固定化啤酒酵母吸附重金屬污水中ni

固定化啤酒酵母吸附重金屬污水中ni

重金屬污染已成為世界環(huán)境的中心問題。重金屬具有毒性高、易被生物代謝、易生物富集等特點(diǎn)，嚴(yán)重威脅著人類和生物的生存。因此,采取經(jīng)濟(jì)而有效的方法處理重金屬污水,同時(shí)達(dá)到回收貴重金屬的目的,已成為當(dāng)今環(huán)保領(lǐng)域中的一個(gè)突出問題。隨著環(huán)保要求的日益提高,重金屬污水的治理已經(jīng)開始進(jìn)入清潔生產(chǎn)、總量控制和循環(huán)經(jīng)濟(jì)整合階段。推行清潔生產(chǎn)、實(shí)施循環(huán)經(jīng)濟(jì),可從源頭上削減重金屬污染物的產(chǎn)生量,提高資源的轉(zhuǎn)化率和循環(huán)利用率,同時(shí)采用全過程控制,結(jié)合污水綜合治理工藝,最終實(shí)現(xiàn)污水零排放的目的。多數(shù)重金屬價(jià)格昂貴,如將污水中的重金屬作為一種資源來回收,則不但解決了重金屬污染的問題,還會(huì)產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。電化學(xué)法處理重金屬污水時(shí)雖然可滿足這些要求,但由于一般污水中重金屬的濃度較低,用傳統(tǒng)的電化學(xué)法來處理,電流效率較低,電能消耗較高。各種重金屬污水因其行業(yè)和工藝的差異,采用單一的處理方法難免具有局限性,達(dá)不到理想的效果。因此,為了滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求,可將幾種技術(shù)集成起來處理重金屬污水,從而同時(shí)發(fā)揮多種技術(shù)的長(zhǎng)處。采用絡(luò)合-超濾-電解集成技術(shù)處理重金屬污水,超濾的濃縮液可通過電解回收重金屬,實(shí)現(xiàn)了污水回用和重金屬回收的雙重目的,為重金屬污水的根治找到了新的出路。充分利用自然界中的微生物與植物的協(xié)同凈化作用,并輔之以物理或化學(xué)方法,對(duì)重金屬的污染源頭進(jìn)行嚴(yán)格的控制和監(jiān)督,尋找凈化重金屬的有效途徑,減少并逐步避免高濃度的重金屬污水進(jìn)入城市排水管網(wǎng),將是今后重金屬污水治理的發(fā)展方向之一?；瘜W(xué)法、物理化學(xué)法和生物法都可治理和回收污水中的重金屬,但化學(xué)法和物理化學(xué)法僅在處理高濃度污水時(shí)效果較好,而對(duì)于較低濃度的污水,原材料成本和操作費(fèi)用相對(duì)過高,生產(chǎn)周期長(zhǎng),且易造成二次污染,不易被企業(yè)采納應(yīng)用。生物法具有原料來源豐富、選擇性好、去除效率高、運(yùn)行成本低、無二次污染等優(yōu)點(diǎn),具有廣闊的發(fā)展前景。1實(shí)驗(yàn)部分1.1化學(xué)試劑：雙硫海藻酸鈉,天津北聯(lián)精細(xì)化學(xué)品開發(fā)公司;聚乙烯醇,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司;檸檬酸銨,北京北化精細(xì)化學(xué)品公司;雙硫腙,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司;CJJ78-1型磁力加熱攪拌器,YB202型電子分析天平,BS-1E型振蕩培養(yǎng)箱,PHS-3B型精密酸度計(jì),DF204型電熱鼓風(fēng)干燥箱,Y×Q.SG46-280型壓力蒸汽消毒器,LD4-2型高速離心機(jī),SW-CJ-2F型凈化工作臺(tái),721E型可見分光光度計(jì)。1.2實(shí)驗(yàn)方法1.2.1去離子水處理馬鈴薯培養(yǎng)基:將馬鈴薯洗凈,去皮,切塊,稱取600g放入大燒杯內(nèi),加入1000mL去離子水,加熱煮沸20min。用8～12層濾布將固體物濾出,取馬鈴薯原液,加入60g葡萄糖,溶解后用去離子水稀釋至1200mL,分裝至250ml錐形瓶中,在121℃條件下滅菌20min。1.2.2振蕩培養(yǎng)法實(shí)驗(yàn)所用的啤酒酵母菌菌種為酵母菌干粉,在無菌條件下,稱取酵母菌干粉2.00g,加入已滅菌的培養(yǎng)基溶液中,在溫度為28℃、轉(zhuǎn)速為150r/min時(shí),于振蕩培養(yǎng)箱中振蕩培養(yǎng)20h。將該培養(yǎng)液作為種子液,放入冰箱保存,備用。無菌條件下,移取種子液15.00mL,加入已滅菌的培養(yǎng)基溶液中,在溫度為28℃、轉(zhuǎn)速為150r/min的條件下,于振蕩培養(yǎng)箱中振蕩培養(yǎng)20h。將培養(yǎng)液在轉(zhuǎn)速為4000r/min離心5min,收集菌體,于60℃下烘干,研磨成粉,收集備用。1.2.3活性物質(zhì)的提取將2%的海藻酸鈉溶液和2%的PVA溶液按質(zhì)量比5:2的比例混合,按2g菌/100ml溶液的比例加入啤酒酵母菌,用磁力加熱攪拌器攪拌均勻,用20ml的醫(yī)用注射器吸取混合溶液,將其勻速地滴入4%的CaCl2飽和硼酸溶液中,靜置鈣化4h,形成大小均勻的固定化小球,用去離子水沖洗3次,放入冰箱保存,待用。1.2.4生化活性測(cè)定混合溶液中ni2+、z2+、cu2+濃度將固定化的啤酒酵母菌小球加入需要進(jìn)行吸附的Ni2+、Zn2+、Cu2+的混合溶液中,在振蕩培養(yǎng)箱中進(jìn)行振蕩吸附,吸附后取定量的上清液,用可見分光光度法測(cè)定其中的Ni2+、Zn2+、Cu2+的濃度,根據(jù)下式計(jì)算吸附率:吸附率=吸附量/總量×100%=(總量-吸附后的量)/總量×100%2結(jié)果與討論2.1菌體濃度對(duì)ni2/、z2+和cu2+濃度的吸附效果取Ni2+、Zn2+、Cu2+的初始濃度均為100mg/L的混合溶液25mL,調(diào)節(jié)溶液pH值分別為2.01、2.52、3.01、3.48、4.00、4.53、5.02、5.49、6.04、6.49、7.00,菌體濃度均為20g/L,在溫度為28℃、轉(zhuǎn)速為180r/min的條件下,對(duì)上述溶液振蕩吸附150min。吸附后取上清液,用可見分光光度法測(cè)定其中的Ni2+、Zn2+和Cu2+的濃度,計(jì)算吸附率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可知,隨著pH值的上升,固定化啤酒酵母對(duì)Ni2+、Zn2+、Cu2+的吸附率逐漸增大。但當(dāng)pH值過高時(shí),由于金屬離子發(fā)生水解,不利于生物吸附的進(jìn)行,反而使吸附率降低。因此,固定化啤酒酵母吸附Ni2+、Zn2+和Cu2+的最佳pH值約為4.50。2.2菌體濃度對(duì)ni2+、z2+和cu2+濃度的吸附效果分別取Ni2+、Zn2+和Cu2+的初始濃度均為20、40、60、80、100、120、140mg/L的混合溶液25mL,調(diào)節(jié)pH值均為4.50,投加的菌體濃度均為20g/L,在溫度為28℃、轉(zhuǎn)速為180r/min的條件下,對(duì)上述溶液振蕩吸附150min。吸附后取上清液,用可見分光光度法測(cè)定其中的Ni2+、Zn2+和Cu2+的濃度,計(jì)算吸附率,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,當(dāng)金屬離子的初始濃度較小時(shí),吸附率隨初始濃度的增大而上升。當(dāng)初始濃度為40mg/L時(shí),固定化啤酒酵母對(duì)三種離子的吸附率達(dá)到最大值。隨著金屬離子初始濃度的增大,吸附率逐漸降低。因此,選擇Ni2+、Zn2+、Cu2+的初始濃度為40mg/L。2.3固定化啤酒酵母離子吸附能力測(cè)定取Ni2+、Zn2+、Cu2+的初始濃度均為40mg/L的混合溶液25mL,調(diào)節(jié)pH值均為4.50,投加的菌體濃度分別為6、9、12、15、18、21g/L,在溫度為28℃、轉(zhuǎn)速為180r/min的條件下,對(duì)上述溶液振蕩吸附150min。吸附后取上清液,用可見分光光度法測(cè)定其中的Ni2+、Zn2+和Cu2+的濃度,計(jì)算吸附率,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,隨著菌體濃度增加,三種離子的吸附率逐漸增大。當(dāng)投加的菌體濃度為15g/L時(shí),固定化啤酒酵母對(duì)Ni2+、Zn2+、Cu2+的吸附率達(dá)到最大值。當(dāng)菌體濃度繼續(xù)增加時(shí),吸附率基本保持不變。因此固定啤酒酵母吸附Ni2+、Zn2+、Cu2+的最佳菌體濃度為15g/L。2.4溶液振蕩的影響取Ni2+、Zn2+、Cu2+的初始濃度均為40mg/L的混合溶液25mL,調(diào)節(jié)pH值均為4.50,投加的菌體濃度均為15g/L,在溫度為28℃、轉(zhuǎn)速為180r/min的條件下,對(duì)上述溶液分別振蕩吸附60、80、100、120、140、160min。吸附后取上清液,用可見分光光度法測(cè)定其中的Ni2+、Zn2+和Cu2+的濃度,計(jì)算吸附率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,固定化啤酒酵母對(duì)Ni2+、Zn2+、Cu2+的吸附率隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。當(dāng)吸附時(shí)間達(dá)到140min時(shí),固定化啤酒酵母對(duì)Ni2+、Zn2+、Cu2+的吸附均達(dá)到平衡,此后延長(zhǎng)時(shí)間吸附率基本不變。因此實(shí)驗(yàn)選擇140min為最佳吸附時(shí)間。2.5固定化啤酒酵母菌對(duì)不同金屬離子的生物吸附能力取Ni2+、Zn2+、Cu2+的初始濃度均為40mg/L的混合溶液25mL,調(diào)節(jié)溶液的pH值均為4.50,投加的菌體濃度均為15g/L,在溫度分別為20、27、36、42、48℃,轉(zhuǎn)速為180r/min的條件下,對(duì)上述溶液振蕩吸附140min。吸附后取上清液,用可見分光光度法測(cè)定其中的Ni2+、Zn2+和Cu2+的濃度,計(jì)算吸附率,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,提高吸附溫度能夠增強(qiáng)固定化啤酒酵母對(duì)三種金屬離子的生物吸附,當(dāng)溫度為25℃～30℃時(shí),酵母菌對(duì)Ni2+、Zn2+和Cu2+的吸附率已基本接近最大值,最佳吸附溫度約為36℃?？紤]到實(shí)際操作的可能性,在實(shí)際生產(chǎn)中多選擇常溫作為吸附溫度。2.6最佳吸附條件的測(cè)定取稀釋30倍的水樣1和不經(jīng)稀釋的水樣2各25mL,調(diào)節(jié)pH值為4.50,投加的菌體濃度為15g/L,在溫度為36℃的條件下,對(duì)水樣振蕩吸附140min。吸附后取上清液,用可見分光光度法測(cè)定其中的Ni2+、Zn2+、Cu2+的濃度,計(jì)算吸附率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在最佳吸附條件下,固定化啤酒酵母對(duì)稀釋30倍的水樣1中Ni2+和Cu2+的吸附率分別為80.17%和95.27%,對(duì)不經(jīng)稀釋的水樣3中Zn2+的吸附率為90.48%,三種離子的吸附率均小于酵母菌對(duì)相同初始濃度實(shí)驗(yàn)溶液中離子的吸附率,這可能是因?yàn)樗畼又写嬖谄渌煞?這些成分對(duì)酵母菌吸附Ni2+、Zn2+、Cu2+的過程有一定的影響。3固定化啤酒酵母菌ni2+、cu2+對(duì)重金屬的吸附能力實(shí)驗(yàn)用海藻酸鈉-聚乙烯醇包埋法固定啤酒酵母菌,對(duì)重金屬污水中離子Ni2+、Zn2+、Cu2+進(jìn)行生物吸附。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,酵母菌對(duì)Cu2+的吸附率最高,Zn2+次之,Ni2+的吸附率最小。由條件實(shí)驗(yàn)得出吸附Ni2+、Zn2+、Cu2+的最佳條件為:溶液pH值為4.50;Ni2+、Zn2+、Cu2+的初始濃度為40mg/L;菌體濃度為15g/L吸附時(shí)間為140min;吸附溫度為36℃。在上述實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)工業(yè)污水進(jìn)行處理,得出固定化啤酒酵母對(duì)稀釋30倍的水樣1中Ni2+和Cu2+的吸附率分別為80.17%和95.27%,對(duì)不經(jīng)稀釋的水樣3中Zn2+的吸附率為90.48%。其中,酵母菌對(duì)Cu2+的吸附能力最強(qiáng),污水經(jīng)吸附處理后可達(dá)到地表水環(huán)境Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);Zn2+的濃度也明顯下降,符合地表水環(huán)境IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。由此可見,利用固定化啤酒酵母菌處理含有重金屬Ni2+、Zn2+、Cu2+的工業(yè)污水,具有良好的應(yīng)用前景。本研究利用固定化啤酒酵母菌處理工業(yè)污水時(shí),發(fā)現(xiàn)酵母菌對(duì)Ni2+的吸附率相對(duì)較低,可考慮先采用物理或物理化學(xué)的方法將污水進(jìn)行預(yù)處理后再利用酵母菌進(jìn)行吸附處理,也可將生物吸附法與其他多種處理方法結(jié)合起來共同處理重金屬污水,發(fā)揮各種處理方法的長(zhǎng)處,最終使重金屬污水經(jīng)處理后達(dá)到水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)后排放水體。采用生物吸附法處理重金屬污水有著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),但也存在著一定問題,如菌廢比較大,處理實(shí)際污水時(shí)需要較大體積的培菌池,處理后水中殘留微生物的去除也較難,同時(shí)菌株還可能存在對(duì)生長(zhǎng)條件要