突发性重金属废水污染事故处理菌剂的开发
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摘 要：本实验研究了实验室筛选、融合得到的高效重金属吸附工程菌的天然、无毒害固定化方法。研究表明海藻酸钠包埋菌剂具有圆形颗粒状包囊微观结构，利于最大量的包埋细菌和为重金属的渗入提供良好的通透性。1%的海藻酸钠作为固定化载体固定工程菌能得到具有较好物理性质和吸附能力。当投加量为40g/L(湿重，含水率为95%)时，对15mg/L的含铬模拟污水吸附8h去除率可达98%，活性炭作为调理剂可以提高铬的吸附速率。Cr高效固定化吸附菌剂的吸附动力学符合准二级吸附动力学方程。
关键词：生物吸附 菌剂 海藻酸钠 固定化 重金属污水 Cr
一、水体重金属污染现状
重金属是非降解型有毒物质，由其引发的水环境重金属污染可导致生物急性或慢性中毒，而且由于重金属在环境中不能被降解具有累积效应，会通过食物链的富集放大其生物毒性，存在显著的生态和健康风险。现有的重金属污染处理工艺主要有物理-化学法和生物吸附法两大类。化学法、物理-化学法普遍存在成本高、能耗大、操作困难、易造成二次污染等缺陷，且对低浓度重金属的处理效果不太理想。微生物处理法作为治理重金属污染的一项新技术，具有微生物吸附材料来源广泛、成本低、对低浓度重金属废水处理彻底、可对某些贵重金属进行高效回收等优点[1,2]。
本文研究使用海藻酸包埋法固定菌体，将微生物细胞截留在水不溶性的凝胶聚合物孔隙的网络空间中,阻止了微生物细胞的泄漏，同时能让六价铬渗入，去除水中六价铬的污染。
二、实验设备、材料及方法
1.主要实验设备
原子吸收分光光度计AA600，恒温振荡器HZ-9211K，高速冷冻离心机KDC-160HR，小型高速离心机TCL-16H Centrifuge，扫描电子显微镜PHILIPS XL-3 0ESEM
2.实验材料
酵母菌R32：通过电场诱导融合构建，出发菌株是解脂假丝酵母(Candida ipolytica)和热带假丝酵母(Candida tropicalis)。对Cr6+具有较好的吸附还原能力。
含铬模拟污水（15-30mg/L）、酵母培养基、海藻酸钠、CaCl2、活性碳
3.实验方法
从实验室菌种库中接种酵母菌R32，活化、扩大培养36h后,菌液经4000rpm离心分离20min得到工程菌菌体。称取一定量的海藻酸钠及50g/L的酵母R32工程菌混合后加入定量蒸馏水配置成海藻酸钠-菌体混合液，用注射器将混合液注入过量的15%的CaCl2溶液中（1L CaCl2溶液适合制备100ml混合液），得到海藻酸钙包埋菌球(直径约为2mm)。稳定清洗晾干后，得到吸附用的固定化菌剂（含水率约为95%）。用扫描电镜观察固定化菌剂内部机构[3,4]，长时间震荡方式判定菌剂含量不同的固定化菌剂的抗破碎能力和菌体泄露情况。将固定化菌剂按一定的投加量投加到30mg/L含铬模拟污水瓶中， 120rpm振荡吸附一定时间。吸附完成后取上清液稀释一定倍数，用原子吸收分光光度法测定样品中的金属浓度。
三、实验结果与分析
1.海藻酸钠固定化菌剂扫描电镜观察
实验结果如图2，未固定菌体的海藻酸钙小球具有较松散的溶洞结构。图3的海藻酸钠固定化菌剂中，工程菌以圆形颗粒的形式被紧密包埋于海藻酸钙所形成的包囊里，圆形颗粒间紧密相连。这能最大量将工程菌紧密的包埋于海藻酸钠包囊中，避免菌体泄露，最大化体系比表面积，提高工程菌的吸附能力。同时圆形颗粒间又充满了微小的孔隙，保证了整个菌剂的通透性，使包囊中的菌体能很好的与金属污水接触。实验测得菌剂具有更好的抗振能力，增加了其抗破碎的性能。可见，以海藻酸钠为载体固定化菌剂具有优越的微观结构，保证了菌剂的物理性能和吸附性能。
2.海藻酸钠含量对固定化菌剂吸附能力的影响
制造海藻酸钠含量分别为1%、1.5%、2.0 %、2.5 %和3.0 %(m/v)的固定化菌剂，以一定的投加量投加含铬模拟污水中。振荡吸附8h，测其对Cr的去除率。结果如图3所示，在海藻酸钠含量为1%时，固定化菌剂对Cr的去除率最大。随着海藻酸钠含量的增加，Cr离子进入固定化菌剂的传质阻力增加，菌剂对Cr的去除率略有下降。同时，实验证明，1.0%的海藻酸钠作为载体的菌剂无论在抗破碎能力和菌体抗泄漏能力均优于其他海藻酸钠含量的菌剂。因此，选择选1.0%的海藻酸钠作为载体较为合适。图1 海藻酸钙对照扫描电镜图(2um)图2海藻酸钠固定化菌剂扫描电镜图(10um) 图3海藻酸钠含量对固定化菌体吸附能力的影响
3. 投加量对海藻酸钠固定化菌剂吸附Cr的影响
选择了含量为1%和1.5%海藻酸钠的固定化菌剂进行投加量实验，其结果如图4所示。在海藻酸钠含量为1%和1.5%的条件下，固定化菌剂对Cr的去除率随投加量的增加而增加，在10~40g/L的区间增加的速度最快。当投加量增加到40g/L后，菌剂投加量的增加不能再使Cr的去除率产生显著的提高。
对于未包埋菌体的对照组，其吸附曲线呈不规则变化，这是因为Cr的吸附主要靠包埋在小球内的菌体的生物吸附，而对照组对Cr的吸附主要是通过材料表面快速的吸附和解析动态平衡实现，因此具有波动性。
从以上两组实验可以得40g/L的固定化菌剂可以很好的处理中低浓度含Cr污水。 图4海藻酸钠含量为1%和1.5%时菌剂投加量对吸附效果的影响
4.调理剂加入对海藻酸钠包埋菌剂吸附Cr的影响
实验发现，固定化菌剂对Cr的吸附速度较慢，为使菌剂的吸附速率加快在工程菌固定化的过程中加入活性炭作为调理剂，从而改善固定化菌剂的通透性，改善菌剂的吸附效果及重金属的去除速度。在1%海藻酸钠中分别加入 0.01%、0.03%、0.05%、0.07%（m/v）的活性碳制成固定化菌剂，活性碳调理菌剂对含Cr模拟污水的吸附去除率曲线如图5所示。可见，活性碳的加入对固定化菌剂的吸附速度具有一定的促进作用，当活性碳的加入量为0.05%时，菌剂在吸附3h时达到吸附平衡，此时，菌剂对Cr去除率达到90%。 图5 活性碳的加入对固定化菌剂吸附能力的影响
5.处理含Cr污水固定化菌剂吸附动力学
为了更好的将菌剂应用于实际，研究了处理含Cr污水固定化菌剂的吸附动力学，并对其进行了动力学方程拟合。菌剂的吸附动力学曲线如图6所示。从实验结果可见，固定化吸附菌剂的吸附动力学能够很好的用准二级吸附动力学方程拟合，其R2达到了0.9941。可见固定化菌剂的吸附是多层吸附，并伴随有内部扩散现象。由表1的参数还可以看出该吸附是一个较慢的吸附过程，在实际应用过程中应保证足够的吸附处理时间。表3-2 各动力学方程拟合参数 图3-13菌剂吸附动力学曲线
四 、结论
1.无毒无害的天然高分子凝胶海藻酸钠是较为环境友好型的固定化载体。包埋后菌剂具有良好微观埋结构，有利于最大量的包埋细菌，同时有留有空隙，为重金属的渗入提供良好的通透性。
2.用1%(m/v)海藻酸钠包埋固定化酵母R32制得的Cr高效吸附菌剂具有良好的物理特性和Cr吸附性能。菌剂投加量为40g/L(湿重含水率约为95%)，吸附时间为8h时其对Cr的最高去除率可达98%。在固定化菌剂中加入0.05%的活性碳作为调理剂能提高固定化菌剂的吸附速率。
3.固定化吸附菌剂的吸附动力学能够很好的用准二级吸附动力学方程拟合，该菌剂的吸附是一个较慢的吸附过程，在实际应用过程中应保证足够的吸附处理时间。 参考文献[1]沈杰，张朝晖，周晓云，等.生物法去除水中重金属离子的研究[J].水处理技术，2005，31(3):5~8.
11[2]李洪强，刘成伦，徐龙君.微生物吸附剂及其在重金属废水处理中的应用[J].材料保护，2006，11:48~52.[3]Aleya Begum， Md.Nurul Amin， Satoshi Kaneco. Selected elemental composition of the muscle tissue of three species of fish，Tilapia nilotica， Cirrhina mrigala and Clarius batrachus， from the fresh water Dhanmondi Lake in Bangladesh. Food Chemistry，2005，93，(3):439~443.[4]H. H. Omar. Bioremoval of zinc ions by Scenedesmus obliquus and Scenedesmus quadricauda and its effect on growth and metabolism [J]. International Biodeterioration & Biodegradation， 2002，50(2):95-100.