（环境科学专业论文）含铀废水微生物处理方法研究.pdf

s t u d y o nt h e b i o s o r p t i o n o f u r a n i u m c o n t a i n i n g m a j o r e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e s p o s t g r a d u a t e b a iy u nd i r e c t o r f e n g a n r h i z o p u sa r r h i z u s w a sc h o s e dt ot r e a t u r a n i u m c o n t a i n i n g w a s t e w a t e ri nt h e s t u d y as e r i e so ff a c t o r s ，s u c ha st h er e a c t i o nt i m e ，p h ，t e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t i o n e t c ，w h i c h m i g h t i n f l u e n c e t h e b i o s o r p t i o n ，w e r e s t u d i e d s y s t e m a t i c a l l y i t s u r a n i u m - u p t a k i n gc a p a c i t y w a su pt o 1 6 2 3 m g gd r yw e i g h t ( 2 5o c ，r e a c t i o nt i m e 3 0 m i n u t e s ) w h e nt h ei n i t i a lp hw a s4 t h ea d s o r p t i o nc a p a b i l i t i e sw e r ei m p r o v e d g r e a t l yb y t h ep r e t r e a t m e n to fr h i z o p u sa _ r r h i z u sw i t hn a o h w h e nt h ei n i t i a lp hw a s 4a t2 5 t h eu r a n i u m u p t a k i n gc a p a c i t yw a s u p t o2 1 6 5 m g gd r yw e i g h t t h eo p t i u m p hw a s4 5 f e 3 + 、c u 2 + 、z n 2 + 、c o 孑。a n df c o u l da f f e c t u r a n i u ma d s o r p t i o n r e s p e c t i v e l y ，b u tk + 、n a + 、n i - h + 、c 1 。、n 0 3 。h a dn oa f f e c tt ot h eu r a n i u ma d s o r p t i o n r h i z o p u s a r r h i z u sc o u l db eu s e di nc o l u m n a d s o r p t i o nd i r e c t l y ，a n d t h e p o l y u r e t h a n ef o a mc o u l di m m o b i u z e dt h ec e i l se f f e c t i v e l y t h ea d s o r p t i o nr a t ec o u l d b eu pt o9 8 u s i n gt h ei m m o b i l i z e dc e i l sb yp r e t r e a t i n gw i t hn a o h t h ea d s o r b e d u r a n i u mc o u l db ee l u t e dq u a n t i t i v e l yw i t hn a 2 c 0 3a n dn a - - i c 0 3 t h ee l u t i o nr a t ew a s u pt o9 4 r h i z o p u s a r r h i z u sc o u l db eu s e d r e p e a t l y i te x h i b i t e dh i g h e r u p t a k e c a p a b i l i t i e sw h e n t h ea d s o r p t i o n e l a t i o nc y c l e sw a s u p t o6t i m e s t h es u r f a c e a n a l y s i s o f r h i z o p u s a n “z u ss h o w e dt h a t n h 2a n d n h c o c h 3g r o u p si nc e l lw a l lr n i g h tc o m p l e xu r a n i l ni o ni nt h es o l u t i o n t h ec e l l s h r i n k e da f t e rp r e t r e a t m e n tw i t hn a o ha n dt h e ne x p o s e dm o r ea c t i v e d g r o u p s ，w h i c h 2 r e s i l l t e di nt h ei n c r e a s eo ft h ea d s o r p t i o n c a p a c i t y t h ea d s o r p t i o nc a p a b i l i t i e so fr n z o p u sa l t h i z u si m p r o v e d h i g h e rw h e n u s e dt h e p o l y u r e t h a n ef o a mi m m o b i l i z e dc e l l sb yp r e t r e a t i n gw i t hn a o h i tw a sf o u n di d e a l r e s u l t s b yt r e a t i n gu r a n i u m - c o n t a i n i n g w a s t e w a t e r t h i sr e s e a r c h i sv a l u a b l ei n u r a n i u m - c o n t a i n i n gw a s t e w a t e r t r e a t m e n tf i e l d k e y w o r d s ：u r a i l i u mb i o s o r p t i o nr h i z o p u sa r r t t i z u sm o d i f i e d p r e t r e m e n t 3 含铀废水微生物处理方法研究 1 引言 1 1 放射性废水的来源及危害”2 1 1 1 放射性废水的来源 随着全球原子能事业的迅速发展，产生的放射性废水的数量和种类 越来越多，其来源也十分广泛，在原子能工业的各个主要生产环节以 及放射性同位素的应用中都排放出大量的放射性废水。如铀矿的开采 和水冶废水、铀的精制和核燃料制造废水、反应堆运行废水、反应堆 燃料的后处理废水、生产放射性同位素产生的废水以及使用放射性同 位素的工厂和研究部门产生的废水等。 1 1 2 放射性废水的危害 放射性废水对生态环境和人类健康危害极大，如果任其排放于环境 中，就会造成极其严重的后果。放射性废水对环境的污染主要是由其 中所含的放射性核索引起的，它们对生物和人体会产生多种损伤和致 病效应。放射性废水中的放射性核素通过外辐照和内辐照两条途径对 人体发生危害。外辐照包括废水中的辐射体( 主要是1 和口射线) 直 接对人体的辐照以及人在被放射性废水污染的水体中游泳或划船时受 到的辐照。废水中的放射性核素进人人体产生内辐照的途径有：饮用 被放射性废水污染的水；食用被放射性废水污染的水体中的水生物； 食用用放射性污染水灌溉的农作物等，即通过食物链丽进入人体。放 射性核素在水体和土壤中会转移到水生物、粮食、蔬菜等食物以及牲 畜、家禽中并发生浓集放大作用，人通过食物链会将污染环境的放射 性核素摄人体内，超过允许含量时，就会受到损伤和致病。放射性废 4 含铀废水微生物处理方法研究 水中含有的废弃放射性核素通过自身的衰变而放射出仅、p 和1 射线， 这些射线在较大的辐照剂量下对人体的组织和器官有危害作用，如能 导致脱发，皮肤起红斑，自血球、红血球或血小板减少，白血病，白 内障，影响生殖机能，癌症等；在大剂量照射下能使人死亡。如在核 燃料再加工中产生的高水平放射性废液，只要从贮存设备中漏失极少 量，人不慎短时阃接触，就会受到严重的辐射损伤甚至死亡。意大利 有两个村庄在l 957 1965 年期间胃癌和肠癌患者显著增加，经调查发 现是由于起用了一口新井，井水的放射性高达4 4 0 0 微居里，升，而老 井水的放射性仅为8 0 微居里升。 1 2 放射性废水的传统处理方法”3 处理放射性废水与处理普通工业废水的一个根本区别在于后者的 一些化学毒性如酚、氰、有机磷等能够用物理、化学或生物学等处理 方法将其分解破坏，而放射性核素用这些方法却不簏被破坏，即不能 改变其衰变辐射的固有特性，只能靠其自然衰变来降低以致消失其放 射性。因此，放射性废水的处理，从本质而言无非是贮存与扩散两种 方式，即用适当的方法处理以后将大部分的放射性转移到小体积的浓 缩废物中并加以贮藏，而使大体积废水中剩余的放射性小于最大允许 浓度以将其排放于环境中进行稀释和扩散。在放射陛废水的处理方面， 国内外进行了许多试验研究与生产实践，几乎尝试使用了水处理领域 中所有的处理方法与技术，以物理、化学方法为主，主要有以下几类 处理方法。 1 2 1 化学沉淀法 多数原子能研究机构和生产部门都使用化学沉淀法处理中低水平 放射性废水。这是因为废水中放射性核素的氢氧化物、碳酸盐、磷酸 盐等化合物大多是不溶性的，因此能在化学处理中被除去，至少被部 分除去，而在絮凝剂或载体投加量较大形成大量絮凝沉淀时，其去除 含铀废水微生物处理方法研究 率更高。化学处理的目的，是使废水中的放射性核素转移并浓集到小 体积的污泥中，而使大体积的废水剩余很小的放射性，从而达到允许 排放标准而安全排放于环境。 1 2 1 1 方法原理 废水中放射性核素的不溶性物质通过沉淀法除去，同时为了达到较 高的去处率，在化学沉淀过程中一般都要加入絮凝剂。首先将絮凝剂 加入水中并充分搅拌，第二步是絮凝剂在水中通过复杂的物理化学反 应发生水解瓢凝聚，形成分散的胶体颗粒，第三步是通过搅拌使之发 生絮凝，即一些细分散颗粒互相接触和粘附而逐渐形成大絮团。 1 2 1 2 优缺点 主要优点：处理设备简单，费用低廉，对大多数放射陛核素具有良 好的去处效果。 缺点：絮凝反应与水溶液的酸碱度、离子浓度、反应温度和反应时 间等条件有关，因此操作条件较苛刻，同时产生的泥浆量也较大，并 造成了新的污染，通常随后还要进行离子交换和蒸发浓缩处理。 1 2 2 离子交换法 许多放射性核素在水溶液中呈离子状态，特别是经化学沉淀处理后 的废水，其中含有大量的阳离子，只有少数是阴离子。因此用离子交 换法处理经化学沉淀处理后的放射性废水以及含盐量少和浊度小的放 射性废水能获得较高的净化效率。 1 2 2 1 方法原理 离子交换是一种等当量的可逆反应过程。如在阳离子交换剂中，其 中的阳离子与溶液中的另一种阳离子发生交换反应，达到去除溶液中 阳离子的目的。 常用的离子交换剂分为无机和有机离子交换剂两大类。无机离子交 换剂有高岭土、伊利土、蒙脱士、膨润土等粘土矿，沸石类矿物，凝 灰岩，多价金属的氧化物和氢氧化物，分子筛，离子筛等。有机离子 6 含铀废水微生物处理方法研究 交换剂主要有阳离子交换树脂、阴离子交换树脂和磺化沥青等。 1 2 2 2 优缺点 主要优点：处理设备比较筒单，去处含盐量少和浊度小的放射性废 水时的净化效率较高。 缺点：交换选择性不理想，交换容量有限，废水中的竞争离子干扰 严重，一般需进行预处理。要求废水中的悬浮固体浓度和总固体浓度 必须很低，废水中的放射性核素必须呈离子状态。有些离子交换树脂 的化学、机械和辐射稳定性较差，价格昂贵， 1 ，2 3 蒸发浓缩法 废水中的大多数放射性核素是不挥发陛的，因此可用蒸发浓缩法处 理废水，使其得到有效的净化和浓缩。 i 2 3 1 方法原理 将废水送入蒸发器加热段的加热管中，同时将工作蒸汽通人加热管 的外侧空间，通过管壁的热传导将废水加热沸腾，废水中的水分被逐 渐蒸发形成水蒸气，随后经冷却凝结成水。而废水中的放射性核素， 特别是不挥发性的放射性核索，大都被保留在残余液中，致使冷凝水 中的放射性比原来的废水降低很多。在其放射性低于最大允许浓度时 便可直接排于环境中，而在其放射性较大时，可附加离子交换处理后 再行排放。 1 2 3 2 优缺点 主要优点：用蒸发浓缩法可达到较高的去污因数，般要大于化学 沉淀和离子交换法的去污因数，蒸发残液的体积较小。 缺点：费用昂贵，蒸发设备易发生腐蚀、结垢等现象，在蒸发器的 设计和使用中还必须考虑防爆炸问题。同时在处理含有结垢、起沫、 腐蚀性和爆炸性物质时必须采取妥善的预处理和抑制措施以保证运行 含铀废水微生物处理方法研究 安全。 1 2 4 其它处理方法 除了以上三种处理方法外，电渗析、电泳、反渗透、土壤渗滤、浮 选、泡沫分离、吸附法、氧化还原等方法均可用于处理放射性废水， 但由于处理技术及实际操作过程中存在许多问题尚待解决，尚未得到 广泛的应用。 1 3 微生物处理方法 1 3 1 筒介 废水的生物处理方法最初是利用微生物降解处理废水中的有机物， 如传统的活性污泥法、废水生物脱氮法、卤代有机化合物的微生物降 解等“+ ，而近年来人们在研究中发现许多微生物都能吸附金属离子， 因此直接利用微生物的生物吸附机理处理重金属废水已成为研究热 点，有些技术已用于实际废水的处理过程之中。生物吸附这一概念是 由r u c h h o f t 等人于i 94 9 年首先提出的“1 ，他用活性污泥法从废水中 回收了2 3 9 p u ，描述了在清除污染的过程中增长的微生物“有巨大表面 积的胶状基质能吸收放射性材料”。生物吸附( b i o s o r p s o i o n ) 是指对 于经过一系列生物化学作用使重金属离子被微生物细胞吸附的概括理 勰。生物吸附重金属是个新兴的研究领域，国外从八十年代开始这 方面的研究工作，在近十年中，对生物吸附重金属的研究取得了较大 进展。利用生物体作为吸附剂进行废水处理或回收金属的一个吸引人 的优点是其原料来源十分广泛，大量研究表明一些微生物如细菌、真 菌和藻类等对金属离子都有很强的吸附能力“。”，并且对生物吸附机理 也有一定的了解。生物吸附法作为处理重金属污染的一项新技术与其 它同类技术相比( 如蒸发、化学沉淀、活性炭吸附、离子交换树脂电 渗析等) 具有以下优点：生物吸附材料来源广泛、吸附量大；对 含铀废水微生物处理方法研究 钙、镁离子吸附量较小；选择性好、处理效率高；投资小，运行 费用低；后处理时，用一般的化学方法就可解吸生物量上吸附的金 属离子从而回收贵重金属，且解吸后的生物量可再次吸附金属离子。 因此，生物吸附技术在处理重金属污染尤其是放射性废水和回收贵金 属方面有着广阔的应用前景，不仅在工程上可行，而且在经济上很有 吸引力，深入进行这方面的研究工作，将具有良好的环境效益、经济 效益和社会效益。 1 3 2 生物吸附材料来源 研究表明许多生物物质都具有优越的金属离子吸附性能。1 = 。：根霉 和枯草芽孢杆菌是研究最广泛的生物吸附剂。其中某些生物材料对多 种金属具有吸附作用，如铜绿假单孢菌( p s e u d o m o n a sa e r u g i n a s a ) 可 吸附a g 一，c u 。，c d ，l a “等金属离子“+ ”，而另一些则只吸附一种或 一类金属，如柠檬酸菌( c i t r o b a c t e rs p ) 只吸附c d 。离子。”，表现出 较高的选择性。某些类型的真菌和酵母对金属离子有明显的生物吸附 作用，真菌和酵母在自然界广泛存在，其菌体也可以从某些发酵过程 中大量得到，因而使这些微生物成为选择生物吸附剂的良好材料。可 作为吸附剂原料来源的工业有：食品和饮料工业主要是利用酵母菌， 化学工业如生产柠檬酸的工厂和酶工业如生产葡萄糖等，主要是利用 真菌。过去这些废弃的菌丝体被当做无用之物掩埋或焚烧，而现在却 可以为这些废物的合理利用开辟一条“以废治废”的新途径。美国科 罗那多的高级矿产技术公司已生产了以枯草芽孢杆菌为基础的高效生 物吸附剂。生物吸附材料的另一个丰富来源是藻类。”22 。藻类对多种 金属表现出很强的吸附能力，褐藻的表观尤为突出。藻类不仅数量大 而且容易收集，并且在一些地区可以人工培养。此外，纤维素和淀粉 也被认为是具有潜力的生物吸附材料，然而目前这方面的研究工作开 展的还较少。 9 含铀废水微生物处理方法研究 1 3 3 生秘吸附机理”“。”。2 二，33 ! 生物细胞壁结构特征 细菌、真菌和藻类微生物细胞与动物细胞的最大区别在于细胞的 原生质膜外有明显的细胞壁，其在微生物吸附重金属离子的过程中起 着重要的作用。它既可以避免微生物体受到外界环境的伤害，又可以 控制原生质和周围环境之间的物质交换。细魍壁直接与外界环境接触， 并且可以与液态介质中的可溶性物质发生作用：由于细胞壁的阴离子 特性，这种作用在与金属离子的接触中就显得尤为重要。细胞壁是与 金属离子接触最早的部分，大多数金属离子都是螫合在细胞壁上。 细菌分为革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性缬菌。革兰氏阳睦细菌的细 胞壁主要由肽聚糖构成，约占整个细胞壁物质的40 9 0 。肽聚糖是 由n 一乙酰氨基葡萄糖、n 一乙酰壁酸以及短肽连接而成的多层网状结 构的大分子化合物。另外还有两种缅胞璧成分( 磷壁质和糖醛酸磷 壁质) 结合到肽聚糖上，使肽聚糖具有阴离子的特性。而革兰氏阴性 细菌的细胞壁的肽聚糖层夹在原生质膜和外膜之阊，约占细胞壁物质 的l0 。 真菌细胞壁主要由各种多糖构成，约占整个缅腿物质9 0 ，这些 多糖常常与蛋白质、脂肪和其他物质如色素形成复合物。真菌细胞壁 呈多层、微纤维结构。藻类细胞壁和真菌缎魍壁相似，也是多层、微 纤维结构其组成般都含有纤维素和果胶质以及藻酸铰和聚半乳糖 硫酸酯等。藻类细胞一般为多孔结构。 由此可见，微生物细胞壁的特殊结构在很大程度上决定着其对金属 离子的吸收，如细胞壁的多孔结构使活性化学配位体在细胞表面合理 排列，使其易于与金属离子结合。细胞外多糖在某些微生物吸附重金 属离子的过程中也有一定的作用。 1 3 3 2 金属对生物分予的亲和性 p e a r s o n 2 5 1 根据金属离子与f 。和i 离子结合的强弱来确定金属硬 度并且对金属进行了分类。能与f 一形成很强化学键的金属离子就称为 1 0 含铀废水微生物处理方法研究 “硬金属”，如n a + 、m g “等，它们一般在有机体内含量很高。相反与 f 一形成弱化学键的金属离子被称作“软金属”，如h g “、c d 2 + 和p b 2 + 等，一般都是有毒的重金属。在生物体内，硬金属离子一般与o h 、 h p o t2 、c 0 3 。、r 一、c 0 0 一等舍氧官能团形成稳定的化学键，丽软 金属离子与c n 一、r 一、s 、s h 一、一n h 2 和咪唑等含氮和硫原子基团 成键，硬金属一般形成离子键，而软金属一般形成共价键。在此基础 上，n i e r b o e r 和r i c h a r d s o n 【2 州根据原子特性和金属离子溶液化学性质 将金属离子分为三类：亲氧类、亲氮和硫类及过渡类。从热力学角度 来考虑三种金属离子对水溶液中官能团的亲和性，可以得出金属对生 物体中常见官能团的选择性。如亲氧类金属离子对以下盲能团有较高 的选择性：f 、o “、o h 、h p 0 4 。、h 2 0 、c 0 3 。、s 0 4 。、r o s 0 3 一、 n o 3 一、r o h 、r c 0 0 一、r o r 等。根据这种分类方法铀属于亲氧类， 因此对溶液中的这些官能团具有较高的选择性： 1 ，3 33 生物吸附机理 生物材料对重金属离子的吸附机理现在还处于不断的研究探索之 中，目前生物吸附的研究国外多处于实验室研究阶段，研究的主要注 意力集中在细胞壁对金属离子的吸附过程上，并揭示了细胞内部对金 属离子也有吸附作用。生物对金属离子的吸附作用取决于两个方面： 一是生物吸附剂本身的性质，另一方面取决于金属自身对生物体的亲 和性。微生物结构的复杂性意味着生物结合金属会有多种方式，因此 生物吸附法的机理也是变化的，一般来说，金属的生物吸附是以许多 金属结合机理为基础的，这些机理可以单独起作用，也可以与其它机 理结合在一起起作用，这取决于过程的条件和环境。吸附机理根据不 同标准可以分成不同类型。 根据细胞依赖新陈代谢的程度，生物吸附机理可以分成： 依赖新陈代谢型( 主动吸附) ； 不依赖新陈代谢型( 被动吸附) 。 根据在溶液中脱除金属的方式不同，生物吸附法又可以分成： 细胞外富集沉淀； 含铀废水微生物处理方法研究 细胞表面吸附沉淀； 细胞内富集。 各种生物吸附机理可以用下图表示。 图i生物吸附机理 a 搬据对细胞新陈代谢的依赖程度分类 b 根据脱除金属的分类 金属离子依赖于细胞的新陈代谢时，金属离子通过细胞膜进入细 胞内富集，表明这种吸附只有活细胞才可以进行。这种吸附又叫主动 吸附。主动吸附含有传输和沉积两个过程，这种方式吸收金属离子需 要代谢活动提供能量支撑，一般只对特定元素起作用，其特点是速度 慢、不可逆。由于废水的实际组分复杂，溶液通常呈酸碱性，其中的 含铀废水微生物处理方法研究 有毒金属离子对活性微生物细胞的生长有毒害和抑制作用，因此在实 际废水处理中较少采用活性微生物细胞。 在金属和细胞表面的官能团发生物理化学反应时，由于物理吸附、 离子交换和络合反应，在细胞表面发生吸附，这种吸附不依赖于新陈 代谢，因此又称作被动吸附。被动吸附是指细胞表面覆盖的胞外多糖、 细胞壁上的磷酸根、羧基、巯基、胺基等基团以及胞内的些化学基 团与金属间的结合。这种吸附是电荷间的作用，是一个物化现象，与 微生物活性无关，不依赖于能量代谢，其特点是快速、可逆。这种机 理最常见，此时具有离子交换树脂或活性炭的化学特性。在微生物处 理重金属废水过程中，被动吸附是细胞吸收的主要形式，在生物吸附 的工业应用中具有优势，研究工作也主要着眼于这一方面： 细胞与金属离子间的作用方式简介如下： ( 1 ) 穿透细胞膜 金属离子穿透细胞膜的机理与传递代谢的基本离子如钾、镁和钠的 机理相同，这种机理经常和生物吸附现象同时发生，和代谢活动无关。 活性微生物细胞的吸附包括两个步骤。首先，不依赖新陈代谢而与细 胞壁结合，第二步依赖新陈代谢，金属离子穿透细胞膜进入细胞内。 ( 2 ) 物理吸附 在这一类现象中，和范德华力有关。k u y u c a k 和v o l e s k y 。1 研究认 为钙、锌、铜和钴是由海藻、真菌和酵母通过溶液中离子和细胞壁间 的静电作用而发生生物吸附，h o l a n 等。的研究表明海藻对镉的吸附 也是静电作用。 ( 3 ) 络合作用 络合作用是金属离子与微生物细胞之间的主要结合方式。t o b i n 和g a l u n 等”5 7 23 1 研究表明，细胞壁是与金属离子接触最早的部分， 细胞壁是金属离子的主要积累场所。金属离子可与细胞壁上的活性基 团发生定量结合反应。细胞壁主要是由甘露聚糖、葡萄糖、蛋自质和 含铀废水微生物处理方法研究 甲壳质组成，这些组成中可与金属离子配位的活性宫能团包括一c o o h 、 一n h ：、一s h 、一o h 、一p o 。等，其中含有的n 、0 、s 等原子都可以提 供孤对电子与有空轨道的金属离子配位。由于细胞壁的阴离子特性， 这种作用在与金属离子的接触中就显得尤为重要。大多数金属离子都 是螯合在细胞壁上。对真菌类微生物，几丁质是细胞壁的主要组成成 分它是n 一乙酰葡萄糖胺的聚合物。r i c c a d o 和m u zz a r e l l i 等采用 几丁质对h g “、c o 。、a q 、z n “、a u 。、s b 。等多种金属离子进行了有效 富集“6 。k u y u c a k 等研究者。”认为海藻吸附金属离子主要是细胞壁的 藻酸盐起了重要作用。t o h i n ”在研究中发现碱金属离子不被微生物所 吸附，显然这组金属离子与大多数金属离子都不能形成络合物，这就 从另一方面证实了生物细胞与金属离子的结合是与某些含n 、p 、s 等 原子的特殊官能团有关。 ( 4 ) 离子交换 离子交换是缅胞物质结合的金属离子莜另一些结合能力更强的金 属离子代替的过程。离子交换过程常受溶液p h 的影响，其最佳酸度在 p h3 4 自之间。g u i b a l ”! 研究了毛霉吸附铀的机制，p h 对整个过程影 响很大，不仅对金属化学而且对细胞壁化学均有影响，当为中性p h 时， 为多层吸附，而p h 为酸性时，则为单层吸附。r a y 等研究发现 v a u c h e r i a “。在吸附s r “的同时释放了等量的c a2 和m 9 1 ，说明此种微 生物对金属离子的吸附是基于静电相互作用的离子交换过程。 ( 5 ) 沉淀作用 沉淀可以依赖细胞的新陈代谢，也可能不依赖它。无机微沉淀是 金属离子在细胞壁上或是细胞内形成无机沉淀物的过程。 s t r a n d b e r g 。“等人在研究$ a c c h a r o m y c e sc e r e v is i a e 细胞对铀的吸附 时发现铀沉积在细胞表面，外形呈针状纤维层，这种累计的程度和速 度受到环境因素的影响，如p h 、温度、其他离子的干扰等。此外，金 属还可以以磷酸盐、硫酸盐、碳酸盐或是氢氧化物的形式以及聚核作 用在细胞壁上或是细胞内部沉积下来。 1 4 含铀废水微生物处理方法研究 此外，h o s e a ”等学者还提出了氧化还原机理，认为某些菌类本身 具有氧化还原能力，能改变吸附在其上的金属离子的价态，使之变成 挥发性和毒性都已变化了的物质。b 1 a c k w e l r 等提出了酶促机理，认 为活性生物细胞对金属的吸收可能与细胞上某种酶的活性有关。这些 机理还需要进行进一步的研究和探索。 这些研究表明，由于微生物种类繁多对不同的吸附体系，它们的 吸附机理各有其特点，无严格规律可循。 1 3 4 生物吸附的影响因数 用生物材料吸附金属离子是个复杂的过程，受吸附刺、金属离 子、生物活性、溶液介质、温度以及各种操作因素的影响。对多数吸 附过程而言，溶液p h 值是影响吸附量的决定因素。许多研究表明，每 种特定的吸附体系都有一个最佳的p z 值，一般在p h 4 8 之间，在其 它条件相同的情况下，最佳p h 条件下的吸附量最太。有人认为 这是由予在吸附过程中金属离子与细胞壁上官能团中的h + 发生了离子 交换，当金属离子结合上去时，h + 离子刚从官能团上解离下来进入溶 液，使溶液的p h 比初始时略有下降，但在有的吸附过程中p h 值反而 增大，金属的吸附量与p h 值之阃并不是简单的线性关系。对此还需要 进一步的研究工作给出合理的解释。 当吸附俸系中存在其它金属离子时，一般都会抑制主要离子的吸 收。这些共存离子必然要与主要离子竞争细胞上有限的负电性官能团， 因而导致主要金属离子吸附量的减少。此外，温度对金属离子的吸附 也有一定的影响。由于不同的共存离子与细胞上吸附位点之间亲和力 的不同，对主要离子的影响也不一样。如k ，m a x i 8 n u s 在海水中的吸附 会高于淡水环境中的吸附【3 。有的研究者把金属离子之间的相互抑制 解释为细胞上吸附位置或跨膜运输的竞争，而把吸附量的增加归因为 其中一种离子引起了细胞膜的破坏，从而导致离子跨膜运输通路的增 加，阻力减小。但是实际上共存离子对主要离子吸附的影响十分复杂， 其机理尚不完全清楚。 含铀废水微生物处理方法研究 1 3 5 生物细胞固定化 目前实验室里以两种方式进行生物吸附试验，一种是悬浮细胞体 系，另一种是固定化细胞体系。前者的生物材料机械强度低，从生物 量上解吸金属离子较难；而后者在填充床或流化床中有很大的应用潜 力。固定化可用于改进展反应器中使用的菌体的物理性质，允许底物 的重复使用以及使菌体可抵抗微生物降解。固定化微生物细胞方式是 多种多样的，任何一种限制细胞自由流动的都可以用于制备生物吸附 剂。固定化细胞体系的优点有以下几点：( 1 ) 在细胞固定化过程中可 以控制生物量颗粒的大小；( 2 ) 可提高生物量的机械强度和对不良环 境的抵抗力；( 3 ) 为金属离子的解吸提供方便，减少解吸过程中生物 量的损失；( 4 ) 可以再生并重复使用生物材料，其吸附能力受外界条 件的影响较小；( 5 ) 通过控制溶液入口浓度、流速和停留时间等参数 可以实现最优化连续操作。 理想的制备吸附剂的材料应该是：传质性能好，性质稳定，价格 低廉，强度高，寿命长等。常用的载体有无机载体如多孔玻璃、氧化 铝、多孔陶瓷；多糖类如纤维素、几丁质琼脂、交联葡萄糖等；蛋白 质类如胶原一纤维蛋白、明胶；水凝胶如聚丙烯酰胺、聚氯乙烯和聚 丙烯共聚物等。m i c h e l 等3 用聚丙烯酰胺凝胶固定柠檬酸细菌 c i t r o b a c t e r s p ，在适宜条件下能够长期使用，可分离废水中9 0 以上 的c d “。h o l a n 等 2 引用甲醛交联固定海藻细胞a n o d o s u m ，处理含c d 2 + 废水，获得较好效果，用盐酸洗脱后，吸附剂几乎未受影响，可重复 使用。 1 3 6 生物吸附数学模型 成功的数学模型对预测吸附行为、优化吸附过程是十分重要的。 因此，建立适宜的吸附平衡模型也是开展生物吸附金属离子研究的一 个重要分支。 l a n g m u i r 吸附模型是常用的描述吸附体系中金属离子吸附量与溶 1 6 含铀废水微生物处理方法研究 液中金属离子平衡浓度之间关系的平衡模式。表达式为： p ，1 q = 挈妄，q 为吸附量，q m x 为最大吸附量，k 为平衡常数，c 为 l 十a t 一 溶液中金属离子的平衡浓度。实验证明，对单组分吸附体系，如p b “ 在真菌r o l i g o s p o r u s 上的吸附3 2 1 ，n i2 + 在r h i z o p u s s p 上的吸附 3 3 以 及c d 2 + 在酵母菌s a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a e 上的吸附数据”l ，均能很好 符合经典的l a n g m u i r 吸附模型。 f r e u n d l i c h 吸附等温式是基于吸附质在多相表面上的吸附建立的 经验吸附平衡式。数学表达式如下： q = k c y ，q 为吸附量，c 为溶液中金属离子平衡浓度，n 为常数： 对c d h 、z n 2 + 离子在藻类u l v al a c t u c a 上的吸附3 5 1 以及c u 2 + 在 c h l o r e l l av u l a r i s 上的吸附1 3 6 1 能很好地用f r e u n d l i c h 吸附等温式来描 述。 但是由于实际吸附体系的复杂性，经典l a n g m u i r 型和f r e u n d l i c h 型吸附模式已经不能满足要求，尤其是对多组分吸附体系各离子之 间存在竞争吸附现象。h u a n gc h i n p i n ”等提出了双位吸附模型，他假 定细胞表面的官能团分为两类一类对重金属有高亲和力，另一类对 重金属有低亲和力，吸附发生时金属离子优先结合在具有高亲和力的 官能团上。由此推导出数学模型。该模型的预测值与实验值较为相符， 但仍有一些差异。此外还有多参数的扩展l a n g m u i r 吸附模型和扩展 f r e u n d l i c h 吸附等温式。但各种吸附模式仍需要进一步的补充和完善。 i 3 7 微生物处理重金属废水的研究现状 利用生物吸附进行工业废水中有毒、放射性废水的去处以及稀有、 贵重金属的回收，具有高效、经济、选择性好的优点，特别是对于 些传统方法不太有效的低浓度废水及某些特殊废水的处理有着独特的 应用价值，医此是一种扳有发展前途的工业废水净化手段。但是目前 的实际应用大多集中于经济价值较高的金属，如金和镓”5 ”i 等，而大 含铀废水微生物处理方法研究 多数生物吸附的处理方法均处于实验室研究阶段，还未进行广泛实践 及实际运行的评价。 目前研究可用于处理重金属废水的微生物种类如下表所示。 表二徽生物对金属离子的吸附作用 含铀废水微生物处理方法研究 数，进行合理的工艺流程设计，努力实现优化连续操作。 1 4 含铀废水微生物处理方法研究现状 含铀废水是一类来源广泛的放射性废水，原子能工业的各个生产 部门及科研机构都排放有大量的含铀废水，对生态环境和人类健康有 着严重的危害。 对铀表现出特异吸附性能的生物材料来源十分广泛，在自然界， 许多微生物都对铀具有选择性吸附能力。利用微生物处理含铀废水的 研究工作有不少相关报道。如国内外的学者开展了大量的铀矿石微生 物浸出技术研究工作，该技术由于具有投资低、环境效益好等特点而 引起了人们的广泛重视。目前铀矿石浸出所使用的微生物种类繁多 主要有氧化亚铁硫杆菌、嗜酸硫杆菌、氧化亚铁钩端螺杆菌以及热氧 化硫硫化裂片菌”引等，印度用微生物对铀矿冶废水迸行了研究5 引。用 藻类或真菌处理铀矿废水，可以使铀含量降至5 0 m g l 【4 0 5 9 】。八十年代 初，加拿大学者t s e z o s 和v o l e s k y 利用生物材料富集铀获得了美国 和加拿大的专利 6 0 1 。目前，发现与铀的富集作用有密切关系的微生物 已达数十种，包括丝状真菌、细菌和酵母菌等。其中对铀有价值的吸 附材料主要来源于菌类和藻类，淀粉和纤维素等应用较少，我国学者 从八十年代开始从事微生物富集铀的研究工作。中科院成都生物研究 所的谭红1 6 等研究了u y l 酵母细胞能够陕速富集溶液中的铀，对铀 的最大富集量可达1 3 5 m g g 。四川大学冯易君等【6 引用f t 菌装拄成型 后铀的富集率可达9 9 。中国原子能科学研究院张小枝等研究了用 蓝细菌满江红鱼腥藻为吸附材料，对浓度低于5 5 m g l 的铀吸附迅速。 但是含铀废水的生物吸附目前主要处于实验室研究阶段，在细胞固定 化及工程设计等方面还需进行大量的研究工作。对铀表现出特效吸附 能力的微生物种类见下表。 含铀废水微生物处理方法研究 表2 铀的微生物富集 微生物参考文献 动胶菌( z o o g l o e ar a m i g e r a l ) 链霉菌( s t r e p t o m y c e s1 0 n g w o o d e n s i s ) 柠檬酸杆菌( c i t r o b a c t e r s p ) 指状青霉菌( p e n i c i l l i u md i g i t a t u m ) 假单孢菌( p s e u d o m o n a ss p ) 啤酒酵母菌( s a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a e ) 绿藻( g r e e na l g a ) t a l a r o m y c e s e m e r s o n i i m h c o rm e h e i 地衣型芽孢杆菌( b a c i l l u sl i c h e n i f o r m i s ) s t r e p t o m y c e s n i v e u s a s p e r g i l l u sn i g e r 以上是当前已研究或正在研究的一些铀的微生物处理方法，各有其 侧重点及优缺点，有的微生物培养方法烦琐，培养成本高；有的微生 物对铀的吸附量较小；有的微生物吸附时间长，吸附条件苛刻。本研 究拟从几种微生物中综合评估其吸附能力及实际运用情况，筛选出一 种培养简单、吸附量较大以及吸附条件温和的微生物，对其进行较为 细致的研究，并用于处理含铀废水。 2 1 9 知 加 ：2 弛 的 鹑 勰 卵 矾 4 含铀废水微生物处理方法研究 2 实验材料与方法 2 1 主要试剂及仪器 2 1 1 主要试剂( a r ) 硝酸铀酰 无水醋酸钠 葡萄糖 盐酸 氯化钙 氯化铁 氟化钠 2 1 2 主要仪器 偶氮胂 一氯乙酸 琼脂 氢氧化钠 氯化镁 硝酸钠 碳酸钠 邻苯二甲酸氢钾 聚乙烯醇 碳酸氢镳 氯化钠 氯化铜 硫酸钠 l r h 15 0 b 生化培养箱( 广东省医疗器械厂) 7 2 2 s 分光光度计( 上海紧密科学仪器有限公司) 手提式压力蒸汽消毒器( 四川省成都医疗器械厂) b s 一1 z 振荡培养箱( 常州国华电器有限公司) p h s 一3 c 精密酸度计 ( 上海雷磁仪器厂) h l 1 恒流泵( 上海市沪西仪器厂) s p e c t r u mo n eb 傅里叶变换红外光谱仪( 美国p e 公司) s 一4 5 0 型扫描电子显微镜( 日本日立公司) t e m 一1 0 0 c x 型透射电子显微镜( 日本电子公司) k r a t o sx s a m 一8 0 0 电子能谱仪( 英国k r a t o s 公司) 含铀废水微生物处理方法研究 2 2 铀浓度的测定及标准曲线绘制 本研究采用偶氮胂光度法测定铀( v i ) 的浓度 7 “。 分别移取1 0 微克毫升铀标准溶液0 、1 0 、2 0 、3 0 、4 0 、5 0 、 6 0 、7 0 毫升于一系列2 5 毫升容量瓶中，依次加入p h = 2 5 的一氯乙 酸一乙酸钠缓冲溶液1 0 毫升，0 1 的偶氮胂溶液l 毫升，定容摇匀。 在7 22 型分光光度计上，用1 厘米比色皿以试剂空白调零于波长6 50 纳米处分别测定各有色溶液的吸光度。 2 3 微生物的培养 2 3 1 少根根霉 培养基成分： 马铃薯：2 0 0 克，去皮后切成小块； 葡萄糖：2 0 克 将切成块的马铃薯装入内有1 0 0 0 毫升蒸馏水的容器，在电炉上煮 沸3 0 分钟，用纱布过滤在烧杯中，再加入葡萄糖搅拌溶解。将上述培 养液分装于4 个1 0 0 0 毫升锥形瓶，用棉塞封口包好，l5 磅高压灭菌 2 0 分钟后接种菌种，于室温下培养。培养9 6 小时的细胞( 处于生长静 止期) 用蒸馏水洗涤后置于冰箱冷藏保存。 2 3 2 啤酒酵母 培养基成分： 葡萄糖：5 克；蛋白胨：2 0 克；酵母膏：1 0 克 将按上述比例配制好的培养液分装于锥形瓶中，用棉塞封口包好， 1 5 磅高压灭菌2 0 分钟后接种菌种，于3 0 恒温振荡( 1 5 0 次分) 培 养7 2 小时，然后将处于减数生长期的细胞用离心机分离( 4 0 0 0 次，分) ， 用蒸馏水洗涤后细胞制成菌悬液置于冰箱冷藏保存。 含铀废水微生物处理方法研究 2 3 3 黑根霉菌 培养基成分 马铃薯：2 0 0 克，去皮后切成j 、块；葡萄糖：2 0 克 将切成块的马铃薯装入内有1 0 0 0 毫升蒸馏水的容器，在电炉上煮 沸3 0 分钟，用纱布过滤在烧杯中，再加入葡萄糖搅拌溶解。将上述培 养液分装于4 个1 0 0 0 毫升锥形瓶中，用棉塞封口包好，1 5 磅高压灭菌 2 0 分钟后接种菌种，于3 0 恒温振荡( 1 5 0 次分) 培养4 8 小时，然 后将细胞离心分离( 4 0 0 0 次分) ，蒸馏水洗涤后细胞制成菌悬液置于 冰箱冷藏保存。 2 4 细胞预处理 2 ，4 1 微生物干重的确定 把用少量水保存于冰箱的细胞取样称重，然后将缅胞于8 0 下干 燥直至恒重。前后两次重量比即为细胞的干湿重之比，实验中根据细 胞的湿重即可换算出所用细胞的干重。 2 4 2 少根根霉细胞的改性处理 对细胞进行预处理的目的是改善其对金属离子的吸附特性，提高 其吸附能力。微生物吸附金属离子的关键部位是细胞壁，而细胞壁的 组成物质很容易受酸碱等物质的作用而发生变化，因而导致吸附性能 的改变。 称取相同重量的少根根霉真菌，分别用o 5 m o t l 的h c l 、0 。5 m o l l 的n a o h 和8 0 的甲醇浸泡振荡( 液固比约为4 0 毫升：1 克干重) 处 理3 0 分钟，然后用蒸馏水洗至中性。处理过的细胞称重后备用。 含铀废水微生物处理方法研究 2 4 3 少根根霉细胞的固着 用悬浮细胞体系处理废水存在一些缺点：生物材料机械强度低， 对周围不良环境抵抗力差；从生物量上解析金属离子较难，且解析过 程中生物量的损失较大；生物材料再生困难，不易重复使用；不便于 自动化处理及管理，不易实现最优化连续操作等。因此，为了解决这 些问题使之在生产实践中有着更广泛的应用前景，国内外的学者开展 了不少微生物固着技术的研究。我们进行了两种固定技术实验研究。 2 4 3 1 聚乙烯醇固定 用平均聚合度1 7 99 5 0 的聚乙烯醇通过水浴加热制得j 溶液， 加入适量少根根霉后搅匀，置于冰箱冷冻室冷冻48 小时，然后取出切 成2 毫米颗粒，洗净备用。 2 4 3 2 聚胺酯泡沫塑料固定 将1 1 锄：大小的聚胺酯泡沫塑料小块装入内有培养液的锥型瓶 中于15 磅高压灭菌30 分钟，随后接种少根根霉于室温下生长培养。 2 5 少根根霉对铀的吸附 2 5 i 静态吸附 在选定实验条件下，将一定量的细胞与5 0 毫升、p h = 4 的不同浓 度的铀溶液接触吸附，以1 5 0 次，分的振数于2 5 下振荡反应3 0 分钟， 移取上清液用偶