微生物吸附材料的制備及處理含Cr ( VI )廢水的研究
前言
傳統的處理含鉻廢水的方法主要有化學還原法[1-2]、膜分離法[3]、電解法[4]、吸附法[5]、離子交換法[6-7]等,這些方法不同程度地存在二次污染或成本過高等問題。微生物吸附法具有資金投入少、操作成本低、pH值及溫度范圍寬、吸附率及選擇性高、處理含低質量濃度的金屬的廢水效果好以及能有效回收一些貴重金屬等優點[8]。因此,在處理重金屬污染和回收貴重金屬方面有廣闊的應用前景。
微生物吸附法根據細胞的活性可分為失活微生物法和活體微生物法。活體微生物法受培養條件、菌齡、重金屬的質量濃度等諸多因素限制;而失活微生物菌體作為吸附劑與生物的新陳代謝作用無關,具有便于貯藏運輸、適應性強、更適合于處理成分復雜、活菌難于適應的工業廢水等優點。因此本實驗從電鍍廠活性污泥中分離出高效吸附鉻菌株,制備成失活微生物吸附劑;再根據實際電鍍廢水中Cr(VI)的質量濃度,研究該生物吸附劑對Cr(VI)的吸附特性,為該菌在實際廢水處理中的應用提供理論依據。
1 實驗
1.1 實驗材料
(1)菌種來源
采自梅州市某電鍍廠污水處理活性污泥。
(2)主要儀器
TGL-16型高速離心機,YXQ-LS-50SII型立式壓力蒸汽滅菌鍋, XSP-4C型生物顯微攝影儀,ZD-85型恒溫振蕩器,722S型可見分光光度計。
(3)主要試劑
牛肉膏,葡萄糖,孟加拉紅,蛋白胨,重鉻酸鉀,二苯碳酰二肼,以上試劑均為分析純。
(4)培養基
(a)基礎培養基 牛肉膏蛋白胨培養基、馬丁氏培養基、馬鈴薯培養基;
(b) Cr(VI)篩選培養基 在基礎培養基中分別加入含不同質量濃度的Cr(VI)的溶液。
1.2 實驗方法
(1)抗性菌株的馴化及篩選
首先,使用Cr(VI)的質量濃度為5 mg/L的初篩基礎培養基進行固體馴化培養,采用平板稀釋法分離抗性菌株。將初篩得到的純種菌株分別接種到固體復篩培養基中[Cr(VI)的質量濃度分別為10,20,30,40,50 mg/L],進行逐級馴化,觀察生長情況,逐步淘汰抗Cr(VI)能力差的菌株。將篩選得到的高效抗Cr(VI)菌種傳代培養,并考察培養后的菌體對水中Cr(VI)的吸附去除性能,以吸附去除性能較好的微生物菌體作為本研究的目標菌種,記錄菌種數量和形態特征。本實驗微生物的培養條件為28℃,2~5天;吸附實驗是在25℃,pH值為2.0的條件下,取20 mL菌液加入到100 mL含50mg/L的Cr(VI)的溶液中,振蕩30 min后離心,取上清液測Cr(VI)的質量濃度,測得各菌體對水中Cr(VI)的去除效果。
(2) Cr(VI)的分析方法
實驗分析采用二苯基碳酰二肼分光光度法測定Cr(VI)[9]。
(3)生物吸附劑的制備
將篩選得到的優良菌株分別采用不同的預處理方法制備成生物吸附劑。表1是各種處理方法的實驗條件。
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(4)吸附實驗
考察了在100 mL含Cr(VI)的質量濃度為50mg/L的溶液中,吸附劑的用量、pH值、接觸時間、溫度以及處理方法對吸附量的影響,并用下式計算生物吸附劑的吸附量:
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式中:q為吸附量,mg/g;C0為吸附前溶液中的Cr(VI)的質量濃度,mg/L;Ce為吸附平衡后溶液中的Cr(VI)的質量濃度,mg/L;V為溶液的體積,L;W為生物吸附劑的質量,g。
2 結果與討論
2.1 菌種的篩選與鑒定
經過逐級提高Cr(VI)的質量濃度篩選得到的菌種對水中的Cr(VI)均有一定的去除效果,其中以馬丁氏培養基培養出的一株菌種對Cr(VI)的去除率最高,將其命名為MM-5。將分離純化后的MM-5菌株根據個體、群體特點按文獻[10]進行鑒定。該菌落在馬丁氏培養基平板上生長24 h后,在平板表面先是長出白色的菌絲,然后隨著時間的延長,菌絲的上面長出綠色的孢子,孢子的顏色也漸漸的加深;72 h后菌落蔓延了整個平板,呈致密絨狀,中央稍隆起,表面呈近墨綠色,如圖1(a)所示。取菌絲于顯微鏡下觀察,營養菌絲無色,沒有橫隔,其頂端形成分生孢子鏈,孢子的形狀有圓形,有橢圓形,如圖1(b)所示。該菌在液體培養基中培養12 h后開始形成菌絲球,其過程是:孢子互相凝聚形成晶核,由孢子生成的菌絲不斷地纏繞在晶核上,進而形成較大的菌絲球[11],如圖1(c)所示。根據以上特征,經查閱有關文獻,將該菌株鑒定為交鏈包霉。
2.2 制備方法對Cr(VI)吸附的影響
采用5種不同的方法處理經馬丁氏培養液在28℃的條件下培養72 h后所得的MM-5菌絲球。取2.0 g經不同方法處理后所得的MM-5微生物吸附劑加入到100 mL含Cr(VI) 50 mg/L的錐形瓶中,在35℃條件下振蕩150 min,離心取上清液,測Cr(VI)的質量濃度,并計算吸附量,實驗結果,如圖2所示。
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由圖2可知:經0.1 mol/L的NaOH處理后的MM-5微生物吸附劑對Cr(VI)的吸附效果最好。其原因可能是堿處理可以去除細胞壁上的無定形多糖,同時可以溶解細胞上一些不利于吸附的雜質,暴露出細胞上更多的活性結合點,使吸附量增大[12]。
2.3 吸附條件對Cr(VI)吸附的影響
2.3.1 pH值的影響
在不同pH值條件下做吸附實驗,稱取2.0 gMM-5微生物吸附劑,加入到100 mL含Cr(VI)50 mg/L的溶液中,在35℃下振蕩150 min后,離心取上清液,測Cr(VI)的質量濃度,計算吸附量,實驗結果,如圖3所示。
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由圖3可知:隨著pH值的變化,吸附劑對Cr(VI)的吸附量先上升后下降,存在最大值。這是因為溶液的pH值影響微生物吸附劑的重金屬吸附位點和Cr(VI)的化學狀態。pH值較低時,細胞壁的功能基團被質子化,由于靜電吸引力的作用使Cr(VI)靠近微生物細胞,吸附量較大。在不同pH值條件下,Cr(VI)在溶液中的存在形態,如圖4所示[13]。由圖4可知:吸附過程中Cr(VI)主要是以HCrO-4的形態與MM-5微生物吸附劑作用,所以當pH值為2時吸附存在最大值。
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2.3.2 吸附時間的影響
稱取2.0 g MM-5微生物吸附劑,加入到pH值為2.0,100 mL含Cr(VI) 50 mg/L的溶液中,在35℃下振蕩一定時間后,離心取上清液,測Cr(VI)的質量濃度,計算不同時間下Cr(VI)的吸附量,實驗結果,如圖5所示。
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由圖5可知:隨著振蕩時間的延長,Cr(VI)的吸附量逐步提高,當吸附時間達到120 min時,MM-5微生物吸附劑對Cr(VI)的吸附量為2.310mg/g,此后再延長吸附時間,吸附量增加不大。綜合考慮,吸附時間定為105 min。
2.3.3 溫度的影響
稱取2.0 g的MM-5微生物吸附劑,加入到pH值為2.0,100 mL含Cr(VI) 50 mg/L的溶液中,在不同的溫度下振蕩105 min后,離心取上清液,測Cr(VI)的質量濃度,計算Cr(VI)的吸附量,實驗結果,如圖6所示。
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由圖6可知:在20~50℃范圍內,升高溫度對吸附有利,MM-5微生物吸附劑對Cr(VI)的吸附量從2.240 mg/g增加到2.470 mg/g,但增加趨勢較為緩慢;繼續升高溫度,吸附量稍有下降。考慮到能耗,實驗溫度采用35℃。
2.3.4 吸附劑投加量的影響
準確稱取一定量的MM-5微生物吸附劑,加入到pH值為2.0,100 mL含Cr(VI) 50 mg/L的溶液中,在35℃下振蕩105 min后,離心取上清液,測Cr(VI)的質量濃度,計算Cr(VI)的吸附量和去除率,實驗結果,如圖7所示。
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由圖7可知:MM-5微生物吸附劑投加量越大,去除率越高,但吸附劑的吸附量降低,這說明去除率的增加主要是因為吸附劑用量的增加。經綜合考慮,本實驗選擇3.0 g作為吸附劑投加量。
3 結論
(1)本實驗采用含低質量濃度的Cr(VI)的溶液逐級馴化法,從電鍍污泥中分離得到對Cr(VI)有較強吸附能力的菌株,經鑒定為交鏈包霉,將其命名為MM-5。
(2)預處理對吸附效果有不同的影響,經0.1mol/L的NaOH處理后的MM-5微生物吸附劑對Cr(VI)的吸附量較其它處理方法的吸附量大,達到
2.350 mg/g。
(3)通過吸附實驗確定該微生物吸附劑的最佳吸附條件為:pH值2.0,吸附時間105 min,吸附劑投加量3.0 g,溫度對吸附影響不大,從實際出發選擇吸附溫度為35℃。
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