CN103910437A - 去除水体中重金属离子的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于环境污染治理方法领域，具体涉及到一种去除水体中重金属离子的方法，包括如下步骤，将简青霉孢子和重金属离子溶液混合，得到混合溶液，然后在混合溶液中添加木炭粉，进行培养、分离步骤，完成对水体中重金属离子的吸附去除，本发明交换被固定对象和固定载体，利用简青霉菌丝为载体固定木炭粉，同时实现木炭和简青霉对水中六价铬(Cr⁶⁺)的还原吸附作用和对镉（Cd²⁺）、铅（Pb²⁺）、铜（Cu²⁺）等重金属离子的吸附作用，使吸附重金属离子后的木炭易于分离，操作条件简单且容易实施，成本较低，去除率较高，不会产生二次污染。

Description

去除水体中重金属离子的方法

技术领域

本发明属于环境污染治理领域，具体涉及到一种去除水体中重金属离子的方法。

背景技术

随着工业的发展和人类活动的影响，重金属污染的形势变得日益严峻。重金属污染主要来源于冶金、制革、电镀、机器制造及有机合成等工业排放的含重金属废水。工业废水中的重金属主要有铅、锌、铬、镉、铜、汞、镍、钴、锰、钒、钼、钛、锑、铋等，尤其是铅、锌、铬、镉、铜的毒性更大，它们可以通过大气、水、食物造成环境的严重污染，并可经过呼吸道、消化道和皮肤等途径为人体摄取和积累。比如铬污染，铬的常见价态有三价和六价。研究表明，三价铬(Cr³⁺)是人体必须的微量元素，六价铬(Cr⁶⁺)具有强烈的毒性，能损伤人体和动物的DNA，并易被人体吸收而在体内蓄积，是已确认的致癌物之一。由于铬对动植物和人体健康产生极大影响，已被列入中国水环境优先污染物黑名单，并在我国实施优先监测和管理。

目前国内外对重金属废水的处理方法主要有：化学还原法、电解法、膜分离法、吸附法、离子交换法、生物法等。其中吸附法工艺简单、成本较低，尤其适合于低浓度含重金属离子比如铬废水的处理。木炭具有很强的吸附能力，原料来源广、烧制方便简单、设备投资少等特点，是理想的吸附材料。但是木炭用于水处理时，其吸附容量受到许多因素的影响，除外界条件外，主要与木炭的比表面积有关，木炭粒度减小，比表面积增大，微孔数量增多，吸附能力自然随之增强，但是粒度越小，越容易从反应器中流失并随着待处理液被排出，难以通过固液分离方式回收并反复使用。

环境微生物修复技术作为一种新型技术在水体修复领域已得到广泛应用。在重金属污染废水处理中，微生物细胞壁表面的官能团参与对重金属的吸附，具有单位比表面积大，再生性能强、效率高、操作简单、能耗低和经济可行等优点。例如，简青霉能有效地从水溶液中富集和吸附重金属离子，是一种公认的高效生物吸附剂。为了结合木炭吸附与微生物修复的优势，克服易流失、难分离的缺点，国内外通常采用包埋、交联固定化方法，但固定化操作通常不可缺少载体、包埋剂、交联剂，而且固定化步骤复杂，需要消耗大量化学试剂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种成本低，环保且易分离的去除水体中重金属离子的方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种去除水体中重金属离子的方法，包括如下步骤：将简青霉孢子和重金属离子溶液混合，得到混合溶液，然后在混合溶液中添加木炭粉，进行培养、分离步骤，完成对水体中重金属离子的吸附。

在简青霉孢子和重金属离子溶液混合前，先将简青霉孢子制成孢子悬浮液，然后加入到液体培养基中。优选地，孢子悬浮液中简青霉孢子的浓度为2.0×10⁶个/mL。

前述的混合溶液中重金属离子的浓度为10～50mg/L。

前述木炭粉为过100目筛的木炭粉。

前述木炭粉的添加量为1～3g/L，优选为2g/L。

前述培养步骤为振荡培养，温度为25～30℃，转速为110～150r/min。

前述分离步骤为过滤。

本发明的创新点在于：针对小粒径木炭难以简易固定的技术难题，采用环境微生物修复技术与木炭吸附技术有效结合的方法对重金属离子污染水体进行处理。传统的载体结合固定化方法是以微生物为被固定化对象，硅胶、活性炭、木屑等为固定化载体，本发明交换固定对象和固定载体，利用简青霉菌丝为载体固定木炭粉，同时实现木炭和简青霉对水中六价铬(Cr⁶⁺)的还原吸附作用和对镉（Cd²⁺）、铅（Pb²⁺）、铜（Cu²⁺）等重金属离子的吸附作用，使吸附重金属离子后的木炭易于分离，充分利用木炭的吸附性能。简青霉的稳定性强，在待处理废水中给其创造相对较好的生长环境，能使其大量繁殖延伸菌丝，充分抓取溶液中的粉末状木炭，将木炭粉均匀包裹缠绕成球状，并沉于液体底部实现固液分层，简单过滤即可轻松实现吸附剂从液体中的分离。

本发明的有益效果是：

本发明提供的去除水体中重金属离子的方法，操作条件简单且容易实施，成本较低，去除率较高，重金属初始浓度在25mg/L以下时，六价铬(Cr⁶⁺)、镉（Cd²⁺）、铅（Pb²⁺）和铜（Cu²⁺）的去除率均能达到100%；同时木炭粉沉于液体的底部，简单过滤便可实现吸附剂从液体中分离，不会产生二次污染，具有广阔的应用前景。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例1的含炭菌球形态示意图；

图2为本发明实施例1的含炭菌球在扫描电子显微镜下的微观结构示意图；

图3为本发明实施例1的方法在不同的六价铬(Cr⁶⁺)初始浓度下对六价铬(Cr⁶⁺)的去除率示意图；

图4为本发明实施例2的方法在不同木炭粉添加量下对六价铬(Cr⁶⁺)的去除率示意图；

图5为本发明实施例3的方法对六价铬(Cr⁶⁺)的去除率随时间变化示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例

以下实施例中，所采用的物料和使用的仪器均为市售。

实施例1

本实施例中采用的简青霉（Penicillium simplicissimum），来源于中国工业微生物菌种保藏中心（China Center of Industrial Culture Collection，CICC），CICC编号为40667。

本实施例的去除水体中六价铬(Cr⁶⁺)的方法，包括以下步骤：

（1）将液体培养基（前述液体培养基成分如表1所示），六价铬(Cr⁶⁺)溶液，木炭粉于115℃条件下灭菌20min，然后在无菌条件下冷却至室温。将简青霉孢子置于无菌水中制成孢子悬浮液，孢子悬浮液中简青霉孢子的浓度为2.0×10⁶个/mL。将前述孢子悬浮液接种到已灭菌的液体培养基中，得到已接种液体培养基。

（2）取7组上述已接种液体培养基，每组设置三个平行样，向其中添加六价铬(Cr⁶⁺)溶液，得到混合溶液，使混合溶液中六价铬(Cr⁶⁺)浓度分别为10mg/L、20mg/L、25mg/L、30mg/L、35mg/L、40mg/L、50mg/L。往混合溶液中添加木炭粉，前述木炭粉经机械粉碎并过100目筛，木炭粉在每升含铬液体培养基中的添加量为2.0g。将上述液体振荡培养，振荡培养温度为28℃，转速为150r/min，振荡培养时间为84h，得到含炭菌球。

（3）过滤经上述振荡培养后的含炭菌球，完成对水体中六价铬(Cr⁶⁺)的去除。

由于菌丝抓取木炭粉形成菌球沉淀于液体底部，浑浊的含炭液体变得澄清，含炭菌球形态如图1所示。过滤含炭菌球，冷冻干燥后将含炭菌球置于扫描电子显微镜下，其表面微观结构如图2所示，蔓延的菌丝缠绕木炭颗粒，从而形成稳固小球，由于缠绕均匀，保留了木炭大部分的空隙，对木炭颗粒吸附表面积影响较小，能较好地保证木炭的吸附能力。

从各组中取滤液，测定处理后液体中剩余六价铬(Cr⁶⁺)含量，测定结果如图3所示，由图3可知，六价铬(Cr⁶⁺)去除率随着六价铬(Cr⁶⁺)初始浓度的升高而下降，六价铬(Cr⁶⁺)初始浓度在25mg/L以下时，六价铬(Cr⁶⁺)的去除率能达到100%。

表1液体培养基成分

实施例2

本实施例中采用的简青霉（Penicillium simplicissimum），来源于中国工业微生物菌种保藏中心（China Center of Industrial Culture Collection，CICC），CICC编号为40667。

一种去除水体中六价铬(Cr⁶⁺)的方法，包括以下步骤：

（1）将液体培养基（其成分见表1）、六价铬(Cr⁶⁺)溶液、木炭粉于115℃条件下灭菌20min，然后在无菌条件下冷却至室温。将简青霉孢子置于无菌水中制成孢子悬浮液，孢子悬浮液中简青霉孢子的浓度为2.0×10⁶个/mL。将前述孢子悬浮液接种到已灭菌的液体培养基中，得到已接种液体培养基。向上述已接种液体培养基中添加六价铬(Cr⁶⁺)溶液，得到混合溶液，使混合溶液中六价铬(Cr⁶⁺)浓度为30mg/L。

（2）取5组上述混合溶液，每组设置三个平行样，往混合溶液中分别添加木炭粉，木炭粉经机械粉碎并过100目筛，得到含木炭培养基，使前述含木炭培养基中木炭粉的含量分别为1.0g/L、1.5g/L、2.0g/L、2.5g/L、3.0g/L。将前述含木炭培养基振荡培养，振荡培养温度为28℃，转速为150r/min，振荡培养时间为84h，得到含炭菌球。

（3）过滤经上述振荡培养后的含炭菌球，完成对水中六价铬(Cr⁶⁺)的去除。

从各组中取滤液，测定处理后液体中剩余六价铬(Cr⁶⁺)含量，测定结果如图4所示，由图4可知，随着木炭粉添加量的增加，六价铬(Cr⁶⁺)去除率呈上升趋势，但当木炭粉添加量从2.0g/L增加到3.0g/L时，六价铬(Cr⁶⁺)的去除率并没有按比例地增加，此外，木炭粉添加量超过2.0g/L之后，溶液中均出现木炭粉残留，多余的木炭粉不能被菌丝球抓取收集，所以，综合经济因素和应用效果，选取2.0g/L作为木炭粉的最佳用量。

实施例3

本实施例中采用的简青霉（Penicillium simplicissimum），来源于中国工业微生物菌种保藏中心（China Center of Industrial Culture Collection，CICC），CICC编号为40667。

一种去除水体中六价铬(Cr⁶⁺)的方法，包括以下步骤：

（1）将液体培养基（其成分见表1）、六价铬(Cr⁶⁺)溶液、木炭粉于115℃条件下灭菌20min，然后在无菌条件下冷却至室温。将简青霉孢子置于无菌水中制成孢子悬浮液，孢子悬浮液中简青霉孢子的浓度为2.0×10⁶个/mL。将前述孢子悬浮液接种到已灭菌的液体培养基中，得到已接种液体培养基。

（2）向上述已接种液体培养基中添加六价铬(Cr⁶⁺)溶液，使培养基中六价铬(Cr⁶⁺)浓度为25mg/L，得到混合溶液。往前述混合溶液中添加木炭粉，木炭粉经机械粉碎并过100目筛，每升混合溶液中木炭粉的添加量为2.0g。将上述添加了木炭粉的混合溶液振荡培养，振荡培养温度为28℃，转速为150r/min。

（3）每隔12小时取样，测定处理后液体中剩余六价铬(Cr⁶⁺)含量，测定结果如图5所示，由图5可知，随着培养反应时间的增加，六价铬(Cr⁶⁺)的去除率先呈上升趋势，达到最大值后趋于稳定，这说明木炭先发挥去除六价铬(Cr⁶⁺)的作用，简青霉度过生长的调整期逐步适应含铬培养基的环境，随着生物量的增长完成对六价铬(Cr⁶⁺)的去除。

实施例4

本实施例中采用的简青霉（Penicillium simplicissimum），来源于中国工业微生物菌种保藏中心（China Center of Industrial Culture Collection，CICC），CICC编号为40667。

本实施例的去除水体中重金属镉（Cd²⁺）、铅（Pb²⁺）或铜（Cu²⁺）的方法，包括以下步骤：

（1）将液体培养基（其成分见表1）、镉（Cd²⁺）溶液、铅（Pb²⁺）溶液、铜（Cu²⁺）溶液、木炭粉于115℃条件下灭菌20min，然后在无菌条件下冷却至室温。将简青霉孢子置于无菌水中制成孢子悬浮液，孢子悬浮液中简青霉孢子的浓度为2.0×10⁶个/mL。将前述孢子悬浮液接种到已灭菌的液体培养基中，得到已接种液体培养基。

（2）取三组上述已接种液体培养基，每组设置三个平行样，一组添加镉（Cd²⁺）溶液，一组添加铅（Pb²⁺）溶液，一组添加铜（Cu²⁺）溶液，得到3组混合溶液。往三组前述混合溶液中添加木炭粉，木炭粉经机械粉碎并过100目筛，每升混合溶液中木炭粉的添加量为2.0g。将上述液体振荡培养，振荡培养温度为28℃，转速为150r/min，振荡培养时间为84h，得到含炭菌球。

（3）过滤经上述振荡培养后的含炭菌球，完成对水体中镉（Cd²⁺）、铅（Pb²⁺）或铜（Cu²⁺）的去除。

从各组中取滤液，测定处理后液体中剩余重金属离子含量，结果显示，当初始重金属离子浓度为30mg/L时，镉（Cd²⁺）去除率达94.4%，铅（Pb²⁺）去除率达95.6%，铜（Cu²⁺）去除率达92.1%；当初始重金属离子浓度为25mg/L时，镉（Cd²⁺）、铅（Pb²⁺）和铜（Cu²⁺）的去除率均能达到100%。

在实施例1至4中，振荡培养的温度为25℃～30℃，转速为110r/min～150r/min均能得到含炭菌球。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡是本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种去除水体中重金属离子的方法，其特征在于，包括如下步骤，将简青霉孢子和重金属离子溶液混合，得到混合溶液；在所述混合溶液中添加木炭粉，进行培养、分离步骤，完成对水体中重金属离子的吸附。

2.根据权利要求1所述的去除水体中重金属离子的方法，其特征在于，所述简青霉孢子和重金属离子溶液混合前，先将简青霉孢子制成孢子悬浮液，然后加入到液体培养基中。

3.根据权利要求2所述的去除水体中重金属离子的方法，其特征在于，所述孢子悬浮液中所述简青霉孢子的浓度为2.0×10⁶个/mL。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的去除水体中重金属离子的方法，其特征在于，所述混合溶液中重金属离子的浓度为10～50mg/L。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的去除水体中重金属离子的方法，其特征在于，所述木炭粉过100目筛。

6.根据权利要求1至3中任意一项所述的去除水体中重金属离子的方法，其特征在于，所述木炭粉的添加量为1～3g/L。

7.根据权利要求1至3中任意一项所述的去除水体中重金属离子的方法，其特征在于，所述培养步骤为在25～30℃温度下，以110～150r/min的转速进行振荡培养。

8.根据权利要求1至3中任意一项所述的去除水体中重金属离子的方法，其特征在于，所述分离步骤为过滤。