沼液微生物絮凝剂重金属吸附特性的研究

赵　光， 郑　盼， 郭海娟， 贾　兰， 马　放

(1.辽宁工业大学 化学与环境工程学院， 辽宁 锦州　121001； 2.台州学院建筑工程学院， 浙江 台州　317000； 3.哈尔滨工业大学 市政环境工程学院， 哈尔滨　150090)



沼液微生物絮凝剂重金属吸附特性的研究

赵光1， 郑盼1， 郭海娟2， 贾兰1， 马放3

(1.辽宁工业大学 化学与环境工程学院， 辽宁 锦州121001； 2.台州学院建筑工程学院， 浙江 台州317000； 3.哈尔滨工业大学 市政环境工程学院， 哈尔滨150090)

文章以牛粪为底物的中温厌氧发酵沼液作为产絮基质，利用产絮菌F+制备的生物絮凝剂絮凝率为83.8%，产量2.36 g·L-1。着重考察了沼液生物絮凝剂投加量、pH值、吸附反应时间和温度等因子对人工模拟电镀废水Cr6+，Cu2+，Zn2+，Ni2+的吸附去除效能。结果表明，生物絮凝剂对金属离子的去除率(η)随投加量的增加而提高，单位絮凝剂吸附量(qe)降低，确定适宜的沼液絮凝剂投加量为20 mL人工模拟电镀废水投加3 mL；当溶液pH值为6时，Cu2+，Zn2+与Ni2+的η较为理想，可达到84.3%,89.7%和63.2%；沼液絮凝剂对Cr6+达到吸附平衡所需的时间最长为40 min，而反应温度高于40 ℃时沼液絮凝剂吸附中心活性显著下降，最终确定适宜的吸附反应时间应控制在40 min，反应温度控制在25 ℃～30 ℃进行最佳。

沼液； 微生物絮凝剂； 产絮菌； 重金属； 吸附

利用有机废物为发酵底物，进行厌氧消化产甲烷的技术已被世界各国广泛应用与推广，为工、农业生产供应了大量清洁能源[1]。目前，德国是沼气能源应用最先进的国家之一，已有超过6000座沼气工程，但每年也会产生巨量的沼渣、沼液，例如装机发电容量2300 MW的沼气工程年产沼液超过2900万m3[2]。如此大量沼液处理不当，病菌和病毒可能引起土壤、水体环境的二次污染。此外，沼液中仍含有大量有机质，随意排放也是资源的极大浪费。

对于沼液应用的研究，国内外科研人员在生产有机肥、叶面肥等方面开展了大量工作。有机废弃物经厌氧发酵处理产生的沼液有机质含量较高，且含有农作物生长所需的N，P，K等营养元素，适合作为有机肥生产基质。然而，由于厌氧发酵转化率的差异，常致使沼液成分差异较大，其中所含蛋白质与部分有机化合物的二次转化存在潜在的温室效应危害[3]。除此之外，在沼液有机肥施灌方法、生态环境安全化评价等方面还存在很多技术缺陷与争议。因此，急需安全、高效的沼液无害化、资源化处理关键技术的突破，最终实现有机废弃物的综合治理与生态循环经济。

微生物絮凝剂是一类由具有特殊功能的微生物分泌的聚合物，主要成分包括脂类、蛋白质和多糖。由于其具有很好的生态安全性，且易于生物降解，不会对环境产生二次污染，被广泛应用于水处理领域[4]。马放[5-6]等2002年首次提出复合型生物絮凝剂的概念，利用纤维素降解菌复合絮凝菌以秸秆为基质，制备并获得了生物絮凝剂，解决了由于葡萄糖等传统人工培养基制备技术成本过高而制约转化应用的难题,并于2011年研究获得了以牛粪沼气发酵沼液为底物，采用复合培养基方法，制取生物絮凝剂产率达到4.2 g·L-1。近年来，应用生物絮凝剂去除重金属的研究受到广泛关注，目前已开发的絮凝菌种Aspergillussojae制备的生物絮凝剂对Cr6+具有很好的去除率，产絮菌BacillussubtilisLF-Tou2制备的絮凝剂对Cu2+具有较好的去除效果[7]。笔者以沼液为底物，产絮菌Rhizobiumradiobacter和Bacillussphaericus复配的产絮菌F+制备生物絮凝剂，考察沼液生物絮凝剂投加量，溶液pH值，吸附时间和反应温度等因子对人工模拟电镀废水Cr6+，Cu2+，Zn2+，Ni2+等重金属离子吸附去除效能，为厌氧发酵沼液高附加值转化与综合利用提供新的研究方向。

1　材料与方法

1.1材料

1.1.1沼液基质

产絮基质取自海林农场中温(30 ℃)沼气池厌氧发酵牛粪排放的沼液，样品迅速取回后存放于20℃冰箱备用。沼液的生物化学需氧量(COD)2860 mg·L-1，总氮(TN)380 mg·L-1，总磷(TP)43 mg·L-1，pH值7.18，以9000 rpm·min-1离心10 min用于产絮基质，投加沼液与C6H12O62 g·L-1，KH2PO42 g·L-1和K2HPO45 g·L-1制成复合产絮营养基质，115 ℃灭菌15 min备用。

1.1.2产絮微生物

产絮微生物F2和F6由黑龙江省环境生物技术重点实验室提供，F2鉴定为Rhizobiumradiobacter，F6鉴定为Bacillussphaericus，将F2与F6按等体积比混合，形成复合产絮菌F+，以一定量投加至沼液复合营养基质。

1.1.3产絮微生物种子液培养基

产絮微生物扩繁种子培养基配方包括，葡萄糖(10 g)，酵母膏(0.5 g)，KH2PO4(2 g)，K2HPO4(5 g)，NaCl (0.1 g)，MgSO4·7H2O (0.2 g)， 尿素 0.5 g，水 1000 mL，调节pH值 至7.5，115℃灭菌25 min备用。

1.2实验方法

1.2.1沼液微生物絮凝剂的制取

分别挑取F2和F6产絮菌接种于种子培养基，在发酵温度30 ℃，摇床转速为140 rpm·min-1条件下培养24 h，获得产絮菌种子液。以产絮菌发酵液接种量10%，保持其他条件不变，接种于沼液基质，振荡培养24 h，以传统产絮培养基发酵作为对照。生长曲线利用600 nm波长下产絮培养基的比浊度进行测定，絮凝率测定方法参照Gong[8]等研究进行测定(见公式1)，絮凝剂产量测定方法采用醇提法，参照马放[9]等研究方法。

絮凝率(%)=(A-B)/A×100%

(1)

式中：A为空白对照550 nm波长下的吸光值；B为待测样品550 nm波长下的吸光值。

1.2.2沼液微生物絮凝剂的重金属离子吸附试验

以去离子水配置模拟电镀废水，其中包括Cr6+(46.5 mg·L-1)，Zn2+(34.6 mg·L-1)，Cu2+(58.5 mg·L-1)，Ni2+(35.8 mg·L-1)，以1 mol·L-1的HCl和NaOH调节溶液pH值。取人工模拟配置的电镀废水20 mL，投加一定量沼液絮凝剂(0.5，1，1.5，2，2.5，3，3.5，4和5 mL)，调节pH值(2，3，4，5，6)，改变温度(10℃，15℃，20℃，25℃，30℃，35℃，40℃，45 ℃)和吸附时间(5，10，15，20，25，30，40，50，60，80和100 min)，考察生物絮凝剂对金属离子的qe与η，依据公式(2)和公式(3)计算。

(2)

(3)

式中：CO为重金属离子浓度；Ce为吸附后剩余浓度；V为重金属样品体积；m为生物絮凝剂投加量。

1.2.3分析方法

沼液样品、待测水样的COD，TS，VS，pH值，及TN等指标按标准方法测试[10]。重金属离子浓度测定采用电感耦合等离子体发射光谱法ICP-OES(Optima5300DV，Perkin Elmer Inc，美国)，首先将振荡反应完成后的溶液，过滤0.45 μm的醋酸纤维滤膜，分别在267.716，327.393，231.604和213.857 nm处测定Cr6+，Cu2+，Ni2+和Zn2+的浓度[11]。

2　结果与讨论

2.1沼液复合基质产絮菌的产絮特性

产絮微生物絮凝剂发酵液条件，根据前期研究基础，采取发酵温度为30 ℃，培养基初始pH值为7.5，接种量为10%，发酵时间24 h的培养条件下进行[12]。如图1所示，产絮微生物F+在沼液复合基质与传统培养基的生长曲线，沼液基质的生长趋势与产絮菌在传统培养基相似，0～20 h产絮菌在沼液复合基质的繁殖速率高于传统培养基，表明沼液中含有极易于产絮微生物F+利用的有机碳源，随产絮微生物在培养基生长时间的延长，F+在沼液复合基质逐步进入稳定生长状态。此后，F+在沼液复合基质的生长速率相比传统培养基显著下降，生长趋势产生差异，可能的原因是产絮微生物逐步在转变以利用传统培养基为营养源的代谢方式，表明沼液作为廉价产絮底物具有很好的可行性与应用意义。如图2所示，产絮微生物F+在沼液复合基质的絮凝率为83.8%，采用醇提法对沼液复合基质发酵液进行粗提，制取的生物絮凝剂产量为2.36 g·L-1。

2.2沼液絮凝剂的重金属吸附特性

2.2.1沼液絮凝剂投加量对重金属去除率的影响

将沼液絮凝剂发酵液投加至人工模拟电镀废水中，25 ℃条件下140 rpm·min-1振荡反应50 min，考察不同投加量对重金属吸附量与去除率的影响。如图3至图6所示，沼液絮凝剂对各重金属的去除率均随投加量增多而提高，吸附量呈现先增加后降低的趋势。当投加量为0.5 mL时沼液絮凝剂对Cr6+的qe最大为53.2 mg·g-1，随投加量增加而呈现先降低后趋于稳定的变化趋势，沼液絮凝剂对Cr6+的η最低，投加量为5 mL时仅达到36.5%，综合考虑投加量与η的相关性，最适沼液絮凝剂投加量为3 mL(见图3)。沼液絮凝剂对Zn2+和Cu2+的去除率较高，可以达到93%以上的去除效果，沼液絮凝剂投加量1.5 mL时对Cu2+去除最适，η和qe分别为92.6%和373.7 mg·g-1，继续提高投加量对Cu2+的η增幅很小(见图5)，沼液絮凝剂投加量2.5 mL对Zn2+去除最适，η和qe分别为93.5%和126.4 mg·g-1(见图4)。沼液絮凝剂对Ni2+去除效果一般，投加量为4 mL时的η和qe分别为64.7%和48.3 mg·g-1，投加量超过3 mL时沼液絮凝剂对Ni2+的η基本稳定(见图6)。综合分析，沼液生物絮凝剂对4种金属离子的去除效果，3 mL的沼液絮凝剂投加量最适合人工模拟重金属废水的处理。

图1　产絮微生物在沼液复合基质的生长曲线

图2　产絮微生物在沼液复合基质的絮凝率和絮凝剂产量

2.2.2沼液絮凝剂pH值对重金属去除率的影响

投加3 mL沼液絮凝剂发酵液至人工模拟电镀废水中，25 ℃条件下140 rpm·min-1振荡反应50 min，考察不同pH值对重金属去除率的影响。

图3　沼液絮凝剂不同投加量对重金属Cr6+去除率和吸附量的影响

图4　沼液絮凝剂不同投加量对重金属Zn2+去除率和吸附量的影响

图5　沼液絮凝剂不同投加量对重金属Cu2+去除率和吸附量的影响

图6　沼液絮凝剂不同投加量对重金属Ni2+去除率和吸附量的影响

图7　沼液絮凝剂不同pH值对重金属去除率的影响

2.2.3沼液絮凝剂吸附时间对重金属去除率的影响

投加3 mL沼液絮凝剂发酵液至人工模拟电镀废水中，调节溶液pH值为6，在25 ℃条件下140 rpm·min-1振荡反应，考察不同吸附时间对重金属去除率的影响。如图8所示，沼液絮凝剂对重金属的吸附过程均经历了快速吸附、减速吸附和动态平衡3个阶段。在反应开始的30 min处于快速吸附阶段，生物絮凝剂上吸附位点逐步被取代，Cr6+的η逐渐增加，在反应的40 min后进入吸附的平衡阶段，η基本稳定在30%左右。沼液絮凝剂对Cu2+和Zn2+吸附去除效率较高，反应的15 min为Zn2+的快速吸附阶段，η达到84.1%，25 min后逐渐进入吸附的平衡阶段，η基本稳定在90%左右。反应的25 min为Cu2+的快速吸附阶段，η达到84.2%，40 min后逐渐进入吸附的平衡阶段，η基本稳定在93%左右。Ni2+的快速吸附时间为20 min，η达到59.1%，30 min后逐渐进入吸附的平衡阶段。总体来看，Cr6+达到吸附平衡的时间较长，因此溶液的吸附反应时间应控制在40 min。

图8　沼液絮凝剂不同吸附时间对重金属去除率的影响

2.2.4沼液絮凝剂吸附温度对重金属去除率的影响

投加3 mL沼液絮凝剂发酵液至人工模拟电镀废水中，调节溶液pH值为6，吸附反应时间40 min，考察不同温度对重金属去除率的影响。如图9所示，反应温度在10 ℃～30 ℃范围内，对Cr6+的η影响较小，基本保持在29.5%左右，继续提高温度η显著降低，说明高于30 ℃会破坏沼液微生物絮凝剂的活性位点。温度对Cu2+，Zn2+与Ni2+的η影响相似，先增加进入稳定阶段后开始降低，在25 ℃～30 ℃范围内有较高的去除效果，反应温度在30 ℃时的η分别为94.1%，93.2%和62.7%，温度高于40 ℃均出现下降趋势。通常，温度过低使生物絮凝剂的官能团活性降低，使物理吸附作用减弱，而温度过高则不利于物理吸附放热的进行，絮凝剂上一些官能团失去活性，影响金属的吸附去除效率[15]。综合分析，沼液生物絮凝剂吸附反应温度控制在25 ℃～30 ℃进行最为适宜。

图9　沼液絮凝剂不同吸附温度对重金属去除率的影响

3　结论

(1)以牛粪中温厌氧发酵沼液为底物形成的复合产絮基质，在产絮菌F+投加量为10%，发酵温度30 ℃，初始pH值为7.5，发酵时间为24 h条件下，絮凝率达到83.8%，提取的生物絮凝剂产量为2.36 g·L-1。

(2)金属离子溶液的η随投加量的增加提高，而单位qe降低，最终确定适宜沼液生物絮凝剂投加量为20 mL人工模拟电镀废水投加3 mL；溶液pH值对金属离子的η影响显著，pH值为4时Cr6+的η最大为32.1%，pH值为6时Cu2+，Zn2+与Ni2+的η较为理想，确定溶液最适宜pH值为6。

(3)沼液生物絮凝剂对Cr6+达到吸附平衡的时间较长，最适宜吸附反应时间应控制在40 min；溶液反应温度高于40 ℃时出现沼液生物絮凝剂吸附中心活性下降趋势，最终确定吸附反应温度应控制在25 ℃～30 ℃进行最为适宜。

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Research on Heavy Metal Adsorption Characteristics of the Microbial Bio-flocculant Produced by Biogas Slurry /

ZHAO Guang1, ZHENG Pan1, GUO Hai-juan2, JIA Lan1, MA Fang3/

(1. School of Chemical and Environmental Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China; 2. Schoolof Civil Engineering and Architecture, Taizhou University, Taizhou 317000, China; 3. School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

The biogas slurry from mesophilic anaerobic digestion process of cow manure was used as substrates to produce bio-flocculants by bio-flocculants producing bacteria. The bio-flocculants production rate achieved 2.36 g·L-1and the flocculation efficiency was 83.8%. The study mainly investigated the effect of bio-flocculants dosing quantity, pH, adsorption reaction time and temperature on removal rate of Cr6+, Cu2+, Zn2+and Ni2+from artificial electroplating wastewater. The results showed that removal rate was improved with the increase of bio-flocculants dosing quantity, yet, the unit flocculant adsorption quantity reduced. Dosage of 3 mL of bio-flocculants could obtain optimum removal rate. When the pH was 6, and removal rate of Cu2+, Zn2+and Ni2+could achieve 84.3%, 89.7% and 63.2%. The Cr6+required a longer time(40 min) to reach adsorption equilibrium. And the activity of flocculants adsorption center decreased significantly when the reaction temperature was over 40 ℃. So, the suitable adsorption reaction time should be controlled to 40 min and temperature of 25℃～30 ℃.

biogas slurry; bio-flocculants; bio-flocculants producing bacteria; heavy metal; adsorption

2016-04-21

2016-05-31

项目来源： 国家自然科学基金(51541808)； 辽宁省博士科研启动基金项目(201501124)； 辽宁省教育厅一般研究项目(L2014236)

赵光(1980-)，男，博士，主要研究方向为废弃物资源化利用，E-mail：zhaoguang@lnut.edu.cn

郭海娟 E-mail：guohaijuan@163.com

S216.4; X712

A

1000-1166(2016)05-0017-07