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，嚴重威脅著人類和生物的生存。因此,采取經(jīng)濟而有效的方法處理重金屬污水,同時達到回收貴重金屬的目的,已成為當今環(huán)保領(lǐng)域中的一個突出問題。隨著環(huán)保要求的日益提高,重金屬污水的治理已經(jīng)開始進入清潔生產(chǎn)、總量控制和循環(huán)經(jīng)濟整合階段。推行清潔生產(chǎn)、實施循環(huán)經(jīng)濟,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,同時采用全過程控制,結(jié)合污水綜合治理工藝,最終實現(xiàn)污水零排放的目的。多數(shù)重金屬價格昂貴,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,還會產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益。電化學(xué)法處理重金屬污水時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,達不到理想的效果。因此,為了滿足日益嚴格的環(huán)保要求,可將幾種技術(shù)集成起來處理重金屬污水,從而同時發(fā)揮多種技術(shù)的長處。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,對重金屬的污染源頭進行嚴格的控制和監(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效果較好,而對于較低濃度的污水,原材料成本和操作費用相對過高,生產(chǎn)周期長,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、運行成本低、無二次污染等優(yōu)點,具有廣闊的發(fā)展前景。1實驗部分1.1化學(xué)試劑：雙硫海藻酸鈉,天津北聯(lián)精細化學(xué)品開發(fā)公司;聚乙烯醇,國藥集團化學(xué)試劑公司;檸檬酸銨,北京北化精細化學(xué)品公司;雙硫腙,國藥集團化學(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,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,SW-CJ-2F型凈化工作臺,721E型可見分光光度計。1.2實驗方法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)法實驗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,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行吸附的Ni2+、Zn2+、Cu2+的混合溶液中,在振蕩培養(yǎng)箱中進行振蕩吸附,吸附后取定量的上清液,用可見分光光度法測定其中的Ni2+、Zn2+、Cu2+的濃度,根據(jù)下式計算吸附率: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定其中的Ni2+、Zn2+和Cu2+的濃度,計算吸附率,實驗結(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Ni2+、Zn2+、Cu2+的吸附率逐漸增大。但當pH值過高時,由于金屬離子發(fā)生水解,不利于生物吸附的進行,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定其中的Ni2+、Zn2+和Cu2+的濃度,計算吸附率,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,當金屬離子的初始濃度較小時,吸附率隨初始濃度的增大而上升。當初始濃度為40mg/L時,固定化啤酒酵母對三種離子的吸附率達到最大值。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定其中的Ni2+、Zn2+和Cu2+的濃度,計算吸附率,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。當投加的菌體濃度為15g/L時,固定化啤酒酵母對Ni2+、Zn2+、Cu2+的吸附率達到最大值。當菌體濃度繼續(xù)增加時,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定其中的Ni2+、Zn2+和Cu2+的濃度,計算吸附率,實驗結(jié)果如圖4所示。由實驗結(jié)果可知,固定化啤酒酵母對Ni2+、Zn2+、Cu2+的吸附率隨著吸附時間的延長而增大。當吸附時間達到140min時,固定化啤酒酵母對Ni2+、Zn2+、Cu2+的吸附均達到平衡,此后延長時間吸附率基本不變。因此實驗選擇140min為最佳吸附時間。2.5固定化啤酒酵母菌對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定其中的Ni2+、Zn2+和Cu2+的濃度,計算吸附率,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,提高吸附溫度能夠增強固定化啤酒酵母對三種金屬離子的生物吸附,當溫度為25℃～30℃時,酵母菌對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℃。考慮到實際操作的可能性,在實際生產(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,對水樣振蕩吸附140min。吸附后取上清液,用可見分光光度法測定其中的Ni2+、Zn2+、Cu2+的濃度,計算吸附率,實驗結(jié)果表明,在最佳吸附條件下,固定化啤酒酵母對稀釋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相同初始濃度實驗溶液中離子的吸附率,這可能是因為水樣中存在其他成分,這些成分對酵母菌吸附Ni2+、Zn2+、Cu2+的過程有一定的影響。3固定化啤酒酵母菌ni2+、cu2+對重金屬的吸附能力實驗用海藻酸鈉-聚乙烯醇包埋法固定啤酒酵母菌,對重金屬污水中離子Ni2+、Zn2+、Cu2+進行生物吸附。實驗結(jié)果表明,酵母菌對Cu2+的吸附率最高,Zn2+次之,Ni2+的吸附率最小。由條件實驗得出吸附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吸附時間為140min;吸附溫度為36℃。在上述實驗條件下對工業(yè)污水進行處理,得出固定化啤酒酵母對稀釋30倍的水樣1中Ni2+和Cu2+的吸附率分別為80.17%和95.27%,對不經(jīng)稀釋的水樣3中Zn2+的吸附率為90.48%。其中,酵母菌對Cu2+的吸附能力最強,污水經(jīng)吸附處理后可達到地表水環(huán)境Ⅱ類水質(zhì)標準;Zn2+的濃度也明顯下降,符合地表水環(huán)境IV類水質(zhì)標準。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,發(fā)現(xiàn)酵母菌對Ni2+的吸附率相對較低,可考慮先采用物理或物理化學(xué)的方法將污水進行預(yù)處理后再利用酵母菌進行吸附處理,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處,最終使重金屬污水經(jīng)處理后達到水環(huán)境質(zhì)量標準后排放水體。采用生物吸附法處理重金屬污水有著獨特的優(yōu)點,但也存在著一定問題,如菌廢比較大,處理實際污水時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,同時菌株還可能存在對生長條件要