权利要求
1.一种用于处理对含砷和丁基黄药复合污染废水的活性污泥的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤2，配制用于培养污泥的培养液;
步骤3，向厌氧瓶中添加培养液，再将初始污泥放入瓶中;
步骤4，向瓶中再加入砷酸钠和丁基黄药，搅拌均匀后排出氧气，振荡培养，得到驯化培养的厌氧活性污泥。
2.根据权利要求1所述的一种用于处理对含砷和丁基黄药复合污染废水的活性污泥的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，样品的采集采用梅花点采样法定点取样，从矿山尾矿的排尾口附近土壤中采集表层、中层以及深层泥土于无菌采样袋中，冷藏运输储藏备用。
3. 根据权利要求1所述的一种用于处理对含砷和丁基黄药复合污染废水的活性污泥的制备方法，其特征在于，所述铅锌尾矿附近的土壤中，初始的微生物群落包括：Pseudomonadota(假单胞菌门)75.77%，Bacillota(厚壁菌门)9.41%，Nitrospirota(硝化螺菌门)3.54%，Deinococcota(奇异球菌门)2.84%，Actinomycetota(放线菌门)1.22%，Dependentiae(依存菌门)1.01%和其他微生物 6.21%。
4. 根据权利要求1所述的一种用于处理对含砷和丁基黄药复合污染废水的活性污泥的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，培养液中的成分以浓度计算，包括：氯化钙为0.2460 g/L、氯化镁为1.0572 g/L、氯化钠为0.4459 g/L，磷酸氢二钾为0.0299 g/L、氯化钾为0.0283 g/L、碳酸氢钠为0.8082 g/L、氯化铵为0.1557 g/L。
5. 根据权利要求1所述的一种用于处理对含砷和丁基黄药复合污染废水的活性污泥的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，调节pH为7.0±0.1，初始污泥浓度为3.0 g/L。
6. 根据权利要求1所述的一种用于处理对含砷和丁基黄药复合污染废水的活性污泥的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，砷酸钠加入后的浓度为0.01-0.03 g/L，丁基黄药加入后的浓度为0.1-0.3 g/L。
7. 根据权利要求1所述的一种用于处理对含砷和丁基黄药复合污染废水的活性污泥的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，排出氧气是向厌氧瓶通入纯氮气至少20 min;振荡培养的温度为25 ℃，速度为150-180 r/min，培养时间为10-14 d。
8. 根据权利要求1所述的一种用于处理对含砷和丁基黄药复合污染废水的活性污泥的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，厌氧活性污泥的微生物群落包括：Pseudomonadota(假单胞菌门)90.80%，Bacteroidota(拟杆菌门)6.14%，Dependentiae(依存菌门)2.41%和其它微生物 0.65%。
9.一种用于处理对含砷和丁基黄药复合污染废水的活性污泥，其特征在于，采用权利要求1所述的制备方法制备得到。
10.一种权利要求9所述的活性污泥在含砷和丁基黄药复合污染在废水处理中的应用。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及废水处理领域，具体涉及一种用于处理对含砷和丁基黄药复合污染废水的活性污泥及其制备方法。
背景技术
[0002]砷(As)是一种具有高毒性的重(类)金属元素，广泛存在于自然和人为环境中。其自然来源主要包括岩石风化、火山活动以及土壤中的自然释放。在人为活动中，砷主要来源于有色金属矿床的开采与冶炼过程。例如，砷常伴生于金、铜、镍、钴等有色金属矿床中，在冶炼过程中，砷会进入烟灰或湿法冶炼渣中，形成含砷废料。此外，电子工业中砷化镓等半导体材料的生产过程也会产生含砷废水。含砷废水的排放对环境和人类健康构成了严重威胁。砷及其化合物被国际癌症研究机构(IARC)列为一类致癌物，具有致突变、致畸变和致癌的“三致效应”。在工业废水中，砷主要以三价砷(As3+)和五价砷(As5+)形式存在，含砷废水若未经处理直接排放，会导致水体污染、土壤砷富集以及农作物砷积累，进而通过食物链威胁人类健康。
[0003]在矿业活动中，浮选废水是选矿过程中产生的重要污染源之一。浮选过程中常用的捕收剂——黄药(烃基二硫代碳酸盐)，是浮选废水的主要有害成分。黄药具有高毒性、刺激性气味，且在水体中难以降解，少量即可使水体恶臭变质。据统计，我国矿业废水年排放量巨大，其中选矿废水的排放量尤为突出，预计2025年其消耗量将达到约3.7亿吨。大量未经有效处理的废水直接排放，对水体和周边生态环境造成了严重污染。
[0004]已发表的中国专利中，关于生物法同时高效去除浮选废水中丁基黄药和重金属As(V)的的研究和报道均较少，主要集中于使用单一菌株进行作用，并且一般只能去除丁基黄药或者砷，而关于活性污泥中的微生物对含砷和丁基黄药复合污染废水的处理方法，则没有相关的研究和报道。
[0005]在去除丁基黄药和重金属方面，中国专利CN109574407A公布的用奥奈达希瓦氏菌Shewanella oneidensis MR-1在好氧的条件下快速降解浮选废水中的丁基黄药;厌氧条件下利用Cr(VI)作为电子受体来固定及无害化浮选废水中的Cr(VI)，实现浮选废水中的丁基黄药和重金属Cr(VI)高效、快速去除。中国专利CN115010302A公布的通过调控电催化内电解反应器外电场输入电压，实现对铅锌浮选废水中的部分重金属和浮选选择性较差的黄药类浮选剂选择性降解去除。中国专利CN111018085A公布的一种利用化学氧化法处理含黄药重金属浮选废水的方法，实现浮选废水中黄药的降解和同步深度去除浮选废水中的重金属。中国专利CN113748091A公布的嗜酸性单质硫还原菌利用有机碳把单质硫还原为硫化物，五价砷在具备砷还原能力的单质硫还原菌与硫化物的共同作用下还原为三价砷，三价砷与硫化物形成砷硫化合物沉淀，从而快速同步去除废水中的三价砷与五价砷。
[0006]综上所述，现有处理技术中只能单独进行去除砷或黄药的作用，或者使用单一菌株或化学氧化法对浮选废水中的黄药和重金属进行去除，且其中的重金属并不包含砷。随着工业化进程的加速，含砷废水和含黄药的浮选废水的处理已成为亟待解决的环境问题。化学沉淀法、吸附法和氧化法等在去除效率和经济性方面仍存在不足，且可能产生二次污染，生物法是一种高效、经济且环境友好的处理技术，而且相较使用单一菌株，活性污泥无需筛选、分离、纯化和添加有机碳源，所以对于解决含砷和黄药的浮选废水污染问题具有重要的现实意义。
发明内容
[0007]针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于活性污泥中的微生物对含砷和丁基黄药复合污染废水的处理方法，能够在不另外添加有机碳源的条件下，同时具有进行黄药氧化去除和砷还原固定的生物特性。本发明还提供了采用该方法的应用，去除效率好，操作简单，可以满足浮选废水的低成本、高效去除砷和黄药的需求，在矿业开采或其他寡营养环境中具有良好的应用前景。
[0008]本发明的目的采用以下技术方案来实现：
第一方面，本发明提供一种用于处理对含砷和丁基黄药复合污染废水的活性污泥的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，取矿山尾矿附近的土壤作为原始样本，得到初始污泥;
步骤2，配制用于培养污泥的培养液;
步骤3，向厌氧瓶中添加培养液，再将初始污泥放入瓶中;
步骤4，向瓶中再加入砷酸钠和丁基黄药，搅拌均匀后排出氧气，振荡培养，得到驯化培养的厌氧活性污泥。
[0009]优选地，所述步骤1中，样品的采集采用梅花点采样法定点取样，从矿山尾矿的排尾口附近土壤中采集表层、中层以及深层泥土于无菌采样袋中，冷藏运输储藏备用。
[0010]优选地，所述步骤1中，所述铅锌尾矿附近的土壤中，初始的微生物群落包括：Pseudomonadota(假单胞菌门)75.77%，Bacillota(厚壁菌门)9.41%，Nitrospirota(硝化螺菌门)3.54%，Deinococcota(奇异球菌门)2.84%，Actinomycetota(放线菌门)1.22%，Dependentiae(依存菌门)1.01%和其他微生物 6.21%。
[0011]优选地，所述步骤2中，培养液中的成分以浓度计算，包括：氯化钙为0.2460 g/L、氯化镁为1.0572 g/L、氯化钠为0.4459 g/L，磷酸氢二钾为0.0299 g/L、氯化钾为0.0283g/L、碳酸氢钠为0.8082 g/L、氯化铵为0.1557 g/L。
[0012]优选地，所述步骤3中，调节pH为7.0±0.1，初始污泥浓度为3.0 g/L
优选地，所述步骤4中，砷酸钠加入后的浓度为0.01-0.03 g/L，丁基黄药加入后的浓度为0.1-0.3 g/L。
[0013]优选地，所述步骤4中，排出氧气是向厌氧瓶通入纯氮气至少20 min。
[0014]优选地，所述步骤4中，振荡培养的温度为25 ℃，速度为150-180 r/min，培养时间为10-14 d。
[0015]优选地，所述步骤4中，厌氧活性污泥的微生物群落包括： Pseudomonadota(假单胞菌门)90.80%，Bacteroidota(拟杆菌门)6.14%，Dependentiae(依存菌门)2.41%和其它微生物0.65%。
[0016]第二方面，本发明提供一种用于处理对含砷和丁基黄药复合污染废水的活性污泥，采用上述制备方法制备得到。
[0017]第二方面，本发明提供一种活性污泥在含砷和丁基黄药复合污染废水处理中的应用。
[0018]本发明的有益效果为：
1、本发明通过特定地点的采集和驯化步骤，使培育出的活性污泥具有独特的生物特性，不仅能在不另外添加有机碳源的条件下进行砷的还原，还能有效氧化去除黄药，能够满足寡营养的矿山开采区等低成本、高效去除选矿废水中砷和黄药的需求。
[0019]2、本发明方法制备的活性污泥，是以Pseudomonadota(假单胞菌门)90.80%和Bacteroidota(拟杆菌门)6.14%为优势菌属的活性污泥。该菌属是由尾矿样品中采集鉴定得到，对寡营养的矿山(砷污染)环境具有较强的适应能力，将其运用于生物修复能降低环境修复成本。且后续通过对优势菌种的筛选和驯化，可以开发出具有特定功能的微生物菌剂，用于环境保护、工业生产等领域。
[0020]3、将本发明的方法应用于含砷和丁基黄药复合污染的废水处理，在厌氧的条件下，活性污泥中的微生物能够氧化丁基黄药，并利用其硫源对砷酸盐进行还原固定;7 d中，对50 mg/L丁基黄药的去除率为99.96%，对应TOC利用率为80.4%，As(V)还原率为72.93%，TAs去除率为65.26%。
[0021]4、将本发明的方法应用于含砷和丁基黄药复合污染的连续流废水处理，在厌氧条件下，30 d中，对200 mg/L丁基黄药的去除率为99.64%，As(V)还原率为96.13%，TAs去除率为94.70%。
[0022]5、本发明的方法能更好的利用黄药为有机底物，保持黄药的高去除率同时实现有机碳和砷的去除。将该方法应用于矿山开采区、含黄药和砷的废水处理，有利于简化废水处理工艺，提高处理效率，符合环境友好要求，具有良好的经济及环保效益。能克服碳源不足引起的生物难以生长问题，使黄药和砷的同步去除成为可能，应用前景广阔。
附图说明
[0023]利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
[0024]图1为本发明实施例1原始尾矿样品(a)和驯化得到的活性污泥(b)的微生物群落组成的相对丰度图;
图2为本发明实施例1原始尾矿样品(前)和驯化14 d得到的活性污泥(后)对含丁基黄药(A301)和砷废水的去除效果图;
图3为本发明实施例2的尾矿样品在厌氧条件下对含丁基黄药和砷废水关于丁基黄药(BX)和总有机碳(TOC)的去除效果图;
图4为本发明实施例2的尾矿样品在厌氧条件下对含丁基黄药和砷的废水关于砷的去除效果图;
图5为本发明实施例2的尾矿样品在厌氧条件下对含丁基黄药和砷的废水的去除率效果图;
图6为本发明实施例3的污泥固体样品在厌氧条件下的扫描电镜(SEM)图;
图7为本发明实施例3的污泥固体样品在厌氧条件下的X射线衍射(XRD)图;
图8为本发明实施例4的尾矿样品在厌氧和连续流条件下，对含丁基黄药和砷的废水关于丁基黄药(BX)和砷的去除效果图。
具体实施方式
[0025]以下通过特定的具体实例说明本发明的技术方案。应理解，本发明提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤;还应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0026]为了更好的理解上述技术方案，下面更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0027]下面结合以下实施例对本发明作进一步描述。
[0028]实施例1
一种用于处理对含砷和丁基黄药复合污染废水的活性污泥的处理过程，包括：
步骤1，活性污泥的采集过程：
本发明的原始样品是从广东省韶关市仁化区铅锌尾矿的排尾口附近采集，然后经过驯化、培育而得到。样品采集根据《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166-2004)中的“混合样品采集方法”，采用梅花点采样法定点取样，从排尾口附近土壤中采集表层、中层以及深层泥土于无菌采样袋中，4℃冷藏运输储藏备用。
[0029]步骤2，活性污泥的培养驯化过程：
(1)配制活性污泥培养液：
氯化钙0.2460 g/L、氯化镁1.0572 g/L、氯化钠0.4459 g/L，磷酸氢二钾0.0299g/L、氯化钾0.0283 g/L、碳酸氢钠0.8082 g/L、氯化铵0.1557 g/L。
[0030](2)污泥混合：
向厌氧瓶中加入(1)中配制的培养液150 mL，再向瓶中分别加入矿山尾矿污泥、砷酸钠和丁基黄药，加入后厌氧瓶中活性污泥、砷酸钠和丁基黄药对应的浓度为3 g/L、0.02g/L和0.2 g/L。
[0031](3)污泥驯化：
搅拌均匀后向厌氧瓶中通入纯氮气20 min，固定驯化条件为：pH=7.0、25 ℃、160rpm/min振荡培养10-14 d，即获得厌氧活性污泥。其中，pH值通过1 mol/L的盐酸和氢氧化钠溶液进行调节。驯化14 d结果参见附图2。驯化后活性污泥对丁基黄药及对应TOC和As5+的去除率分别为95.45%、82.71%和46.07%，与原始样品相比去除能力都有较大提高。
[0032]步骤3，16S扩增子测序分析：
对原始污泥样品和驯化后污泥样品进行16S扩增子分析，测序由上海生物工程有限公司完成。结果参见图1，可知其中的微生物群落组成及相对丰度。初始样品是以Pseudomonadota(假单胞菌门)75.77%和Bacillota(厚壁菌门)9.41%为优势菌属的活性污泥;驯化后样品是以Pseudomonadota(假单胞菌门)90.80%和Bacteroidota(拟杆菌门)6.14%为优势菌属的厌氧活性污泥。
[0033]实施例2
本实施例是在实施例1的基础上，提供活性污泥的应用，将其应用于含砷和丁基黄药复合污染的废水的生物处理，结果参见附图中图3-图5。
[0034]具体过程如下：
向厌氧瓶中加入实施例1中配制的活性污泥培养液150 mL和驯化成功的厌氧活性污泥，再加入砷酸钠和丁基黄药。加入后厌氧瓶中活性污泥、砷酸钠和丁基黄药对应的浓度为3 g/L、0.02 g/L和0.05 g/L。搅拌均匀后向厌氧瓶通入纯氮气5 min，固定培养条件为25℃，160 rpm/min，pH=7.0，振荡培养7 d。
[0035]分别于0 h、0.5 h、1 h、5 h、10 h、24 h、36 h、48 h、72 h、96 h、120 h、144 h取培养液，5000 r/min，4 ℃，低速离心5-10 min，取上清液过0.22 μm滤膜后分别测定TOC(总有机碳)、A301(丁基黄药)、As3+、As5+和TAs(总砷)含量。
[0036]实验设置3个技术重复的实验组以及一个空白对照组，对照组加入等接种量的生理盐水。
[0037]通过本实施例及附图中图3-图5和实施例1的图1-图2可以看出，活性污泥能够利用丁基黄药中的有机碳源生长，降低黄药的含量，并在其过程中实现对As5+还原和TAs的去除。在厌氧条件下丁基黄药的去除率为99.87%，对应TOC的去除率为80.4%，As(V)去除率为72.93%，TAs(总砷)的去除率为65.26%。
[0038]实施例3
本实施例是实施例2的基础上，对进行处理方法后的活性污泥进行性能表征，具体项目有SEM(扫描电镜)和XRD(X射线衍射)，由湖南纳微新材料科技有限公司完成，参见附图6和图7。
[0039]对实施例2含丁基黄药和砷复合污染的废水进行处理后的活性污泥进行表征，SEM(扫描电镜)结果如图6所示，活性污泥表面均呈现不规则块状结构，比较粗糙，比表面积较大，可能对复合污染的废水处理具有较高的反应性。XRD(X射线衍射)结果如图7所示，位于2θ=29.42°和33.02°(图中标记处)分别属于As4S4和As2S3物相。厌氧条件下，活性污泥表面附着的颗粒物多，但尺寸较小，初步判断活性污泥上有含硫和砷的化合物生成。
[0040]实施例4
本实施例是在实施例1和实施例2的基础上，提供所述处理方法的应用，将其应用于含砷和丁基黄药复合污染的连续流废水的生物处理，参见附图8。
[0041]所述方法对含砷和丁基黄药复合污染废水的处理过程如下：
向反应器加入驯化成功的厌氧活性污泥，按照实施例1中的方法配制培养液35 L，并加入七水砷酸二钠2.915 g和丁基黄药7 g，储存在进水罐中，通过蠕动泵将溶液以0.8mL/min的流量持续泵入反应器。反应器中实施例1驯化后厌氧活性污泥、砷酸钠和丁基黄药的浓度分别为3 g/L、0.02 g/L和0.2 g/L。连续流的反应条件为：水力停留时间(HRT)设置为24小时，溶解氧(DO)通过氮气曝气装置控制在0.5-1.0 mg/L之间。pH值通过NaHCO3调节在7.0±1.0之间，温度为室温，连续培养30 d。每天(d)取1次样品，所取样品在5000 r/min，4 ℃条件的冷冻离心机，低速离心5-10 min，取上清液过0.22 μm滤膜后分别测定A301(丁基黄药)、As3+、As5+和TAs含量。
[0042]通过本实施例及附图8可以看出，活性污泥在连续流培养的条件下，比7 d内(实施例2)培养生长的活性污泥能更高效的去除高浓度黄药和还原及去除砷酸盐。在厌氧条件下，14 d前基本能完全去除200 mg/L的丁基黄药，最终去除率为99.64%;砷酸盐在前3 d迅速下降，后面过程中持续稳定地被还原和去除，As(V)还原率为96.13%，TAs去除率为94.70%。
[0043]综合上述各实施例，本发明提供的处理方法，可广泛应用于含砷的丁基黄药的矿山复合污染废水处理领域。本发明方法中的活性污泥，是以Pseudomonadota(假单胞菌门)90.80%和Bacteroidota(拟杆菌门)6.14%为优势菌属的活性污泥，对砷污染环境具有较强的适应能力，能在不另外添加有机碳源的条件下进行砷的还原，还能有效氧化去除黄药，满足寡营养的矿山开采区等低成本、高效去除选矿废水中砷和黄药的需求。在厌氧的条件下，活性污泥中的微生物能够氧化丁基黄药，并利用其C源对砷酸盐进行还原固定，7 d内对50mg/L丁基黄药的去除率为99.96%，对应TOC(总有机碳)利用率为80.4%，As(V)还原率为72.93%，TAs(总砷)去除率为65.26%。连续流条件下，30 d内对200 mg/L丁基黄药的去除率为99.64%，As(V)还原率为96.13%，TAs(总砷)去除率为94.70%。
[0044]将该方法应用于矿山开采区、含黄药和砷的废水处理，有利于简化废水处理工艺，提高处理效率，符合环境友好要求，具有良好的经济及环保效益，能克服碳源不足引起的生物难以生长问题，使黄药等选矿药剂和砷的同步去除成为可能，应用前景广阔。
[0045]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
[0046]尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
说明书附图(8)
