用量比为(0.1～1)mmol：100ml。

优选的，步骤b)中，所述活化菌液和含铬污水的体积比为(0.1～5)：100。

优选的，步骤b)中，所述好氧培养的温度为25～35℃；所述好氧培养的时间为2～7d。

优选的，步骤b)中，所述含铬污水中的六价铬含量为0.05～1mmol/l。

优选的，步骤b)中，所述含铬污水的总磷含量为50～300mg/l，有机磷含量为30～200mg/l；所述含铬污水的总氮含量为500～3000mg/l，有机氮含量为400～2800mg/l。

与现有技术相比，本发明提供了一种从含铬污水中回收氮磷制备鸟粪石的方法。本发明提供的方法包括以下步骤：a)将奥奈达希瓦氏菌进行活化，得到活化菌液；b)将所述活化菌液、镁源化合物和含铬污水混合，好氧培养，得到鸟粪石；所述含铬污水中含有六价铬、磷元素和氮元素。本发明提供的方法利用奥奈达希瓦氏菌的代谢作用，不但可以提高反应体系的碱度，促进鸟粪石结晶，并且能够降低鸟粪石中铬的赋存量，同时还可以将污水中的六价铬还原为低毒性三价铬。该方法具有良好的环境效益、经济效益、社会效益，以及广阔的市场前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1提供的不同cr(vi)浓度下矿化5天后获得产物的xrd图谱；

图2是本发明实施例1提供的不同cr(vi)浓度下矿化5天后获得产物的sem照片；

图3是本发明实施例1提供的不同cr(vi)浓度下矿化5天后获得产物的ft-ir图谱；

图4是本发明实施例1提供的0.8mmol/lcr(vi)浓度下矿化5天后获得产物的xps能谱图；

图5是本发明实施例2提供的不同cr(vi)浓度下希瓦式菌株对cr(vi)的还原率及体系总铬浓度变化图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种从含铬污水中回收氮磷制备鸟粪石的方法，包括以下步骤：

a)将奥奈达希瓦氏菌进行活化，得到活化菌液；

b)将所述活化菌液、镁源化合物和含铬污水混合，好氧培养，得到鸟粪石；

所述含铬污水中含有六价铬、磷元素和氮元素。

在本发明提供的方法中，首先对奥奈达希瓦氏菌进行活化，得到活化菌液。其中，所述奥奈达希瓦氏菌(shewanellaoneidensismr-1，atcc700550)为杆状革兰氏阴性的兼性厌氧菌，具有电化学活性，在自然环境中分布广泛，尤其是水体和海洋环境中；所述活化菌液中的细菌密度优选为1×10⁹～15×10⁹cfu/ml，具体可为1×10⁹cfu/ml、2×10⁹cfu/ml、3×10⁹cfu/ml、4×10⁹cfu/ml、5×10⁹cfu/ml、6×10⁹cfu/ml、7×10⁹cfu/ml、8×10⁹cfu/ml、9×10⁹cfu/ml、10×10⁹cfu/ml、11×10⁹cfu/ml、12×10⁹cfu/ml、13×10⁹cfu/ml、14×10⁹cfu/ml或15×10⁹cfu/ml。在本发明中，所述活化的方式优选为：

将奥奈达希瓦氏菌的种子液接种到液体培养基中，好氧培养，得到活化菌液。

在本发明提供的上述活化方式中，所述液体培养基优选为lb培养基，所述lb培养基由胰蛋白胨、酵母粉、nacl和水组成，所述胰蛋白胨在lb培养基中的含量具体可为10g/l，所述酵母粉在lb培养基中的含量具体可为5g/l，所述nacl在lb培养基中的含量具体可为5g/l；所述好氧培养的温度优选为25～35℃，具体可为25℃、26℃、27℃、28℃、29℃、30℃、31℃、32℃、33℃、34℃或35℃；所述好氧培养优选在摇床上进行，所述摇床的转速优选为100～300rpm，具体可为100rpm、120rpm、150rpm、180rpm、200rpm、230rpm、250rpm、270rpm或300rpm；所述好氧培养的时间优选为12～48h，具体可为12h、16h、20h、24h、28h、32h、36h、40h、44h或48h。

在本发明提供的方法中，得到活化菌液后，将所述活化菌液、镁源化合物和含铬污水混合。其中，所述含铬污水中含有六价铬、磷元素和氮元素。在本发明提供的一个实施例中，所述含铬污水中的六价铬含量优选为0.05～1mmol/l，具体可为0.05mmol/l、0.1mmol/l、0.15mmol/l、0.2mmol/l、0.25mmol/l、0.3mmol/l、0.35mmol/l、0.4mmol/l、0.45mmol/l、0.5mmol/l、0.55mmol/l、0.6mmol/l、0.65mmol/l、0.7mmol/l、0.75mmol/l、0.8mmol/l、0.85mmol/l、0.9mmol/l、0.95mmol/l或1mmol/l。在本发明提供的一个实施例中，所述含铬污水的总磷含量优选为50～300mg/l，具体可为50mg/l、60mg/l、70mg/l、80mg/l、90mg/l、100mg/l、120mg/l、140mg/l、160mg/l、180mg/l、200mg/l、220mg/l、240mg/l、260mg/l、280mg/l或300mg/l；所述含铬污水的有机磷含量为优选为30～200mg/l，具体可为30mg/l、40mg/l、50mg/l、60mg/l、70mg/l、80mg/l、86mg/l、90mg/l、100mg/l、110mg/l、120mg/l、130mg/l、140mg/l、150mg/l、160mg/l、170mg/l、180mg/l、190mg/l或200mg/l。在本发明提供的一个实施例中，所述含铬污水的总氮含量为优选为500～3000mg/l，具体可为500mg/l、600mg/l、700mg/l、800mg/l、900mg/l、1000mg/l、1100mg/l、1200mg/l、1300mg/l、1400mg/l、1500mg/l、1700mg/l、2000mg/l、2300mg/l、2500mg/l、2700mg/l或3000mg/l；所述含铬污水的有机氮含量为优选为400～2800mg/l，具体可为400mg/l、500mg/l、600mg/l、700mg/l、800mg/l、900mg/l、1000mg/l、1100mg/l、1200mg/l、1300mg/l、1400mg/l、1460mg/l、1500mg/l、1700mg/l、2000mg/l、2200mg/l、2400mg/l、2600mg/l或2800mg/l。在本发明提供的一个实施例中，所述废水中还含有氯化钠，所述氯化钠的含量优选为1～10g/l，具体可为1g/l、2g/l、3g/l、4g/l、5g/l、6g/l、7g/l、8g/l、9g/l或10g/l。在本发明提供的一个实施例中，以lb培养基和六价铬的混合物作为模拟含铬污水，所述lb培养基的具体成分组成在上文中已经介绍，在此不再赘述。在本发明中，所述活化菌液和含铬污水的体积比优选为(0.1～5)：100，具体可为0.1:100、0.5:100、1:100、1.5:100、2:100、2.5:100、3:100、3.5:100、4:100、4.5:100或5:100；所述镁源化合物优选为氯化镁；以mg²⁺计的所述镁源化合物与含铬污水的用量比优选为(0.1～1)mol：100ml，具体可为0.1mol:100ml、0.2mol:100ml、0.3mol:100ml、0.4mol:100ml、0.5mol:100ml、0.6mol:100ml、0.7mol:100ml、0.8mol:100ml、0.9mol:100ml或1mol:100ml；所述活化菌液和含铬污水的体积比优选为(0.1～5)：100，具体可为1:10。

在本发明提供的方法中，待活化菌液、镁源化合物和含铬污水混合后，进行好氧培养。其中，所述好氧培养的温度优选为25～35℃，具体可为25℃、26℃、27℃、28℃、29℃、30℃、31℃、32℃、33℃、34℃或35℃；所述好氧培养优选在摇床上进行，所述摇床的转速优选为100～300rpm，具体可为100rpm、120rpm、150rpm、180rpm、200rpm、230rpm、250rpm、270rpm或300rpm；所述好氧培养的时间优选为2～7d，具体可为2d、2.5d、3d、3.5d、4d、4.5d、5d、5.5d、6d、6.5d或7d。

在本发明提供的方法中，好氧培养结束后，对培养液中的产物进行固液分离，得到鸟粪石粗品；之后对所述鸟粪石粗品进行洗涤和干燥，得到纯净的鸟粪石制品。其中，所述洗涤的试剂优选为无水乙醇；所述干燥的温度优选为20～30℃，具体可为20℃、21℃、22℃、23℃、24℃、25℃(室温)、26℃、27℃、28℃、29℃或30℃；所述干燥的时间优选为12～48h，具体可为12h、16h、20h、24h、28h、32h、36h、40h、44h或48h。

本发明提供的方法利用奥奈达希瓦氏菌的代谢作用，不但可以提高反应体系的碱度，促进鸟粪石结晶，并且能够降低鸟粪石中铬的赋存量，同时还可以将污水中的六价铬还原为低毒性三价铬。该方法具有良好的环境效益、经济效益、社会效益，以及广阔的市场前景。更具体来说，本发明提供的方法至少可取得如下积极效果：

1)奥奈达希瓦氏菌能够在污水中高效矿化鸟粪石，镁离子转化率高达70％，是应对磷短缺危机和水体富营养化的优选策略。

2)相比于无机矿化体系，利用奥奈达希瓦氏菌矿化回收含铬污水中的氮磷为鸟粪石，不仅能降低鸟粪石中铬的赋存量，满足鸟粪石肥料安全标准；而且铬的赋存对鸟粪石结构的影响较小。

3)奥奈达希瓦氏菌矿化鸟粪石的同时，也能将污水中的高毒性cr(vi)高效还原为cr(iii)，在cr(vi)的生物修复方面具有潜在应用价值。

总之，本发明提供的方法为含铬污水中的氮磷去除及回收提供了一种新的途径，提高了含铬污水中矿化回收鸟粪石的利用价值。

为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。

在本发明的下述实施例中，所采用的活化后的菌液按照以下方法获得：

首先将0.1mlshewanellaoneidensismr-1的种子液接种于100ml己灭菌的lb培养基(10g/l胰蛋白胨，5g/l酵母粉，5g/l氯化钠)，随后在摇床上好氧培养24h，保持温度为30℃，转速200rpm，最终细胞密度为6×10⁹cfu/ml，即获得所需菌液。

实施例1

在250ml培养瓶中加入100mllb培养基(10g/l胰蛋白胨，5g/l酵母粉，5g/l氯化钠)作为模拟污水，121℃高压灭菌20分钟。其中，模拟污水总磷含量为160mg/l，总氮含量为1500mg/l；有机磷含量为86mg/l，有机氮含量为1460mg/l。然后，通过滤膜除菌的方式分别加入1ml0.4mol/l的氯化镁溶液和1ml不同浓度的重铬酸钾溶液，使得模拟污水中cr(vi)的最终浓度分别达到0.0mmol/l，0.1mmol/l，0.4mmol/l和0.8mmol/l。之后，将1ml活化后的菌液分别接种于上述模拟污水中，在转速为200rpm的摇床上好氧培养，温度为30℃。培养至5天，对产物进行沉降分离，然后用无水乙醇对产物洗涤三次，置于真空干燥箱室温干燥24小时。

对不同cr(vi)浓度下矿化5天后获得产物进行x-射线衍射分析，结果如图1所示，图1是本发明实施例1提供的不同cr(vi)浓度下矿化5天后获得产物的xrd图谱，其中，jcpds-77-2303表示鸟粪石的国际标准x射线衍射数据卡片。通过图1可以看出，产物均为鸟粪石纯相。

对不同cr(vi)浓度下矿化5天后获得产物进行扫描电镜(sem)观察，结果如图2所示，图2是本发明实施例1提供的不同cr(vi)浓度下矿化5天后获得产物的sem照片，其中，(a)、(b)、(c)、(d)分别为0.0mmol/l、0.1mmol/l、0.4mmol/l、0.8mmol/lcr(vi)浓度下对应的产物。通过图2可以看出，产物鸟粪石呈现棺材盖状形貌，且cr(vi)的存在对形貌影响较小，但随着cr(vi)浓度的提高，鸟粪石晶体表面逐渐粗糙。

对不同cr(vi)浓度下矿化5天后获得产物进行红外光谱分析，结果如图3所示，图3是本发明实施例1提供的不同cr(vi)浓度下矿化5天后获得产物的ft-ir图谱，其中，(a)、(b)、(c)、(d)分别为0.0mmol/l、0.1mmol/l、0.4mmol/l、0.8mmol/lcr(vi)浓度下对应的产物。通过图3可以看出，产物的红外振动峰均与纯鸟粪石的振动峰相一致，cr(vi)的加入并未造成位于1006cm^-1的po4^3-的反伸缩振动峰出现裂分，这说明铬并未进入鸟粪石晶格中，对晶体结构影响较小。

对0.8mmol/lcr(vi)浓度下矿化5天后获得产物进行x射线光电子能谱(xps)分析，结果如图4所示，图4是本发明实施例1提供的0.8mmol/lcr(vi)浓度下矿化5天后获得产物的xps能谱图，其中，(a)为xps全谱扫描图，(b)为cr2p高分辨谱图。通过图4(a)可以看出，产物元素分布谱图与鸟粪石相一致；通过图4(b)可以看出，鸟粪石表面赋存的铬为cr(iii)形式，表明菌株在矿化鸟粪石的同时，也能还原cr(vi)。

实施例2

在250ml培养瓶中加入100mllb培养基(10g/l胰蛋白胨，5g/l酵母粉，5g/l氯化钠)，121℃高压灭菌20分钟；然后，通过滤膜除菌的方式分别加入不同浓度的重铬酸钾溶液，使得培养液中cr(vi)的最终浓度分别达到0.1mmol/l，0.4mmol/l和0.8mmol/l，不添加mg²⁺以避免产物出现；之后，将1ml活化后的菌液接种于上述培养基中，在转速为200rpm的摇床上好氧培养，温度为30℃。

通过定期从不同培养液中取出溶液监测cr(vi)及总铬浓度的变化，结果如图5所示，图5是本发明实施例2提供的不同cr(vi)浓度下希瓦氏菌株对cr(vi)的还原率及体系总铬浓度变化图，其中，(c)为cr(vi)的还原率曲线图，(d)为体系总铬浓度变化柱形图。通过图5(c)可以看出，在0.1mmol/lcr(vi)存在下，12h内，希瓦氏菌就能够将cr(vi)完全还原为cr(iii)，即使在0.8mmol/lcr(vi)浓度下，该菌株也可以通过延长时间，将cr(vi)完全还原为cr(iii)；通过图5(d)可以看出，上清液中总铬浓度未发现明显变化，进一步证明该菌株在好氧条件下对cr(vi)具有很强的还原能力。

实施例3

细菌矿化实验样品的制备：在250ml培养瓶中加入100mllb培养基(10g/l胰蛋白胨，5g/l酵母粉，5g/l氯化钠)，121℃高压灭菌20分钟；然后，通过滤膜除菌的方式分别加入1ml0.4mol/l的氯化镁溶液和1ml不同浓度的重铬酸钾溶液，使得培养液中cr(vi)的最终浓度分别达到0.1mmol/l，0.2mmol/l，0.4mmol/l和0.8mmol/l；之后，将1ml活化后的菌液接种于上述培养基中，在转速为200rpm的摇床上好氧培养，温度为30℃；培养至5天，对产物进行沉降分离，然后用无水乙醇对产物洗涤三次，置于真空干燥箱室温干燥24小时。

无机矿化实验样品的制备：分别将0.0007g和0.0013gcrcl3·6h2o溶解在装有50ml去离子水的烧杯中，使得溶液中cr(iii)的最终浓度分别达到0.1mmol/l和0.2mmol/l；随后各加入0.023gnh4h2po4和0.0214gnh4cl，充分搅拌；接着加入0.041gmgcl2·6h2o并溶解，再用0.5mol/l的naoh溶液调节体系ph为9.0；室温搅拌反应3小时，离心并用无水乙醇洗涤，恒温干燥箱40℃干燥4h，即得产物。

对所得产物酸溶解后利用电感耦合等离子体发射光谱法(icp-ms)测得产物中铬赋存量，结果如表1所示：

表1不同初始铬浓度下细菌矿化和无机矿化条件下所得鸟粪石铬赋存量

通过表1可以看出，当初始cr(vi)浓度为0.1mmol/l和0.2mmol/l时，鸟粪石中铬的含量分别为48.6mg/kg和200.3mg/kg，符合鸟粪石作为肥料的安全管理标准(270mg/kg)，远低于相应的无机矿化组的3030.1mg/kg和12753.1mg/kg；这说明微生物矿化鸟粪石可显著的降低重金属铬在鸟粪石中的赋存量，提高了含铬污水中矿化回收鸟粪石的利用价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。