CN112062281B - 一种利用蓝藻-生物膜复合体修复盐碱水体砷污染的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用蓝藻‑生物膜复合体修复盐碱水体砷污染的方法，首先将一种耐盐碱耐砷的蓝藻接种至BG11培养基中培养至对数生长期，离心，收集蓝藻沉淀得到蓝藻菌体；将取实验室制备的生物膜离心，并收集生物膜沉淀；然后，将蓝藻菌体和生物膜沉淀接种至培养基复合，得到蓝藻‑生物膜复合体；最后，将蓝藻‑生物膜复合体接种至砷污染高盐碱水中，在温度为25℃、光照强度2000lux、光照/黑暗为12h/12h的条件下培养4天，每隔4个小时摇晃一次，获得修复的盐碱水体。蓝藻可以将高盐碱水中的三价As氧化为五价As降低As的毒性，利用菌藻生物膜对五价As的吸附能力去除盐碱水体中的As。砷的去除率可达70％以上。

Description

一种利用蓝藻-生物膜复合体修复盐碱水体砷污染的方法

技术领域

本发明涉及环境保护、污水净化处理技术，尤其涉及一种利用蓝藻-生物膜复合体修复盐碱水体砷污染的方法。

背景技术

砷(As)是一种有毒的类金属元素，在环境中主要以有机砷和无机砷的形式存在。人们普遍认为无机砷比有机砷更具毒性，三价砷(As(III))比五价砷(As(V))更具毒性。许多研究表明，As会对人类、动植物及生态造成重大风险。含砷废水的不恰当的处理和泄漏造成了许多严重的水和土地污染，以及会导致由于砷污染导致的人类的疾病，给人类健康和生态环境带来了巨大挑战。有报告称，过量接触砷和含有砷的长期饮用水可能导致癌症、角化过度、肝脏和心脏疾病等多种疾病的发展。我国饮用水水质标准规定饮用水中最大砷浓度为50μg/L。因此，控制砷污染和保护环境迫切需要安全的处置技术。

目前，国内外处理砷污染水体主要有为物理、化学、生物三大类方法。

物理法除砷主要包括吸附法、膜分离法等。吸附法是利用吸附剂强大的吸附能力吸附废水中砷的技术，简单易行，处理效率高，主要用来处理水量大且砷浓度较低的水体系。多数吸附剂对As(Ⅲ)的吸附效果不理想，吸附剂的使用也存在再生、回收和吸附量的减少(循环一次，吸附量降低5～10％)等问题。砷还会与污染水体中氯化物、磷酸盐、硫酸盐等无机离子发生竞争吸附作用，降低吸附效率。膜分离法是一种新型隔膜分离技术，分离介质为高分子或无机半透膜，借助外界推动力，实现组分的分离。膜分离法是一种新型隔膜分离技术，分离介质为高分子或无机半透膜，借助外界推动力，实现组分的分离，但成本昂贵、工艺复杂，不适用工业废水和自然水体中砷污染的治理。

物理化学法包括混凝沉淀、离子交换等技术。目前，混凝沉淀法是利用铁盐、铝盐、钙盐等常用混凝剂与水中砷酸根或亚砷酸根结合，形成难溶化合物。该方法操作简便，投资少，但是含砷废渣造成的二次污染和沉淀中金属的回收利用是急需解决的问题。活性炭交换树脂、选择性螯合树脂、无机离子交换树脂等是国内外常用的几种树脂。该方法优点装置简单，操作简便，处理量大，缺点是仅适用于原水成分单一的水体，若水体中含有较多无机阴离子，树脂使用寿命大大减短。

化学法除砷包括化学沉淀法、氧化法。沉淀法处理效率高，处理成本低，适用于处理含砷浓度较高的废水，但产生沉淀的后续稳定性涉及到二次污染问题。国内外常使用H₂O₂、高锰酸钾、O₃、漂白粉、软锰矿等氧化剂将As(Ⅲ)氧化为As(Ⅴ)，从而提高除砷效率，并能降低毒性。氧化法优点是提高As(Ⅲ)处理效率，且对废水有较强的杀菌能力，缺点是成本较高，有些氧化剂易分解，氧化过程可伴随沉淀产生，影响后续操作，增加二次处理成本。

生物法除砷技术主要包括植物富集和微生物技术。微生物主要通过细胞壁或胞外聚合物中的官能团与砷发生离子交换、络合作用和配位作用，从而使砷吸附；或者，通过微生物本身的代谢过程将砷纳入生物体内，从而使砷富集。但生物体受高盐碱胁迫，致使生物活性降低，且高离子强度的低渗透压不利于砷的富集，对砷的去除造成不利影响。

国内部分地区(如新疆地区)土壤盐碱化程度较高，同时土壤砷含量很高，由于区域干旱土壤高盐碱等特性，新疆大面积修建排碱渠以弥补重灌轻排的不足，改善土壤盐碱化问题，使土壤盐分排除，但砷在盐碱水体中可高度迁移，因此排碱渠在排除盐碱的同时，也产生了含砷废水，造成了砷的水体污染。

国内外现有的物理法和化学法虽然能对含砷工业废水的治理和水质净化方面起到较好效果，但是大多数技术都有相应的局限性，如苛刻的反应条件(如对水体盐度的限定、反应pH的限定、对水中砷浓度的限定、处理水量的限定等)、原材料昂贵、处理工艺复杂、资源的回收和重复利用率低、水体需要二次处理、产生二次污染等，很难用于盐碱水体中砷污染的治理。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种利用蓝藻-生物膜复合体修复盐碱水体砷污染的方法，利用耐盐碱耐砷蓝藻和环境中的生物膜材料提供的高生物量及强的胞外聚合物的吸附能力，通过胞外聚合物富集吸附高盐碱水体中的As(III)，再利用该蓝藻的氧化能力，将胞外聚合物富集的As(III)氧化，从而固定在盐碱水体中迁移转化能力极强的污染。最终可通过简单的固液分离的方法将修复后的水体排出，最终实现盐碱水体的砷污染修复。本方法适用于砷污染盐碱地区的人工湿地等盐碱砷污染水体的净化。该方法具有成本低廉、后续处理简单等特点。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种蓝藻-生物膜复合体原位修复砷污染高盐碱水的方法，具体步骤如下：

(1)蓝藻的制备：将蓝藻接种至BG11液体培养基中，在25℃、光照/黑暗为12h/12h环境中培养至对数生长期，将培养液在5500rpm离心20min，去掉上清液后，收集菌体沉淀。

(2)生物膜的制备：取天然盐碱水体，加入质量分数2％营养肉汤培养基，获得水样，然后注入石英砂反应器，并使用蠕动泵控制水样由下至上通过石英砂反应器，历时30天，用质量分数0.9％生理盐水清洗生物膜，并在5500rpm下离心20min，去掉上清液后，收集生物膜沉淀。

(3)蓝藻-生物膜复合体的制备：将步骤(1)菌体沉淀和步骤(2)生物膜沉淀接种至BG11培养基中，调节菌体的最终浓度为OD₆₈₀为0.7，生物膜接种量为20g/L。在25℃、光照/黑暗为12h/12h环境中培养7天。用快速滤纸过滤掉悬浮的蓝藻后，得到蓝藻-生物膜复合体。

(4)砷污染盐碱水体的修复：将步骤(3)制备的蓝藻-生物膜复合体接种至砷污染盐碱水体中，所述砷污染盐碱水体是将砷加入天然盐碱水体制成的模拟水样；所述砷加入终浓度以天然盐碱水体体积计为10mg/L，在温度为25℃、光照强度为2000lux、光照/黑暗为12h/12h的条件下处理4天，每隔4个小时摇晃一次，获得修复的盐碱水体；蓝藻可以将高盐碱水中的三价As氧化为五价As降低了As的毒性，利用菌藻生物膜对五价As的吸附能力去除盐碱水体中的As。

进一步地，所述BG11液体培养基组成为：1.5g/L NaNO₃、40mg/L K₂HPO₄、75mg/LMgSO₄·7H₂O、6mg/L柠檬酸、6mg/L柠檬酸铁铵、1mg/L EDTA-2Na和20mg/L Na₂CO₃，溶剂为去离子水。

进一步地，盐碱水体中的盐度为15‰，pH值为适用于自然环境中的普遍的pH值。

进一步地，所述蓝藻为耐盐碱、耐砷的蓝藻，以发酵培养获得菌体形式接种至砷污染盐碱水体中。

与现有技术相比，本发明有益效果主要体现在：

(1)本发明修复材料天然且成本较低，无需外加化学试剂；

(2)利用蓝藻-生物膜复合体处理盐碱含砷废水，无需异位，方便且成本低，处理效果较理想，在高盐度、高砷含量的环境中，砷的去除率最高可达到70％以上，且不易造成二次污染；

(3)本方法所用蓝藻-生物膜复合体具有环境适应性高，可在恶劣环境中生存的特点，故本修复技术快速且可行。

附图说明

图1为实施例中蓝藻-生物膜复合体的SEM图；

图2为实施例中蓝藻-生物膜复合体的红外光谱图；

图3为实施例中蓝藻-生物膜复合体修复后的红外光谱图；

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

实施例1

天然水体的水质参数及水体和底泥中重金属含量的测定；

所述天然盐碱水体取自新疆奎屯市排碱渠中，将得到的天然盐碱水体，对其理化性质进行测试，结果如表1和表2所示。

表1

表2

底泥的表征；

底泥理化性质及重金属含量(mg/kg)如表3所示。

表3

pH	盐度(‰)	As	Cu	Cr	Pb	Cd	Zn	Sr
									7.71	0.5	8.85	32.91	54.46	15.65	0.18	69.33	291.79

(1)蓝藻的制备：将耐盐碱耐砷蓝藻接种至BG11液体培养基的锥形瓶中，并放置在25℃，光照强度2000lux、光照/黑暗为12/12环境中，培养至对数生长期，获得培养液，将培养液在5500rpm离心20min，去掉上清液后，收集菌体沉淀，即为蓝藻菌体。

(2)盐碱砷污染模拟水样的修复：向500ml盐碱水中加入底泥样品20g，让其自然沉淀，模拟自然水体，而后加入NaAsO₂，使得As终浓度为10mg/L，得到盐碱砷污染模拟水样；再接种步骤(1)蓝藻菌体至OD₆₈₅为0.7，在模拟自然环境条件下(温度为25℃，光照强度为2000lux，光照/黑暗为12h/12h)培养，每4个小时摇晃一次锥形瓶，在第12h、24h、96h，取2ml培养液，根据初始砷浓度稀释至100μg/L以下的稀释倍数，用去离子水将培养液稀释相同倍数后，过0.22μm醋酸纤维膜，利用氢化物发生原子荧光分光光度计(AFS)测量砷浓度并计算去除率(去除率(％)＝100*(c₀-c)/c₀)；c₀为初始As(III)浓度，c为修复过程中，不同砷浓度模拟水样的As(III)浓度。实验结果表明：利用蓝藻除砷效果，在不同时间点第12h、24h、96h，As(III)浓度为7.15mg/kg、6.30mg/kg、4.14mg/kg，As(V)浓度为1.34mg/L、2.16mg/L、3.86mg/L，总砷的去除率分别为15.13％，15.36％，20.03％。

实施例2

(1)蓝藻制备如实施例1。

(2)生物膜的培养：取新疆奎屯市排碱渠中天然盐碱水体，加入质量分数2％营养肉汤培养基，获得水样，注入石英砂反应器，用蠕动泵控制水样，由下至上通过石英砂反应器，历时30天，用质量分数0.9％生理盐水清洗生物膜，并在5500rpm下离心20min，去掉上清液后，收集生物膜沉淀。

(3)蓝藻-生物膜复合体的制备：将步骤(1)蓝藻沉淀和步骤(2)生物膜沉淀接种至BG11培养基中，调节菌体的最终浓度为OD₆₈₀为0.7，生物膜接种量为20g/L。在25℃、光照/黑暗为12h/12h环境中培养7天。用快速滤纸过滤掉悬浮的蓝藻后，得到蓝藻-生物膜复合体。

(4)蓝藻-生物膜复合体表征：取一部分生物膜沉淀，将其置于冷冻干燥器中(-80℃，真空环境)干燥48h，取出，利用SEM观察，如图1；利用傅里叶转换红外光谱仪表征修复前的蓝藻-生物膜复合体中的官能团情况，如图2；

(5)盐碱砷污染模拟水体的修复：向500ml实施例1中盐碱水中加入实施例1中的底泥样品20g，让其自然沉淀，模拟自然水体，而后加入NaAsO₂至溶液中As的终浓度为10mg/L，得到模拟盐碱砷污染模拟水体，蓝藻接种及培养条件同实施例1。取样时间、样品的处理及去除率的计算如实施例1所述。

结果表明，在上述的实验过程中，在第12h、24h、96h三个时间点总砷的去除率分别为9.1％、39.5％、71.82％。在第96h显示了较好的去除效率。本发明所述的蓝藻-生物膜复合体材料对砷有较好的去除效果。

(5)将培养液在5500rpm离心20min，去掉上清液后，收集菌体沉淀，利用傅里叶转换红外光谱仪表征修复后的蓝藻-生物膜复合体中的官能团情况，如图3。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种利用蓝藻-生物膜复合体修复盐碱水体砷污染的方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)蓝藻的制备：将蓝藻接种至BG11液体培养基中，在25℃、光照/黑暗为12h/12h环境中培养至对数生长期，将培养液在5500rpm离心20min，去掉上清液后，收集菌体沉淀，所述BG11液体培养基组成为：1.5g/L NaNO₃、40mg/L K₂HPO₄、75mg/L MgSO₄·7H₂O、6mg/L柠檬酸、6mg/L柠檬酸铁铵、1mg/L EDTA-2Na和20mg/L Na₂CO₃，溶剂为去离子水；所述蓝藻为耐盐碱、耐砷的蓝藻，以发酵培养获得菌体形式接种至砷污染盐碱水体中；

(2)生物膜的制备：取天然盐碱水体，盐碱水体中的盐度为15‰，加入质量分数2％营养肉汤培养基，获得水样，然后注入石英砂反应器，并使用蠕动泵控制水样由下至上通过石英砂反应器，历时30天，用质量分数0.9％生理盐水清洗生物膜，并在5500rpm下离心20min，去掉上清液后，收集生物膜沉淀；

(3)蓝藻-生物膜复合体的制备：将步骤(1)菌体沉淀和步骤(2)生物膜沉淀接种至BG11培养基中，调节菌体的最终浓度为OD₆₈₀为0.7，生物膜接种量为20g/L；在25℃、光照/黑暗为12h/12h环境中培养7天；用快速滤纸过滤掉悬浮的蓝藻后，得到蓝藻-生物膜复合体；

(4)砷污染盐碱水体的修复：将步骤(3)制备的蓝藻-生物膜复合体接种至砷污染盐碱水体中，所述砷污染盐碱水体是将砷加入天然盐碱水体制成的模拟水样；所述砷加入终浓度以天然盐碱水体体积计为10mg/L，在温度为25℃、光照强度为2000lux、光照/黑暗为12h/12h的条件下处理4天，每隔4个小时摇晃一次，获得修复的盐碱水体；蓝藻可以将高盐碱水中的三价As氧化为五价As降低了As的毒性，利用菌藻生物膜对五价As的吸附能力去除盐碱水体中的As。

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