一种生物晶种制备方法、应用及其同步去除地下水中钙和氟的方法

技术领域

本发明属于地下水处理技术领域，具体涉及一种利用生物晶种去除地下水中钙和氟污染物的方法。

背景技术

日益严重的地下水污染问题引起了全世界很多国家的关注，在中国部分地区的地下水存在F

过多的氟化物摄入会导致牙釉质的改变，导致染色和点蚀。氟化物会集中在骨骼中，从而刺激骨骼细胞的生长，改变各种组织的结构并最终削弱骨骼。更严重的是，饮用含高浓度氟化物的水，会对大脑和神经细胞产生影响，导致其他不良的健康影响，包括肾脏、生殖和消化系统等非骨骼组织的损害。另外地下水氟污染还会使动、植物中毒,影响农牧业生产。对于工业和家庭来说，水体中硬度过大会导致设备，管道，储罐等的结垢问题。城市公民在饮用自来水时，由于高硬度的存在，会导致原本符合饮用要求的水在煮沸后会出现大量白垢，存在感官上的不适等诸多危害。

目前地下水中氟化物的去除技术主要有：电渗析、反渗透、纳滤、吸附，生物吸附，Nalgonda技术，离子交换。上述的这些去除工艺具有不需要介质，较高的吸收能力，容易获得相应化学产品等优点。但与这些工艺相关的主要缺点是运行成本高，水脱盐等废物的大量产生，过多的水力和电力的消耗，以及产生的废物处理等问题。当氟离子污染物浓度非常低时，这些物理化学方法反而是无效的或昂贵的。地下水中常用的硬度去除技术主要有：基于溶度积原理的药剂软化法和基于离子交换原理的离子交换软化法。此外，随着膜分离技术的不断发展成熟，反渗透技术也已经成为地下水软化的主要措施之一。上述技术具有方法简单、效果明显、去除率高、出水水质好等优点，但是同样存在运行成本高、运行条件要求苛刻的问题。本发明采用生物晶种诱导沉淀，与使用石灰和钙盐的化学沉淀相比，诱导结晶具有明显的优势。生物晶种材料可以促进结晶，然后与附着的晶体一起沉淀，这可以显著缩短反应时间。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种利用以细菌为核心的生物晶种在吸附作用与诱导沉淀作用下同步去除地下水氟和钙污染物的方法。解决了微生物诱导碳酸钙沉淀应用中外源有机物的问题，避免了出水中微生物的安全风险。

为了实现上述技术任务，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种生物晶种的制备方法，该方法包括如下步骤：

步骤一、污泥的富集培养：从地下水中获取泥水混合物，向泥水混合物中添加营养液Ⅰ，并将添加营养液Ⅰ的泥水混合物进行恒温好氧条件下进行富集培养，收集富集污泥；

步骤二、生物菌剂的制备：向收集的富集污泥中加入营养液Ⅰ，进行恒温培养，收集生物菌剂沉淀物；

步骤三、生物晶种的制备：步骤二得到的生物菌剂与营养液Ⅱ按照质量比1：7-20进行混合，在恒温好氧条件下进行培养，沉淀、分离、洗涤、干燥、过筛，得到生物晶种；

所述的营养液Ⅰ的配方为：

C

所述的营养液Ⅱ的配方为：

C

所述的营养液Ⅰ的优选配方为：C

进一步地，所述的微量元素包括下述质量比的原料：

EDTA：0.8-1.2g/L，ZnSO

优选地，所述的泥水混合物与营养液Ⅰ按照质量比为2～4:1均匀混合。

进一步地，污泥富集培养包括如下步骤：第一步，向地下水中获取的泥水混合物中添加1-3mg/L氟化钠溶液，更换一半上清液为营养液Ⅰ，富集培养7-10天，采用转速为30-60转/分的摇床，每天震荡3-4次，每次10-15分钟；第二步，添加比第一步骤浓度高200％-600％的氟化钠溶液，部分更换上一步骤中的营养液Ⅰ；第三步，重复第二步内容直至测定液体培养液中氟的去除率达到70％以上时，富集污泥完成。

进一步地，生物菌剂的制备包括如下步骤：第一步，向富集污泥中添加营养液Ⅰ，其中富集污泥与营养液Ⅰ按照质量比为1:100-150进行混合，在25-30℃条件下进行恒温培养；第二步，每隔一个周期更换一次液体培养液，液体培养液为营养液Ⅰ与灭菌地下水按照体积比为1：1～3配制而成，逐次更换的液体培养液的营养液Ⅰ浓度依次降低；直到地下水底部成深黑色、散状污泥，测定液体培养液中氟去除率在70％以上时，生物菌剂制备完成。

进一步地，生物晶种的制备具体包括：步骤二得到的菌剂沉淀物与营养液Ⅱ按照质量比1：7-20进行混合，温度为30℃—35℃的好氧条件下，恒温振荡器160-180转/分的振动速度培养，培养24-36h后，将混合溶液用超声波处理8-15分钟，取出在培养基底部生成的生物沉淀小颗粒用离心机进行分离，用去离子水反复洗涤生物晶种，以去除可溶性杂质，在60℃下干燥24小时后过筛形成粉末，得到生物晶种。

本发明提供的生物晶种可以用于同步去除地下水中钙和氟的应用。

本发明进一步公开一种同步去除地下水中钙和氟的方法，该方法包括如下步骤：

第一步：处理水流入混合反应器，向反应器中投加按照权利要求1-5制备得到的生物晶种，生物晶种投加量为1-2g/L，保持温度为25℃±2℃；

第二步，当进水的Ca

与此同时，为了提高本发明技术内容的实践应用价值，本发明还提出了一种同步去除地下水中钙和氟的混合反应器，所述的混合反应器至少包括进水口和出水口，所述的混合反应器容器内部装填本申请制备得到的生物晶种。

优选地，在混合反应器内部还设置有搅拌器，搅拌器的转速为100-150r/min。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明通过细菌诱导生物晶种的形成，该晶种在成核的初始阶段(培养36-48h)被取出制作生物晶种，然后被添加到包含被F

(2)本发明利用微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)合成的晶体诱导结晶，作为高效氟吸附剂，为突破MICP在地下水中的应用限制提供了一种更清洁、更经济的替代途径。克服了微生物诱导碳酸钙沉淀应用中外来有机物的问题，避免了出水的微生物安全风险。

(3)本发明采用的生物晶种处理地下水，具有表面孔隙率高，比表面积大的特点，且是一种经济环保的吸附剂，可用于地下水除氟。除氟的过程中形成氟磷酸钙，因此也具有去除磷、钙的效果。

(4)本发明采用生物晶种吸附及诱导沉淀，与使用石灰和钙盐的化学沉淀相比，诱导结晶具有明显的优势。晶种材料可以促进结晶，然后与附着的晶体一起沉淀，这可以显著缩短反应时间，由于诱导结晶是在晶种材料上进行的，因此不会产生难以去除的细小沉淀物。

附图说明

图1为本发明中形成生物晶种反应过程图；其中图1(a)培养36h的生物菌剂；(b)生物晶种投加前；(c)生物晶体反应后的扫描电镜照片。

图2为本发明中实施例1去除氟结果。

图3为本发明中实施例1去除钙结果。

图4为本发明中实施例2去除氟结果。

图5为本发明中实施例2去除钙结果。

图6为本发明中实施例3去除氟结果。

图7为本发明中实施例3去除钙结果。

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

具体实施方式

本发明整体的技术构思基于以下技术机理：

Cell+Ca

Cell-Ca

CaCO

Ca

Ca

5Ca

通过上述反应，实现地下水中氟和钙同时去除。

实施例1

遵循本发明的整体技术构思，实施例1待治理的地下水来自于陕西省西安市长安区某村某农户自用地下水，包括以下步骤：

步骤一、污泥的富集培养：

从水库或污水厂取得10L泥水作为菌源，以营养液Ⅰ为驯化培养基，按照质量比为3：1均匀混合后，置于200ml锥形瓶中，在好氧条件下在恒温培养箱(27℃下)中富集培养。富集培养过程中以7天为一培养周期，每个周期将不同浓度的氟化钠(氟浓度为1、3、和5mg/L)加入锥形瓶中，静置，更换一半上清液为营养液Ⅰ；在富集过程中采用转速为40转的摇床，每天震荡3次，每次15分钟，确保反应器中有能供细菌生长的营养物质。每个富集周期富集3周后，测定氟的去除率为75.95％，表明富集驯化完成；

步骤一中所述的富集营养液Ⅰ的配方为：

营养液Ⅰ(筛选钙沉淀细菌所用营养液)以质量浓度计：

C

CaCl

其中，微量元素包括下述质量比的原料：EDTA：0.8g/L，ZnSO

步骤二、生物菌剂的制备：

收集富集锥形瓶中的富集污泥，向富集污泥中加入营养液Ⅰ，以1：150的比例在200ml锥形瓶中混合，将锥形瓶放入恒温振荡培养箱中在27℃下培养3天，之后每3天更换一次液体培养液，液体培养液为培养液Ⅰ与灭菌地下水按照体积比为1：1～3配制而成，更换次序依次为：营养液Ⅰ与灭菌地下水由1：1比例组成的液体培养基、营养液Ⅰ与灭菌地下水由1：2比例组成的液体培养基、营养液Ⅰ与灭菌地下水由1：3比例组成的液体培养基。当地下水底部形成深黑色、散状污泥，测定液体培养液中氟去除率为78.65％，表明生物菌剂制备成功；

步骤三、生物晶种的制备：

取步骤二所得生物菌剂与营养液Ⅱ以10％的比例混合在250ml锥形瓶中，用密封膜将锥形瓶密封，然后在温度为30℃的好氧条件下，用恒温振荡器上以180转/分的振动速度培养。培养36h后，将溶液用超声波处理10分钟。取出在培养基底部生成的生物沉淀小颗粒用离心机在8000转/分下分离15min,用去离子水反复洗涤生物晶种，以去除可溶性杂质，此时的细菌已被灭活，将样品在60℃下干燥24小时后过100筛形成粉末，最终形成生物晶种。

步骤三中所述的富集营养液Ⅱ的配方为(以质量浓度计)：

C

KH

其中，微量元素包括下述质量比的原料：

EDTA：0.8g/L，ZnSO

进一步，本发明的同步去除地下水中钙和氟的方法：

首先，处理水流入混合反应器。充液后，向反应器中投加生物晶种，投加量为1g/L，进入处理阶段，温度为25℃，转速为100r/min。搅拌结束后静沉20min，排出经处理后的上清液，再重新进行第二轮的进水。反应时间设置为4小时。本实施例补充了2.5mg/L的氟以满足最佳吸附效率的初始氟浓度。

从图2、3可以看出，反应器运行初期除氟除钙效率较低，随着时间的延长，反应器除氟除钙效率逐渐增加，反应器稳定期对氟的去除率可以达到83.06％，对钙的去除率达到75.85％，表现出很好的除氟除钙的能力。

实施例2

遵循本发明的整体技术构思，实施例2待治理的地下水来自于陕西省西安市鄠邑区某村自用地下水，包括以下步骤：

步骤一、污泥的富集培养：

从水库或污水厂取得10L泥水作为菌源，以营养液Ⅰ为驯化培养基，按照质量比为3：1均匀混合后，置于200ml锥形瓶中，在好氧条件下在恒温培养箱(27℃下)中富集培养。富集培养过程中以7天为一培养周期，每个周期将不同浓度的氟化钠(氟浓度为1、2、和4mg/L)加入锥形瓶中，静置，更换一半上清液为营养液Ⅰ；在富集过程中采用转速为40转的摇床，每天震荡3次，每次15分钟，确保反应器中有能供细菌生长的营养物质。每个富集周期富集3周后，测定氟的去除率为78.45％，表明富集污泥驯化完成。

步骤一中所述的富集营养液Ⅰ的配方为：

营养液Ⅰ(筛选钙沉淀细菌所用营养液)以质量浓度计：

C

KH

其中，微量元素包括下述质量比的原料：：EDTA：1.2g/L，ZnSO

步骤二、生物菌剂的制备：

收集富集锥形瓶中的富集污泥，向富集污泥中加入培养液Ⅰ，以1：100的比例在200ml锥形瓶中混合，将锥形瓶放入恒温振荡培养箱中在27℃下培养3天，之后每3天更换一次液体培养液，液体培养液为培养液Ⅰ与灭菌地下水按照体积比为1：1～3配制而成，更换次序依次为：培养液Ⅰ与灭菌地下水由1：1比例组成的液体培养基、培养液Ⅰ与灭菌地下水由1：1.5比例组成的液体培养基、培养液Ⅰ与灭菌地下水由1：2.5比例组成的液体培养基。当地下水底部形成深黑色、散状污泥，测定液体培养液中氟去除率为79.55％，表明生物菌剂制备成功；

步骤三、生物晶种的制备：

取步骤二所得生物菌剂与营养液Ⅱ以10％的比例混合在250ml锥形瓶中，用密封膜将锥形瓶密封，然后在温度为30℃的好氧条件下，用恒温振荡器上以180转/分的振动速度培养。培养36h后，将溶液用超声波处理10分钟。取出在培养基底部生成的生物沉淀小颗粒用离心机在8000转/分下分离15min,用去离子水反复洗涤生物晶种，以去除可溶性杂质，此时的细菌已被灭活，将样品在60℃下干燥24小时后过100筛形成粉末，最终形成以细菌为核心的生物晶种。

步骤三中所述的富集营养液Ⅱ的配方为(以质量浓度计)：

C

其中，微量元素包括下述质量比的原料：：EDTA：1.2g/L，ZnSO

遵循本发明的同步去除地下水中钙和氟的方法，具体步骤如下：

首先，处理水流入混合反应器。充液后，向反应器中投加生物晶种，投加量为1.5g/L，进入处理阶段，温度为25℃，转速为100r/min。搅拌结束后静沉20min，排出经处理后的上清液，再重新进行第二轮的进水。反应时间设置为4小时。向补充了2.69mg/L的氟，以满足最佳吸附效率的初始氟浓度，本实施例补充了2.69mg/L的氟，以满足最佳吸附效率的初始氟浓度。

从图4、5可以看出，反应器运行初期除氟除钙效率较低，随着时间的延长，反应器除氟除钙效率逐渐增加，反应器稳定期对氟的去除率可以达到82.96％，对钙的去除率达到74.45％，表现出较很好的除氟除钙能力。

实施例3

遵循本发明的整体技术构思，实施例3待治理的地下水来自于陕西省西安市长安区某村自用地下水，包括以下步骤：

步骤一、污泥的富集培养：

从水库或污水厂取得10L泥水作为菌源，以营养液Ⅰ为驯化培养基，按照质量比为3：1均匀混合后，置于200ml锥形瓶中，在好氧条件下在恒温培养箱(27℃下)中富集培养。富集培养过程中以7天为一培养周期，每个周期将不同浓度的氟化钠(氟浓度为1、2.5、和3.5mg/L)加入锥形瓶中，静置，更换一半上清液为营养液Ⅰ；在富集过程中采用转速为40转的摇床，每天震荡3次，每次15分钟，确保反应器中有能供细菌生长的营养物质。每个富集周期富集3周后，测定氟的去除率为78.88％，表明富集驯化完成；

步骤一中所述的富集营养液Ⅰ的配方为：

营养液Ⅰ(筛选钙沉淀细菌所用营养液)以质量浓度计：

C

KH

其中，微量元素包括下述质量比的原料：

EDTA：1.0g/L，ZnSO

步骤二、生物菌剂的制备：

收集富集锥形瓶中的富集污泥。向富集污泥中加入培养液Ⅰ，以1：100的比例在200ml锥形瓶中混合，将锥形瓶放入恒温振荡培养箱中在27℃下培养3天，之后每3天更换一次液体培养液，液体培养液为培养液Ⅰ与灭菌地下水按照体积比为1：1～3配制而成，更换次序依次为：培养液Ⅰ与灭菌地下水由1：1比例组成的液体培养基、培养液Ⅰ与灭菌地下水由1：1.5比例组成的液体培养基、培养液Ⅰ与灭菌地下水由1：3比例组成的液体培养基。当地下水底部形成深黑色、散状污泥，测定液体培养液中氟去除率为82.45％，表明生物菌剂制备成功；

步骤三、生物晶种的制备：

取步骤二所得生物菌剂与营养液Ⅱ以10％的比例混合在250ml锥形瓶中，用密封膜将锥形瓶密封，然后在温度为30℃的好氧条件下，用恒温振荡器上以180转/分的振动速度培养。培养36h后，将溶液用超声波处理10分钟。取出在培养基底部生成的生物沉淀小颗粒用离心机在8000转/分下分离15min,用去离子水反复洗涤生物晶种，以去除可溶性杂质，此时的细菌已被灭活，将样品在60℃下干燥24小时后过100筛形成粉末，最终形成以细菌为核心的生物晶种。

步骤三中所述的富集营养液Ⅱ的配方为(以质量浓度计)：

C

其中，微量元素包括下述质量比的原料：

EDTA：1.0g/L，ZnSO

遵循本发明的一种同步去除地下水中钙和氟的方法，具体包括如下步骤：

首先，处理水流入混合反应器。充液后，向反应器中投加生物晶种，投加量为1.5g/L，进入处理阶段，温度为25℃，转速为100r/min。搅拌结束后静沉20min，排出经处理后的上清液，再重新进行第二轮的进水。反应时间设置为4小时，本实施例补充了2.49mg/L的氟，以满足最佳吸附效率的初始氟浓度，

从图6、7可以看出，反应器运行初期除氟除钙效率较低，随着时间的延长，反应器除氟除钙效率逐渐增加，反应器稳定期对氟的去除率可以达到86.00％，对钙的去除率达到75.56％，表现出较很好的除氟除钙能力。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。