一种煤矸石中多环芳烃的降解方法及其应用

本申请要求了申请日为2021年10月18日，申请号为202111208675.1，发明名称为“一种煤矸石中多环芳烃的降解方法及其应用”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明属于固废处理领域，具体涉及一种煤矸石中多环芳烃的降解方法及其应用，尤其涉及一种降解效果好的煤矸石中多环芳烃的降解方法及其应用。

背景技术

煤矸石是大宗固废之一，由于有效利用不足，利用率仅50％左右，导致煤矸石大量堆存。目前，煤矸石除少部分用于制砖或煅烧水泥、发电、铺路及充填外，大部分被露天堆存，存在严重的生态环境安全隐患。大量煤矸石的长期堆存，不仅侵占了大量土地，引发山体滑坡等危害，给周边居民生活埋下极大的安全隐患，而且长期堆放容易发生一系列物理化学变化，导致煤矸石中有毒有害物质析出，这些物质渗透到周围土壤和水体中，将会对生态环境和人体健康造成危害。因此加强煤矸石资源化利用已刻不容缓。

煤矸石中除含有对植物生长有益的有机质外还含有多环芳烃等有害有机物质，是煤矸石生态化利用所要解决的首要问题。多环芳烃是一类化学性质稳定的有机污染物，不仅可以导致种子萌发出现延迟、植物根生长慢，降低植物地上部生物量、叶绿素含量以及根系过氧化物酶活性，减少微生物量，而且多环芳烃及中间代谢产物(如酚类、酯类或芳香族羧酸类物质)，易引起皮肤病、白血病、肺癌等，已被列为优先污染物。如何实现煤矸石中毒性多环芳烃的高效降解是煤矸石生态化利用需解决的关键问题之一。

CN109928836A中，将煤矸石作为制备矿物复合肥的原料，通过原料测试、原料破碎、配料、混合、成型、热活化、淬冷、烘干、粉碎、氨基酸固定化以及二次烘干的步骤制成矿物有机复合肥，此复合肥具有吸附性能，而且其中的介孔和微孔还可为有益微生物提供载体，促进有机质的分解，并且能增加土壤中微量元素的含量，但是在煤矸石使用前，对原料测试仅测试了化学成分和物相分析，并没有对其中有害有机物质进行测定，没有对施入土壤后进行风险评估。

CN103045507A提供了一种多环芳烃场地中分离筛选高效降解细菌复合体的方法及其应用，从土壤样品中进行高分子量多环芳烃降解细菌的确定及分离纯化，优化组合，扩大培养，重新投放到长期污染的含有高浓度高分子量多环芳烃污染土壤中，并通过定期投加适量的不同配比的营养元素及其湿度的控制。但是该专利分离纯化得到的细菌对低分子量的多环芳烃降解率高，对高分子量多环芳烃的降解率不太理想。

由于目前煤矸石污染严重，其中多环芳烃对环境影响大。因此，如何提供一种能够有效降解煤矸石中的多环芳烃的方法，成为了亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种煤矸石中多环芳烃的降解方法及其应用，尤其提供一种降解效果好的煤矸石中多环芳烃的降解方法及其应用。本发明提供的煤矸石中多环芳烃的降解方法能够同时降解多种多环芳烃，降解效果好。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供了一种煤矸石中多环芳烃的降解方法，所述降解方法包括以下步骤：

将煤矸石、具有生物风化作用的微生物菌种、降解多环芳烃的微生物菌种、养分与水混合，培养，即完成煤矸石中多环芳烃的降解。

所述多环芳烃包括萘、苊烯、苊、芴、菲、蒽、荧蒽、芘、苯并[a]蒽、屈、苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽、苯并[a]芘、茚并[1,2,3-c,d]芘、二苯[a,h]并蒽、苯并[g,h,i]苝中任意一种或至少两种的组合，例如萘和苊烯的组合、苊和芴的组合或蒽和荧蒽的组合等，但不限于以上所列举的组合，上述组合范围内其他未列举的组合同样适用。

上述降解方法通过采用具有生物风化作用的微生物菌种和降解多环芳烃的微生物菌种两者复配，协同作用，显著提高了对煤矸石中多环芳烃的降解效果。

所述培养包括避光培养和非避光培养。

优选地，所述煤矸石与具有生物风化作用的微生物菌种的质量比为1000:(0.1-0.4)。

优选地，所述混合的体系中的含水量为10-60％。

其中，煤矸石与具有生物风化作用的微生物菌种的质量比可以是1000:0.1、1000:0.15、1000:0.2、1000:0.25、1000:0.3、1000:0.35或1000:0.4等，含水量可以是10％、20％、30％、40％、50％或60％等，但不限于以上所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述具有生物风化作用的微生物菌种包括风化黄铁矿的微生物菌种和/或风化铝硅酸盐矿物的微生物菌种。

上述特定具有生物风化作用的微生物菌种能够解离无机矿物，有效将煤矸石内部的多环芳烃暴露出来，与降解多环芳烃的微生物菌种两者复配，协同作用，提高对多环芳烃的降解效果；同时采用风化黄铁矿的微生物菌种和风化铝硅酸盐矿物的微生物菌种两者复配，进一步提高了暴露多环芳烃的效果。

优选地，所述风化黄铁矿的微生物菌种包括脱硫菌。

优选地，所述脱硫菌包括硫杆菌属菌种、硫螺菌属菌种、硫化叶菌属菌种中任意一种或至少两种的组合，例如硫杆菌属菌种和硫螺菌属菌种的组合、硫杆菌属菌种和硫化叶菌属菌种的组合或硫螺菌属菌种和硫化叶菌属菌种的组合等，但不限于以上所列举的组合，上述组合范围内其他未列举的组合同样适用。

优选地，所述风化铝硅酸盐矿物的微生物菌种包括硅酸盐细菌。

优选地，所述硅酸盐细菌包括胶质芽孢杆菌和/或解淀粉芽孢杆菌。

优选地，所述煤矸石与降解多环芳烃的微生物菌种的质量比为1000:(0.1-0.6)，例如1000:0.1、1000:0.2、1000:0.3、1000:0.4、1000:0.5或1000:0.6等，但不限于以上所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述降解多环芳烃的微生物菌种包括细菌、真菌或预筛选菌种中任意一种或至少两种的组合，例如细菌和真菌的组合、细菌和预筛选菌种的组合或真菌和预筛选菌种的组合等，但不限于以上所列举的组合，上述组合范围内其他未列举的组合同样适用，优选细菌和真菌的组合。

上述特定降解多环芳烃的微生物菌种组合的选择能够提高所述微生物菌种对煤矸石中多环芳烃的降解效果。

优选地，所述细菌包括巨大芽孢杆菌、分枝杆菌、红球菌属细菌或假单胞菌属细菌中任意一种或至少两种的组合，例如巨大芽孢杆菌和分枝杆菌的组合、分枝杆菌和红球菌属细菌的组合或巨大芽孢杆菌和假单胞菌属细菌的组合等，但不限于以上所列举的组合，上述组合范围内其他未列举的组合同样适用。

优选地，所述真菌包括白腐真菌、黄曲霉、棘孢木霉或哈茨木霉中任意一种或至少两种的组合。

优选地，所述预筛选菌种由包括以下步骤的方法制备得到：

(1)将煤矸石与水混合培养，得到菌液；

(2)将步骤(1)得到的菌液涂布于含多环芳烃的培养基中培养，观察菌落的形态特征，将生长出的菌落再接种在新的含多环芳烃的培养基中，重复上述步骤至培养基上只存有单一菌落，即得到所述预筛选菌种。

优选地，所述降解多环芳烃的微生物菌种为巨大芽孢杆菌、棘孢木霉和哈茨木霉的组合。

上述特定降解多环芳烃的微生物菌种组合的选择能够进一步提高所述微生物菌种对煤矸石中多环芳烃的降解效果。

优选地，所述养分包括氮肥和/或磷肥。

优选地，所述混合的体系中，碳元素、氮元素和磷元素的质量比为(60-300):(7-10):1，其中碳元素的份数可以是60份、80份、100份、120份、140份、160份、180份、200份、220份、240份、260份、280份或300份等，氮元素的份数可以是7份、7.5份、8份、8.5份、9份、9.5份或10份等，但不限于以上所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

上述养分的添加能够满足菌种在降解过程中的需求，使其完成对多环芳烃的降解。

优选地，所述煤矸石在混合前还经过粉碎、过筛。

优选地，所述过筛的目数为20-200目。

优选地，所述培养的时间为至少30天。

优选地，所述培养的温度为20-40℃。

优选地，所述培养过程中需进行翻动，所述翻动的频率为每15-30天1次。

其中，过筛的目数可以是20目、40目、60目、80目、100目、120目、140目、160目、180目或200目等，培养的时间可以是30天、40天、50天或60天等，温度可以是20℃、25℃、30℃、35℃或40℃等，翻动的频率可以是15天1次、16天1次、17天1次、18天1次、19天1次、20天1次、21天1次、22天1次、23天1次、24天1次、25天1次、26天1次、27天1次、28天1次、29天1次或30天1次等，但不限于以上所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

另一方面，本发明还提供了如上所述的煤矸石中多环芳烃的降解方法在固废处理中的应用。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种煤矸石中多环芳烃的降解方法，通过采用具有生物风化作用的微生物菌种和降解多环芳烃的微生物菌种两者复配，协同作用，显著提高了对煤矸石中多环芳烃的降解效果；选择特定具有生物风化作用的微生物菌种能够解离无机矿物，有效将煤矸石内部的多环芳烃暴露出来，与降解多环芳烃的微生物菌种两者复配，协同作用，提高对多环芳烃的降解效果；采用风化黄铁矿的微生物菌种和风化铝硅酸盐矿物的微生物菌种两者复配，进一步提高了暴露多环芳烃的效果；同时通过降解多环芳烃的特定微生物菌种组合的选择提高了所述微生物菌种对煤矸石中多环芳烃的降解效果。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合本发明的优选实施例来进一步说明本发明的技术方案，但本发明并非局限在实施例范围内。

以下示例中，煤矸石来自榆林；

巨大芽孢杆菌购自于北纳生物，型号为BNCC-336739；

哈茨木霉购自于北纳生物，型号为BNCC-336568；

棘孢木霉购自于北纳生物，型号为BNCC-227595；

分枝杆菌购自于北纳生物，型号为BNCC-104221；

白腐真菌购自于北纳生物，型号为BNCC-336257；

硫化叶菌购自于北纳生物，型号为BNCC164799；

硫杆菌和硫螺菌购自于北纳生物，型号为BNCC340818

胶质芽孢杆菌购自于北纳生物，型号为BNCC122448；

解淀粉芽孢杆菌购自于北纳生物，型号为BNCC188070。

制备例1

本制备例提供了一种预筛选菌种，制备方法如下：

(1)将煤矸石与水混合(固液比1kg:10L)，在30℃、200r/min下震荡培养10天，得到菌液；

(2)将步骤(1)得到的菌液涂布于含多环芳烃(萘、苊烯、苊、芴、菲、蒽、荧蒽、芘、苯并[a]蒽、屈、苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽、苯并[a]芘、茚并[1,2,3-c,d]芘、二苯[a,h]并蒽、苯并[g,h,i]苝各200mg/L)的培养基(培养基成分：KH

以下实施例中，所用预筛选菌种均来自制备例1。

实施例1

本实施例提供了一种煤矸石中多环芳烃的降解方法，具体步骤如下：

(1)将煤矸石粉碎过100目筛，取过筛后的煤矸石1000重量份，向其中加入巨大芽孢杆菌0.1重量份、棘孢木霉0.1重量份、哈茨木霉0.1重量份、硫化叶菌0.1重量份、胶质芽孢杆菌0.15重量份，混合均匀；

(2)调节步骤(1)中混合物的养分条件为添加氮肥和磷肥，并加入水，使C:N:P比为150:8.5:1，含水量为30％；

(3)在30℃下进行非避光培养，对煤矸石多环芳烃进行降解30天。

实施例2

本实施例提供了一种煤矸石中多环芳烃的降解方法，具体步骤如下：

(1)将煤矸石粉碎过20目筛，取过筛后的煤矸石1000重量份，向其中加入巨大芽孢杆菌0.1重量份、硫螺菌0.2重量份、解淀粉芽孢杆菌0.2重量份，混合均匀；

(2)调节步骤(1)中混合物的养分条件为添加氮肥和磷肥，并加入水，使C:N:P比为60:7:1，含水量为10％；

(3)在20℃下进行避光培养，对煤矸石多环芳烃进行降解30天。

实施例3

本实施例提供了一种煤矸石中多环芳烃的降解方法，具体步骤如下：

(1)将煤矸石粉碎过20目筛，取过筛后的煤矸石1000重量份，向其中加入预筛选菌种0.6重量份、硫杆菌0.1重量份，混合均匀；

(2)调节步骤(1)中混合物的养分条件为添加氮肥和磷肥，并加入水，使C:N:P比为300:10:1，含水量为60％；

(3)在40℃下进行避光培养，对煤矸石多环芳烃进行降解30天。

实施例4

本实施例提供了一种煤矸石中多环芳烃的降解方法，具体步骤中除将步骤(1)中巨大芽孢杆菌0.1重量份、棘孢木霉0.1重量份、哈茨木霉0.1重量份替换为巨大芽孢杆菌0.15重量份、分枝杆菌0.15重量份外，其余与实施例1一致。

实施例5

本实施例提供了一种煤矸石中多环芳烃的降解方法，具体步骤中除将步骤(1)中巨大芽孢杆菌0.1重量份、棘孢木霉0.1重量份、哈茨木霉0.1重量份替换为白腐真菌0.15重量份、棘孢木霉0.15重量份外，其余与实施例1一致。

实施例6

本实施例提供了一种煤矸石中多环芳烃的降解方法，具体步骤中除将步骤(1)中巨大芽孢杆菌0.1重量份、棘孢木霉0.1重量份、哈茨木霉0.1重量份替换为巨大芽孢杆菌0.3重量份外，其余与实施例1一致。

实施例7

本实施例提供了一种煤矸石中多环芳烃的降解方法，具体步骤中除将步骤(1)中巨大芽孢杆菌0.1重量份、棘孢木霉0.1重量份、哈茨木霉0.1重量份替换为哈茨木霉0.3重量份外，其余与实施例1一致。

实施例8

本实施例提供了一种煤矸石中多环芳烃的降解方法，具体步骤中除步骤(3)中降解时间为60天外，其余与实施例1一致。

实施例9

本实施例提供了一种煤矸石中多环芳烃的降解方法，具体步骤中除不含有硫化叶菌、减少部分分配给胶质芽孢杆菌外，其余与实施例1一致。

实施例10

本实施例提供了一种煤矸石中多环芳烃的降解方法，具体步骤中除不含有胶质芽孢杆菌、减少部分分配给硫化叶菌外，其余与实施例1一致。

对比例1

本对比例提供了一种煤矸石中多环芳烃的降解方法，具体步骤中除步骤(1)中不包含硫化叶菌和胶质芽孢杆菌、减少部分按比例分配给巨大芽孢杆菌、棘孢木霉和哈茨木霉外，其余与实施例1一致。

对比例2

本对比例提供了一种煤矸石中多环芳烃的降解方法，具体步骤中除步骤(1)中不包含巨大芽孢杆菌、棘孢木霉和哈茨木霉、减少部分按比例分配给硫化叶菌和胶质芽孢杆菌外，其余与实施例1一致。

对比例3

本对比例提供了一种煤矸石中多环芳烃的降解方法，具体步骤如下：

(1)将煤矸石粉碎过100目筛，取过筛后的煤矸石1000重量份，向其中加入巨大芽孢杆菌0.1重量份、棘孢木霉0.1重量份、哈茨木霉0.1重量份、硫化叶菌0.1重量份、胶质芽孢杆菌0.15重量份，混合均匀；

(2)向步骤(1)中的混合物加入水，含水量为30％；

(3)在30℃下进行避光培养，对煤矸石多环芳烃进行降解30天。

降解性能测试：

对实施例1-10和对比例1-3中降解后的样品与空白对照(原始煤矸石样品)中的多环芳烃进行HPLC(C18 4.6mm×250mm×5μm)检测，结果如下：

以上结果可以看出本发明提供的降解方法对于煤矸石中的多环芳烃具有优秀的降解效果；比较实施例1和实施例4、5可以发现，本发明通过采用优选细菌和真菌联用的方式进一步提高了对多环芳烃的降解效果；比较实施例1和实施例4-7可以发现，在本发明优选的微生物菌种组合范围内，降解效果进一步提高；比较实施例1和实施例8可以发现，可以通过适当延长降解时间以提高降解效果；比较实施例1和实施例9-10可以发现，本发明通过采用风化黄铁矿的微生物菌种和风化铝硅酸盐矿物的微生物菌种二者复配，协同作用，进一步提高了暴露多环芳烃的效果，进而提高了对多环芳烃的降解效果；比较实施例1和对比例1-2可以发现，本发明通过采用具有生物风化作用的微生物菌种和降解多环芳烃的微生物菌种二者复配，协同作用，显著提高了对多环芳烃的降解效果；比较实施例1和对比例3可以发现，本发明通过添加养分提高了菌种对对多环芳烃的降解效果。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的煤矸石中多环芳烃的降解方法及其应用，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。