电解锰渣陶瓷作为载体驯化耐锰微生物的研究.pdf

第 51 卷第 9 期2023 年 5 月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol.51 No.9May.2023电解锰渣陶瓷作为载体驯化耐锰微生物的研究叶 芬,向 媛,石 维,成 昊?,秦航道,常 军(铜仁学院材料与化学工程学院,贵州 铜仁 554300)摘 要:以电解锰渣为主要原料制备的陶瓷球,利用该陶瓷球作为微生物生长的载体培养污泥。在好氧环境下驯化微生物 6 天后,7 mg/L、9 mg/L 和20 mg/L 样品锰离子去除率分别为:97.93%、94.44%和89.79%。通过镜检可知,好氧环境下培养的活性污泥中,微生物种类较多且活泼,所以好氧环境下驯化的微生物表现出较好微生物去除能力。厌氧环境下培养污泥时,在陶瓷球表面附着大量的微生物。本研究为电解锰渣和废瓷资源化利用具有重要意义。关键词:电解锰渣;废瓷;陶粒;耐锰微生物;污水处理中图分类号:X703 文献标志码:A文章编号:1001-9677(2023)09-0039-04 基金项目:电解锰渣轻质骨料关键技术与应用研究报告“黔科合支撑20192959 号”;贵州省教育厅青年科技人才成长项目“黔教技2022357号”;贵州省高等学校水污染控制工程研究中心“黔教技2022055 号”;贵州省锰系新型功能材料协同创新中心“黔教技2022003号”;贵州省高等学校重点实验室,黔教技2023026 号。第一作者:叶芬(1987-),女,博士,研究方向为工业废水处理。通讯作者:成昊(1987-),男,博士,研究方向为工业废水处理、固废资源化利用。Domestication of Manganese-resistant Microorganisms UsingElectrolytic Manganese Slag Ceramics as CarriersYE Fen,XIANG Yuan,SHI Wei,CHENG Hao,QIN Hang-dao,CHANG Jun(College of Material and Chemical Engineering,Tongren University,Guizhou Tongren 554300,China)Abstract:The ceramic ball prepared with electrolytic manganese slag as the main raw material was used as thecarrier of microbial growth to cultivate sludge.After 6 days of acclimation in aerobic environment,the removal rates ofmanganese ions in 7 mg/L,9 mg/L and 20 mg/L samples were 97.93%,94.44%and 89.79%,respectively.It can beseen from the microscopic examination that there were many kinds of microorganisms in the activated sludge cultured in theaerobic environment,so the microorganisms domesticated in the aerobic environment showed better microbial removalability.When sludge was cultured in anaerobic environment,a large number of microorganisms were attached to thesurface of ceramic balls.This study was of great significance for the resource utilization of electrolytic manganese slag andwaste porcelain.Key words:electrolytic manganese slag;waste porcelain;ceramisite;manganese-resistant microorganisms;sewagetreatment电解锰被广泛地用于冶金、化工行业、新能源等领域,它是一种重要的战略资源1-4,需求量也非常的大。生产 1 吨电解金属锰一般会产生 10 12 吨的电解锰渣,随着经济的发展,高品位锰矿过渡开采,锰矿石的品味下降,锰渣的量会越来越大5。采用电解工艺制备金属锰,首先要将锰矿石破碎和磨成细粉,通过强酸将锰离子溶解出来制备成电解液,最后通过电解的方式制备金属锰。电解锰渣的特点有颗粒较细,含有可溶性的 SO2-4、NH+4-N、Mn2+和其它重金属离子,对当地的环境带来较大的威胁。企业主要通过堆场填埋的方式处理,对当地的环境危害巨大6-7。锰元素是地壳中第二大的过渡金属元素,广泛地存在自然界中,也是人体不可缺少的微量元素8-9。但是水体中锰离子过量时,会严重地影响生物体发育,甚至影响人类的身体健康。由电解金属锰的生产工艺可知,电解锰企业排出的废水含有一定量的锰离子。含重金属污水的处理方法有:化学沉淀法、离子交换法、过滤法等,这些方法成本较高,且容易产生二次污染8,10。利用活性污泥中的微生物吸收污水中的重金属离子,环境友好,具有较大的潜在价值11-12。本文利用电解锰渣为主要原料,制备具有一定量表面气孔和强度的陶瓷球作为微生物生长的载体,设计了好氧和厌氧环境培养活性污泥,驯化耐锰微生物。一方面为电解锰渣资源化利用提供实验数据,也为电解锰厂含锰废水处理提供参考。1 实 验1.1 实验原料及配方40 广 州 化 工2023 年 5 月 制备陶瓷球载体的原料有:电解锰渣2、页岩13、高岭土和废瓷粉。电解锰渣、页岩和废瓷的化学组成如表 1 所示。陶瓷球载体按照质量百分比称料,电解锰渣 黏土 高岭土 废瓷粉=45.85 29.15 8.35 16.65。表 1 电解锰渣的化学成分结果Table 1 Chemical composition of electrolytic manganese residue(wt%)SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2OSO3TiO2电解锰渣26.956.273.747.822.091.580.7522.940.2672.40页岩55.8118.297.060.932.8410.260.3100.7396.23废瓷63.9824.792.301.960.383.800.7000.7898.69高岭土50.6834.930.590.020.120.7200.130.4487.631.2 性能表征方法样品的体积密度(D)、吸水率(Wa)和显气孔率(Pa)根据阿基米德定律计算得到,借助湘潭湘仪生产的型号为 TXY 的数显示陶瓷吸水率测定仪得到样品的湿重和悬重。力学性能由深圳瑞格尔生产的微机控制电子万能测试机测量,型号为 RGM-1100。培养液中锰离子的含量借助天瑞仪器生产的火焰石墨炉一体式原子吸收分光光度计测量,型号:AAS 9000。2 结果与讨论2.1 陶瓷球载体的体积密度、吸水率、气孔率和平均抗压强度 表 2 陶瓷球载体的体积密度、吸水率、气孔率和平均抗压强度Table 2 Volume density,water absorption,porosity and averagecompressive strength of ceramic ball carrier烧结温度体积密度/(g/cm3)吸水率/%气孔率/%平均抗压强度/MPa11102.331.904.4436.1111202.261.371.8332.2411301.900.290.5623.0011401.660.300.5123.2711501.560.400.6213.51图 1 陶瓷球载体的照片Fig.1 Photo of ceramic ball carrier在不同烧结温度下制备的陶瓷球载体的体积密度、吸水率、气孔率和平均抗压强度如表 1 所示。随着烧结温度的升高,陶瓷球的体积密度逐渐较小,且对应的吸水率和气孔率也跟着逐渐地减小,这是由于电解锰渣含有较高的溶剂型元素,所以在较高温度下会产生较多的液相,在高温下液相填充了陶瓷球的气孔形成闭气孔,所以吸水率和气孔率逐渐减小。由样品平均抗压强度可知,随着烧结温度的升高,样品的抗压强度也逐渐减小,这是由于在较高温度下形成的液相最后以玻璃相保存,且存在较多的气孔,所以抗压强度逐渐下降。在本文中,利用电解锰渣制备的陶瓷球用于微生物生长的载体,所以该载体的表面需要一定量的气孔,用于微生物附着。另外,考虑使用过程中要经过水流的冲刷,陶瓷球也需要一定的强度,所以在接下来微生物培养过程中,选择烧结温度为 1120 的陶瓷球作为微生物生长的载体。1120 烧结的陶瓷球照片如图 2 所示,陶瓷球表面粗糙,适合微生物的生长。2.2 耐锰微生物的培养以松桃某垃圾浸出液处理站沉降池的活性污泥为微生物的来源,利用硫酸锰配置含锰污水,用于驯化耐锰微生物,在驯化过程中补充葡萄糖作为碳源。利用原子吸收分光光度计对水中锰离子含量进行观察。设计了好氧和厌氧两种环境来驯化微生物,先向容量为 500 mL 烧杯中放入 4 g 陶瓷球载体,再倒入活性污泥至 500 mL 刻度处。不同锰离子浓度培养液驯化微生物后,培养液中剩余锰离子浓度如表 3 所示,从表中可以看到,培养液中锰离子的溶度较少地非常明显,随着培养天数的增加,锰离子的浓度逐渐地减小。微生物对锰离子为 20 mg/L仍然表现出较好的去除效果。图 2 为微生物培养天数与锰离子去除率的关系曲线,从图 2 中可以看到,在较低锰离子浓度的培养液中,微生物对锰离子的去除率保持较高的水。7 mg/L 样品好氧和厌氧环境下,培养 6 天后,锰离子去除率分别为97.93%和 93.25%。9 mg/L 样品好氧和厌氧环境下,培养 6 天后,锰离子去除率分别为 94.44%和 90.79%。20 mg/L 样品好氧和厌氧环境下,培养 6 天后,锰离子去除率分别为 89.79%和 90.13%。好氧环境下驯化的微生物,能吸收更过的锰离子。表 3 培养微生物数天后培养液中锰离子的溶度Table 3 The solubility of manganese ions in the culture mediumafter several days of culturing microorganisms培养天数7 mg/L9 mg/L20 mg/L好氧厌氧好氧厌氧好氧厌氧20.7130.72420.4461.17712.11853.732140.34410.39380.45390.94622.05242.814260.14460.47270.50040.82892.04251.974第 51 卷第 9 期叶芬,等:电解锰渣陶瓷作为载体驯化耐锰微生物的研究41 图 2 微生物培养天数与锰离子去除率的关系曲线Fig.2 The relationship between the number of days of microbial culture and the removal rate of manganese ions借助光学显微镜对微生物进行了镜检,如图 3 和图 4 所示。从图 3 和图 4 中可以清楚地观察到活性污泥的絮体,由于爆气的原因,好氧环境下污泥的絮体比厌氧环境下的絮体疏松。经过一段时间的培养后,好氧环境下的污泥中均存在较多的尖毛虫和调侧滴虫,如图 3(a)所示,同时还发现了体型较大的线虫,如图 3(b)所示。厌氧环境下的污泥中均存在较多尖毛虫和豆型虫,如图 4 所示。好氧环境下驯化微生物时,微生物的种类较多且活跃,所以好氧环境下微生物对锰离子的去除率较高且更耐受11。图 3 好氧环境下驯化微生物的镜检Fig.3 Microscopic examination of domesticatedmicroorganisms in aerobic environment图 4 厌氧环境下驯化微生物的镜检Fig.4 Microscopic examination of domesticatedmicroorganisms in anaerobic environment图 5 是陶瓷球作为载体培养微生物后的照片,图 5(a)是好氧环境下陶瓷球载体的照片,从图 5(a)中可以看到,陶瓷球表面没有明显的微生物附着,应该是由于好氧环境下曝气过程导致微生物难以在上面附着。图 5(b)是厌氧环境下陶瓷球载体的照片,从图 5(b)中可以看到微生物在陶瓷球上生长。图 5 微生物培养后的陶瓷球载体照片Fig.5 Photo of ceramic ball carrier after microbial culture3 结 论(1)以电解锰渣为主要原料制备的陶瓷球,在 1120 烧结后的体积密度、吸水率、气孔率和平均抗压强度分别为2.26 g/cm3、1.37%、1.83%和 32.24 Mpa。(2)以陶瓷球为微生物的载体,在好氧环境下驯化微生物6 天后,7 mg/L、9 mg/L 和 20 mg/L 样品锰离子去除率分别为97.93%、94.44%和 89.79%。在厌氧环境下驯化微生物 6 天后,7 mg/L、9 mg/L 和 20 mg/L 样品锰离子去除率分别为93.25%、90.79%和 90.13%。(3)通过镜检可知,好氧环境下培养的活性污泥中,微生物种类较多且活泼,所以好氧环境下驯化的微生物表现出较好微生物去除能力。(4)厌氧环境下培养污泥时,在陶瓷球表面附着大量的微生物,由于好氧环境下曝气过程导致微生物难以在上面附着。参考文献1 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论本文主要研究了混杂建筑垃圾制备的再生砖混粗骨料的基本性质,并建立了各基本性质的预测模型。通过对不同砖混比例再生砖混骨料各个基本性质的研究,确定了砖混比例对再生砖混骨料各个性质的影响规律,并基于此规律建立了不同砖混比例再生砖混骨料各基本性质的预测模型,最后通过试验测试结果与预测模型计算结果进行对比,验证了各个预测模型的准确性与精确度,得出的主要结论如下:(1)随着砖混比例的增加,4.75 9.50 mm 和9.50 16.00 mm两个粒径的再生砖混骨料的吸水率、压碎指标、针片状颗粒含量、空隙率和微粉含量均逐渐升高,表观密度、堆积密度和含水率均逐渐降低,且砖混比例与再生砖混骨料各个基本性质之间均存在一定的线性相关关系。(2)基于砖混比例与再生砖混骨料各个基本性质之间高度的线性相关关系,分别对两个粒径再生砖混骨料的各个基本性质建立了预测模型,对比预测模型计算结果与试验测试结果发现,再生砖混骨料各个基本性质预测模型的误差均在 5%以内,均能对再生砖混骨料相应的基本性质进行准确预测。参考文献1 常纪文,杜根杰,李红科,等.建筑垃圾绿色低碳资源化利用市场空间广阔J.环境经济,2021(7):38-41.2 张敏,潘雨洁,曹聪慧,等.全生命周期视角下建筑垃圾资源化利用分析J.中国资源综合利用,2022,40(6):76-78.3 姜玲玲,丁爽,刘丽丽,等.“无废城市”建设与碳减排协同推进研究J.环境保护,2022,50(11):39-43.4 曾光,李方芳,唐堂,等.基于清洁生产理念的建筑垃圾减量技术J.环境工程,2020,38(5):138-143.5 张红.“双碳”目标下混凝土行业的高质量发展之路J.混凝土世界,2021(9):14-17.6 吴松,隋杰礼,任攀攀,等.基于“双碳目标”的建筑垃圾处置策略初探J.江西建材,2021(10):307-309.7 曹元辉,王胜杰,王勇,等.我国建筑垃圾综合利用现状及未来发展趋势J.中国建材,2021(9):118-121.8 Liam J B,Jeffrey S W,Susan L T.Towards the classification of recycledconcrete aggregates:influence of fundamental aggregate properties onrecycled concrete 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