沼液微生物絮凝劑重金屬吸附特性的研究

趙　光， 鄭　盼， 郭海娟， 賈　蘭， 馬　放

(1.遼寧工業大學 化學與環境工程學院， 遼寧 錦州　121001； 2.臺州學院建筑工程學院， 浙江 臺州　317000； 3.哈爾濱工業大學 市政環境工程學院， 哈爾濱　150090)

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沼液微生物絮凝劑重金屬吸附特性的研究

趙光1， 鄭盼1， 郭海娟2， 賈蘭1， 馬放3

(1.遼寧工業大學 化學與環境工程學院， 遼寧 錦州121001； 2.臺州學院建筑工程學院， 浙江 臺州317000； 3.哈爾濱工業大學 市政環境工程學院， 哈爾濱150090)

文章以牛糞為底物的中溫厭氧發酵沼液作為產絮基質，利用產絮菌F+制備的生物絮凝劑絮凝率為83.8%，產量2.36 g·L-1。著重考察了沼液生物絮凝劑投加量、pH值、吸附反應時間和溫度等因子對人工模擬電鍍廢水Cr6+，Cu2+，Zn2+，Ni2+的吸附去除效能。結果表明，生物絮凝劑對金屬離子的去除率(η)隨投加量的增加而提高，單位絮凝劑吸附量(qe)降低，確定適宜的沼液絮凝劑投加量為20 mL人工模擬電鍍廢水投加3 mL；當溶液pH值為6時，Cu2+，Zn2+與Ni2+的η較為理想，可達到84.3%,89.7%和63.2%；沼液絮凝劑對Cr6+達到吸附平衡所需的時間最長為40 min，而反應溫度高于40 ℃時沼液絮凝劑吸附中心活性顯著下降，最終確定適宜的吸附反應時間應控制在40 min，反應溫度控制在25 ℃～30 ℃進行最佳。

沼液； 微生物絮凝劑； 產絮菌； 重金屬； 吸附

利用有機廢物為發酵底物，進行厭氧消化產甲烷的技術已被世界各國廣泛應用與推廣，為工、農業生產供應了大量清潔能源[1]。目前，德國是沼氣能源應用最先進的國家之一，已有超過6000座沼氣工程，但每年也會產生巨量的沼渣、沼液，例如裝機發電容量2300 MW的沼氣工程年產沼液超過2900萬m3[2]。如此大量沼液處理不當，病菌和病毒可能引起土壤、水體環境的二次污染。此外，沼液中仍含有大量有機質，隨意排放也是資源的極大浪費。

對于沼液應用的研究，國內外科研人員在生產有機肥、葉面肥等方面開展了大量工作。有機廢棄物經厭氧發酵處理產生的沼液有機質含量較高，且含有農作物生長所需的N，P，K等營養元素，適合作為有機肥生產基質。然而，由于厭氧發酵轉化率的差異，常致使沼液成分差異較大，其中所含蛋白質與部分有機化合物的二次轉化存在潛在的溫室效應危害[3]。除此之外，在沼液有機肥施灌方法、生態環境安全化評價等方面還存在很多技術缺陷與爭議。因此，急需安全、高效的沼液無害化、資源化處理關鍵技術的突破，最終實現有機廢棄物的綜合治理與生態循環經濟。

微生物絮凝劑是一類由具有特殊功能的微生物分泌的聚合物，主要成分包括脂類、蛋白質和多糖。由于其具有很好的生態安全性，且易于生物降解，不會對環境產生二次污染，被廣泛應用于水處理領域[4]。馬放[5-6]等2002年首次提出復合型生物絮凝劑的概念，利用纖維素降解菌復合絮凝菌以秸稈為基質，制備并獲得了生物絮凝劑，解決了由于葡萄糖等傳統人工培養基制備技術成本過高而制約轉化應用的難題,并于2011年研究獲得了以牛糞沼氣發酵沼液為底物，采用復合培養基方法，制取生物絮凝劑產率達到4.2 g·L-1。近年來，應用生物絮凝劑去除重金屬的研究受到廣泛關注，目前已開發的絮凝菌種Aspergillussojae制備的生物絮凝劑對Cr6+具有很好的去除率，產絮菌BacillussubtilisLF-Tou2制備的絮凝劑對Cu2+具有較好的去除效果[7]。筆者以沼液為底物，產絮菌Rhizobiumradiobacter和Bacillussphaericus復配的產絮菌F+制備生物絮凝劑，考察沼液生物絮凝劑投加量，溶液pH值，吸附時間和反應溫度等因子對人工模擬電鍍廢水Cr6+，Cu2+，Zn2+，Ni2+等重金屬離子吸附去除效能，為厭氧發酵沼液高附加值轉化與綜合利用提供新的研究方向。

1　材料與方法

1.1材料

1.1.1沼液基質

產絮基質取自海林農場中溫(30 ℃)沼氣池厭氧發酵牛糞排放的沼液，樣品迅速取回后存放于20℃冰箱備用。沼液的生物化學需氧量(COD)2860 mg·L-1，總氮(TN)380 mg·L-1，總磷(TP)43 mg·L-1，pH值7.18，以9000 rpm·min-1離心10 min用于產絮基質，投加沼液與C6H12O62 g·L-1，KH2PO42 g·L-1和K2HPO45 g·L-1制成復合產絮營養基質，115 ℃滅菌15 min備用。

1.1.2產絮微生物

產絮微生物F2和F6由黑龍江省環境生物技術重點實驗室提供，F2鑒定為Rhizobiumradiobacter，F6鑒定為Bacillussphaericus，將F2與F6按等體積比混合，形成復合產絮菌F+，以一定量投加至沼液復合營養基質。

1.1.3產絮微生物種子液培養基

產絮微生物擴繁種子培養基配方包括，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，調節pH值 至7.5，115℃滅菌25 min備用。

1.2實驗方法

1.2.1沼液微生物絮凝劑的制取

分別挑取F2和F6產絮菌接種于種子培養基，在發酵溫度30 ℃，搖床轉速為140 rpm·min-1條件下培養24 h，獲得產絮菌種子液。以產絮菌發酵液接種量10%，保持其他條件不變，接種于沼液基質，振蕩培養24 h，以傳統產絮培養基發酵作為對照。生長曲線利用600 nm波長下產絮培養基的比濁度進行測定，絮凝率測定方法參照Gong[8]等研究進行測定(見公式1)，絮凝劑產量測定方法采用醇提法，參照馬放[9]等研究方法。

絮凝率(%)=(A-B)/A×100%

(1)

式中：A為空白對照550 nm波長下的吸光值；B為待測樣品550 nm波長下的吸光值。

1.2.2沼液微生物絮凝劑的重金屬離子吸附試驗

以去離子水配置模擬電鍍廢水，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調節溶液pH值。取人工模擬配置的電鍍廢水20 mL，投加一定量沼液絮凝劑(0.5，1，1.5，2，2.5，3，3.5，4和5 mL)，調節pH值(2，3，4，5，6)，改變溫度(10℃，15℃，20℃，25℃，30℃，35℃，40℃，45 ℃)和吸附時間(5，10，15，20，25，30，40，50，60，80和100 min)，考察生物絮凝劑對金屬離子的qe與η，依據公式(2)和公式(3)計算。

(2)

(3)

式中：CO為重金屬離子濃度；Ce為吸附后剩余濃度；V為重金屬樣品體積；m為生物絮凝劑投加量。

1.2.3分析方法

沼液樣品、待測水樣的COD，TS，VS，pH值，及TN等指標按標準方法測試[10]。重金屬離子濃度測定采用電感耦合等離子體發射光譜法ICP-OES(Optima5300DV，Perkin Elmer Inc，美國)，首先將振蕩反應完成后的溶液，過濾0.45 μm的醋酸纖維濾膜，分別在267.716，327.393，231.604和213.857 nm處測定Cr6+，Cu2+，Ni2+和Zn2+的濃度[11]。

2　結果與討論

2.1沼液復合基質產絮菌的產絮特性

產絮微生物絮凝劑發酵液條件，根據前期研究基礎，采取發酵溫度為30 ℃，培養基初始pH值為7.5，接種量為10%，發酵時間24 h的培養條件下進行[12]。如圖1所示，產絮微生物F+在沼液復合基質與傳統培養基的生長曲線，沼液基質的生長趨勢與產絮菌在傳統培養基相似，0～20 h產絮菌在沼液復合基質的繁殖速率高于傳統培養基，表明沼液中含有極易于產絮微生物F+利用的有機碳源，隨產絮微生物在培養基生長時間的延長，F+在沼液復合基質逐步進入穩定生長狀態。此后，F+在沼液復合基質的生長速率相比傳統培養基顯著下降，生長趨勢產生差異，可能的原因是產絮微生物逐步在轉變以利用傳統培養基為營養源的代謝方式，表明沼液作為廉價產絮底物具有很好的可行性與應用意義。如圖2所示，產絮微生物F+在沼液復合基質的絮凝率為83.8%，采用醇提法對沼液復合基質發酵液進行粗提，制取的生物絮凝劑產量為2.36 g·L-1。

2.2沼液絮凝劑的重金屬吸附特性

2.2.1沼液絮凝劑投加量對重金屬去除率的影響

將沼液絮凝劑發酵液投加至人工模擬電鍍廢水中，25 ℃條件下140 rpm·min-1振蕩反應50 min，考察不同投加量對重金屬吸附量與去除率的影響。如圖3至圖6所示，沼液絮凝劑對各重金屬的去除率均隨投加量增多而提高，吸附量呈現先增加后降低的趨勢。當投加量為0.5 mL時沼液絮凝劑對Cr6+的qe最大為53.2 mg·g-1，隨投加量增加而呈現先降低后趨于穩定的變化趨勢，沼液絮凝劑對Cr6+的η最低，投加量為5 mL時僅達到36.5%，綜合考慮投加量與η的相關性，最適沼液絮凝劑投加量為3 mL(見圖3)。沼液絮凝劑對Zn2+和Cu2+的去除率較高，可以達到93%以上的去除效果，沼液絮凝劑投加量1.5 mL時對Cu2+去除最適，η和qe分別為92.6%和373.7 mg·g-1，繼續提高投加量對Cu2+的η增幅很小(見圖5)，沼液絮凝劑投加量2.5 mL對Zn2+去除最適，η和qe分別為93.5%和126.4 mg·g-1(見圖4)。沼液絮凝劑對Ni2+去除效果一般，投加量為4 mL時的η和qe分別為64.7%和48.3 mg·g-1，投加量超過3 mL時沼液絮凝劑對Ni2+的η基本穩定(見圖6)。綜合分析，沼液生物絮凝劑對4種金屬離子的去除效果，3 mL的沼液絮凝劑投加量最適合人工模擬重金屬廢水的處理。

圖1　產絮微生物在沼液復合基質的生長曲線

圖2　產絮微生物在沼液復合基質的絮凝率和絮凝劑產量

2.2.2沼液絮凝劑pH值對重金屬去除率的影響

投加3 mL沼液絮凝劑發酵液至人工模擬電鍍廢水中，25 ℃條件下140 rpm·min-1振蕩反應50 min，考察不同pH值對重金屬去除率的影響。

圖3　沼液絮凝劑不同投加量對重金屬Cr6+去除率和吸附量的影響

圖4　沼液絮凝劑不同投加量對重金屬Zn2+去除率和吸附量的影響

圖5　沼液絮凝劑不同投加量對重金屬Cu2+去除率和吸附量的影響

圖6　沼液絮凝劑不同投加量對重金屬Ni2+去除率和吸附量的影響

圖7　沼液絮凝劑不同pH值對重金屬去除率的影響

2.2.3沼液絮凝劑吸附時間對重金屬去除率的影響

投加3 mL沼液絮凝劑發酵液至人工模擬電鍍廢水中，調節溶液pH值為6，在25 ℃條件下140 rpm·min-1振蕩反應，考察不同吸附時間對重金屬去除率的影響。如圖8所示，沼液絮凝劑對重金屬的吸附過程均經歷了快速吸附、減速吸附和動態平衡3個階段。在反應開始的30 min處于快速吸附階段，生物絮凝劑上吸附位點逐步被取代，Cr6+的η逐漸增加，在反應的40 min后進入吸附的平衡階段，η基本穩定在30%左右。沼液絮凝劑對Cu2+和Zn2+吸附去除效率較高，反應的15 min為Zn2+的快速吸附階段，η達到84.1%，25 min后逐漸進入吸附的平衡階段，η基本穩定在90%左右。反應的25 min為Cu2+的快速吸附階段，η達到84.2%，40 min后逐漸進入吸附的平衡階段，η基本穩定在93%左右。Ni2+的快速吸附時間為20 min，η達到59.1%，30 min后逐漸進入吸附的平衡階段。總體來看，Cr6+達到吸附平衡的時間較長，因此溶液的吸附反應時間應控制在40 min。

圖8　沼液絮凝劑不同吸附時間對重金屬去除率的影響

2.2.4沼液絮凝劑吸附溫度對重金屬去除率的影響

投加3 mL沼液絮凝劑發酵液至人工模擬電鍍廢水中，調節溶液pH值為6，吸附反應時間40 min，考察不同溫度對重金屬去除率的影響。如圖9所示，反應溫度在10 ℃～30 ℃范圍內，對Cr6+的η影響較小，基本保持在29.5%左右，繼續提高溫度η顯著降低，說明高于30 ℃會破壞沼液微生物絮凝劑的活性位點。溫度對Cu2+，Zn2+與Ni2+的η影響相似，先增加進入穩定階段后開始降低，在25 ℃～30 ℃范圍內有較高的去除效果，反應溫度在30 ℃時的η分別為94.1%，93.2%和62.7%，溫度高于40 ℃均出現下降趨勢。通常，溫度過低使生物絮凝劑的官能團活性降低，使物理吸附作用減弱，而溫度過高則不利于物理吸附放熱的進行，絮凝劑上一些官能團失去活性，影響金屬的吸附去除效率[15]。綜合分析，沼液生物絮凝劑吸附反應溫度控制在25 ℃～30 ℃進行最為適宜。

圖9　沼液絮凝劑不同吸附溫度對重金屬去除率的影響

3　結論

(1)以牛糞中溫厭氧發酵沼液為底物形成的復合產絮基質，在產絮菌F+投加量為10%，發酵溫度30 ℃，初始pH值為7.5，發酵時間為24 h條件下，絮凝率達到83.8%，提取的生物絮凝劑產量為2.36 g·L-1。

(2)金屬離子溶液的η隨投加量的增加提高，而單位qe降低，最終確定適宜沼液生物絮凝劑投加量為20 mL人工模擬電鍍廢水投加3 mL；溶液pH值對金屬離子的η影響顯著，pH值為4時Cr6+的η最大為32.1%，pH值為6時Cu2+，Zn2+與Ni2+的η較為理想，確定溶液最適宜pH值為6。

(3)沼液生物絮凝劑對Cr6+達到吸附平衡的時間較長，最適宜吸附反應時間應控制在40 min；溶液反應溫度高于40 ℃時出現沼液生物絮凝劑吸附中心活性下降趨勢，最終確定吸附反應溫度應控制在25 ℃～30 ℃進行最為適宜。

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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

項目來源： 國家自然科學基金(51541808)； 遼寧省博士科研啟動基金項目(201501124)； 遼寧省教育廳一般研究項目(L2014236)

趙光(1980-)，男，博士，主要研究方向為廢棄物資源化利用，E-mail：zhaoguang@lnut.edu.cn

郭海娟 E-mail：guohaijuan@163.com

S216.4; X712

A

1000-1166(2016)05-0017-07