后酵母细胞处理核素废水

2017-03-15 08:54:47 3

  1 引言

  核技术开发利用在给人类带来巨大经济效益和社会效益的同时,也产生了放射性废物.锶作为核爆、核事故等引起的全球性沉降中危害最大的核素之一,其污染具有隐蔽性和滞后性等特点(Osmanlioglu,2006).生物吸附是一种处理重金属离子废水污染的新兴技术,用微生物菌体作为生物处理剂,吸附富集存在于水溶液中的铀、锶、铯等放射性核素,以效率高,成本低,耗能少等特点而渐备受关注.酵母细胞作为一种重要的生物资源,近年来将其作为生物吸附剂进行核素离子的吸附富集处理的相关研究已有较多报道.来自酿酒厂的废弃酵母细胞作为工业上应用最广泛的一类微生物,已作为一种重要微生物吸附剂被广泛应用于各种重金属及核素离子的吸附研究中.以上绝大多数吸附实验中,微生物吸附剂都是通过离心方式进行固液分离处理的;然而,将来微生物吸附在处理大宗量实际重金属或核素污染废水时,如何将混合液中已吸附后的微生物快速、方便有效地分离是必然要解决的问题.目前,有关工业有机废液、水体污染藻类等的絮凝处理已有较多报道.其中的化学絮凝法主要以铝盐、聚合氯化铝铁作为无机絮凝剂,通过中和藻类细胞的表面电荷,使其富集沉降,得了良好的除藻效果.那么,利用已有化学絮凝法对体积更小的菌体细胞是否有很好絮凝效果,对吸附重金属或核素废水后的微生物吸附剂进行絮凝处理是否是一个方便、可行的有效途径等问题,将值得我们深入探讨.

  本文在我们已取得酵母细胞对Sr2+较佳吸附条件的基础上,以吸附Sr2+后的啤酒酵母细胞为对象,开展絮凝剂种类、液相pH、絮凝剂添加量等因素对絮凝效果的影响研究,并对絮凝效果较好的PAC进行了絮凝机理初步探讨,其结果可为大宗量核素及重金属废水微生物吸附的后期处理提供参考.

  2 实验材料与方法

  2.1 实验材料及准备

  实验用微生物为啤酒酵母细胞,取自绵阳某啤酒厂,60 ℃烘箱24 h烘干成粉后备用;所选絮凝剂为铝盐类絮凝剂,该类絮凝剂具有腐蚀性小,净化效果好,使用方便等特点,主要选用Al2(SO4)3·7H2O、 KAl(SO4)2、聚合氯化铝(PAC)等3种应用较多的铝盐絮凝剂.Sr(NO3)2、Al2(SO4)3·7H2O、KAl(SO4)2均为分析纯级,PAC为工业级.

  絮凝实验前,称取一定量Sr(NO3)2溶解于无菌蒸馏水中,配制成1.0 mmol · L-1的Sr2+储备液10 L;在分别称取一定量的PAC、Al2(SO4)3·7H2O、KAl(SO4)2等溶解于蒸馏水中,配制成浓度为0.1 mol · L-1的各絮凝剂储备液100 mL;配制0.5 mol · L-1的NaOH和HNO3溶液各200 mL用于调节pH值.

  2.2 实验仪器

  S440型扫描电镜(英国Leica公司)、ZS90型Zeta电位计(英国Malvern公司)、HI88703型浊度仪(美国Hach公司)、S40型pH /电导率计(瑞士Mettler Toledo公司).

  2.3 絮凝试验

  实验前,将所需浓度酵母细胞加入含1.0 mmol · L-1的Sr2+振荡吸附60 min,吸附量为13.48 mg · g-1,获得吸附后的混合液.各取40 mL混合液加入相应50 mL平底试管中;然后分别加入Al2(SO4)3·7H2O、KAl(SO4)2、PAC这3种絮凝剂在如下絮凝条件下开始絮凝试验.絮凝条件:①絮凝剂添加量:取已被吸附Sr2+后酵母细胞溶液悬浮液分别分成10份,每份150 mL,并从1到10对其进行依次编号,分别依次加入0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0和4.5 mL的絮凝剂,进行絮凝试验.②pH影响实验:取已被吸附Sr2+后酵母细胞溶液悬浮液分别分成7份,每份150 mL,并从1到7对其进行依次编号,再将1到7号溶液的pH值分别调到4、5、6、7、8、9、10,加入定量絮凝剂,进行絮凝试验.③酵母细胞浓度实验:将4、5、6、8和10 g · L-1的吸附Sr2+后的酵母细胞悬浮液,各取40 mL加入平底试管中,加入絮凝剂开始实验.以上各组实验均记录絮凝0、30和60 min时上部液体浊度,并根据公式(1)计算絮凝效率.

  

  式中,η为絮凝效率;TUt为絮凝剂加入后t时刻的液相浊度(NTU);TU0为絮凝剂初始加入时刻的液相浊度(NTU).

  2.4 SEM分析

  在PAC加入后液相出现明显矾花时(约0.5 min),立即取絮凝体滴加在盖玻片上制SEM样片,并同时取对照组制备SEM样;将以上样品经过2.5%戊二醛固定后,经梯度浓度乙醇脱水(30%,50%,70%,90%和100%,各20 min)后,进行SEM分析.

  2.5 Zeta电位分析

  配制6.0 g · L-1的酵母细胞和0.1 mmol · L-1的PAC(聚合氯化铝),在pH为3~10范围内,25 ℃下测试相应的Zeta电位值,每个对应pH测3次,取平均值.pH调节用0.5 mol · L-1的HCl 或NaOH.

  3 结果与讨论

  3.1 不同絮凝剂对酵母细胞的絮凝效果

  絮凝前,测得含酵母细胞的液相浊度为1380 NTU,无絮凝剂对照组絮凝30 min和60 min时上清液浊度分别为330 NUT和260 NUT.由图 1中可以看出,对于3种铝盐而言,PAC对酵母细胞的絮凝效果最好,絮凝效果顺序为PAC> KAl(SO4)2> Al2(SO4)3.随着絮凝剂加入量的增大,Al2(SO4)3和KAl(SO4)2作用下酵母细胞的絮凝效率基本呈现逐渐增加的趋势;在60 min时的上清液浊度分别为170 NTU和130 NTU,对应絮凝效率分别为87.68%和90.58%.对于PAC而言,其对酵母细胞的絮凝效果随絮凝剂添加量变化呈现“V”字型,即投加量到达一定的时候,继续投加混凝剂会使得液相中酵母细胞去除率反而略有下降.在PAC(浓度为0.1 mmol · L-1)添加量为1.5~2.5 mL时,絮凝效果较好.其中,当PAC添加量为2.0 mL情况下(对应体积比为1 ∶ 20),30 min和60 min时上清液浊度分别为20 NTU和10 NTU,对应絮凝效率最高分别为98.55%和99.28%;而当PAC添加量增至4.5 mL时,其在30 min和60 min时上清液浊度均为210 NTU,对应絮凝效率仅为84.78%.这主要是由于该类絮凝剂主要是通过压缩双电层、吸附-电中和、吸附-桥联和网捕卷扫作用来达到絮凝除浊的效果(唐婉莹等,1997).但是,吸附-电中和及吸附-桥联作用在当絮凝剂投加量超过一定限度时,会产生“胶体保护”作用,发生再稳现象,酵母细胞的絮凝效果反而下降.

 图 1 不同絮凝剂投加量下3种铝盐对酵母细胞的絮凝效果

  3.2 液相初始pH对絮凝效果的影响

  由图 2a可以看出,絮凝前,含酵母细胞液相的浊度随着pH的增加而升高;在pH 4~10范围内,对应溶液浊度为1500—1730 NTU.当絮凝进行30 min和60 min时,Al2(SO4)3和KAl(SO4)2组的絮凝效果均在液相pH在8以上开始出现明显变化.例如,pH为8时,Al2(SO4)3和KAl(SO4)2组在30 min时对应上清液浊度分别为235 NTU和219 NTU;而pH为9时,对应浊度分别降低到了65.3 NTU和67.2 NTU.PAC在pH在6~7范围内的絮凝效果较好,30 min和60 min时对应上清液浊度分别在22.2~27.94 NTU和13.2~14.4 NTU.

 图 2 不同pH下3种铝盐对酵母细胞絮凝效果的影响

  图 2b为3种絮凝剂在不同pH下的絮凝效率变化情况.PAC在pH在6~7下,30 min和60 min时的絮凝效率分别为98.25%~98.64%和99.09%~99.19%;而Al2(SO4)3和KAl(SO4)2组在pH为10情况下,分别在60 min出现最大絮凝效率为97.60%和97.54%.对于PAC而言,胶体颗粒表面电性受液相pH的影响较大.当液相pH>8时,其水解后生成的Al(OH)3带较弱的负电;当pH<7时,水解后生成的Al(OH)3带较强的正电.酵母细胞在弱酸和中性条件下基本呈负电性,因此,在pH<7时,PAC絮凝体与酵母细胞菌体表面电荷相异,可加强Al(OH)3网捕作用和卷扫絮凝,提高絮凝效果.综上可知,实验条件下3种铝盐絮凝剂对酵母细胞絮凝效果对比结果显示为:PAC> KAl(SO4)2> Al2(SO4)3.

  3.3 酵母细胞初始浓度对絮凝效果的影响

  酵母细胞初始浓度对PAC絮凝效果的影响结果见图 3.可以看出,无絮凝剂时,液相浊度随酵母细胞浓度的增加基本呈线性变化,在其浓度为4.0~10.0 g · L-1范围内,对应浊度为805~3120 NTU.酵母细胞添加量直接影响液相中絮凝剂分子与菌体数量比值.菌体浓度较低时,液相中絮凝剂分子间接触几率增大,荷电相同的絮凝剂分子间接触几率增大,絮凝网络形成慢,絮凝效果和速率较低.如,在酵母细胞初始浓度为4.0 g · L-1时,30 min和60 min时上清液浊度分别为163.0 NTU和32.7 NTU.60 min时,酵母细胞初始浓度在4.0~8.0 g · L-1均有较好的絮凝效果,絮凝效率均在96%以上,在絮凝后上清液浊度范围为17.1~32.7 NTU;其中较短絮凝(30 min)时间内,可以看出酵母细胞初始浓度为5.0 g · L-1组对应浊度最低,此时相应的絮凝剂与酵母细胞加入质量比为9∶50.

 图 3 不同酵母细胞初始浓度对PAC絮凝效果的影响

  3.4 PAC絮凝酵母细胞的SEM分析

  在PAC加入前后取样制片进行SEM分析,结果见图 4.PAC加入前,液相中酵母细胞菌体在经过吸附振荡1 h后,菌体相对分散(如图 4a所示),菌体间团聚规模小,沉降缓慢.而当加入PAC后,酵母细胞菌体在PAC分子作用下,快速聚集成团,1 min内已开始有明显矾花出现,并快速聚集沉降.如图 4b所示,大量酵母细胞菌体在PAC分子作用下短时间内聚集成较大的菌胶团,加速絮凝体的形成,从而快速有矾花现象产生.

 图 4 PAC絮凝前后酵母细胞SEM分析(a. 絮凝前(×10000); b. 絮凝1 min后(×5000))

  3.5 絮凝机理分析

  图 5为pH为3~10范围内,PAC和酵母细胞的Zeta电位变化情况.其中PAC 的Zeta电位在50~55 mV区间内波动,较为稳定.酵母的Zeta电位随pH增加而逐渐降低,其等电点分别出现在2.5左右.在实验絮凝pH条件下,酵母细胞表面均带负电.可以看出,对酵母细胞而言,pH为6.5~7.5范围内的酵母细胞与PAC的Zeta电位差值相对较大;其中絮凝效果最佳的初始液相pH(pH=7.0)时,对应的酵母细胞与PAC的Zeta电位差值Δζ为68.4 mV.实验条件下,当PAC溶于水后,水解生成具有较高正电荷和较大比表面积的多核羟基络合物;在较佳pH液相条件下,由于PAC和酵母细胞菌体间的Δζ较大,相应较高的异电荷作用力能够使PAC分子能迅速捕集到液相中带负电的酵母细胞菌体(对应图 4b),中和菌体表面电荷后形成絮凝体,并快速聚集成较大絮凝体(矾花)而快速沉降.

 图 5 液相PAC与酵母细胞的Zeta电位分析

  在实验整个絮凝过程中,定时测试液相电导率变化,监测间隔为20 s,时长为1 h,结果如图 6所示.可以看出,调节吸附Sr2+后酵母悬浮液pH为4、7和8,在加入PAC的初始阶段,液相电导率在短时间内有快速变化.例如,当液相初始pH为7时,加入PAC后液相电导率在最初60 s内,快速从1.919 ms下降到1.776 ms,然后开始缓慢回升.pH为8实验组中,电导率则在起初120 s由1.926 ms最低降到1.853 ms.而当液相初始pH为4时,电导率在经过最初快速下降后,于920 s左右由2.17 ms下降到了最低2.01 ms.液相电导率高低与其内含溶质盐的浓度或会分解为电解质的化学杂质有直接关系.实验中电导率值是液相中PAC分子、Sr2+剩余离子、酵母细胞菌体及其附带有机杂质等成分的整体反映结果.在PAC加入液相后,PAC快速水解成Al(OH)3,在水中与酵母细胞所带的负电荷瞬间产生中和作用,使胶体脱稳而迅速絮凝,并进一步架桥生成大絮团而快速沉淀.其中PAC的加入对Sr2+剩余离子和有机杂质影响较小,因此液相电导率值主要由PAC分子和酵母细胞菌体数量决定.液相电导率越小,对应剩余PAC和菌体数量就越少,絮凝效果越好.同样,电导率变化越快,对应的絮凝速度就越快.因此,图 6中的电导率变化结果也证明了pH为7初始液相条件下,PAC对酵母细胞的絮凝效果最好,这与前述(图 2)结果相一致.具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。

 图 6 不同初始pH下PAC絮凝过程液相电导率变化趋势

  4 结论

  实验条件下,3种铝盐絮凝剂对酵母细胞絮凝效果对比结果显示为:PAC> KAl(SO4)2> Al2(SO4)3. PAC对酵母细胞的絮凝是一个快速作用过程,在1 min内出现明显矾花现象;在60 min时絮凝效率可达到99%以上.对应最佳絮凝条件为:pH=7.0,初始酵母细胞浓度为5.0 g · L-1,1.0 mmol · L-1的絮凝剂添加体积比为1 ∶ 20.SEM分析结果显示此时酵母细胞菌体在PAC分子作用下快速形成菌胶团.对PAC快速絮凝酵母细胞的机理初步研究发现,在pH为3~10范围内,酵母细胞与PAC之间的Zeta电位差值均在50 mV以上,当pH为7时其最大差值可达到68.4 mV,相应较高的电位差有利于PAC分子迅速捕集液相中带负电的酵母细胞菌体,并快速形成絮凝体而沉降.絮凝过程中液相电导率变化分析也证实了这点.本研究可为放射性核素、重金属水体污染的生物吸附处理后的快速沉积提供思路,为生物吸附的大宗量应用提供工艺参考.

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