CN102101729B - 黄孢原毛平革菌去除水体中重金属污染物的方法 - Google Patents

黄孢原毛平革菌去除水体中重金属污染物的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种黄孢原毛平革菌去除水体中重金属污染物的方法，该方法是先将黄孢原毛平革菌孢子粉制成孢子悬液，再接种到液体培养基中振荡培养，过滤后得黄孢原毛平革菌菌球；将菌球添加至废水中，调节废水的pH值，恒温条件下进行吸附反应，反应后过滤废水，回收菌球，完成一次去除过程；将回收的菌球经去离子水清洗后加入培养液中继续培养，得到黄孢原毛平革菌再生菌球，将该黄孢原毛平革菌再生菌球加入至待处理的重金属废水中以进行循环利用。本发明的方法菌丝无需改造和预处理，可以重复利用，反应条件简单，可处理复杂成分水体。

Description

黄孢原毛平革菌去除水体中重金属污染物的方法
技术领域
本发明涉及微生物应用领域和废水处理领域，尤其涉及一种黄孢原毛平革菌在处理重金属废水中的应用。
背景技术
目前在废水处理领域，黄孢原毛平革菌被用于治理重金属废水在近几年来受到了国内外学者的重视，现有技术利用黄孢原毛平革菌去除废水中重金属主要采用生物吸附法。生物吸附法具有去除效率高、速度快、成本低、不会造成二次污染等优点。然而利用黄孢原毛平革菌吸附反应处理废水，普遍存在反应条件较为苛刻的问题，这是大规模实际应用黄孢原毛平革菌吸附重金属的主要障碍。
例如，目前利用黄孢原毛平革菌处理重金属废水采用较多的静止吸附法，在重金属废水中投加干燥或改性后的黄孢原毛平革菌（多为失去活性的死菌），增加了处理成本，并且重复利用效果差；当废水成分复杂时，处理效果不理想，也是实际应用时需要解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的不足，提供一种菌丝无需改造和预处理、可以重复利用、反应条件简单和可处理复杂成分水体的利用黄孢原毛平革菌去除水体中重金属污染物的方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种利用黄孢原毛平革菌去除水体中重金属污染物的方法，具体包括以下步骤 ：
（1）生长阶段：将黄孢原毛平革菌（P. chrysosporium）孢子粉末悬浮于无菌水中制成孢子悬液，再将该孢子悬液接种到液体培养基中，于35℃～39℃温度下振荡培养72h～84h，培养时转速控制在160rpm～180rpm，过滤后得黄孢原毛平革菌菌球；
（2）吸附阶段：将上述黄孢原毛平革菌菌球添加至含重金属废水中，每升废水的投加量为湿重50g～100g（按黄孢原毛平革菌菌球湿重计），调节废水的pH值至5.5～6.5，于25℃～40℃恒温条件下进行吸附反应，反应时转速控制在120rpm～140rpm，反应时间不少于6h，反应后过滤废水，回收菌球，完成一次去除过程；
（3）回收循环利用：将步骤（2）中回收的菌球经去离子水清洗后加入培养基中继续培养，选用的培养基和培养条件与上述步骤（1）相同，培养完成后得到黄孢原毛平革菌再生菌球，将该黄孢原毛平革菌再生菌球加入至待处理的重金属废水中，并按照上述步骤（2）中的工艺参数进行吸附处理，重复本步骤以循环利用。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述废水中重金属的总浓度优选为10mg/L～100mg/L。
上述技术方案中，所述废水中含重金属镉时，镉的总浓度优选为10mg/L～60mg/L。
上述技术方案中，所述废水中含重金属铜时，铜的总浓度优选为20mg/L～100mg/L。
上述技术方案中，所述黄孢原毛平革菌再生菌球进行循环利用的重复次数优选为2～3次。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的方法是直接将未经改造和预处理的黄孢原毛平革菌菌球加入工业废水中，以去除废水中重金属，操作条件相对简单且容易实施；
2、本发明中黄孢原毛平革菌可以在低浓度重金属废水中生长，通过生长阶段和吸附阶段循环运作，可以重复利用黄孢原毛平革菌对重金属废水进行处理，降低了培养吸附材料的成本；
3、常温运行可以避免将含重金属废水升温带来的高能耗问题。
附图说明
图1为本发明实施例1反应前的黄孢原毛平革菌菌球在电子扫描电镜下的微观结构示意图；
图2为本发明实施例1反应后的黄孢原毛平革菌菌球在电子扫描电镜下的微观结构示意图；
图3为本发明实施例2反应后的黄孢原毛平革菌菌球在电子扫描电镜下的微观结构示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1：
一种本发明的利用黄孢原毛平革菌去除废水中重金属镉的方法，包括以下步骤：
（1）生长阶段：将黄孢原毛平革菌BKM-F1767 （在美国标准菌种收藏所的保藏编号为ATCC 24725，优选采用该菌株，但不限于此）孢子粉末悬浮于无菌水中制成孢子悬液，再将该孢子悬液接种到Kirk液体培养基（优选采用该培养基，但不限于此）中，于37℃温度下振荡培养72h，培养时转速控制在160rpm，过滤后得到如图1所示的黄孢原毛平革菌菌球，其中，Kirk液体培养基的主要成分为：0.2g/L KH2O4，0.05g/L MgSO4·7H2O，0.01g/L CaCl2，1mL/L无机溶液，0.5mL/L维生素溶液，1.2mmol/L酒石酸氨，1%（质量分数）葡萄糖，20mmol/L的乙酸钠。
（2）吸附阶段：将上述培养好的黄孢原毛平革菌菌球添加至含镉废水中，添加量为5g/100mL废水（以黄孢原毛平革菌菌球湿重计，下同），含镉废水的浓度为60mg/L，调节废水的pH值至6.5，于25℃恒温条件下进行吸附反应，反应时转速控制在140rpm，振荡反应6h，完成对废水中镉的吸附，反应后过滤废水，回收菌球，利用黄孢原毛平革菌菌球完成一次去除过程。
其中，最优含镉废水浓度和pH值参数的选取分别通过以下实验得到：
i）含镉废水pH值
用NaOH（或HNO3）调节镉初始浓度为20mg/L的含培养液（培养液的比例为50%）的废水的pH值，分别配制成pH值变化范围为3.5～8.5的六个待处理废水样品，然后投入培养好的黄孢原毛平革菌菌球（湿重5g/100mL废水），在温度为25℃且摇床转速为140rpm条件下，振荡反应6h，完成对废水中镉的吸附。
测定各废水样品经处理后镉浓度，测定结果见表1。
表1：黄孢原毛平革菌在不同pH值条件下对镉的吸附
pH值 3.5 4.5 5.5 6.5 7.5 8.5
去除率（%） 16.57 14.48 72.03 91.97 54.94 13.36
生物吸附量（mg/g） 4.41 3.56 17.63 25.18 13.28 3.01
由表1可知，当pH值在5.5～6.5之间变化时，黄孢原毛平革菌对镉去除率较高。且在pH值为6.5时，镉的去除率都达到最大值，为91.97%。
ii）含镉废水浓度
用NaOH（或HNO3）调节镉初始浓度分别为10、20、30、40、50和60mg/L的含培养液（培养液的比例为50%）的废水的pH值，使其pH为6.5，然后投入培养好的黄孢原毛平革菌菌球（湿重5g/100mL废水），在温度为25℃且摇床转速为140rpm条件下，振荡反应6h，完成对废水中镉的吸附。
测定各废水样品经处理后镉浓度，测定结果见表2。
表2：黄孢原毛平革菌在不同镉初始浓度下对镉的吸附
初始浓度mg/L 10 20 30 40 50 60
去除率（%） 86.86 91.97 89.27 93.79 98.36 87.62
生物吸附量（mg/g） 12.21 25.18 36.23 54.05 66.23 62.32
由表2可知，当镉的初始浓度在10～60mg/L变化时，黄孢原毛平革菌对镉去除率均较高。
（3）回收循环利用：将上述回收后的如图2所示的菌球经去离子水清洗后加入培养液中继续培养，所选用的培养基和培养条件跟步骤（1）完全相同，得到黄孢原毛平革菌再生菌球；将该黄孢原毛平革菌再生菌球加入含镉废水中进行吸附反应，吸附处理废水的pH值继续控制在5.5～6.5，镉离子的浓度控制在10 mg/L～50mg/L，二次处理可使镉离子的去除率达到70%以上。
实施例2：
一种本发明的利用黄孢原毛平革菌去除废水中重金属铜的方法，包括以下步骤：
（1）生长阶段：本步骤与实施例1的步骤1相同；
（2）吸附阶段：将上述培养好的黄孢原毛平革菌菌球添加至含铜废水中，添加量为5g/100mL废水，含铜废水的浓度为80mg/L，调节废水的pH值至6.5，于25℃恒温条件下进行吸附反应，反应时转速控制在140rpm，振荡反应6h，完成对废水中铜的吸附，反应后过滤废水，去除菌球，利用黄孢原毛平革菌菌球完成一次去除过程。
其中，最优含铜废水浓度和pH值参数的选取分别通过以下实验得到：
i）含铜废水pH值
用NaOH（或HNO3）调节铜初始浓度为20mg/L的含培养液（培养液的比例为50%）的废水的pH值，分别配制成pH值变化范围为3.5～8.5的六个待处理废水样品，然后投入培养好的黄孢原毛平革菌菌球（湿重5g/100mL废水），在温度为25℃且摇床转速为140rpm条件下，振荡反应6h，完成对废水中铜的吸附。
测定各废水样品经处理后铜浓度，测定结果见表3。
表3：黄孢原毛平革菌在不同pH值条件下对铜的吸附
pH值 3.5 4.5 5.5 6.5 7.5 8.5
去除率（%） 42.08 51.25 78.18 76.74 48.29 40.62
生物吸附量（mg/g） 8.12 9.74 15.21 15.08 9.08 7.47
由表3可知，当pH值在5.5～6.5之间变化时，黄孢原毛平革菌对铜去除率较高。且在pH值为5.5时，铜的去除率都达到最大值，为78.18%。
ii）含铜废水浓度
用NaOH（或HNO3）调节铜初始浓度分别为20、40、60、80和100mg/L的含培养液（培养液的比例为50%）的废水的pH值，使其pH为6.5，然后投入培养好的黄孢原毛平革菌菌球（湿重5g/100mL废水），在温度为25℃且摇床转速为140rpm条件下，振荡反应6h，完成对废水中铜的吸附。
测定各废水样品经处理后铜浓度，测定结果见表4。
表4：黄孢原毛平革菌在不同铜初始浓度下对铜的吸附
初始浓度mg/L 20 60 80 100
去除率（%） 76.74 68.57 90.79 68.24
生物吸附量（mg/g） 15.08 39.36 77.00 64.70
由表4可知，当铜的初始浓度在20～100mg/L变化时，黄孢原毛平革菌对铜去除率均较高。
（3）回收循环利用：将上述回收后的如图3所示的菌球经去离子水清洗后加入培养液中继续培养，所选用的培养基和培养条件跟步骤（1）完全相同，得到黄孢原毛平革菌再生菌球；将该黄孢原毛平革菌再生菌球加入含铜废水中进行吸附反应，吸附处理废水的pH值继续控制在5.5～6.5，铜离子的浓度控制在20mg/L～100mg/L，二次处理可使镉离子的去除率达到70%以上。
实施例3：
一种本发明的利用黄孢原毛平革菌去除废水中重金属镉和铜的方法，包括以下步骤：
（1）生长阶段：本步骤与实施例1的步骤1相同；
（2）吸附阶段：用NaOH（或HNO3）调节同时含有铜初始浓度分别为20mg/L、镉初始浓度分别为20mg/L的含培养液（培养液的比例为50%）的废水的pH值，使其pH为6.5，然后投入培养好的黄孢原毛平革菌菌球（湿重5g/100mL废水），在温度为25℃且摇床转速为140rpm条件下，振荡反应，反应后过滤废水，回收菌球，利用黄孢原毛平革菌菌球完成一次去除过程；
分别测定反应0.5h、1h、2h、3h、4h、6h、8h时废水样品经处理后镉和铜浓度，测定结果见表5。
表5：黄孢原毛平革菌对镉和铜的吸附
时间（h） 0.5 1 2 3 4 6 8
镉的生物吸附量（mg/g） 1.65 5.50 6.95 9.90 10.20 13.30 14.20
铜的生物吸附量（mg/g） 2.60 3.20 3.70 11.05 10.96 10.84 10.53
由表5可看出，第一次利用黄孢原毛平革菌菌球取得较好地去除效果。
（3）回收循环利用：将上述步骤回收的黄孢原毛平革菌菌球再次加入新鲜的已灭菌的培养液中继续培养（培养条件与步骤（1）相同），培养三天后，得到黄孢原毛平革菌再生菌球，重复上述的吸附试验，pH值、镉的初始浓度和铜的初始浓度均不变。
测定各废水样品经处理后镉和铜浓度，测定结果见表6。
表6：黄孢原毛平革菌对镉和铜的吸附
时间（h） 0.5 1 2 3 4 6 8
镉的生物吸附量（mg/g） 9.90 10.15 11.80 12.70 13.30 14.60 14.35
铜的生物吸附量（mg/g） 8.85 9.45 10.00 10.25 11.05 10.60 10.40
由表6可知，第二次利用黄孢原毛平革菌再生菌球处理多种金属复合污染的废水，依然有很高的生物吸附量。
当第三次重复利用时，少量菌球发生自溶现象，但第三次处理时仍然可使镉离子、铜离子的去除率达到60%。故本方法可以利用黄孢原毛平革菌再生菌球的次数优选为2～3次。
实际操作中，可根据废水的浓度和体积计算出所需的生物吸附剂，以使废水可得到有效的去除。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，与本发明构思无实质性差异的各种工艺方案均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种黄孢原毛平革菌去除水体中重金属污染物的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）生长阶段：将黄孢原毛平革菌（P. chrysosporium）孢子粉末悬浮于无菌水中制成孢子悬液，再将该孢子悬液接种到液体培养基中，于35℃～39℃温度下振荡培养72h～84h，培养时转速控制在160rpm～180rpm，过滤后得黄孢原毛平革菌菌球；
（2）吸附阶段：将所述黄孢原毛平革菌菌球添加至含重金属废水中，每升废水的投加量为湿重50g～100g，调节废水的pH值至5.5～6.5，于25℃～40℃恒温条件下进行吸附反应，反应时转速控制在120rpm～140rpm，反应时间不少于6h，反应后过滤废水，回收菌球，完成一次去除过程；
（3）回收循环利用：将步骤（2）中回收的菌球经去离子水清洗后加入培养基中继续培养，选用的培养基和培养条件与上述步骤（1）相同，培养完成后得到黄孢原毛平革菌再生菌球，将该黄孢原毛平革菌再生菌球加入至待处理的重金属废水中，并按照上述步骤（2）中的工艺参数进行吸附处理；重复本步骤以循环利用。
2.根据权利要求1所述的黄孢原毛平革菌去除水体中重金属污染物的方法，其特征在于：所述废水中重金属的总浓度为10mg/L～100mg/L。
3.根据权利要求2所述的黄孢原毛平革菌去除水体中重金属污染物的方法，其特征在于：所述废水中含重金属镉，所述镉的总浓度为10mg/L～60mg/L。
4.根据权利要求2所述黄孢原毛平革菌去除水体中重金属污染物的方法，其特征在于：所述废水中含重金属铜，所述铜的总浓度为20mg/L～100mg/L。
5.根据权利要求1所述的黄孢原毛平革菌去除水体中重金属污染物的方法，其特征在于：所述黄孢原毛平革菌再生菌球进行循环利用的重复次数为2～3次。
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