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(guò)高等問(wèn)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(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(wú)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(duì)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(lái)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(jiàn)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(jí)馴化,觀察生長(zhǎng)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(duì)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℃,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(cè)Cr(VI)的質(zhì)量濃度,測(cè)得各菌體對(duì)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(cè)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50mg/L的溶液中,吸附劑的用量、pH值、接觸時(shí)間、溫度以及處理方法對(duì)吸附量的影響,并用下式計(jì)算生物吸附劑的吸附量:
 

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(guò)逐級(jí)提高Cr(VI)的質(zhì)量濃度篩選得到的菌種對(duì)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(duì)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(zhǎng)24 h后,在平板表面先是長(zhǎng)出白色的菌絲,然后隨著時(shí)間的延長(zhǎng),菌絲的上面長(zhǎng)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(yíng)養(yǎng)菌絲無(wú)色,沒(méi)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(kāi)始形成菌絲球,其過(guò)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(duì)Cr(VI)吸附的影響

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(cè)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。
 

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(duì)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(wú)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(duì)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(shí)驗(yàn),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(cè)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。
 

由圖3可知:隨著pH值的變化,吸附劑對(duì)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)。pH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pH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(guò)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)pH值為2時(shí)吸附存在最大值。
 

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(shí)間后,離心取上清液,測(cè)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。
 

由圖5可知:隨著振蕩時(shí)間的延長(zhǎng),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(duì)Cr(VI)的吸附量為2.310mg/g,此后再延長(zhǎng)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(cè)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。
 

由圖6可知:在20~50℃范圍內(nèi),升高溫度對(duì)吸附有利,MM-5微生物吸附劑對(duì)Cr(VI)的吸附量從2.240 mg/g增加到2.470 mg/g,但增加趨勢(shì)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(cè)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。
 

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(shuō)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(jí)馴化法,從電鍍污泥中分離得到對(duì)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(duì)吸附效果有不同的影響,經(jīng)0.1mol/L的NaOH處理后的MM-5微生物吸附劑對(duì)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(guò)吸附實(shí)驗(yàn)確定該微生物吸附劑的最佳吸附條件為:pH值2.0,吸附時(shí)間105 min,吸附劑投加量3.0 g,溫度對(duì)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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