CN102167417A

CN102167417A - 利用聚赖氨酸生产废菌体处理重金属废水的方法

Info

Publication number: CN102167417A
Application number: CN201110066247.XA
Authority: CN
Inventors: 徐虹; 曹玉娟; 冯小海; 仲兆祥; 李莎; 欧阳平凯
Original assignee: Nanjing Tech University
Current assignee: Nanjing Tech University
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2031-03-18
Also published as: CN102167417B

Abstract

本发明公开了一种利用聚赖氨酸生产废菌体处理重金属废水的方法，以利用链霉菌发酵生产聚赖氨酸过程中产生的废菌体制备重金属吸附剂，并利用该吸附剂吸附去除废水中的重金属离子。本发明制备生物吸附剂所选用的原料是聚赖氨酸发酵生产后的废菌体，加工成本低，综合利用，变废为宝；对重金属离子吸附时间短，吸附能力强；本发明的方法处理工艺简单、操作方便、适用范围广，能有效去除废水中的重金属离子。

Description

利用聚赖氨酸生产废菌体处理重金属废水的方法

技术领域

本发明属于环境污染治理技术领域，具体涉及利用聚赖氨酸生产废菌体处理重金属废水的方法。

背景技术

现代工业不断发展的同时，也给环境带来了巨大的压力。电镀、采矿、冶炼、制革等行业排放的重金属进入水环境系统，不仅对生态环境造成了严重影响，还严重危害了人类的身体健康，因此必须对这些行业产生的含重金属废水进行分离净化以控制其污染。传统的重金属分离方法主要包括：化学沉淀法、离子交换法、电化学法、溶剂萃取法、膜分离法等，这些处理方法在一定程度上取得了良好的效果，但其主要缺点在于运行成本高，且易生成二次污染，尤其在处理大流量、低浓度金属(1～150mg/L)废水时，其缺点尤为显著。

生物吸附技术是环境领域近年来迅速发展起来的处理工业污染废水的新技术，它以各种生物体(自然界的生物体或其死亡体)吸附废水中的重金属离子。与传统方法相比，生物方法具有吸附容量大、选择性强、吸附效率高、能耗低、操作简单、经济上可行性等优点，能有效地处理和净化含低浓度重金属离子的废水。相对于传统的重金属分离方法，生物吸附法处理含重金属废水由于其优越的特性今年来成为各国科研工作者研究的热点。现阶段人们研究的生物吸附剂有高分子有机物(如纤维素、半纤维素、木质素等)、藻类、细菌、霉菌、酵母菌等微生物，而关放线菌用做生物吸附剂则鲜有报道。现在研究方向主要集中在发酵工业的各种废弃菌及海洋中繁殖的藻类上。

本课题组拥有两株能发酵生产聚赖氨酸的菌株北里孢菌(Kitasatospora sp PL6-3 CCTCC M205012)，小白链霉菌(Streptomyces albulus PD-1 CCTCC M2011043)，在其发酵生产聚赖氨酸过程会产生大量的废弃菌体。研究发现这些废弃菌体能够有效的去除废水中的重金属离子，将这些发酵废弃物制备成生物吸附剂不仅可以降低废水中重金属离子去除的成本，而且可以有效的利用废弃物。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种利用废弃的链霉菌为原料来制备生物吸附剂的方法及去除废水中重金属离子的方法，为废弃链霉菌的综合利用和重金属废水的处理开发一条新途径。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种利用聚赖氨酸生产废菌体处理重金属废水的方法，以利用链霉菌发酵生产聚赖氨酸过程中产生的废菌体制备重金属吸附剂，并利用该吸附剂吸附去除废水中的重金属离子。

其中，所述的链霉菌为北里孢菌PL6-3(Kitasatospora sp)CCTCC M205012(中国专利申请号200510037774.2)和/或小白链霉菌PD-1(Streptomyces albulus)CCTCC M2011043(中国专利申请号201110049986.8)。

其中，所述的废菌体，为经过发酵生产聚赖氨酸结束后，固液分离得到的菌体。

其中，废菌体制备重金属吸附剂的方法包括如下步骤：

(1)把废菌体于50～60℃烘干，粉碎，过筛，收集30～50目颗粒；

(2)把步骤(1)得到的颗粒浸泡于盐酸中，在30～35℃下，搅拌或震荡处理4～6h，过滤，弃上清液，收集沉淀物；

(3)将步骤(2)得到的沉淀物于50～60℃烘干，粉碎，过筛，收集30～50目颗粒即为重金属吸附剂。

步骤(2)中，所述的盐酸浓度为100～200mg/L。

步骤(2)中，盐酸体积重量为颗粒重量的100～200倍。

其中，所述的重金属废水为包含Cr⁶⁺、Cr³⁺、Zn²⁺、Cd²⁺、Cu²⁺、Mn²⁺、Hg²⁺、Ni²⁺、和Co²⁺中的任意一种或几种的废水；重金属离子总浓度小于等于1000mg/L。

其中，利用该吸附剂吸附去除废水中的重金属离子，其中，对于每1g干重/L的吸附剂处理2～100mg/L的重金属离子；吸附过程伴随搅拌或震荡，废水pH值为1～7(优选pH1～3)，温度为20～40℃，吸附时间为20～24h。

有益效果：本发明制备的生物吸附剂所选用的主要原料是发酵生产聚赖氨酸过程中产生的废弃链霉菌，采用废弃链霉菌作为吸附原材料，具有如下优点：

(1)廉价，加工成本低。大规模的聚赖氨酸工业生产使废弃链霉菌来源非常广泛；

(2)来源稳定、易于获得；

(3)安全。该链霉菌具有无毒性、易生长的特点。

(4)综合利用，变废为宝，同时为高效利用废弃生物质提供了有效的处理方法。

附图说明

图1为聚赖氨酸发酵废菌体Kitasatospora sp PL6-3吸附六价铬前后傅里叶变换红外光谱图。

图2为聚赖氨酸发酵废菌体Kitasatospora sp PL6-3在30℃，pH为2时对六价铬的吸附等温线。

图3为聚赖氨酸发酵废菌体Kitasatospora sp PL6-3对六价铬的吸附等温线进行线性拟合的Langmuir等温吸附方程方程

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

实施例1：废菌体化学处理方法的确定。

废菌体化学预处理方式的确定是通过以下对实验室模拟铬废水的吸附实验确定的：称取5g吸附质于5个500mL三角瓶中，分别加入200mL浓度为100mg/L的EDTA、HCl、NaOH、CaCI₂和DMSO洗脱液，在30℃的摇床中100r/min震荡处理4h，中性滤纸过滤，弃上清液，将滤纸上吸附质收集烘干。再将用不同的预处理方法处理过的菌体1g置于50mg/L的重铬酸钾溶液中常温下200rpm吸附24h，离心后保留上清液，采用二苯碳酰二肼分光光度法检测上清液中六价铬含量。不同的预处理方式对菌体吸附Cr⁶⁺的效果(表1)表明：菌体经过碱化、酸化、钙化、去离子化和极性化等预处理后，菌体的吸附能力发生了很大的变化。其中以酸化处理的效果最好，其吸附率由60％提高到了85％。而钙化处理的菌体吸附能力明显下降。因此，选用HCl对发酵废弃生物质进行预处理。

表1预处理对菌体吸附Cr⁶⁺能力影响

预处理类型	预处理方法	Cr⁶⁺吸附率(％)	Cr⁶⁺吸附率的增加量(％)
				对照	不做处理	64.7	-
去离子化	EDTA	65.0	0.3
				酸化	HCl	87.4	22.7
碱化	NaOH	50.5	-
				钙化	CaCl₂	62.7	-
极性化	DMSO	64.3	-

任何微生物的细胞和高分子生物物质对重金属都有一定的吸附作用。生物对重金属的吸附过程主要包括：被动吸附与主动吸附。首先是重金属在细胞表面的吸附，即胞外多聚物、细胞壁上的官能团与金属离子结合的被动吸附，其特点是快速、可逆、不依赖于能量代谢。第2个阶段是细胞表面吸附的金属离子与金属运输酶相结合而转移到细胞内，包括传输和沉积，其特点是速度慢、不可逆、与细胞的代谢有关，因此又称为主动吸附。通过对吸附Cr(VI)前后放线菌的傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析，进一步验证了发酵生产聚赖氨酸过程中产生的废弃链霉菌吸附重金属离子的可行性。

傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析是鉴定物质官能团的一个重要工具。官能团的分类、相互作用甚至官能团的空间构型，其相关信息都可以从图谱上得到反映。对吸附六价铬前后的北里孢废菌体进行红外光谱分析，结果如图1所示。有图可知，北里孢废菌体成分复杂，在整个吸收波数范围内几乎所有波峰强度均有所减弱，可见废菌体对Cr(VI)有明显的吸收；图中3331cm^-1处的强宽峰为缔合羟基伸缩振动峰，在2926cm^-1与2858cm^-1处出现双峰，说明存在-CH₂-，1658cm-1处的吸收峰为酰胺I带，1552cm-1处吸收峰为酰胺II带，是

弯曲振动和

伸缩振动。吸附Cr(VI)之后，吸收带的强度明显降低主要基团是酰胺基和羟基，可以推测这两个基团在吸附中起着重要的作用。

实施例2：重金属吸附剂I的制备。

把聚赖氨酸发酵生产过程中剩余的链霉菌北里孢菌PL6-3(CCTCC M205012)于60℃烘至恒重后粉碎过筛，收集30～50目颗粒后浸泡于100mg/L的盐酸中，在30℃的摇床中100r/min震荡处理4h，过滤，弃上清液，收集沉淀物于60℃烘干后粉碎过筛，过30～50目筛子后即制成重金属吸附剂备用。

实施例3：重金属吸附剂II的制备。

把聚赖氨酸发酵生产过程中剩余的链霉菌小白链霉菌PD-1(CCTCC M2011043)于50℃烘至恒重后粉碎过筛，收集30～50目颗粒后浸泡于200mg/L的盐酸中，在35℃的摇床中100r/min震荡处理5h，过滤，弃上清液，收集沉淀物于50℃烘干后粉碎过筛，过30～50目筛子后即制成重金属吸附剂备用。

实施例4：pH对吸附Cr⁶⁺的影响

将100mL含Cr⁶⁺浓度为50mg/L的溶液装入三角瓶中，溶液pH值调为2.0，然后加入0.5g由废弃链霉菌制备的吸附剂I，置于30℃恒温摇床装置中，调节震荡频率为200rpm，吸附剂与Cr⁶⁺相互作用24h，12000rpm离心2min，利用电感耦合等离子光谱法(ICP)测定上清液中Cr⁶⁺浓度。根据式中R＝(C₀-C_e)/C₀×100％及q＝(C₀-C_e)V/M计算吸附率R和吸附量q。C₀为水溶液中金属离子的初始浓度(mg/L)；C_e为水溶液中金属离子的平衡浓度(mg/L)；V为溶液体积(L)；M为吸附剂干重(g)。计算获得此吸附剂对Cr⁶⁺的吸附量达到24.15mg/g，吸附率达51.8％。

Cr⁶⁺初始浓度为为100mg/L，温度为30℃，作用24h，改变pH值，测定pH对Cr⁶⁺吸附效果的影响，结果见表2。

表2

pH	1	2	3	4	5	6
							吸附率R(％)	97.65	89.98	77.93	64.69	53.85	41.40
吸附量q(mg/g)	9.77	9.00	7.79	6.47	5.39	4.14

实施例5：Cr⁶⁺的初始浓度对吸附的影响

将100mL含Cr⁶⁺浓度为50mg/L的溶液装入三角瓶中，溶液pH值调为2.0，然后加入1g干重由废弃链霉菌制备的吸附剂I，置于30℃恒温摇床装置中，调节震荡频率为200rpm，吸附剂与Cr⁶⁺相互作用24h，12000rpm离心2min，利用电感耦合等离子光谱法(ICP)测定上清液中Cr⁶⁺浓度。改变Cr⁶⁺初始浓度，测定Cr⁶⁺的初始浓度对吸附效果的影响，结果见表3。

表3

Cr⁶⁺的初始浓度(mg/L)	50	100	200	500	750	1000
							吸附率R(％)	94.86.	88.90.	67.93	42.06	30.96	26.68
吸附量q(mg/g)	4.75	8.89	13.59	21.03	23.22	26.68

实施例6：两种吸附剂对各单一离子的最佳吸附效果。

在一定温度下，吸附体系中金属离子的吸附量与溶液中金属离子的平衡浓度之间是一种函数关系，由吸附量和平衡浓度的关系所绘出的曲线即为吸附等温线。将100mL含Cr⁶⁺浓度为50mg/L的溶液装入三角瓶中，溶液pH值调为2.0，然后加入0.2g由废弃链霉菌制备的吸附剂I，置于30℃恒温摇床装置中，调节震荡频率为200rpm，吸附剂与Cr⁶⁺相互作用24h，12000rpm离心2min，利用电感耦合等离子光谱法(ICP)测定上清液中Cr⁶⁺浓度。改变Cr⁶⁺初始浓度，其余条件相同，绘制30℃，pH为2时吸附剂I吸附Cr⁶⁺的吸附等温线，见图2。然后用Langmuir等温吸附方程对吸附等温线进行线性拟合，可以得出吸附剂I吸附Cr⁶⁺最大理论吸附量为33.11mg/g，见图3。Langmuir等温吸附方程如下：

\frac{C_{e}}{q_{e}} = \frac{C_{e}}{q_{\max}} + \frac{1}{q_{\max} K_{L}}

式中：q_e为平衡时的重金属吸附量(mg/g)；C_e为重金属的平衡浓度(mg/L)；q_max为Langmuir方程常数，表征理论最大吸附量(mg/g)；K_L为Langmuir方程与吸附能量有关的常数，表征吸附剂与吸附质的亲和力。

相同方法，再分别测定吸附剂I对Cr⁶⁺、Zn²⁺、Cd²⁺、Cu²⁺、Mn²⁺、Hg²⁺、Ni²⁺、和Co²⁺的吸附效果，以及吸附剂II对各金属离子的最大理论吸附量，结果见表4。

表4

实施例7：两种吸附剂对模拟混合废水中Cr⁶⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Mn²⁺的吸附效果。

取两个三角瓶，分别装入100mL含Cr⁶⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Mn²⁺浓度各为50mg/L的溶液，溶液pH值调为2.0，然后分别加入0.5g由废弃链霉菌制备的吸附剂I和吸附剂II，置于30℃恒温摇床装置中，调节震荡频率为200rpm，吸附剂与金属离子相互作用24h，12000rpm离心2min，利用电感耦合等离子光谱法(ICP)测定上清液中Cr⁶⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Mn²⁺的含量，两种吸附剂的吸附效果见表5。

表5

Claims

1.一种利用聚赖氨酸生产废菌体处理重金属废水的方法，其特征在于，以利用链霉菌发酵生产聚赖氨酸过程中产生的废菌体制备重金属吸附剂，并利用该吸附剂吸附去除废水中的重金属离子。

2.根据权利要求1所述的利用聚赖氨酸生产废菌体处理重金属废水的方法，其特征在于，所述的链霉菌为北里孢菌PL6-3(Kitasatospora sp)CCTCC M205012和/或小白链霉菌PD-1(Streptomyces albulus)CCTCC M2011043。

3.根据权利要求1所述的利用聚赖氨酸生产废菌体处理重金属废水的方法，其特征在于，废菌体制备重金属吸附剂的方法包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的利用聚赖氨酸生产废菌体处理重金属废水的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的盐酸浓度为100～200mg/L。

5.根据权利要求3所述的利用聚赖氨酸生产废菌体处理重金属废水的方法，其特征在于，步骤(2)中，盐酸体积重量为颗粒重量的100～200倍。

6.根据权利要求1所述的利用聚赖氨酸生产废菌体处理重金属废水的方法，其特征在于，所述的重金属废水为包含Cr⁶⁺、Cr³⁺、Zn²⁺、Cd²⁺、Cu²⁺、Mn²⁺、Hg²⁺、Ni²⁺和Co²⁺中的任意一种或几种的废水；重金属离子总浓度小于等于1000mg/L。

7.根据权利要求1所述的利用聚赖氨酸生产废菌体处理重金属废水的方法，其特征在于，利用该吸附剂吸附去除废水中的重金属离子，其中，对于每1g干重/L的吸附剂处理2～100mg/L的重金属离子；吸附过程伴随搅拌或震荡，废水pH值为1～7，温度为20～40℃，吸附时间为20～24h。