一種耐酸性紅酵母菌及其用于污泥中重金屬的生物脫除的方法

專利名稱：一種耐酸性紅酵母菌及其用于污泥中重金屬的生物脫除的方法
技術領域：
本發明涉及一種耐酸性紅酵母菌及其用于污泥生物脫除重金屬的方法，是一項利用酵母菌與硫桿菌互作去除市政污泥和工業污泥中重金屬的技術，屬于環境工程技術領域。
二、技術背景我國每年產生大量的、亟待安全處置的各類含重金屬的工業污泥和城市市政污泥。雖然污泥土地利用多年來一直被認為是處置費用低廉，并能實現污泥資源化利用的途徑，但由于污泥中有毒重金屬的存在(我國多數城市污泥中Cu、Zn、Cr、Ni等重金屬含量可達數百至數千mg/kg，工業污泥如制革污泥中Cr含量可達1％～4％；電鍍污泥中重金屬可達10％甚至更高)，污泥土地利用中重金屬的潛在污染始終是人們擔憂的問題，污泥農用的阻力和爭議也一直很大。而采用其他處理方法，例如污泥焚燒、污泥做建材、堆填等仍然存在重金屬危害之虞。從污泥中去除重金屬，使污泥“潔凈”化，便于污泥再生利用，有十分重要的意義。
污泥中重金屬主要以難溶性的硫化物，有機物結合態，沉淀態等形式存在于污泥的固相中。要去除污泥中的重金屬，就得設法使重金屬從固相中溶解出來。過去有研究者采用化學浸提法，利用無機酸或絡合劑等處理污泥以溶解和浸提重金屬以達到去除污泥中重金屬的目的。但化學方法耗酸量大、處理費用高、操作不安全，難以付諸于工程實際，而且對某些重金屬的去除效果較差(如Cu的去除率低于50％，Cr的去除率低于40％)。
近年來，有研究者試圖利用微生物方法來溶解去除污泥中重金屬。美國專利5,217,615和5,454,948公開了一種采用微生物去除污泥重金屬的方法，它是利用氧化硫硫桿菌和排硫硫桿菌以元素硫作為能源物質產生硫酸來溶解去除污泥中重金屬。但污泥中的主要有毒重金屬Cr不能被有效去除，其去除率僅為13～57％。
本課題組前期申請的兩項專利，氧化亞鐵硫桿菌及其去除污泥重金屬的方法，專利申請號為02112924.X，和氧化硫硫桿菌及制革污泥中鉻的生物脫除方法專利申請號02137921.1，前者提供了一種氧化亞鐵硫桿菌及其去除污泥重金屬的方法，利用污泥中分離的氧化亞鐵硫桿菌Thiobacillus ferrooxidans LX5，氧化底物，產酸溶解重金屬，然后固液分離去除重金屬。后者利用從制革污泥中分離的氧化硫硫桿菌ThiobacillusthiooxidansTS6脫除制革污泥中的鉻，使得Cr的去除率達到90％以上，污泥中植物養分N、P和有機質保留率在80％以上。
但是，氧化亞鐵硫桿菌和氧化硫硫桿菌都是專性化能自養菌，對水溶性有機物特別是低分子量的有機酸有一定的敏感性，而污泥中水溶性有機物(以水溶性有機碳DOC計)含量可達500～1500mg/L。因此，在以單一的硫桿菌為主導的系統中，往往難于保證生物去除作用的穩定，接種以水溶性有機物為能量來源和物質來源的異養菌，主要為酵母菌，可大幅度降低這些有毒的小分子在污泥中的濃度，有助于硫桿菌Thiobacillus對污泥中重金屬的溶出，從而提高污泥重金屬去除效率和縮短2天以上的處理時間，為該技術走向實際工程提供了技術保障。

發明內容
技術問題本發明的目的在于提供一種異養微生物紅酵母菌及其用于污泥生物脫除重金屬的方法，酵母菌是真核微生物，利用污泥中的水溶性有機物生長繁殖，消耗污泥中的水溶性有機物，消除了水溶性有機物對自養菌Thiobacillus sp.的毒害，提高硫桿菌的生長活性，縮短污泥重金屬去除的周期，減少動力消耗，降低成本。
技術方案本發明提供的酵母菌，分離自制革污泥，命名紅酵母菌屬(Rhodotorula sp.)R30，該菌株特征為單細胞，呈卵圓形，直徑4.5～5.5μm，芽殖。不產生子囊孢子。菌落呈粘質樣，產生粉紅色色素，形成莢膜。不發酵糖，不能利用肌醇作唯一碳源，不形成類淀粉化合物，能同化KNO3和(NH4)2SO4。酵母R30營養要求簡單，易于擴大培養，接種于PDA培養基，28℃～30℃，pH＝3～7時，生長良好。當pH＜3.0時，生長受到一定的影響，但仍然能耐受pH2左右的酸性環境。并且能利用污泥中的水溶性有機物生長，接種酵母R30菌苔一環于污泥水溶性有機物中，在28℃的搖床上培養96h，污泥中DOC的量從1485mg/L降至345mg/L，減少了77％，且酵母菌的數量達4.8×107個/mL。
酵母菌R30及其應用于污泥生物脫除重金屬的方法，其特征在于1、酵母菌R30的分離與擴大培養，配制PDA培養基，成分馬鈴薯200g，蔗糖或葡萄糖20g，水1000mL，pH自然，121℃，30min滅菌。其分離方法吸取1mL制革污泥于9ml無菌水中，作系列稀釋，取合適梯度的稀釋液0.1mL涂布于PDA平板上，于28℃培養48h，挑取粉紅色菌落，制片，染色，鏡檢，觀測到直徑為0.5μm的橢圓形菌體，并進一步在PDA平板上劃線純化，得到形態一致的單菌落，轉接斜面，保存于4℃冰箱備用。液體培養條件從斜面上取酵母菌R30菌苔，接種于PDA液體培養基中，28～30℃，于180rpm往復式搖床培養2天，菌數達108個/mL。
2、酵母菌R30可使介質中溶解性有機質減少70％以上，并能耐受pH2左右的酸性環境。
3、硫桿菌Thiobacillus sp.，主要為本實驗室分離的菌株Thiobacillus thiooxidans TS6(CGMCC NO.0759)。其培養條件與專利申請號為02137921.1的氧化硫硫桿菌及制革污泥中鉻的生物脫除方法相同。
4、向生物反應器中加入待處理污泥和0.5～30g/L單質硫，并分別接種3％～7％的硫桿菌和1％～3％酵母菌R30，于28℃下，進行通氣和攪拌處理2-6天(當目的重金屬溶出率達到95％以上時，結束處理)，泵出處理過的污泥。
5、上述處理過的污泥經過沉降，將10～20％的沉降污泥回流至生物反應器中代替馴化污泥用，投加待處理污泥和0.5～30g/L單質硫，循環處理。
6、剩余沉降污泥進行脫水處理，得到脫除重金屬的固相部分和含重金屬的液相部分。
7、含重金屬的液相部分通過投入堿性物質(氧化鎂、石灰和氫氧化鈉)調節pH，使其中的重金屬沉淀后，上清液進入污水處理廠進行處理。
8、污泥經過沉降，脫水處理，得到脫除重金屬的固相部分和含重金屬的液相部分。
9、含重金屬的液相部分通過投入堿性物質調節pH，使其中的重金屬沉淀后，排水進入污水廠處理。
10、脫除重金屬后的固相部分經用堿性物質(石灰和氨水等)中和后直接農用，或進一步直接制備成商品有機肥或基質。
本發明的技術原理是在反應中添加酵母菌，酵母菌利用污泥中的水溶性有機物生長繁殖，消耗污泥中的水溶性有機物，達到消除或減低水溶性有機物對自養菌Thiobacillus sp.毒害的作用，以提高硫桿菌的生長活性，縮短污泥重金屬去除的周期，降低成本。
有益效果本發明提供的酵母菌及其用于污泥生物脫除重金屬的方法，具有以下有益效果1、本發明提供的酵母菌R30，分離自制革污泥，單細胞真核微生物，營養要求低，生長條件粗放，易于擴大培養，污泥中的水溶性有機物基本滿足酵母菌R30的生長要求，接種酵母菌R30于污泥水溶性有機物中，在28℃培養96h，污泥中DOC的量從1485mg/L降至345mg/L，減少了77％。
2、利用本發明提供的酵母菌R30與硫桿菌復合的方法，反應液中pH下降速度快，處理時間顯著縮短，重金屬溶出率高，尤其Cr的溶出率達95％～100％。
3、酵母菌R30廣泛存在于環境中，實驗證明為非致病菌，對人體和動物無害。
4、與化學浸提法相比，本發明反應溫和，操作環境友好，不產生二次污染，運行成本低廉。化學浸提法去除污泥重金屬的操作過程中，由于需要投加大量無機酸，與有機質豐富的污泥反應產生大量氣泡和臭味，使得操作環境惡劣。而本發明是利用多種微生物復合作用，其中異養菌消耗有機物，減少有機物對自養菌的毒害，促進自養菌生長活性及產酸，生物反應溫和，無二次污染產生。
5、經該法處理后污泥中的植物養分N、P和有機質保留率在80％以上，其中N的保留率80-85％，P為75-80％，有機質為85-85％；四具體實施方式
實施例1(1)采樣取浙江某制革廢水處理廠的濃縮池污泥，該制革污泥基本性質見表1。
表1供試制革污泥的基本性質pH Cr 含固率N P 有機質mg/kg------------- ％ -------------8.21 147304.84 2.83 0.8145.68(2)酵母菌R30的培養配制PDA培養基，馬鈴薯200g，蔗糖或葡萄糖20g，水1000mL，pH自然，121℃，30min滅菌。液體培養條件從PDA培養基斜面上取酵母菌R30菌苔，接種于PDA液體培養基中，28～30℃，于180rpm往復式搖床培養2天，菌數達108個/mL。
(3)硫桿菌菌株硫桿菌Thiobacillus thiooxidans TS6，是本實驗室保存菌株，已在中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心保存，登記號為CGMCC NO.0759。該菌為專性無機化能自養菌。
(4)制革污泥中Cr生物脫除反應制革污泥中添加1.0g/L硫粉，接種10％的Thiobacillus thiooxidans TS6，3％的Rhodotorula sp.R30，在搖床中180rpm振蕩培養處理5～6天，設置不加R30的對照處理，每天測定反應介質中的pH變化。反應結束后，測定污泥中Cr溶出率。實驗測定反應液中pH＝2.0時，Cr的溶出率70％，反應液中pH＝1.7時，Cr的溶出率85％，反應液中pH＝1.5時，Cr的溶出率100％。表2示不同處理反應液中pH的變化及鉻的溶出情況，添加酵母處理和對照相比反應時間縮短約28h。
表2不同處理反應液中pH的變化情況及鉻的溶出率％

(5)處理后污泥的固液分離及含鉻廢液的回收再利用見本課題組前期專利“氧化硫硫桿菌及制革污泥中鉻的生物脫除方法”(專利申請號02137921.1)，即上述處理污泥經離心后，得到含鉻廢液和脫鉻污泥濾餅。脫鉻污泥濾餅完全符合農用污泥中污染物控制標準(GB4284-84)，經生石灰中和后即可作為肥料使用。含鉻廢液投加MgO使含鉻廢液中Cr3+變成Cr(OH)3沉淀，再用硫酸溶解后作為鉻鞣劑。
實施例2(1)采樣取江蘇某城市污水處理廠的濃縮池污泥，該污泥基本特性見表3。
表3供試污泥基本特性pH 含固N P 有機質 Zn Cr Cu率------------- ％ --------------------------mg/kg-------------7.563.342.691.1543.7 1578310 522(2)酵母菌R30的培養，同實施例1(3)Thiobacillus thiooxidans TS6菌株同實施例1(4)城市污泥中Zn、Cr、Cu生物脫除反應城市污泥中添加5g/L單質硫，接種10％的Thiobacillus thiooxidans TS6，3％的Rhodotorula sp.R30，在搖床中180rpm振蕩培養處理4～6天；設置不加Rhodotorula sp.R30的對照處理，每天測定反應介質中的pH變化。反應結束后，測定污泥中Cr、Zn、Cu的溶出率。不同處理反應介質中pH的變化及Cr、Zn、Cu的溶出情況見表4，添加酵母處理和對照相比鉻的完全溶出時間至少縮短56h，鋅的完全溶出時間縮短48h，銅的完全溶出時間至少縮短50h。
表4不同處理反應液中pH的變化情況及鉻、鋅、銅的溶出率％

五

圖1為利用紅酵母菌用于污泥中重金屬生物脫除的方法流程圖。
權利要求
1.紅酵母菌屬(Rhodotorula sp.)R30，中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心保存，保藏日期為2004年5月13日，保藏登記號為CGMCC No.1147；該菌株特征為單細胞，呈卵圓形，直徑4.5～5.5μm，芽殖。不產生子囊孢子。菌落呈粘質樣，產生粉紅色色素，形成莢膜。不發酵糖，不能利用肌醇作唯一碳源，不形成類淀粉化合物，能同化KNO3和(NH4)2SO4。營養要求簡單，易于擴大培養，接種于PDA培養基，28℃～30℃，pH＝3～7時，生長良好。
2.根據權利要求1所述，紅酵母菌屬(Rhodotorula sp.)R30的特征在于能耐受pH2左右的酸性介質環境。
3.根據權利要求1所述，紅酵母菌屬(Rhodotorula sp.)R30的特征在于能使介質中溶解性有機質含量減少70％以上。
4.根據權利要求1所述，紅酵母菌R30與硫桿菌Thiobacillus sp.互作去除市政污泥和工業污泥中重金屬的方法，其特征在于1)向污泥中投加1％～3％的R30菌株和3％～7％的硫桿菌Thiobacillus sp.，在28℃和通氣攪拌條件下，作用2-6天，泵出處理過的污泥；2)上述處理過的污泥經過沉降，將10～20％的沉降污泥至生物反應器中代替馴化污泥用，投加待處理污泥和0.5～30g/L單質硫，循環處理；3)剩余沉降污泥進行脫水處理，得到脫除重金屬的固相部分和含重金屬的液相部分；4)含重金屬的液相部分通過投入堿性物質調節pH，使其中的重金屬沉淀后，排水進入污水廠處理。
5.根據權利要求4所述的酵母菌及其用于污泥生物脫除重金屬的方法，其特征在于紅酵母菌R30與硫桿菌Thiobacillus sp.復合互作。
6.根據權利要求4所述的酵母菌及其用于污泥生物脫除重金屬的方法，其特征在于其中脫除重金屬后的固相部分經用堿性物質中和后直接農用，或進一步經過發酵處理后制備成商品有機肥或基質。
7.根據權利要求4所述的酵母菌及其用于污泥生物脫除重金屬的方法，其特征在于其方法中所用堿性物質指的是氧化鎂，石灰，氫氧化鈉，氨水。
8.根據權利要求6所述的酵母菌及其用于污泥生物脫除重金屬的方法，其特征在于其方法中所用堿性物質指的是石灰和氨水。
9.根據權利要求4或6所述的酵母菌及其用于污泥生物脫除重金屬的方法，其特征在于其方法中所用堿性物質指的是生石灰。
全文摘要
本發明是一種耐酸性紅酵母菌及其用于污泥中重金屬的生物脫除的方法，是一項利用酵母菌與硫桿菌Thiobacillus sp.互作去除市政污泥和工業污泥中重金屬的技術。酵母菌株命名為紅酵母菌屬(Rhodotorula sp.)R30，保藏號CGMCCNo.1147。向生物反應器中加入待處理污泥，并分別接種1～10％的硫桿菌TS
文檔編號C02F1/62GK1590530SQ20041004484
公開日2005年3月9日 申請日期2004年5月31日 優先權日2004年5月31日
發明者周立祥, 王世梅 申請人:南京農業大學