(1·河北理工大学资源与环境学院,河北唐山063009;2·东北大学资源与土木工程学院,沈阳110004;3·烟台金建设计研究工程有限公司,山东烟台264000) 摘要:研究枯草芽胞杆菌对电镀废水中镉的吸附过程,探讨各种因素对吸附效果的影响。结果表明,pH为8、吸附剂用量为10g/L(湿重)、搅拌转数为800r/min、吸附时间为10min的条件下,废水中镉的吸附率达93%以上。吸附镉后枯草芽胞杆菌细胞膨大,色泽变亮,细胞之间相互粘连。Cd(Ⅱ)与细胞表面的钠进行了离子交换吸附。 关键词:环境工程;电镀废水;生物吸附;枯草芽胞杆菌;镉 中图分类号:X781·1 文献标识码:A 文章编号:1001-0211(2010)03-0156-04 电镀废水中含有大量的重金属,是严重危害环境的工业废水之一,其中废水成分复杂,除了含Cd2+以外,还含有Cu2+,Pb2+,Zn2+,Ni2+等。Cd2+对水体和土壤都会造成污染,进而对人体的健康造成危害。因此,如何处理含镉电镀废水引起了高度重视。处理含镉废水的常用方法有沉淀法、吸附法、漂白粉氧化法等,但为了经济有效地治理镉污染,一直致力于研究开发一种经济、实惠、环保的方法。因而,微生物对重金属离子的良好吸附性能才引起广泛关注。 枯草芽胞杆菌(Bacillus subtilis)属革兰氏染色阳性产芽孢菌,广泛分布于自然界的一种需氧性细菌,因其在生长繁殖过程中,可产生能抑制某些有害致病菌的活性物质,因而常用其制备益生菌用于调整肠道菌群失调。同时,它也是食品中常见的一种污染菌,在传统的发酵制品中污染几率更大。然而枯草芽孢杆菌作为微生物吸附剂处理重金属废水的实例非常少。 选取枯草芽孢杆菌作为微生物吸附剂,研究了溶液pH值、搅拌转数、菌体用量、微生物吸附时间对吸附效果的影响,并对吸附过程的作用机理进行了初步探讨。 1实验方法 1·1试验材料 试验用电镀废水取自某电镀厂含镉废水,密度约1kg/m3,pH为7·5~8·2,其中镉、铅、锌、铬、钾、钠、钙和镁含量分别为26,0·054,1·16,0·183,9·1338·1,22·8,20·3mg/L。 枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)的培养基组成为:牛肉膏5g,蛋白胨10g,葡萄糖20g,氯化钠5g蒸馏水1L,pH=7·0。在进行吸附试验前,将枯草芽孢杆菌在30℃、160r/min的条件下,在HZQ-C型空气浴振荡器中培养24h。 1·2吸附试验 用量筒量取一定量的电镀废水,置于烧杯中,加入定量的枯草芽胞杆菌(湿重,15000r/min,5min)在磁力搅拌器上进行吸附试验,测定吸附前后溶液中镉浓度的变化量。 1·3金属离子分析 溶液中Cd2+的浓度采用AA-6300原子吸收分光光计进行测定。 1·4镉离子吸附率 吸附试验完成后,将液体在型号为TG16-W台式高速离心机上,以15000r/min离心分离5min使菌体分离开来,测出离心后溶液中镉离子的浓度用式Q=100×(C0-C)/C0(%)计算镉的吸附率Q,其中C0和C分别为吸附前、后溶液中的Cd2+浓度(mol/L)。 1·5扫描电子显微镜试样的制备与测试方法 将培养24h的枯草芽胞杆菌,经离心分离、清洗,用戊二醛固定、酒精脱水,干燥、喷金后在SSX-550型扫描电子显微镜上观察枯草芽胞杆菌细胞的显微图像及表面能量分析 2试验结果与讨论 2·1pH值对吸附效果的影响 pH值对微生物生存有很重要的影响,有研究表明,对重金属的吸附量随pH值的升高而增大,但金属吸附量与pH值之间并不呈简单的线性关系,通常有一最佳pH值范围。 在搅拌转数为800r/min、吸附时间为10min、枯草芽胞杆菌用量为10g/L(湿重)的条件下,系统研究了pH值对吸附效果的影响,结果如图1所示。
由图1可见,随着pH值的增大,吸附率逐渐增加,在pH为8·2时,吸附率稍微降低,为92·89%。当pH为8时,吸附率达到最大,为93·45%。因此,吸附的适宜pH值约为8。 2·2搅拌转数对吸附效果的影响 在pH值为8、吸附时间为10min、枯草芽孢杆菌用量为10g/L(湿重)的条件下,用枯草芽孢杆菌对含镉电镀废水进行吸附试验,考察搅拌转数对吸附效果的影响,试验结果如图2所示。 由图2可以看出,搅拌转数对微生物的吸附效果有明显的影响。在搅拌转数为800r/min时,吸附效果最好,吸附率达到93·44%。 2·3吸附时间对吸附效果的影响 在镉离子浓度26mg/L,pH值为8,搅拌转数为800r/min,枯草芽胞杆菌用量为10mg/L(湿重)的条件下,考察吸附时间对吸附效果的影响。试验结果如图3所示。
由图3可知,枯草芽胞杆菌对电镀废水中镉的吸附速度很快,且吸附率从总体看呈上升趋势,后来趋于吸附平衡。5min后,吸附率已达到92·56%,到10min时,吸附率达到93·64%,吸附速度开始变慢,再从时间段观察,吸附率有非常缓慢的增加,幅度相对较小。因此,选定吸附时间为10min。 2·4吸附剂用量对吸附效果的影响 在电镀废水pH值为8,搅拌转数为800r/min,吸附时间为10min的条件下,进行枯草芽胞杆菌对废水的吸附试验,考察吸附剂用量对吸附效果的影响。试验结果如图4所示。 由图4可见,随着枯草芽胞杆菌用量的增加,微生物对废水中镉的吸附率呈上升趋势,直至达到吸附平衡。从开始到吸附剂用量达到10g/L(湿重)时,吸附率有明显的提高,达到最大为93·44%。此后,吸附剂用量增加时,微生物对废水中镉的吸附率增加缓慢。
2·5枯草芽胞杆菌的扫描电子显微镜图像 枯草芽胞杆菌的扫描电子显微镜图像见图5。 由图5(a)可以看出,枯草芽胞杆菌为长杆状,长度大约为6μm,粗约0·7~0·8μm,以芽殖方式繁殖,芽胞常存在于菌体中央或稍偏,芽胞形成后菌体并没有膨大,自然状态下,分散,表面色泽也较暗淡。由图5(b)可以看出,枯草芽胞杆菌吸附镉后,细胞体略显膨大,表面色泽变亮,有研究表明,溶液中的重金属离子与细胞内的阳离子发生交换,使大量金属离子聚集在细胞表面,其导电作用使吸附后的细胞明显比吸附前明亮,清晰。由于在吸附过程中,细胞分泌一些大分子物质,使部分细胞粘连,致使细胞表面粗糙。
2·6枯草芽胞杆菌的能量分析谱 枯草芽胞杆菌的能量分析谱见图6,吸附前后微生物吸附剂表面元素含量见表1。 由图6(a)和图6(b)可知,未吸附镉的枯草芽胞杆菌,细胞表面含有C,N,O,P,S,Na等元素,且C,O,N,P的峰均较强。吸附镉后,出现了镉峰。由表1可以看出,Na的含量减少,表明在此吸附过程中,有离子交换吸附存在。由于C,N,O,S,P的含量均有变化,推测有络合、载体跨膜运输等作用存在,使细胞质从细胞膜中流出,致使吸附后枯草芽胞杆菌的形体膨大。
3结论 枯草芽胞杆菌对电镀废水中的镉有吸附作用。最佳吸附条件是pH值为8,搅拌转数为800r/min,吸附时间为10min,吸附剂用量为10g/L(湿重),吸附率可到93%以上。微生物吸附剂对电镀废水的作用存在着离子交换、络合、载体跨膜运输等物理化学过程。 |
