固定化啤酒酵母吸附重金属污水中ni

固定化啤酒酵母吸附重金属污水中ni

重金属污染已成为世界环境的中心问题。重金属具有毒性高、易被生物代谢、易生物富集等特点，严重威胁着人类和生物的生存。因此,采取经济而有效的方法处理重金属污水,同时达到回收贵重金属的目的,已成为当今环保领域中的一个突出问题。随着环保要求的日益提高,重金属污水的治理已经开始进入清洁生产、总量控制和循环经济整合阶段。推行清洁生产、实施循环经济,可从源头上削减重金属污染物的产生量,提高资源的转化率和循环利用率,同时采用全过程控制,结合污水综合治理工艺,最终实现污水零排放的目的。多数重金属价格昂贵,如将污水中的重金属作为一种资源来回收,则不但解决了重金属污染的问题,还会产生一定的经济效益。电化学法处理重金属污水时虽然可满足这些要求,但由于一般污水中重金属的浓度较低,用传统的电化学法来处理,电流效率较低,电能消耗较高。各种重金属污水因其行业和工艺的差异,采用单一的处理方法难免具有局限性,达不到理想的效果。因此,为了满足日益严格的环保要求,可将几种技术集成起来处理重金属污水,从而同时发挥多种技术的长处。采用络合-超滤-电解集成技术处理重金属污水,超滤的浓缩液可通过电解回收重金属,实现了污水回用和重金属回收的双重目的,为重金属污水的根治找到了新的出路。充分利用自然界中的微生物与植物的协同净化作用,并辅之以物理或化学方法,对重金属的污染源头进行严格的控制和监督,寻找净化重金属的有效途径,减少并逐步避免高浓度的重金属污水进入城市排水管网,将是今后重金属污水治理的发展方向之一。化学法、物理化学法和生物法都可治理和回收污水中的重金属,但化学法和物理化学法仅在处理高浓度污水时效果较好,而对于较低浓度的污水,原材料成本和操作费用相对过高,生产周期长,且易造成二次污染,不易被企业采纳应用。生物法具有原料来源丰富、选择性好、去除效率高、运行成本低、无二次污染等优点,具有广阔的发展前景。1实验部分1.1化学试剂：双硫海藻酸钠,天津北联精细化学品开发公司;聚乙烯醇,国药集团化学试剂公司;柠檬酸铵,北京北化精细化学品公司;双硫腙,国药集团化学试剂公司;CJJ78-1型磁力加热搅拌器,YB202型电子分析天平,BS-1E型振荡培养箱,PHS-3B型精密酸度计,DF204型电热鼓风干燥箱,Y×Q.SG46-280型压力蒸汽消毒器,LD4-2型高速离心机,SW-CJ-2F型净化工作台,721E型可见分光光度计。1.2实验方法1.2.1去离子水处理马铃薯培养基:将马铃薯洗净,去皮,切块,称取600g放入大烧杯内,加入1000mL去离子水,加热煮沸20min。用8～12层滤布将固体物滤出,取马铃薯原液,加入60g葡萄糖,溶解后用去离子水稀释至1200mL,分装至250ml锥形瓶中,在121℃条件下灭菌20min。1.2.2振荡培养法实验所用的啤酒酵母菌菌种为酵母菌干粉,在无菌条件下,称取酵母菌干粉2.00g,加入已灭菌的培养基溶液中,在温度为28℃、转速为150r/min时,于振荡培养箱中振荡培养20h。将该培养液作为种子液,放入冰箱保存,备用。无菌条件下,移取种子液15.00mL,加入已灭菌的培养基溶液中,在温度为28℃、转速为150r/min的条件下,于振荡培养箱中振荡培养20h。将培养液在转速为4000r/min离心5min,收集菌体,于60℃下烘干,研磨成粉,收集备用。1.2.3活性物质的提取将2%的海藻酸钠溶液和2%的PVA溶液按质量比5:2的比例混合,按2g菌/100ml溶液的比例加入啤酒酵母菌,用磁力加热搅拌器搅拌均匀,用20ml的医用注射器吸取混合溶液,将其匀速地滴入4%的CaCl2饱和硼酸溶液中,静置钙化4h,形成大小均匀的固定化小球,用去离子水冲洗3次,放入冰箱保存,待用。1.2.4生化活性测定混合溶液中ni2+、z2+、cu2+浓度将固定化的啤酒酵母菌小球加入需要进行吸附的Ni2+、Zn2+、Cu2+的混合溶液中,在振荡培养箱中进行振荡吸附,吸附后取定量的上清液,用可见分光光度法测定其中的Ni2+、Zn2+、Cu2+的浓度,根据下式计算吸附率:吸附率=吸附量/总量×100%=(总量-吸附后的量)/总量×100%2结果与讨论2.1菌体浓度对ni2/、z2+和cu2+浓度的吸附效果取Ni2+、Zn2+、Cu2+的初始浓度均为100mg/L的混合溶液25mL,调节溶液pH值分别为2.01、2.52、3.01、3.48、4.00、4.53、5.02、5.49、6.04、6.49、7.00,菌体浓度均为20g/L,在温度为28℃、转速为180r/min的条件下,对上述溶液振荡吸附150min。吸附后取上清液,用可见分光光度法测定其中的Ni2+、Zn2+和Cu2+的浓度,计算吸附率,实验结果如图1所示。由图1可知,随着pH值的上升,固定化啤酒酵母对Ni2+、Zn2+、Cu2+的吸附率逐渐增大。但当pH值过高时,由于金属离子发生水解,不利于生物吸附的进行,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值约为4.50。2.2菌体浓度对ni2+、z2+和cu2+浓度的吸附效果分别取Ni2+、Zn2+和Cu2+的初始浓度均为20、40、60、80、100、120、140mg/L的混合溶液25mL,调节pH值均为4.50,投加的菌体浓度均为20g/L,在温度为28℃、转速为180r/min的条件下,对上述溶液振荡吸附150min。吸附后取上清液,用可见分光光度法测定其中的Ni2+、Zn2+和Cu2+的浓度,计算吸附率,结果如图2所示。由图2可知,当金属离子的初始浓度较小时,吸附率随初始浓度的增大而上升。当初始浓度为40mg/L时,固定化啤酒酵母对三种离子的吸附率达到最大值。随着金属离子初始浓度的增大,吸附率逐渐降低。因此,选择Ni2+、Zn2+、Cu2+的初始浓度为40mg/L。2.3固定化啤酒酵母离子吸附能力测定取Ni2+、Zn2+、Cu2+的初始浓度均为40mg/L的混合溶液25mL,调节pH值均为4.50,投加的菌体浓度分别为6、9、12、15、18、21g/L,在温度为28℃、转速为180r/min的条件下,对上述溶液振荡吸附150min。吸附后取上清液,用可见分光光度法测定其中的Ni2+、Zn2+和Cu2+的浓度,计算吸附率,结果如图3所示。由图3可知,随着菌体浓度增加,三种离子的吸附率逐渐增大。当投加的菌体浓度为15g/L时,固定化啤酒酵母对Ni2+、Zn2+、Cu2+的吸附率达到最大值。当菌体浓度继续增加时,吸附率基本保持不变。因此固定啤酒酵母吸附Ni2+、Zn2+、Cu2+的最佳菌体浓度为15g/L。2.4溶液振荡的影响取Ni2+、Zn2+、Cu2+的初始浓度均为40mg/L的混合溶液25mL,调节pH值均为4.50,投加的菌体浓度均为15g/L,在温度为28℃、转速为180r/min的条件下,对上述溶液分别振荡吸附60、80、100、120、140、160min。吸附后取上清液,用可见分光光度法测定其中的Ni2+、Zn2+和Cu2+的浓度,计算吸附率,实验结果如图4所示。由实验结果可知,固定化啤酒酵母对Ni2+、Zn2+、Cu2+的吸附率随着吸附时间的延长而增大。当吸附时间达到140min时,固定化啤酒酵母对Ni2+、Zn2+、Cu2+的吸附均达到平衡,此后延长时间吸附率基本不变。因此实验选择140min为最佳吸附时间。2.5固定化啤酒酵母菌对不同金属离子的生物吸附能力取Ni2+、Zn2+、Cu2+的初始浓度均为40mg/L的混合溶液25mL,调节溶液的pH值均为4.50,投加的菌体浓度均为15g/L,在温度分别为20、27、36、42、48℃,转速为180r/min的条件下,对上述溶液振荡吸附140min。吸附后取上清液,用可见分光光度法测定其中的Ni2+、Zn2+和Cu2+的浓度,计算吸附率,结果如图5所示。由图5可知,提高吸附温度能够增强固定化啤酒酵母对三种金属离子的生物吸附,当温度为25℃～30℃时,酵母菌对Ni2+、Zn2+和Cu2+的吸附率已基本接近最大值,最佳吸附温度约为36℃。考虑到实际操作的可能性,在实际生产中多选择常温作为吸附温度。2.6最佳吸附条件的测定取稀释30倍的水样1和不经稀释的水样2各25mL,调节pH值为4.50,投加的菌体浓度为15g/L,在温度为36℃的条件下,对水样振荡吸附140min。吸附后取上清液,用可见分光光度法测定其中的Ni2+、Zn2+、Cu2+的浓度,计算吸附率,实验结果表明,在最佳吸附条件下,固定化啤酒酵母对稀释30倍的水样1中Ni2+和Cu2+的吸附率分别为80.17%和95.27%,对不经稀释的水样3中Zn2+的吸附率为90.48%,三种离子的吸附率均小于酵母菌对相同初始浓度实验溶液中离子的吸附率,这可能是因为水样中存在其他成分,这些成分对酵母菌吸附Ni2+、Zn2+、Cu2+的过程有一定的影响。3固定化啤酒酵母菌ni2+、cu2+对重金属的吸附能力实验用海藻酸钠-聚乙烯醇包埋法固定啤酒酵母菌,对重金属污水中离子Ni2+、Zn2+、Cu2+进行生物吸附。实验结果表明,酵母菌对Cu2+的吸附率最高,Zn2+次之,Ni2+的吸附率最小。由条件实验得出吸附Ni2+、Zn2+、Cu2+的最佳条件为:溶液pH值为4.50;Ni2+、Zn2+、Cu2+的初始浓度为40mg/L;菌体浓度为15g/L吸附时间为140min;吸附温度为36℃。在上述实验条件下对工业污水进行处理,得出固定化啤酒酵母对稀释30倍的水样1中Ni2+和Cu2+的吸附率分别为80.17%和95.27%,对不经稀释的水样3中Zn2+的吸附率为90.48%。其中,酵母菌对Cu2+的吸附能力最强,污水经吸附处理后可达到地表水环境Ⅱ类水质标准;Zn2+的浓度也明显下降,符合地表水环境IV类水质标准。由此可见,利用固定化啤酒酵母菌处理含有重金属Ni2+、Zn2+、Cu2+的工业污水,具有良好的应用前景。本研究利用固定化啤酒酵母菌处理工业污水时,发现酵母菌对Ni2+的吸附率相对较低,可考虑先采用物理或物理化学的方法将污水进行预处理后再利用酵母菌进行吸附处理,也可将生物吸附法与其他多种处理方法结合起来共同处理重金属污水,发挥各种处理方法的长处,最终使重金属污水经处理后达到水环境质量标准后排放水体。采用生物吸附法处理重金属污水有着独特的优点,但也存在着一定问题,如菌废比较大,处理实际污水时需要较大体积的培菌池,处理后水中残留微生物的去除也较难,同时菌株还可能存在对生长条件要