CN108031445A - 一种快速吸附重金属的库德毕赤酵母吸附剂的制备方法和使用方法 - Google Patents

一种快速吸附重金属的库德毕赤酵母吸附剂的制备方法和使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快速吸附重金属的库德毕赤酵母吸附剂的制备方法，本发明中通过补料分批培养方式获得高浓度库德毕赤酵母菌液，经NaOH或HCl无机配体溶液混合煮沸，制备库德毕赤酵母吸附剂，用于吸附废水中汞、镉、铅、铬、砷等重金属。本发明还公开了所述吸附剂的使用方法，从无机配体预处理、吸附时间、吸附菌体的浓度、吸附温度四个方面对其吸附特性进行研究，探究了库德毕赤酵母吸附重金属离子的方式和其最佳吸附环境。

Description

一种快速吸附重金属的库德毕赤酵母吸附剂的制备方法和使 用方法
技术领域
本发明属于污水处理领域，具体涉及一种快速吸附重金属的库德毕赤酵母吸附剂的制备方法和使用方法。
背景技术
传统的重金属吸附技术中采用了大量化学试剂进行沉淀和还原，但进一步产生次生物，从而造成二次污染。目前，公布了很多关于重金属汞、镉、铅、铬、砷等新的吸附剂吸附方法的报道，例如通过胺改性的单宁凝胶、螯合聚合物和树脂等，但是这些方法成本高、耗时长。因此，有必要找到一种经济环保的重金属吸附剂与制备方法。
微生物吸附法是近年发展起来的一种新技术，具有菌种来源丰富、工艺简单、成本低、速度快等优点。针对于废水中重金属汞、镉、铅、铬、砷处理这方面，微生物吸附更是发挥了它的优点。首先，微生物吸附选择性好，微生物种类繁多，针对不同的吸附条件可以选择最适宜的微生物，从而发挥出最好的吸附效果。微生物吸附适应性广，可以在各种不同复杂环境中进行操作。三者，微生物再生能力强，繁殖快，大大降低了操作的成本，而且设备简单，操作容易。对于废水中重金属汞、镉、铅、铬、砷的吸附，微生物吸附不受其浓度影响，无论是高浓度还是低浓度废液，都有良好的吸附能力。
到目前，微生物吸附还在发展中，越来越多的微生物被发现和利用到更加复杂的吸附环境中，而且都有很好的吸附效果。特别在处理吸附重金属汞、镉、铅、铬、砷这一方面，还有很广阔的应用前景。
微生物吸附法自上世纪70年代被人们所关注以来，一直是一门相当热门的研究课题，它是我们所面临的重金属污染问题和重金属日益匮乏等问题的解决法宝，回望生物吸附一路的发展，每一次突破创新都在一步一步打开解决这些问题，传统方法也在慢慢淘汰。根据国内外生物吸附研究的现状，工业应用探索实验、固定化研究、吸附机理研究是以后生物吸附研究的热点，这三点也是生物吸附规模化生产应用有待解决的问题。
发明内容
为了克服以上现有技术的不足，本发明提供了一种快速吸附重金属的库德毕赤酵母吸附剂的制备方法和使用方法。本发明探究了库德毕赤酵母在无机配体预处理、吸附温度、菌体浓度和吸附时间方面的最佳吸附条件，达到在废水中吸附重金属的目的。
本发明采用以下技术方案：
一种快速吸附重金属的库德毕赤酵母吸附剂的制备方法，将库德毕赤酵母经补料分批培养方式富集培养后离心收集，与无机配体溶液混合加热煮沸，离心、烘干、研磨制得。
其中，所述无机配体溶液为NaOH溶液或HCl溶液，两者浓度为0.1mol/L。
包括以下具体步骤：
（1）库德毕赤酵母的活化培养：
将库德毕赤酵母种子液以10%(v/v)接种量接种到发酵培养基中，装液量40-50mL/250mL，摇床转速为200-300r/min，23-26℃恒温培养15-18h；
（2）库德毕赤酵母的富集培养：
在发酵罐加入一半体积量的发酵液，接种量为12%(v/v)，初始搅拌转速350-500r/min，初始通气量1.0 vvm，发酵温度24.5-25.5℃，发酵过程中采用3mol/L的NaOH溶液调节pH维持在3.8-4.2，发酵过程溶氧维持在30%以上，最高搅拌转速设为700-850r/min，最高通气量3.0 vvm，在发酵第6h开始补料，每隔2h补料一次，补足糖浓度至2%，18h结束补料，发酵22-26h；
（3）将上述培养后发酵液收集后离心，经1200-1800r/min转速条件下，离心8-15min后得到菌体；
（4）向无机配体溶液溶液中加入体积分数为10%的浓缩菌体，置于容器中加热煮沸13-18min，离心后弃去上清液，于烘箱中105℃烘干后研磨成粉。
其中，所述步骤（2）富集培养过程按照酵母粉与葡萄糖1:4-5的质量比进行氮源补料。
如上述制备方法所制备的库德毕赤酵母吸附剂的使用方法，具体为：将库德毕赤酵母吸附剂按照菌体浓度1.0-5.0g/L添加到含重金属汞、镉、铅、铬、砷的废水中，控制吸附时间在5-360min，吸附温度在15-35℃，振荡吸附结束后立即取出进行离心，取上清液，测定吸附处理后重金属浓度。
进一步地，所述库德毕赤酵母吸附剂按照菌体浓度1.0-2.0g/L使用，控制吸附时间在20-30min，吸附温度在20-30℃。
本发明的有益效果如下：
本发明中通过补料分批培养方式培养得到高浓度库德毕赤酵母菌液，经NaOH和HCl无机配体溶液混合煮沸，制备库德毕赤酵母吸附剂，用于吸附废水中汞、镉、铅、铬、砷等重金属。从无机配体预处理、吸附时间、吸附菌体的浓度、吸附温度四个方面对其吸附特性进行研究，探究库德毕赤酵母吸附重金属离子的方式和其最佳吸附环境。
经过NaOH处理过的菌体对重金属汞、镉、铅吸附率最高，经过HCl处理过的菌体对重金属铬、砷吸附率最高；重金属汞、铅和砷吸附最佳时间为30 min，重金属镉和铬吸附最佳时间为20min；吸附重金属镉、铅的最适宜菌体浓度为1g/L，吸附重金属汞、铬、砷的最适宜菌体浓度为2g/L；重金属汞、镉、铅、铬、砷最佳吸附温度均为20℃。在最佳吸附条件下，实现对废水中多种重金属的高效去除，对重金属工业废水的治理和水环境的改善提供了科学依据，具有重要的实际意义。
附图说明
图1无机配体预处理方式对吸附率的影响；
图2吸附时间对吸附率的影响；
图3菌体浓度对吸附率的影响；
图4吸附温度和吸附率的关系曲线。
具体实施方式
1、配制适合库德毕赤酵母生长的培养基：
培养基组成为（g·L–1，通常情况都为此，特别说明除外）
YEPD培养基：葡萄糖20.0，酵母粉10.0，蛋白胨20.0，蒸馏水定容至1.0 L，自然pH，115ºC灭菌30min。
固体筛选培养基：葡萄糖20.0，酵母粉10.0，蛋白胨20.0，琼脂20.0(单独灭菌后，与培养基混匀)，蒸馏水定容至1.0 L，pH 3.0，115ºC灭菌30min，灭菌后添加40.0 mgNa2SeO3。
液体筛选培养基：葡萄糖20.0，酵母粉10.0，蛋白胨20.0，蒸馏水定容至1.0 L，pH3.0，115ºC灭菌30min，灭菌后添加40.0 mg Na2SeO3。
摇瓶发酵培养基：葡萄糖100.0，酵母粉20.0，KH2PO4 5.0，MgSO4•7H2O 1.0，蒸馏水定容到1.0 L，pH 3.0，115ºC灭菌30min。
种子培养基：葡萄糖50.0，酵母粉10.0，KH2PO4 5.0，MgSO4•7H2O 1.0，蒸馏水定容至1.0 L，pH 5.0，115ºC灭菌30min。
2、库德毕赤酵母吸附剂的制备：
（1）库德毕赤酵母的活化培养：
将库德毕赤酵母种子液以10%(v/v)接种量接种到发酵培养基中，装液量45mL/250mL，摇床转速为250r/min，25℃恒温培养16h；
（2）库德毕赤酵母的富集培养：
在7L发酵罐加入3.5L发酵液，接种量为12%(v/v)，初始搅拌转速400r/min，初始通气量1.0 vvm，发酵温度24.5-25.5℃，发酵过程中采用3mol/L的NaOH溶液调节pH维持在4.0±0.1，发酵过程溶氧维持在30%以上，最高搅拌转速设为800r/min，最高通气量3.0 vvm，在发酵第6h开始补料，每隔2h补料一次，补足糖浓度至2%，按照酵母粉:葡萄糖=1:5的质量比进行氮源补料，18h结束补料，葡萄糖累积添加量为240g，酵母粉累积添加量50 g，发酵24h；
（3）将上述培养后发酵液收集后离心，经1500r/min转速条件下，离心10min后得到菌体；
（4）向无机配体溶液溶液中加入体积分数为10%的浓缩菌体，置于容器中加热煮沸15min，离心后弃去上清液，于烘箱中105℃烘干后研磨成粉。
上述无机配体溶液为NaOH溶液或HCl溶液，两者浓度为0.1mol/L。
3、重金属吸附试验：
首先，分别取初始浓度为100mg/L的重金属汞、铬、铅、铬和砷，取定量的库德毕赤酵母吸附剂（g，添加的库德毕赤酵母吸附剂的质量根据含水率折合成干重），放入100mL的废水于250 mL的锥形瓶中，在吸附温度15-35℃环境下进行摇床振荡吸附0-360min，振荡结束后立即取出进行1500r/min离心10min，取得上清液5mL。用原子吸收光谱分析仪测定吸附处理后重金属浓度。
吸附量=（初浓度-终浓度）/吸附剂浓度（此浓度为吸附剂干重下对应的浓度）；
吸附率=[（初浓度-终浓度）]/终浓度×100%。
实施例1
使用0.1mol/L的HCl溶液将毕赤酵母加热煮沸15min后，1000-3000rpm离心，收集菌体，再放入烘箱105℃烘干后磨成粉末，备用。
使用0.1mol/L的NaOH溶液将毕赤酵母加热煮沸15min后，3000-5000rpm离心，收集菌体，再放入烘箱105℃烘干后磨成粉末，备用。
配制100mL 100mg/L的重金属汞、铬、铅、铬和砷溶液于锥形瓶中，取0.1g上述菌体吸附剂粉末分别加入至锥形瓶中，用棉塞塞住瓶口，于30℃，200rpm处理60min，计算吸附率，结果如图1所示。
由图可知：经HCl处理的库德毕赤酵母吸附重金属汞、铬、铅、铬和砷吸附量分别为65mg/g、67 mg/g、63 mg/g、69 mg/g和70 mg/g，经NaOH处理的库德毕赤酵母吸附重金属汞、铬、铅、铬和砷吸附量分别为68mg/g、73 mg/g、65 mg/g、66 mg/g和68 mg/g。结果表明，经过NaOH处理过的菌体对重金属汞、镉、铅吸附率最高，经过HCl处理过的菌体对重金属铬、砷吸附率最高。
实施例2
用0.1mol/L的NaOH溶液将毕赤酵母加热煮沸15min后，1000-3000rpm离心，收集菌体，再放入烘箱105℃烘干后磨成粉末。
配制100mL 100mg/L的重金属汞、铬、铅、铬和砷溶液于锥形瓶中，取0.1g上述菌体吸附剂粉末分别加入至锥形瓶中，用棉塞塞住瓶口，于30℃，200rpm分别处理5min、10min、20min、30min、60min、90min、120min、150min、180min、240min、300min、360min计算吸附率，结果如图2所示。
由图可知：经NaOH处理的库德毕赤酵母吸附重金属汞、铅和砷吸附量在30min时吸附量最高，分别为68 mg/g、65 mg/g和70 mg/g；吸附重金属镉和铬吸附量在20min时吸附量最高，分别为73 mg/g和69 mg/g。结果表明，在吸附时间为30 min时，对重金属汞、铅和砷吸附率达到了平衡；在吸附时间为20 min时，对重金属镉和铬吸附率达到了平衡。
实施例3
用0.1 mol/L的NaOH将毕赤酵母加热煮沸15min后，1000-3000 rpm离心，收集菌体，再放入烘箱105℃烘干后磨成粉末。
配制100mL 100mg/L的重金属汞、铬、铅、铬和砷溶液于锥形瓶中，将上述方法收集的菌体吸附剂粉末取0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5g分别加入至锥形瓶中，用棉塞塞住瓶口，于30℃，200 rpm处理30min计算吸附率，结果如图3所示。
由图可知：经NaOH处理的库德毕赤酵母吸附浓度在1g/L时吸附重金属镉和铅吸附量最高，吸附浓度在2g/L时吸附重金属汞、铬和砷吸附量最高。即重金属汞、铅和砷最适合吸附的菌体浓度为2g/L，重金属镉和铅最适合吸附的菌体浓度为1g/L。
实施例4
用0.1 mol/L的NaOH将毕赤酵母加热煮沸15min后，1000-3000 rpm离心，收集菌体，再放入烘箱105℃烘干后磨成粉末。
配制100mL 100mg/L的重金属汞、铬、铅、铬和砷溶液于锥形瓶中，取0.2g上述菌体吸附剂粉末分别加入至锥形瓶中，用棉塞塞住瓶口，分别于15℃、20℃、25℃、30℃、35℃，200 rpm处理30min计算吸附率，结果如图4所示。
由图可知：经NaOH处理的库德毕赤酵母吸附在20℃时吸附重金属汞、镉、铅、铬和砷吸附量最高。结果表明，库德毕赤酵母吸附剂吸附重金属的最佳温度在20℃最适宜。

Claims (6)

1.一种快速吸附重金属的库德毕赤酵母吸附剂的制备方法，其特征在于，将库德毕赤酵母经补料分批培养方式富集培养后离心收集，与无机配体溶液混合加热煮沸，离心、烘干、研磨制得。
2.根据权利要求1所述的一种快速吸附重金属的库德毕赤酵母吸附剂的制备方法，其特征在于，所述无机配体溶液为NaOH溶液或HCl溶液，两者浓度为0.1mol/L。
3.根据权利要求1所述的一种快速吸附重金属的库德毕赤酵母吸附剂的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
（1）库德毕赤酵母的活化培养：
将库德毕赤酵母种子液以10%(v/v)接种量接种到发酵培养基中，装液量40-50mL/250mL，摇床转速为200-300r/min，23-26℃恒温培养15-18h；
（2）库德毕赤酵母的富集培养：
在发酵罐加入一半体积量的发酵液，接种量为12%(v/v)，初始搅拌转速350-500r/min，初始通气量1.0 vvm，发酵温度24.5-25.5℃，发酵过程中采用3mol/L的NaOH溶液调节pH维持在3.8-4.2，发酵过程溶氧维持在30%以上，最高搅拌转速设为700-850r/min，最高通气量3.0 vvm，在发酵第6h开始补料，每隔2h补料一次，补足糖浓度至2%，18h结束补料，发酵22-26h；
（3）将上述培养后发酵液收集后离心，经1200-1800r/min转速条件下，离心8-15min后得到菌体；
（4）向无机配体溶液溶液中加入体积分数为10%的浓缩菌体，置于容器中加热煮沸13-18min，离心后弃去上清液，于烘箱中105℃烘干后研磨成粉。
4.根据权利要求3所述的一种快速吸附重金属的库德毕赤酵母吸附剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）富集培养过程按照酵母粉与葡萄糖1:4-5的质量比进行氮源补料。
5.一种如权利要求1所述制备方法所制备的库德毕赤酵母吸附剂的使用方法，其特征在于，将库德毕赤酵母吸附剂按照菌体浓度1.0-5.0g/L添加到含重金属汞、镉、铅、铬、砷的废水中，控制吸附时间在5-360min，吸附温度在15-35℃，振荡吸附结束后立即取出进行离心，取上清液，测定吸附处理后重金属浓度。
6.根据权利要求5所述的一种库德毕赤酵母吸附剂的使用方法，其特征在于，所述库德毕赤酵母吸附剂按照菌体浓度1.0-2.0g/L使用，控制吸附时间在20-30min，吸附温度在20-30℃。
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