微生物吸附材料的制備及處理含Cr（VI）廢水的研究

黃曉霞, 劉 茹

（嘉應(yīng)學(xué)院化學(xué)與環(huán)境學(xué)院,廣東梅州 514015）

微生物吸附材料的制備及處理含Cr（VI）廢水的研究

黃曉霞, 劉 茹

（嘉應(yīng)學(xué)院化學(xué)與環(huán)境學(xué)院,廣東梅州 514015）

實(shí)驗(yàn)采用低質(zhì)量濃度的Cr（VI）溶液逐級馴化方法,從電鍍廠活性污泥中篩選出一株有效吸附Cr（VI）的微生物,經(jīng)個(gè)體、群體形態(tài)鑒定,該菌為交鏈包霉。將該菌擴(kuò)大培養(yǎng)后采用不同的預(yù)處理方法制備成微生物吸附材料,用于處理模擬含鉻廢水。實(shí)驗(yàn)表明:經(jīng)0.1 mol/L的NaOH處理后的吸附劑對Cr（VI）吸附能力較強(qiáng),在p H值為2.0,吸附時(shí)間為105 min,吸附劑投加量為3.0 g,吸附溫度為35℃的條件下,處理含質(zhì)量濃度為50 mg/L的Cr（VI）廢液可達(dá)到國家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)。

微生物吸附材料;Cr（VI）;交鏈包霉

0 前言

傳統(tǒng)的處理含鉻廢水的方法主要有化學(xué)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、p H值及溫度范圍寬、吸附率及選擇性高、處理含低質(zhì)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(yōu)點(diǎn)[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(yīng)用前景。

微生物吸附法根據(jù)細(xì)胞的活性可分為失活微生物法和活體微生物法?；铙w微生物法受培養(yǎng)條件、菌齡、重金屬的質(zhì)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(guān),具有便于貯藏運(yùn)輸、適應(yīng)性強(qiáng)、更適合于處理成分復(fù)雜、活菌難于適應(yīng)的工業(yè)廢水等優(yōu)點(diǎn)。因此本實(shí)驗(yàn)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(jù)實(shí)際電鍍廢水中Cr（VI）的質(zhì)量濃度,研究該生物吸附劑對Cr（VI）的吸附特性,為該菌在實(shí)際廢水處理中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)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(jī),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(jì)。

（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(yǎng)基

（a）基礎(chǔ)培養(yǎng)基 牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、馬丁氏培養(yǎng)基、馬鈴薯培養(yǎng)基;

（b）Cr（VI）篩選培養(yǎng)基 在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中分別加入含不同質(zhì)量濃度的Cr（VI）的溶液。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）抗性菌株的馴化及篩選

首先,使用Cr（VI）的質(zhì)量濃度為5 mg/L的初篩基礎(chǔ)培養(yǎng)基進(jìn)行固體馴化培養(yǎng),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(fù)篩培養(yǎng)基中[Cr（VI）的質(zhì)量濃度分別為10,20,30,40,50 mg/L],進(jìn)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(yǎng),并考察培養(yǎng)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(biāo)菌種,記錄菌種數(shù)量和形態(tài)特征。本實(shí)驗(yàn)微生物的培養(yǎng)條件為28℃,2～5天;吸附實(shí)驗(yàn)是在25℃,p H值為2.0的條件下,取 20 mL菌液加入到 100 mL含50 mg/L的Cr（VI）的溶液中,振蕩30 min后離心,取上清液測Cr（VI）的質(zhì)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(shí)驗(yàn)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(yōu)良菌株分別采用不同的預(yù)處理方法制備成生物吸附劑。表1是各種處理方法的實(shí)驗(yàn)條件。

（4）吸附實(shí)驗(yàn)

考察了在100 mL含Cr（VI）的質(zhì)量濃度為50 mg/L的溶液中,吸附劑的用量、p H值、接觸時(shí)間、溫度以及處理方法對吸附量的影響,并用下式計(jì)算生物吸附劑的吸附量:

表1 各種處理方法的實(shí)驗(yàn)條件

式中:q為吸附量,mg/g;C0為吸附前溶液中的Cr（VI）的質(zhì)量濃度,mg/L;Ce為吸附平衡后溶液中的Cr（VI）的質(zhì)量濃度,mg/L;V為溶液的體積,L;W為生物吸附劑的質(zhì)量,g。

2 結(jié)果與討論

2.1 菌種的篩選與鑒定

經(jīng)過逐級提高Cr（VI）的質(zhì)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(yǎng)基培養(yǎng)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(jù)個(gè)體、群體特點(diǎn)按文獻(xiàn)[10]進(jìn)行鑒定。該菌落在馬丁氏培養(yǎng)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(shí)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(gè)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(yǎng)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(yǎng)基中培養(yǎng)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(jìn)而形成較大的菌絲球[11],如圖1（c）所示。根據(jù)以上特征,經(jīng)查閱有關(guān)文獻(xiàn),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

圖1 MM-5 SEM照片

采用5種不同的方法處理經(jīng)馬丁氏培養(yǎng)液在28℃的條件下培養(yǎng)72 h后所得的MM-5菌絲球。取2.0 g經(jīng)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(zhì)量濃度,并計(jì)算吸附量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如圖2所示。

圖2 不同處理方法對吸附Cr（VI）的影響

由圖2可知:經(jīng)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(xì)胞壁上的無定形多糖,同時(shí)可以溶解細(xì)胞上一些不利于吸附的雜質(zhì),暴露出細(xì)胞上更多的活性結(jié)合點(diǎn),使吸附量增大[12]。

2.3 吸附條件對Cr（VI）吸附的影響

2.3.1 p H值的影響

在不同p H值條件下做吸附實(shí)驗(yàn),稱取2.0 g MM-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(zhì)量濃度,計(jì)算吸附量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如圖3所示。

圖3 p H值對吸附量的影響

由圖3可知:隨著p H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?yàn)槿芤旱膒 H值影響微生物吸附劑的重金屬吸附位點(diǎn)和Cr（VI）的化學(xué)狀態(tài)。p H值較低時(shí),細(xì)胞壁的功能基團(tuán)被質(zhì)子化,由于靜電吸引力的作用使Cr（VI）靠近微生物細(xì)胞,吸附量較大。在不同p H值條件下,Cr（VI）在溶液中的存在形態(tài),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(tài)與MM-5微生物吸附劑作用,所以當(dāng)p H值為2時(shí)吸附存在最大值。

圖4 不同p H值下Cr（VI）的形態(tài)分布

2.3.2 吸附時(shí)間的影響

稱取2.0 g MM-5微生物吸附劑,加入到p H值為2.0,100 mL含Cr（VI）50 mg/L的溶液中,在35℃下振蕩一定時(shí)間后,離心取上清液,測Cr（VI）的質(zhì)量濃度,計(jì)算不同時(shí)間下Cr（VI）的吸附量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如圖5所示。

圖5 時(shí)間對吸附量的影響

由圖5可知:隨著振蕩時(shí)間的延長,Cr（VI）的吸附量逐步提高,當(dāng)吸附時(shí)間達(dá)到120 min時(shí),MM-5微生物吸附劑對Cr（VI）的吸附量為2.310 mg/g,此后再延長吸附時(shí)間,吸附量增加不大。綜合考慮,吸附時(shí)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p H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(zhì)量濃度,計(jì)算Cr（VI）的吸附量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如圖6所示。

圖6 溫度對吸附量的影響

由圖6可知:在20～50℃范圍內(nèi),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(xù)升高溫度,吸附量稍有下降?？紤]到能耗,實(shí)驗(yàn)溫度采用35℃。

2.3.4 吸附劑投加量的影響

準(zhǔn)確稱取一定量的MM-5微生物吸附劑,加入到p H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(zhì)量濃度,計(jì)算Cr（VI）的吸附量和去除率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如圖7所示。

圖7 吸附劑投加量的影響

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?yàn)槲絼┯昧康脑黾?。?jīng)綜合考慮,本實(shí)驗(yàn)選擇3.0 g作為吸附劑投加量。

3 結(jié)論

（1）本實(shí)驗(yàn)采用含低質(zhì)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(qiáng)吸附能力的菌株,經(jīng)鑒定為交鏈包霉,將其命名為MM-5。

（2）預(yù)處理對吸附效果有不同的影響,經(jīng)0.1 mol/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(dá)到2.350 mg/g。

（3）通過吸附實(shí)驗(yàn)確定該微生物吸附劑的最佳吸附條件為:p H值2.0,吸附時(shí)間105 min,吸附劑投加量3.0 g,溫度對吸附影響不大,從實(shí)際出發(fā)選擇吸附溫度為35℃。

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Preparation of Microbio-Sorbent Material and Treatment of Wastewater Containing Cr（VI）

HUANG Xiao-xia, LIU Ru
（The School of Chemistry and Environment,Jiaying University,Meizhou 514015,China）

A gradual domestication method with a low mass concentration Cr（VI）solution was used in the experiment.A strain of microorganism,which was selected from the activated sludge of electroplating factory and could effectively adsorb Cr（VI）was prepared by gradual domestication method.From individual and group morphological identification,the germ was identified as alternaria,which,after cultured,was prepared into a microbio-sorbent material by using different pretreatment methods for treating an analog Cr（VI）containing wastewater.The experiment shows that the optimal adsorption conditions are:p H 2.0,time 105 min,dosage 3.0 g,temperature 35℃and the microbio-sorbent was processed with 0.1 mol/L NaOH.Under such conditions,a wastewater containing 50 mg/L of Cr（VI）can be treated up to the national integrated wastewater discharge standards.

microbio-sorbent material;Cr（VI）;alternaria

TQ 153

A

1000-4742（2011）04-0036-04

2010-11-17

·陽極氧化·