光合细菌菌剂制备与重金属处理技术研发

Group Leader:李捍东

Position

◆松山湖材料实验室微生物复合材料团队负责人
◆北京东方昊天生物技术研究所有限公司技术总监

Research Direction

主要从事环境微生物修复技术的研究以及化学品风险评估。目前正在研发重金属分离、回收技术,实现新型复合材料的循环使用和重金属污染治理的无害化与资源化。

Main Achievemnets

已取得12项发明专利,7项省部级奖,其中获环保部科学技术 2等奖(第一完成人)三项,发表论文60余篇。

李捍东(团队负责人)、杨峥、范蕾、宋秋芳、贺凤

项目简介

松山湖材料实验室光合细菌菌剂制备与重金属处理技术研发团队,以开发经济、高效、无二次污染的微生物复合材料和重金属处理技术工艺为研究目标,提供对电镀等工业废水中重金属离子(如Fe、Cu、Cr(VI)、Ni、Zn等)具有吸附速率更快、饱和容量更大、选择性更好的固体富集材料。基于微生物复合材料的重金属处理工艺具有操作简单、成本低、节能环保、易于分离回收所富集的重金属等优点。团队同时积极开发生物菌剂和固定化载体等核心材料,不断通过在实际应用与客户对接中实现产品和工艺技术的迭代与升级。

项目意义

近年来,重工业的蓬勃发展导致重金属污染问题日益加剧,由此引发的一系列环境问题也不容小觑,因此,治理重金属污染也成为科学界研究的热门课题。

传统方法处理重金属废水通常采用的物化法,但是面临以下问题:1、化学沉淀、电化学处理等方法处理低浓度重金属效果不佳;2、产生大量有毒污泥,造成二次污染3、离子交换、膜分离法、活性炭吸附等方法费用昂贵。

微生物附法在控制和治理重金属污染方面受到普遍关注。该法可以将重金属离子选择性去除,具有节能、处理效率高、操作pH和温度范围宽、易于分离回收所吸附重金属等特点,是一种行之有效的处理方法。我们选择光合细菌来富集重金属,光合细菌在废水处理中的应用始于1960年,但大多数研究者都是利用光合细菌处理有机废水,在重金属废水治理方面的研究还相对较少。考虑到光合细菌是一种自养生物,能在寡营养的环境下生长,因此利用光合细菌治理营养条件较为缺乏的重金属废水对于实现重金属废水生物处理过程的连续化无疑是一种不错的选择。除微生物吸附法外,材料吸附法也是处理重金属污染的一种常用方法,常用的多孔吸附材料有活性炭、陶粒、沸石、硅藻土等。把微生物吸附在多孔吸材料上制成微生物复合材料,可以结合二者处理废水的优势,构成一种高效、快速、能连续处理的废水处理系统,可以将吸附剂回收,从而有效地减少二次污染。

随着污染问题的突出和加剧、环保公司对新型高效材料的迫切需求、当地政府和社会的需要,团队目前正在积极开展吸微生物复合材料的研发。团队秉承共谋生态文明建设,深度践行环境治理以及源头治理,创新技术,环境友好的理念,争取为环境治理做出自己的一份贡献,服务当地社会。

潜在市场

自日本科学家发现光合细菌在自然界中的污水净化原理以来,利用光合细菌处理污水的研究就广泛地开展起来。经几十年发展,光合细菌污水处理领域取得了一定的成绩。光合细菌具有较强的降解有机物染污的能力,污水处理过程容易控制,因此利用光合细菌处理污水,是一种高效、便捷的方法。光合细菌菌体本身无毒无害,营养丰富,目前已有许多光合细菌制剂公司培养光合细菌并进行菌剂的制作。

但国内外对于光合细菌复合制剂的研究及其在重金属处理的应用上目前仍鲜有报道,我团队研发的可以应用在重金属离子污染的新型微生物复合材料恰到好处的弥补了这一领域的研究空白。企业现有技术主要是化学沉淀、电化学处理等方法,治理重金属废水同时产生大量有毒污泥,从而造成二次污染。而离子交换、膜分离法以及活性炭吸附等方法在处理低浓度重金属离子废水时费用昂贵,故上述方法都不适用于大规模低浓度重金属废水的处理。这也成为企业卡脖子问题,而微生物复合材料以其具有节能、处理效率高、操作pH和温度范围宽、易于分离回收所吸附重金属等特点,有望解决这一瓶颈。成功研发出来该产品,那么可以替换现有的化学沉淀、电化学处理等处理重金属离子的方法,争取实现重金属污染无害化处理。

据华经市场研究中心发布的《2017年重金属吸附剂市场调查及IPO上市指导报告(课题)》统计数据显示,2017年中国重金属污水治理市场规模突破145亿元。据相关资料表明,各类处理重金属离子方法的处理效能在50%-98%不等;应用这个技术的产品生产规模预计为此产量为50吨左右;理想状态下效能可提高1-2个百分点。

研究方向

(一)基于微生物法的重金属处理工艺技术开发

微生物法在处理低浓度重金属有着成本低、效率高、稳定、出水金属离子浓度低等优势。团队开发的重金属工艺流程主要包括预处理(如pH调节,通过混凝、絮凝再沉淀)、三级微生物复合材料模块处理、脱附、再生四个流程。废水中的重金属被富集降低后能够达标排放,这种工艺流程还具有操作简单、运行成本低、高效率、节能环保、易于分离回收所富集的重金属等优点。

 

(二)基于微生物复合材料的高效处理重金属一体化设备开发

我们把光合细菌固定在多孔载体材料上制成微生物复合材料,可以结合二者处理废水的优势,构成一种高效、快速、能连续处理的废水处理系统,可以将吸附剂回收,从而有效地减少二次污染。该设备具有节能、处理效率高、易操作等特点。

(三)应用案例

案例一:东莞某太阳能电池生产产生的含重金属离子废液

目标污染物:铜离子、银离子等金属离子以及氢氟酸

污水处理技术:物化技术+微生物复合材料吸附技术

污水处理工程量:30-60吨/月

污水处理简介:由于污水含有铜(II)、银(I)等金属离子和高浓度氢氟酸,先通过物化法把离子沉降到一定的浓度(未达到国家排放标准),再利用微生物法继续处理直至达标。基于微生物法在处理低浓度重金属的优势,团队开发了富集不同重金属离子的微生物复合材料。通过将材料模块化成功建立了一套经济、高效、能连续处理的废水处理系统,此外,该生物膜模块还可以重复回收利用,有效降低了处理成本。

污水处理效果:处理后的废水中金属离子检出浓度及其他指标均符合国家排放标准,处理后主要污染物检测数据如下表。

 

案例二:东莞某污水处理厂含锰牛仔洗液处理

目标污染物:锰离子

污水处理技术:微生物复合材料吸附技术

污水处理简介:含锰牛仔洗液在经过活性污泥法后,洗液中氨氮、COD达标,但是锰离子还未达标,接着洗液通过团队研发的微生物复合材料模块,洗液能够达标排放。

污水处理效果:处理后中金属离子检出浓度及其他指标均符合国家排放标准,处理后主要污染物检测数据如下表。