微生物诱导矿化技术在印钞废水处理中的应用研究

微生物诱导矿化技术在印钞废水处理中的应用研究

1、本发明属于微生物诱导矿化技术领域，具体涉及一种生物矿化处理化学镀镍废水的方法。

背景技术：

2、工业废水是生产过程中排出的废水、废液，含有多种与原料有关的无机、有机有毒物质，其中以印钞废水为代表，色度大，污染物浓度高，成分复杂，包括电镀废水、擦板废液、清洗废水等，其中化学镀镍废水含有大量的镍离子，含量从几十毫克/升到几百毫克不等。

3、化学镀镍废水的处理方法一般可分为物理法、化学法和生物修复法三类。物理法包括混凝法、吸附法和膜分离法等，这些方法比较传统，比化学法更环保，原理简单，易于自动化操作，但缺点是对机器和材料有损害，成本较高。化学法包括化学沉淀法、超滤法和氧化还原法等，化学法处理效果好，成本比物理法低，缺点是加入的化学药剂可能对环境有害，难以去除，反应时间长。生物修复技术是当前工业废水污染控制的热门研究领域，主要包括微生物吸附法和微生物矿化法。微生物矿化法采用对环境友好的微生物，降解能力强，对废水处理效果显著，不产生污染物，环保、节能，处理后的废水可达到排放标准。目前，利用微生物矿化法处理污水中重金属的方法，多采用固化法和胶结法。 该方法不能有效回收沉淀产物，不利于资源的合理利用。

技术实现要素：

4、本发明的目的是为了克服现有技术中存在的上述问题，提供一种能够回收沉淀产物和活菌的化学镀镍废水生物矿化处理方法。

5、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

6、一种生物矿化处理化学镀镍废水的方法，其特征在于，包括如下步骤：

7、步骤1、培养巴氏芽孢杆菌，得到菌液；

8、步骤2：先将菌液加入到尿素与化学镀镍废水混合液中，在室温下进行生物矿化反应，反应完成后收集矿化产物，依次洗涤、干燥，得到碳酸镍沉淀，其中，尿素与化学镀镍废水混合液中尿素的浓度为0.05～0.5mol/l，菌液与尿素与化学镀镍废水混合液的体积比为1：0.8～1.2。

9、步骤2中，生物矿化反应时间为1-3小时，碳酸镍以碱式碳酸镍形式沉淀。

10、步骤1中，所述巴氏芽孢杆菌的保藏号为，其培养方法为：

11.在无菌环境下，先将巴氏芽孢杆菌接种到添加了尿素的LB固体培养基中进行培养，然后挑取单菌落接种到添加了尿素的LB液体培养基中培养，得到菌液。

12、添加尿素的lb固体培养基的配方为：氯化钠9-11g/l、胰蛋白胨9-11g/l、酵母粉4.5-5.5g/l、尿素9-11g/l、琼脂18-22g/l、酚红0.04-0.06g/l；

13.添加尿素的lb液体培养基配方为：氯化钠9-11g/l、胰蛋白胨9-11g/l、酵母粉4.5-5.5g/l、尿素9-11g/l。

14、步骤2中，可将菌液重悬后加入尿素与化学镀镍废水的混合溶液中，具体为：

15、首先将菌液离心取出沉淀，然后依次用无菌生理盐水、无菌水洗涤沉淀，最后加入无菌水重悬，使得重悬前后菌液体积相同。

16.重悬前菌液OD值在2.5-4.0，重悬后菌液OD值在2.0-3.0之间。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

18、本发明提供了一种生物矿化处理化学镀镍废水的方法，首先培养巴氏芽孢杆菌得到菌液，然后将菌液按一定比例加入到尿素与化学镀镍废水的混合溶液中，在室温下进行生物矿化反应，反应完成后依次收集矿化产物、洗涤、干燥，得到碳酸镍沉淀。该方法利用巴氏芽孢杆菌分泌到胞外的尿素酶，在有尿素的环境中通过生化反应得到碳酸根离子，提高胞外环境的pH值，使废水中的游离镍离子与碳酸根离子结合形成碳酸镍，从而去除化学镀镍废水中的镍离子。一方面，该方法不仅对化学镀镍废水中的镍离子去除率高，而且整个反应时间仅需1-3小时，去除速度快； 另一方面，该方法得到的最终产物碳酸镍沉淀为碱式碳酸镍，可作为陶瓷着色剂，制备氧化镍或有机镍盐；同时碳酸镍沉淀中所含的活菌可回收再利用，因此，本发明的方法不仅镍离子去除效率高，而且副产物碳酸镍可作为陶瓷着色剂，制备氧化镍或有机镍盐，活菌可回收再利用。

附图的简要说明

19.图1为实施例1、实施例2、比较例1、比较例3的镍去除率曲线图。

20.图2为实施例3、实施例4、比较例2、比较例4的镍去除率曲线图。

21.图3为实施例4所得产物的热重TGA分析图。

22.图4是实施例2、4中得到的碳酸镍沉淀物及上清液中的细菌活性调查结果。

23.图5是不同培养基中培养的菌液脲酶活性与pH值的比较。

24、图3中，曲线1为质量变化曲线，曲线2为热流曲线，曲线凸起表示放热。曲线3为温度变化曲线。方框内的数据分别为曲线1、2、3在0时刻的数据，即初始数据。

详细方法

25、下面结合具体实施方式及附图对本发明进一步说明。

26、本发明提供了一种生物矿化处理化学镀镍废水的方法，该方法利用巴氏芽孢杆菌(购自北京生物保藏中心，编号)在细胞外分泌尿素酶，在有尿素的环境中分解并发生一系列生化反应，得到碳酸根离子，提高胞外pH值。同时，细菌表面含有蛋白质、糖类、脂质等多种成分，这些成分中有许多基团，借助基团的静电吸附作用，二价镍离子可以吸附在细菌表面，与胞外碳酸根离子和氢氧根离子结合形成碱式碳酸镍。

27.示例 1：

28、一种生物矿化处理化学镀镍废水的方法，其特征在于，包括以下步骤：

29.1.在无菌环境下，先将巴氏芽孢杆菌划线接种到添加了尿素的LB固体培养基中，37℃培养36小时，获得平板菌落，然后挑取周围呈深红色的单菌落接种到3ml添加了尿素的LB液体培养基中，30℃摇床培养24小时，再将菌液按1:100的体积比接种到LB液体培养基中，再30℃摇床培养24小时，获得OD值为3.2的菌液，其中

添加尿素的LB固体培养基配方为：10g/l氯化钠，10g/l胰蛋白胨，5g/l酵母粉，10g/l尿素，20g/l琼脂，0.05g/l酚红；添加尿素的LB液体培养基配方为：10g/l氯化钠，10g/l胰蛋白胨，5g/l酵母粉，10g/l尿素。

30.2.室温下将菌液与等体积的尿素与氯化镍混合溶液混合，溶液很快变浑浊，生成淡绿色悬浮液，静置1小时后，4℃离心，取上清液检测镍离子浓度。沉淀用无菌水洗涤两次，然后将洗涤后的沉淀在-60℃真空冷冻干燥，得到绿色碳酸镍粉末。尿素与氯化镍混合溶液设定为三个浓度：第一组：0.05mol/l尿素、0./l氯化镍；第二组：0.25mol/l尿素、0./l氯化镍；第三组：0.5mol/l尿素、0.05mol/l氯化镍。

31.示例 2：

32.与例1不同之处在于：

33.步骤2中，将菌液重悬后加入尿素与氯化镍混合溶液中，具体为：

34、首先将菌液4℃离心取沉淀，然后用无菌生理盐水洗涤一次，无菌水洗涤两次，最后加无菌水重悬，使重悬前后菌液体积相同。重悬后菌液OD值为3.0。

35.示例 3：

36.与例1不同之处在于：

37、步骤2中，本实施例将实施例1中的尿素与氯化镍混合溶液替换为尿素与化学镀镍废水的混合溶液，且混合溶液中尿素浓度设置与实施例1相同，镍离子浓度为28.93mg/l。

38.示例 4：

39.与例2不同之处在于：

40、步骤2中，本实施例将实施例2中的尿素与氯化镍混合溶液替换为尿素与化学镀镍废水的混合溶液，且混合溶液中尿素浓度设置与实施例2相同，镍离子浓度为28.93mg/l。

41、比较例1：

42.操作步骤与实施例2相同，不同之处在于：

43、步骤2、将重悬后的菌液制备成粗胞内酶液并与等体积的尿素和氯化镍混合溶液混合，其中，粗胞内酶液的制备方法为：

将重悬的菌液超声破碎，4℃离心，上清液经0.22um滤膜过滤，得胞内粗酶液。

45.比较例 2：

46、操作步骤与实施例4相同，不同之处在于：

47、步骤2、将重悬后的菌液制备成粗胞内酶液并与等体积的尿素和氯化镍混合溶液混合，其中，粗胞内酶液的制备方法为：

将重悬的菌液超声破碎，4℃离心，上清液经0.22um滤膜过滤，得胞内粗酶液。

49.比较例 3：

50.操作步骤与实施例2相同，不同之处在于：

51、步骤2中，以氯化镍溶液替代尿素与氯化镍混合溶液，氯化镍溶液中的镍浓度设置与实施例2相同。

52.比较例 4：

53.操作步骤与实施例4相同，不同之处在于：

54、步骤2中以化学镀镍废水替代尿素与化学镀镍废水的混合溶液，氯化学镀镍废水中镍浓度设置同实施例4。

55.为了检验本发明的方法和产品，进行了以下测试：

56.1. 镍去除率的调查

57.根据实施例1-4及比较例1-4所检测的镍离子浓度，分别测定镍去除率，结果如图1及图2所示。

58.由图1可知，实施例1、实施例2、对比例1、对比例3的镍去除率分别为（86.61

±

3.78）％、（90.03

±

2.57）％、（84.09

±

4.21）％、（32.25

±

1.99)％。在添加特定浓度尿素的条件下，菌液、重悬菌液和胞内粗酶液均有较高的去除率，而在不添加尿素的条件下，镍的去除率很低。

59.由图2可知，实施例3、实施例4、对比例2、对比例4的镍去除率分别为(97.98

±

1.87）％、（97.56

±

1.99）％、（94.78

±

2.45）％、（86.9

±

4.58)%在添加特定浓度尿素的条件下，无论是菌液、重悬菌液还是胞内粗酶液，都有较高的去除率，处理后的废水中镍质量浓度在0.5mg/l以下，满足排放标准；而在不添加尿素的条件下，镍的去除率较低，处理后的废水中镍质量浓度最高可达2.24mg/l，不能满足排放标准。

60.2. 碳酸镍沉淀的鉴别

61. (1)将实施例1-4和对比例1-2得到的碳酸镍沉淀和AR级化学合成碱式碳酸镍分别进行EDX和XRD分析，结果如表1所示：

62. 表1 EDX和XRD分析结果

[0063][0064]

如表1所示，从晶型角度看，利用菌液进行生物矿化处理所得晶型为nico3·

镍（氢）2·

H2O碱式碳酸镍，且所得晶体比AR级碱式碳酸镍更小，可作为陶瓷着色剂，制备氧化镍或有机镍盐，而利用胞内粗酶液进行生物矿化则无法得到具有固定晶型的碳酸镍产品。从碳和镍元素的相对质量分数来看，该技术所得产品比化学合成的碱式碳酸镍含碳量更高，更适合作为制备有机镍盐的中间体。

[0065]

（2）热重分析

[0066]

将实施例4所得产物进行热重分析(TGA)，结果如图3所示。

[0067]

如图3所示，本发明所得产物重量随温度升高先增加后减少，最后趋于稳定，整体重量变化不大。当温度升高约300℃时，重量急剧下降，放出大量热量，并转化为氧化镍，符合碱式碳酸镍的特性。

[0068]

3. 废水处理后细菌活性分析

[0069]

将实施例2和实施例4中得到的镍去除率最高的条件下得到的碳酸镍沉淀及上清液，在添加尿素的LB固体培养基中，37℃培养36小时，观察细菌数量及活性，结果如图4所示。

[0069]

如图4所示，对于实施例2，沉淀物中的细菌数量远多于上清液中的细菌数量，由此确定沉淀物中至少存在一些活菌；另外，从培养基的红色深度判断，沉淀物中的细菌活性略低于上清液中的细菌活性。对于实施例4，沉淀物中的细菌数量远多于上清液中的细菌数量，由此确定沉淀物中至少存在一些活菌；另外，从培养基的红色深度判断，沉淀物中的细菌活性高于上清液中的细菌活性。因此，可以回收碳酸镍沉淀物中的活菌，并重复处理镍废水。重复回收处理活菌还可以获得对镍废水具有更强抵抗力的细菌，从而获得更好的镍去除效果。

[0071]

4. 培养基检查

[0072]

将实施例1步骤1得到的菌液、按实施例1所述方法在LB培养基(与实施例1所用培养基的区别在于不添加尿素)中培养的菌液、按实施例1所述方法在M9培养基中培养的菌液分别进行脲酶活性测定和菌液pH测定，结果如图5所示。

[0073]

由图5可知，实施例1培养得到的细菌脲酶活力远高于另外两种培养基，且菌液pH值也高于另外两种培养基，因此判断添加尿素的LB固体培养基更有利于培养出脲酶活力高、矿化效果好的细菌。

技术特点：

1.一种生物矿化处理化学镀镍废水的方法，其特征在于：该方法依次包括以下步骤：步骤1、培养巴氏芽孢杆菌，得到菌液；步骤2、先将菌液加入尿素与化学镀镍废水的混合液中，在室温下进行生物矿化反应。反应完成后，依次收集矿化产物并洗涤、干燥，得到碳酸镍沉淀，其中，尿素与化学镀镍废水混合液中尿素的浓度为0.05-0.5mol/l，菌液与尿素与化学镀镍废水混合液的体积比为1：0.8-1.2。2.根据权利要求1所述的生物矿化处理化学镀镍废水的方法，其特征在于：步骤2中，生物矿化反应的时间为1-3小时，碳酸镍沉淀为碱式碳酸镍。 3.根据权利要求1或2所述的一种生物矿化处理化学镀镍废水的方法，其特征在于：步骤1中，所述巴氏杆菌的保藏号为，培养方法为：在无菌环境下，先将巴氏杆菌接种到添加有尿素的lb固体培养基中培养，然后挑取单菌落接种到添加有尿素的lb液体培养基中培养，得到菌液。4.根据权利要求3所述的一种生物矿化处理化学镀镍废水的方法，其特征在于：添加有尿素的lb固体培养基的配方包括：氯化钠9-11g/l、胰蛋白胨9-11g/l、酵母粉4.5-5.5g/l、尿素9-11g/l、琼脂18-22g/l； 添加尿素的lb液体培养基配方包括：氯化钠9-11g/l、胰蛋白胨9-11g/l、酵母粉4.5-5.5g/l、尿素9-11g/l。5.根据权利要求1或2所述的生物矿化处理化学镀镍废水的方法，其特征在于：步骤2中，在加入尿素与化学镀镍废水的混合液之前，先将菌液进行重悬，具体为：先将菌液离心取沉淀，再用无菌生理盐水、无菌水依次洗涤沉淀，最后加入无菌水进行重悬，使重悬前后菌液体积相同。 6.根据权利要求5所述的一种生物矿化处理化学镀镍废水的方法，其特征在于：重悬前、重悬后菌液的OD值分别为2.5-4.0、2.0-3.0。

技术摘要

一种生物矿化处理化学镀镍废水的方法，该方法首先培养巴氏芽孢杆菌得到菌液，然后将菌液按特定比例加入到尿素和化学镀镍废水的混合溶液中，在常温下进行生物矿化反应，反应完成后收集矿化产物，依次洗涤、干燥，得到碳酸镍沉淀。该设计不仅镍离子去除效率高，而且副产物碳酸镍可作为陶瓷着色剂，制备氧化镍或有机镍盐，活菌可回收再利用。

技术研发人员：李其昌、段锋、谢浩、郭俊辉、徐莉、贾明宇、王晓涵、冯晓苏

受保护技术用户：武汉理工大学

技术开发日：2022.03.14

技术发布日期：2022/6/7