一種新型生物絮凝劑來提高水中銅離子的去除

徐 亮，霍銘遠(yuǎn)，張志鵬，曾繁城，孫彩云，孫大志，張 峰

(1.吉林化工學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；2.天津晟方環(huán)保科技有限公司，天津 300000；3.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)中心，成都 610081)

銅廣泛應(yīng)用于冶金，機(jī)械制造，電鍍，化學(xué)等行業(yè).在農(nóng)林業(yè)中，硫酸銅可以防治病蟲害，抑制水中藻類的增殖.氯化銅，硫酸銅，硝酸銅等易溶于水.正常人體銅的總含量約為100～150 mg[1].然而，過量攝入會(huì)刺激消化系統(tǒng)，引起腹痛和嘔吐.人的口服致死劑量約為10 g[2]，銅對(duì)低等生物和作物的毒性相對(duì)較高.當(dāng)銅的濃度達(dá)到0.1～0.2 mg/L時(shí)[3]，魚就會(huì)死亡.當(dāng)它與鋅共存時(shí)，毒性會(huì)增加，對(duì)貝類水的毒性會(huì)更大[4].一般來說，水產(chǎn)養(yǎng)殖用水中銅的濃度要求低于0.01 mg/L[5].對(duì)于農(nóng)作物來說，銅是毒性最大的重金屬，吸收銅離子后固定在根皮層，影響?zhàn)B分吸收.當(dāng)灌溉水中銅含量較高時(shí)，即在土壤和作物中積累，可使作物枯萎[6].

去除水中銅離子的方法有很多，目前處理方法主要有化學(xué)沉淀法，離子交換法，電化學(xué)法和吸附法等[7].化學(xué)沉淀法常用于處理工業(yè)廢水，但常常會(huì)產(chǎn)生硫化氫氣體，造成二次污染[8]；離子交換法可對(duì)金屬進(jìn)行回收利用，但在處理過程中會(huì)產(chǎn)生多余廢液，時(shí)間周期較長(zhǎng)，普遍適用性較差[9].電化學(xué)法處理效果較好，運(yùn)行成本低，由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)受到廣泛的應(yīng)用[10].吸附法相比較其他傳統(tǒng)的處理方法具有高效、節(jié)能、可循環(huán)利用、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[11].

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基：牛肉浸膏5 g/L、蛋白胨10 g/L、氯化鈉5 g/L、酵母膏1.5 g/L

生物產(chǎn)絮培養(yǎng)基：磷酸二氫鉀7 g/L、葡萄糖20 g/L、氯化鈉0.1 g/L、硫酸銨0.2 g/L、尿素0.5 g/L、酵母浸膏粉0.5 g/L、結(jié)晶硫酸鎂0.2 g/L.

主要儀器設(shè)備：TG16G高速離心機(jī)、VD-850桌上型(垂直送風(fēng))凈化工作臺(tái)、DHP-260電熱恒溫培養(yǎng)箱、HJ-6磁力加熱攪拌器、100 L光照培養(yǎng)箱、HY-2調(diào)速多用振蕩器、YXQ-75SII立式壓力蒸汽滅菌器.

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1 菌株的16S rDNA鑒定

將16SrDNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增，引物(27F：AGAGTTGATCCTGGCTCAG和1492R：GGTTACC TTGTTACGACTT)用于擴(kuò)增和菌株鑒定.

PCR反應(yīng)由3個(gè)步驟組成：①變性：將反應(yīng)體系升溫至95 ℃左右，待擴(kuò)增DNA變性分解成兩條單鏈，各自作為模板.②退火，將溫度降至引物的Tm值以下(55 ℃左右)，兩條引物各自與兩條單鏈DNA模板的互補(bǔ)區(qū)域結(jié)合.③延伸，將溫度升到72 ℃左右，Taq DNA聚合酶催化四種dNTP，從引物3′端開始，依據(jù)模板堿基序列互補(bǔ)的方式依次聚合，合成一條新的互補(bǔ)的DNA鏈，而這種新鏈又可成為下次循環(huán)的模板.

1.2.2 生物絮凝劑的制備

(1)取培養(yǎng)液1 000 mL，6 000 r/min，離心5 min，取上清液；

(2)加入等體積丙醇，4 ℃過夜(6 h以上)；

(3)12 000 r/min離心10 min，去上清液；

(4)重復(fù)第(3)步兩次；

(5)用乙醚洗滌沉淀物，通過有機(jī)濾膜過濾得微生物絮凝劑的干制品.

1.2.3 納米GO的制備

將2.0 g石墨粉加入到50 mLH2SO4溶液中，2.0 g NaNO3溶解.攪拌15 min后，緩慢加入6.0 gKMnO4(保持系統(tǒng)溫度低于15 ℃)，在35 ℃下反應(yīng)1 h，升溫至90 ℃15 min，加入200 mL的蒸餾水.加熱至沸騰反應(yīng)15 min；降至室溫，加入12 mLH2O2，反應(yīng)8 h，過濾收集固體混合物，分別用稀鹽酸和蒸餾水離心洗滌混合物，直至離心溶液中沒有SO4離子(用BaCl2溶液檢測(cè))；60 ℃真空干燥至恒重，得GO粉.將0.2 g GO粉末分散在400 mL蒸餾水中.室溫超聲6 h，即濃度約0.5 mg/mL的GO懸液，備用.

1.2.4 菌株對(duì)銅離子的絮凝特性

加入蒸餾水，將微生物絮凝劑稀釋至60 mg/L進(jìn)行銅絮凝試驗(yàn).分析絮凝條件溫度(℃)，pH值，絮凝時(shí)間(h)，生物絮凝劑投加量(mg/L)，GO誘導(dǎo)劑投加量(mg/L)對(duì)絮凝效果的影響.將pH由0.1 MHCl和0.1MNaOH調(diào)整為3.0～10左右.同樣，溫度的影響是在期望的溫度下培養(yǎng)的.

確定了pH值、絮凝時(shí)間、GO誘導(dǎo)劑和溫度的范圍.選擇的pH值、絮凝時(shí)間、GO誘導(dǎo)劑和溫度范圍分別為4～10、0～3 h、2.5～17.5 mg/L和5～35 ℃.

2 結(jié)果與討論

2.1 菌株的16S rDNA鑒定

以(27F：AGAGTTGATCCTGGCTCAG和1492R：GGTTAC CTTGTTACGACTT)為引物，進(jìn)行PCR擴(kuò)增，用于16S rDNA擴(kuò)增和菌株鑒定，序列相似性超過97.1%.測(cè)序數(shù)據(jù)的比較表明，該菌株為植生烏拉爾菌(Raoultella planticola)，NCBI訪問編號(hào)KC456530.1顯微鏡觀察菌株的形態(tài)特征，用Bergey系統(tǒng)細(xì)菌學(xué)手冊(cè)鑒定菌株的生理生化特征.植生烏拉爾菌是一種革蘭氏陰性，需氧，棒狀細(xì)菌.

2.2 pH對(duì)絮凝效率的影響

圖1顯示了在pH=5時(shí)達(dá)到的最高絮凝效率.隨著pH值從4增加到5，絮凝效率從85.65%提高到86.01%，隨著pH值增加到9，絮凝效率下降到65.66%.如果改變pH值，絮凝會(huì)完全不同，例如，銅離子在堿性條件下會(huì)沉淀.

pH圖1 pH對(duì)絮凝效率的影響

2.3 時(shí)間對(duì)絮凝效率的影響

圖2表明，絮凝效率在1.62 h達(dá)到最大值，隨著絮凝時(shí)間從0.05增加到1.62 h，絮凝效率從51.21%增加到80.55%，隨著絮凝時(shí)間增加到3 h，絮凝效率降低到60.16%.

時(shí)間/h圖2 時(shí)間對(duì)絮凝效率的影響

2.4 GO投加量對(duì)絮凝效率的影響

結(jié)果表明，投加量在13.11 mg/L時(shí)達(dá)到絮凝效率最大值.隨著生物絮凝劑用量從2.5 mg/L增加到13.11 mg/L，絮凝效率從12.77%提高到87.26%.生物絮凝劑投加量增加到17.5 mg/L，絮凝效率下降到76.60%.圖3顯示了在13.11 mg/L時(shí)達(dá)到的最高絮凝效率.隨著GO誘導(dǎo)劑從1.5 mg/L增加到10.5 mg/L，絮凝效率從76.59%提高到90.88%.

GO投加量/(mg·L-1)圖3 GO投加量對(duì)絮凝效率的影響

2.5 溫度和GO投加量共同對(duì)絮凝效率的影響

研究顯示，溫度單因素對(duì)絮凝效率影響并不顯著，溫度從5 ℃提高到35 ℃，絮凝效率僅提高8.39%.而溫度和GO助凝劑投加量是影響絮凝效率的重要因素，二者共同作用對(duì)銅離子絮凝效率有顯著影響.并且在GO助凝劑投加量為13.11 mg/L時(shí)達(dá)到最大絮凝效率，絮凝效率為86.01%.

2.6 GO和生物絮凝劑的Zeta電位和傅里葉變換紅外光譜儀分析

研究了GO和生物絮凝劑紅外輻射(IR)光譜見圖4.

Temperature/(mg·L-1)

Temperature/℃圖4 響應(yīng)面和等高線圖同時(shí)顯示了影響絮凝效率的兩個(gè)因素

2.7 生物絮凝劑和GO誘導(dǎo)劑的掃描電鏡分析

GO的大表面富含含氧官能團(tuán)，如羥基和羧基，使其在水環(huán)境中具有極強(qiáng)的親水性如圖5(a)所示，但同時(shí)，作為層狀有機(jī)物，其離子性能也很好，這是我們使用它作為助凝劑的主要原因.在研究和實(shí)驗(yàn)中，這種特性對(duì)銅離子的去除起著關(guān)鍵作用[15].在絮凝過程中，捕網(wǎng)是絮凝機(jī)理的主要因素，如圖5(b)所示，但同時(shí)，我們的實(shí)驗(yàn)表明，由于GO助凝劑的作用，電中和壓縮雙電層在絮凝過程中也起著關(guān)鍵作用.雖然我們只有zeta電位的數(shù)據(jù)結(jié)果，但很明顯，是符合這樣的結(jié)論的[16].低劑量(12 mg/L)的誘導(dǎo)效率超過80%.作為一種長(zhǎng)鏈生物聚合物，生物絮凝劑架橋連接GO顆粒和銅，如圖5(b)所示.當(dāng)絮凝劑不足時(shí)，架橋現(xiàn)象不會(huì)有效地形成.同時(shí)，即使GO起到壓縮雙電層的作用，使銅離子短時(shí)間附著在其表面，由于沒有足夠的生物絮凝劑，這種去除效果也不能長(zhǎng)期發(fā)揮，因此生物絮凝劑的分散保證了去除率.這些氧官能團(tuán)使GO在水中具有良好的分散性.如圖4所示，生物絮凝劑的zeta電位測(cè)量表明，絮凝劑在堿性和酸性條件下主要帶負(fù)電.據(jù)報(bào)道，GO在不同的pH值下具有不同的電態(tài).是酸性條件下的正電荷(pH值低于4)，中性和堿性條件下的負(fù)電荷(pH值高于4).這一結(jié)果證明了銅離子作為陽離子，可以與GO和生物絮凝劑充分連接，吸附和吸附，最終被去除[17-18].

Wavelength/nm(a)GO的紅外輻射；

Wavelength/nm(b)生物絮凝劑的紅外輻射；

pH(c)GO誘導(dǎo)劑溶液生物絮凝劑的Zeta電位；

pH(d)絮凝后溶液的Zeta電位圖5 用GO誘導(dǎo)劑溶液絮凝前后生物絮凝劑的Zeta電位和GO和生物絮凝劑的傅里葉變換紅外光譜儀分析

(a)生物絮凝劑；

(b)用GO誘導(dǎo)劑用生物絮凝劑絮凝銅圖6 掃描電子顯微鏡

3 結(jié) 論

(1)從吉林污水處理廠活性污泥中篩選出一株高效絮凝銅離子的菌株，通過16S rDNA 鑒定該菌株為植生烏拉爾菌(Raoultella planticola)，NCBI訪問編號(hào)KC456530.1.

(2)在pH=5，絮凝時(shí)間為1.62 h，GO助凝誘導(dǎo)劑13.11 mg/L時(shí)，有最大絮凝效率，絮凝效率達(dá)到86.01%.