摘要:研究枯草芽胞桿菌對電鍍廢水中鎘的吸附過程,探討各種因素對吸附效果的影響。結(jié)果表明,pH為8、吸附劑用量為10g/L(濕重)、攪拌轉(zhuǎn)數(shù)為800r/min、吸附時間為10min的條件下,廢水中鎘的吸附率達93%以上。吸附鎘后枯草芽胞桿菌細胞膨大,色澤變亮,細胞之間相互粘連。Cd(Ⅱ)與細胞表面的鈉進行了離子交換吸附。

關(guān)鍵詞:環(huán)境工程;電鍍廢水;生物吸附;枯草芽胞桿菌;鎘

電鍍廢水中含有大量的重金屬,是嚴重危害環(huán)境的工業(yè)廢水之一,其中廢水成分復雜,除了含Cd2+以外,還含有Cu2+,Pb2+,Zn2+,Ni2+等。Cd2+對水體和土壤都會造成污染,進而對人體的健康造成危害。因此,如何處理含鎘電鍍廢水引起了高度重視。處理含鎘廢水的常用方法有沉淀法、吸附法、漂白粉氧化法等,但為了經(jīng)濟有效地治理鎘污染,一直致力于研究開發(fā)一種經(jīng)濟、實惠、環(huán)保的方法。因而,微生物對重金屬離子的良好吸附性能才引起廣泛關(guān)注。

枯草芽胞桿菌(Bacillus subtilis)屬革蘭氏染色陽性產(chǎn)芽孢菌,廣泛分布于自然界的一種需氧性細菌,因其在生長繁殖過程中,可產(chǎn)生能抑制某些有害致病菌的活性物質(zhì),因而常用其制備益生菌用于調(diào)整腸道菌群失調(diào)。同時,它也是食品中常見的一種污染菌,在傳統(tǒng)的發(fā)酵制品中污染幾率更大。然而枯草芽孢桿菌作為微生物吸附劑處理重金屬廢水的實例非常少。

選取枯草芽孢桿菌作為微生物吸附劑,研究了溶液pH值、攪拌轉(zhuǎn)數(shù)、菌體用量、微生物吸附時間對吸附效果的影響,并對吸附過程的作用機理進行了初步探討。

1實驗方法

1·1試驗材料

試驗用電鍍廢水取自某電鍍廠含鎘廢水,密度約1kg/m3,pH為7·5~8·2,其中鎘、鉛、鋅、鉻、鉀、鈉、鈣和鎂含量分別為26,0·054,1·16,0·183,9·1338·1,22·8,20·3mg/L。

枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)的培養(yǎng)基組成為:牛肉膏5g,蛋白胨10g,葡萄糖20g,氯化鈉5g蒸餾水1L,pH=7·0。在進行吸附試驗前,將枯草芽孢桿菌在30℃、160r/min的條件下,在HZQ-C型空氣浴振蕩器中培養(yǎng)24h。

1·2吸附試驗

用量筒量取一定量的電鍍廢水,置于燒杯中,加入定量的枯草芽胞桿菌(濕重,15000r/min,5min)在磁力攪拌器上進行吸附試驗,測定吸附前后溶液中鎘濃度的變化量。

1·3金屬離子分析

溶液中Cd2+的濃度采用AA-6300原子吸收分光光計進行測定。

1·4鎘離子吸附率

吸附試驗完成后,將液體在型號為TG16-W臺式高速離心機上,以15000r/min離心分離5min使菌體分離開來,測出離心后溶液中鎘離子的濃度用式Q=100×(C0-C)/C0(%)計算鎘的吸附率Q,其中C0和C分別為吸附前、后溶液中的Cd2+濃度(mol/L)。

1·5掃描電子顯微鏡試樣的制備與測試方法

將培養(yǎng)24h的枯草芽胞桿菌,經(jīng)離心分離、清洗,用戊二醛固定、酒精脫水,干燥、噴金后在SSX-550型掃描電子顯微鏡上觀察枯草芽胞桿菌細胞的顯微圖像及表面能量分析譜。

2試驗結(jié)果與討論

2·1pH值對吸附效果的影響

pH值對微生物生存有很重要的影響,有研究表明,對重金屬的吸附量隨pH值的升高而增大,但金屬吸附量與pH值之間并不呈簡單的線性關(guān)系,通常有一最佳pH值范圍。

在攪拌轉(zhuǎn)數(shù)為800r/min、吸附時間為10min、枯草芽胞桿菌用量為10g/L(濕重)的條件下,系統(tǒng)研究了pH值對吸附效果的影響,結(jié)果如圖1所示。

由圖1可見,隨著pH值的增大,吸附率逐漸增加,在pH為8·2時,吸附率稍微降低,為92·89%。當pH為8時,吸附率達到最大,為93·45%。因此,吸附的適宜pH值約為8。

2·2攪拌轉(zhuǎn)數(shù)對吸附效果的影響

在pH值為8、吸附時間為10min、枯草芽孢桿菌用量為10g/L(濕重)的條件下,用枯草芽孢桿菌對含鎘電鍍廢水進行吸附試驗,考察攪拌轉(zhuǎn)數(shù)對吸附效果的影響,試驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出,攪拌轉(zhuǎn)數(shù)對微生物的吸附效果有明顯的影響。在攪拌轉(zhuǎn)數(shù)為800r/min時,吸附效果最好,吸附率達到93·44%。

2·3吸附時間對吸附效果的影響

在鎘離子濃度26mg/L,pH值為8,攪拌轉(zhuǎn)數(shù)為800r/min,枯草芽胞桿菌用量為10mg/L(濕重)的條件下,考察吸附時間對吸附效果的影響。試驗結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知,枯草芽胞桿菌對電鍍廢水中鎘的吸附速度很快,且吸附率從總體看呈上升趨勢,后來趨于吸附平衡。5min后,吸附率已達到92·56%,到10min時,吸附率達到93·64%,吸附速度開始變慢,再從時間段觀察,吸附率有非常緩慢的增加,幅度相對較小。因此,選定吸附時間為10min。

2·4吸附劑用量對吸附效果的影響

在電鍍廢水pH值為8,攪拌轉(zhuǎn)數(shù)為800r/min,吸附時間為10min的條件下,進行枯草芽胞桿菌對廢水的吸附試驗,考察吸附劑用量對吸附效果的影響。試驗結(jié)果如圖4所示。

由圖4可見,隨著枯草芽胞桿菌用量的增加,微生物對廢水中鎘的吸附率呈上升趨勢,直至達到吸附平衡。從開始到吸附劑用量達到10g/L(濕重)時,吸附率有明顯的提高,達到最大為93·44%。此后,吸附劑用量增加時,微生物對廢水中鎘的吸附率增加緩慢。

2·5枯草芽胞桿菌的掃描電子顯微鏡圖像

枯草芽胞桿菌的掃描電子顯微鏡圖像見圖5。

由圖5(a)可以看出,枯草芽胞桿菌為長桿狀,長度大約為6μm,粗約0·7~0·8μm,以芽殖方式繁殖,芽胞常存在于菌體中央或稍偏,芽胞形成后菌體并沒有膨大,自然狀態(tài)下,分散,表面色澤也較暗淡。由圖5(b)可以看出,枯草芽胞桿菌吸附鎘后,細胞體略顯膨大,表面色澤變亮,有研究表明,溶液中的重金屬離子與細胞內(nèi)的陽離子發(fā)生交換,使大量金屬離子聚集在細胞表面,其導電作用使吸附后的細胞明顯比吸附前明亮,清晰。由于在吸附過程中,細胞分泌一些大分子物質(zhì),使部分細胞粘連,致使細胞表面粗糙。

2·6枯草芽胞桿菌的能量分析譜

枯草芽胞桿菌的能量分析譜見圖6,吸附前后微生物吸附劑表面元素含量見表1。

由圖6(a)和圖6(b)可知,未吸附鎘的枯草芽胞桿菌,細胞表面含有C,N,O,P,S,Na等元素,且C,O,N,P的峰均較強。吸附鎘后,出現(xiàn)了鎘峰。由表1可以看出,Na的含量減少,表明在此吸附過程中,有離子交換吸附存在。由于C,N,O,S,P的含量均有變化,推測有絡合、載體跨膜運輸?shù)茸饔么嬖?使細胞質(zhì)從細胞膜中流出,致使吸附后枯草芽胞桿菌的形體膨大。

3結(jié)論

枯草芽胞桿菌對電鍍廢水中的鎘有吸附作用。最佳吸附條件是pH值為8,攪拌轉(zhuǎn)數(shù)為800r/min,吸附時間為10min,吸附劑用量為10g/L(濕重),吸附率可到93%以上。微生物吸附劑對電鍍廢水的作用存在著離子交換、絡合、載體跨膜運輸?shù)任锢砘瘜W過程。 

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