CN113549613A - 一种去除沉积物中复合污染物生物净化剂制备及应用方法 - Google Patents
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Abstract
一种去除沉积物中复合污染物生物净化剂制备及应用方法，涉及一种生物净化剂制备及应用方法，本发明以海藻酸钾、草木灰、硝酸钙为原料，将真菌产黄青霉固定化制得复合污染物的固定化材料，即具有更高吸附性能的净化剂的方法。同时，本发明还提供一种同时净化含有机物BaP和与无机砷As(v)复合污染沉积物的方法。实现了对BaP和As（Ⅴ）复合污染沉积物同时进行综合处理，所制备的净化剂具有无二次污染，比表面积大且含有多种功能团，能够同时与BaP和As（Ⅴ）发生化学吸附和物理吸附作用，且固砷效果好。该方法操作简单、易于实现工业化，可为大规模生产净化剂提供切实可行的途径，是一种很有发展前途的对于含BaP和As（Ⅴ）废水/沉积物的处理技术。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物净化剂制备及应用方法，特别是涉及一种去除沉积物中复合污染物生物净化剂的制备及其应用方法。
背景技术
伴随工农业的飞速发展,与日俱增的重金属和持久有机污染物在未经处理或处理不达标的情况下排放到环境中，大量的污染物随降雨和径流等途径最终汇入河流、湖泊等水体沉积物,造成地表水的持续污染。重金属和多环芳烃(PAHs)是环境中两类典型的重污染物，它们在河流表层沉积物中共存，通过物理、化学和微生物作用发生各种交互作用影响污染物的迁移和转化。苯并(a)芘(BaP)是一种具有5环结构和“三致”效应的典型的PAHs类有机污染物，由于其辛醇-水分配系数很高，很难直接被微生物降解，从而严重威胁人类健康。砷是环境中公认的优先重视的重金属类污染物，其威胁在于它不能被微生物分解，相反可在生物体内富集。据报道，在沉积物复合污染体系中，BaP的微生物代谢产物比其母体化合物毒性更强；另一方面，砷在相应条件下发生有机化反应，所生成的有机金属化合物毒性成指数倍上升。现有调查数据表明，我国西北、华北、东北、厦门湾海域及台湾等地都存在较严重的地下水体重金属和多环芳烃污染，尤其是重工业区。锦州湾位于渤海西北部，是一个三面靠陆、一面临水的半封闭海域，其沿岸分布的大型冶炼企业和化工厂等不断向海湾大量排放含重金属污染物的废水，锦州湾已成为我国海域重金属污染最严重的海域之一。当表层沉积物受到风浪、行船及航道疏浚的干扰或者其他环境条件变化时，这些复合污染物质可能被活化，从而快速被释放出来，导致严重生态灾难。因此，研究沉积物中砷与 BaP 交互作用机制与再分配规律对了解更贴近自然真实的表层沉积物中复合污染物的迁移转化规律、毒性以及对多种复合污染物的同时治理有着十分重要的意义。
目前，砷的去除方法有化学沉淀、离子交换、生物法、电化学和吸附等方法。BaP的去除方法有微生物降解、光降解和化学氧化等处理方法。化学法处理成本高且常常给环境带来二次污染；离子交换法与其他方法相比最大优点是可以实现资源的回收利用、变废为宝。但是，离子交换树脂的价格较高，投入量比较大，而且投料前需要对原水域进行预处理，可能造成二次污染等缺点，适用范围受到限制，不适用于大规模的污水/沉积物治理；生物法虽然成本低廉且不存在二次污染，但处理周期长且微生物容易受到环境条件的影响；电化学在操作过程中涉及到化学、物理、电学以及表面学等多个学科，机理较为复杂，需要专门的设备，耗资相对较大，而且对操作技术的要求比较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种去除沉积物中复合污染物生物净化剂制备及应用方法，本发明以海藻酸钾、草木灰、硝酸钙为原料，将真菌产黄青霉固定化制得去除复合污染物的固定化材料，即具有高吸附性能的净化剂。以沉积物中BaP和与As(v)为有机物和无机物的典型代表，确定该净化剂对有机物BaP和与无机砷As(v)复合污染的去除最佳应用条件。本发明为推动含有有机及无机复合污染沉积物的快速净化领域，提供了引领性的技术、理论支持。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种去除沉积物中复合污染物生物净化剂制备方法，所述制备方法包括以下过程：
1．首先，制备产黄青霉悬液，包括如下步骤：
（1）土豆培养基：土豆去皮，切成小块，加入蒸馏水，煮沸后过6-7层纱布，在滤液中加入葡萄糖并补足水分；准备锥形瓶，分别加入土豆培养液和蒸馏水，用12层纱布封好，放入蒸汽灭菌器中，锥形瓶上端口用牛皮纸封好；
（2）产黄青霉悬液：在灭菌25-35 min的无菌净化工作台内将斜面上的产黄青霉菌种转接到土豆培养基中，每瓶均转接5-6环产黄青霉真菌种子，将转接好的锥形瓶放入摇床培养，温度28℃，转速150-200 r/min，28 h后，利用4-6层医用纱布过滤菌液收集产黄青霉菌体，备用；
2．然后，制备固定化产黄青霉净化剂，包括如下步骤：
（1）草木灰粉末的制备：设置升温速率8-10 ℃/min，氮气流速200 mL/min，在管式炉中煅烧废弃杂草植物，在450-500 ℃下煅烧1.2 h，降至室温后取出分别用无水乙醇和蒸馏水清洗3次，清洗完毕转移至干燥箱中70-80 ℃低温干燥直至质量稳定为止；研磨干燥后的草木灰，并过150目筛，收集粉末备用；
（2）固定化基质的制备：将海藻酸钾和本步骤（1）得到的草木灰加入无菌水中混合，搅拌均匀得到固定化基质；
（3）固定化产黄青霉净化剂的制备：将培养28 h的湿体产黄青霉加入到本步骤（2）所得固定化基质中，每100.0 mL固定化基质中加入湿体产黄青霉10.0～15.0 g，搅拌均匀后，用制球器将混合液逐滴滴入到硝酸钙溶液中进行反应，反应时间为2～4 h，得到固定化产黄青霉净化剂；固定化结束后滤出小球，用无菌水清洗3次，即可。
所述的一种去除沉积物中复合污染物生物净化剂制备方法，所述制备产黄青霉悬液、土豆培养基灭菌条件：压力0.13 MPa，温度120℃左右，时间25 min，灭菌完成，冷却至室温后取出，备用。
所述的一种去除沉积物中复合污染物生物净化剂制备方法，所述制备产黄青霉悬液、产黄青霉悬液以及制备固定化产黄青霉净化剂的步骤操作，均在室温无菌环境下进行。
所述的一种去除沉积物中复合污染物生物净化剂制备方法，所述制备固定化产黄青霉净化剂、固定化基质的制备中每100.0 mL固定化基质中海藻酸钾和草木灰分别为2.00～4.00 g和0.2～0.40 g。
一种去除沉积物中复合污染物生物净化剂应用方法，所述去除沉积物中复合污染物，步骤如下：
（1）常温下将固定化产黄青霉净化剂加入到复合污染沉积物之中；
（2）将本步骤（1）处理的复合污染沉积物中加入L Ca(OH)2溶液和L HCl溶液，调整复合污染沉积物的初始pH值；
（3）将本步骤（2）调整好pH值的复合污染沉积物放入摇床中，振荡；
（4）测量摇床中复合污染沉积物中BaP和As（Ⅴ）残留量，检查其去除效果，当被处理的复合污染已经达到相应的排放标准时，进行离心，排放出液体即可。
所述的一种去除沉积物中复合污染物生物净化剂应用方法，所述，净化剂的使用浓度按质量浓度为1.0 kg/m3。
所述的一种去除沉积物中复合污染物生物净化剂制备应用方法，所述调整复合污染沉积物的初始pH值为5.0~6.5。
本发明的优点与效果是：
本发明是提供一种以海藻酸钾、草木灰、硝酸钙为原料，将真菌产黄青霉固定化制得复合污染物的固定化材料，即具有更高吸附性能的净化剂的方法。同时，本发明还提供一种同时净化含有机物BaP和与无机砷As(v)复合污染沉积物的方法。所制备的净化剂具有无二次污染、价格低廉、方法简单等优点。本发明实现了如下具体创新：
1.本发明实现了对BaP和As（Ⅴ）复合污染沉积物同时进行综合处理，这更加契合工农业污染的实际情况，弥补了以往只能处理单一污染的不足；
2.本发明所制备的海藻酸钾、草木灰、硝酸钙为原料的净化剂，所用原料来源广泛、成本低廉、可循环再生，具有节能、高效以及无二次污染的特点；
3.本发明所制备的净化剂比表面积大且含有多种功能团，能够同时与BaP和As（Ⅴ）发生化学吸附和物理吸附作用，且固砷效果好。该方法操作简单、易于实现工业化，可为大规模生产净化剂提供切实可行的途径，是一种很有发展前途的含BaP和As（Ⅴ）废水/沉积物处理方法。
具体实施方式
下面结合本发明具体实施例对本发明做进一步详细说明。
1．首先，产黄青霉悬液的制备，包括如下步骤：
（1）土豆培养基：土豆去皮，取200 g切成小块，加入1000 mL蒸馏水，煮沸25-35min后过6-7层纱布，在滤液中加入20.0 g葡萄糖并补足水分到1000 mL。准备10个500 mL锥形瓶，分别加入20.0 mL土豆培养液和180.0 mL蒸馏水，用12层纱布封好，放入蒸汽灭菌器中，锥形瓶上端口用牛皮纸封好。灭菌条件：压力0.13 MPa，温度120℃左右，时间25 min，灭菌完成，冷却至室温后取出，备用。
（2）产黄青霉悬液：在灭菌25-35 min的无菌净化工作台内将斜面上的产黄青霉菌种转接到土豆培养基中，每瓶均转接5-6环产黄青霉真菌种子，将转接好的锥形瓶放入摇床培养，温度28℃，转速150-200 r/min，28 h后，利用4-6层医用纱布过滤菌液收集产黄青霉菌体，备用。本步骤的操作均在室温无菌环境下进行。
2然后，固定化产黄青霉净化剂的制备方法，包括如下步骤：
（1）草木灰粉末的制备：设置升温速率8-10 ℃/min，氮气流速200 mL/min，在管式炉中煅烧废弃杂草植物，在450-500 ℃下煅烧1.2 h，降至室温后取出分别用无水乙醇和蒸馏水清洗3次，清洗完毕转移至干燥箱中70-80 ℃低温干燥直至质量稳定为止。研磨干燥后的草木灰，并过150目筛，收集粉末备用；
（2）固定化基质的制备：将海藻酸钾和步骤（1）得到的草木灰加入无菌水中混合，搅拌均匀得到固定化基质；每100.0 mL固定化基质中海藻酸钾和草木灰分别为2.00～4.00g和0.2～0.40 g；
（3）固定化产黄青霉净化剂的制备：将培养28 h的湿体产黄青霉加入到步骤（2）所得固定化基质中，每100.0 mL固定化基质中加入湿体产黄青霉10.0～15.0 g，搅拌均匀后，在10-12 cm左右的高度，用直径为5～6 mm的制球器将混合液逐滴滴入到体积为100.0 mL浓度为15.0～30.0 g/L的硝酸钙溶液中进行反应，反应时间为2～4 h，得到固定化产黄青霉净化剂。固定化结束后滤出小球，用无菌水清洗3次。本步骤的操作均在室温无菌环境下进行。
利用前述方法制取的固定化产黄青霉净化剂进行同时净化有机物BaP和与无机砷As(v)复合污染沉积物处理实验，其结果如下：
实验1 ： 净化剂投加量的影响实验
分别向盛有（100 mL无菌水与100 mg采自锦州湾深度20 cm以下的洁净沉积物）浓度分别为1 mg/L 的BaP和As（Ⅴ）混合溶液的锥形瓶中加入不同质量的净化剂（上述制备的固定化产黄青霉），使净化剂的浓度分别为0.5、1.0、1.5、2.0 g/L，用0.1 mol/L 的Ca(OH)2和HCL溶液调节 pH为5.0-6.0，置于转速为150 r/min，温度为25-30℃的摇床中振荡192 h，用0.22 μm水系滤膜过滤后使用高效液相色谱和原子荧光光度计分别测定溶液中BaP和As（Ⅴ）的浓度。由实验结果确定最佳净化剂的质量浓度为1.0 g/L 。
实验2： 温度的影响实验
以固定化产黄青霉为净化剂，净化剂的质量浓度为1.0 g/L，将溶液调节pH为5.0-6.5，置于转速为150 r/min的摇床中振荡192 h，温度分别控制为15、20、25、30和35℃，污染物初始浓度均为1 mg/L，考察温度对BaP和As（Ⅴ）去除率的影响。综合考虑去除率和高温所需的能耗，本实验选择25℃为最佳反应温度。
实验3： 初始pH的影响实验
在以上实验确定的最佳条件的基础上，通过加入0.1 mol/L Ca(OH)2溶液和0.1mol/L HCl溶液调整溶液的初始pH值分别为3.0、5.0、7.0、9.0和11.0，考察pH对BaP和As（Ⅴ）去除过程的影响。结果可知，弱酸性条件下的降解效果优于中性和碱性条件，综合考虑去除效果，确定吸附反应的pH为5.0-6.5。
实验4 ：反应时间的影响实验
在已确定的最佳条件的基础上，按实验方法进行操作，考察时间对BaP和As（Ⅴ）复合污染沉积物处理效果的影响。BaP和As（Ⅴ）的去除率随着时间的增加而升高。当As（Ⅴ）反应时间超过2 d 、BaP反应时间超过8 d时BaP和As（Ⅴ）反应分别达到平衡。8 d 取样时，BaP和As（Ⅴ）的去除率分别为 79.02%、92.41%。
由此可见，采用本发明完成的固定化产黄青霉净化剂对BaP和As（Ⅴ）复合污染沉积物进行同时净化时，净化剂的使用浓度按质量浓度为1.0 g/L，反应温度为25℃左右，反应的pH为5.0~6.5，反应时间8 d。
按照前述方法进行净化剂制备的具体实施例为：
（1）将1000千克的废弃杂草置于粉碎机中进行粉碎，粉碎后选择粒径60-100 目的废弃杂草粉做为制备原料； 设置升温速率8-10 ℃/min，氮气流速200 mL/min，在管式炉中煅烧废弃植物，在450-500 ℃下煅烧1.2 h，降至室温后取出分别用无水乙醇和蒸馏水清洗3次，清洗完毕转移至干燥箱中70-80 ℃低温干燥直至质量稳定为止。研磨干燥后的草木灰，并过150目筛，收集粉末备用；
（2）将海藻酸钾和步骤（1）得到的草木灰加入无菌水中混合，搅拌均匀得到固定化基质；每10.L固定化基质中海藻酸钾和草木灰分别为0.20～0.40 kg和0.02～0.04 kg；将培养28 h的湿体产黄青霉加入到所得固定化基质中，每10.0 L固定化基质中加入湿体产黄青霉1.0～1.5 kg，搅拌均匀后，用制球器将混合液逐滴滴入体积为10.L浓度为15.0～30.0g/L的硝酸钙溶液中进行反应，反应时间为2～4 h，得到固定化产黄青霉净化剂。固定化结束后滤出小球，用无菌水清洗3次。
（3）以固定化产黄青霉为溶质，按质量百分比浓度为1.0 g/L的比例，将净化剂加入到浓度为1 mg/L 的复合污染物中，用浓度为0.1 mol/L 的Ca(OH)2和HCL溶液进行酸碱度的调节，使之pH 为5.0-6.5；反应温度为25 ℃，摇床的搅拌强度为150-180 r/min；经测量，BaP和As（Ⅴ）的去除率分别为82.60%和94.59%，实际使用效果良好。
综上，本发明完全公开了一种以海藻酸钾、草木灰、硝酸钙为原料，将真菌产黄青霉固定化制得复合污染物的固定化材料为净化剂。
净化BaP和As（Ⅴ）复合污染沉积物的方法，具体实施例步骤如下：
（1）常温下将固定化产黄青霉净化剂加入到含有BaP和As（Ⅴ）的复合污染沉积物之中，净化剂的使用浓度按质量浓度为1.0 kg/m3；
（2）将按步骤（1）处理的复合污染沉积物中加入0.1 mol/L Ca(OH)2溶液和0.1mol/L HCl溶液，调整复合污染沉积物的初始pH值，使之达到pH值为5.0~6.5；
（3）将按步骤（2）调整好pH值为5.0~6.5的复合污染沉积物放入转速为150~180r/min的摇床中，振荡8 d；
（4）测量摇床中复合污染沉积物中BaP和As（Ⅴ）的残留量，检查其去除效果，当被处理的复合污染已经达到相应的排放标准时，进行离心，排放出液体即可。
Claims (7)
1.一种去除沉积物中复合污染物生物净化剂制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下过程：
1．首先，制备产黄青霉悬液，包括如下步骤：
（1）土豆培养基：土豆去皮，切成小块，加入蒸馏水，煮沸后过6-7层纱布，在滤液中加入葡萄糖并补足水分；准备锥形瓶，分别加入土豆培养液和蒸馏水，用12层纱布封好，放入蒸汽灭菌器中，锥形瓶上端口用牛皮纸封好；
（2）产黄青霉悬液：在灭菌25-35 min的无菌净化工作台内将斜面上的产黄青霉菌种转接到土豆培养基中，每瓶均转接5-6环产黄青霉真菌种子，将转接好的锥形瓶放入摇床培养，温度28℃，转速150-200 r/min，28 h后，利用4-6层医用纱布过滤菌液收集产黄青霉菌体，备用；
2．然后，制备固定化产黄青霉净化剂，包括如下步骤：
（1）草木灰粉末的制备：设置升温速率8-10 ℃/min，氮气流速200 mL/min，在管式炉中煅烧废弃杂草植物，在450-500 ℃下煅烧1.2 h，降至室温后取出分别用无水乙醇和蒸馏水清洗3次，清洗完毕转移至干燥箱中70-80 ℃低温干燥直至质量稳定为止；研磨干燥后的草木灰，并过150目筛，收集粉末备用；
（2）固定化基质的制备：将海藻酸钾和本步骤（1）得到的草木灰加入无菌水中混合，搅拌均匀得到固定化基质；
（3）固定化产黄青霉净化剂的制备：将培养28 h的湿体产黄青霉加入到本步骤（2）所得固定化基质中，每100.0 mL固定化基质中加入湿体产黄青霉10.0～15.0 g，搅拌均匀后，用制球器将混合液逐滴滴入到硝酸钙溶液中进行反应，反应时间为2～4 h，得到固定化产黄青霉净化剂；固定化结束后滤出小球，用无菌水清洗3次，即可。
2.根据权利要求1所述的一种去除沉积物中复合污染物生物净化剂制备方法，其特征在于，所述制备产黄青霉悬液、土豆培养基灭菌条件：压力0.13 MPa，温度120℃左右，时间25 min，灭菌完成，冷却至室温后取出，备用。
3.根据权利要求1所述的一种去除沉积物中复合污染物生物净化剂制备方法，其特征在于，所述制备产黄青霉悬液、产黄青霉悬液以及制备固定化产黄青霉净化剂的步骤操作，均在室温无菌环境下进行。
4.根据权利要求1所述的一种去除沉积物中复合污染物生物净化剂制备方法，其特征在于，所述制备固定化产黄青霉净化剂、固定化基质的制备中每100.0 mL固定化基质中海藻酸钾和草木灰分别为2.00～4.00 g和0.2～0.40 g。
5.一种去除沉积物中复合污染物生物净化剂应用方法，其特征在于，所述去除沉积物中复合污染物，步骤如下：
（1）常温下将固定化产黄青霉净化剂加入到复合污染沉积物之中；
（2）将本步骤（1）处理的复合污染沉积物中加入L Ca(OH)2溶液和L HCl溶液，调整复合污染沉积物的初始pH值；
（3）将本步骤（2）调整好pH值的复合污染沉积物放入摇床中，振荡；
（4）测量摇床中复合污染沉积物中BaP和As（Ⅴ）残留量，检查其去除效果，当被处理的复合污染已经达到相应的排放标准时，进行离心，排放出液体即可。
6.根据权利要求5所述的去一种除沉积物中复合污染物生物净化剂应用方法，其特征在于，所述，净化剂的使用浓度按质量浓度为1.0 kg/m3。
7.根据权利要求5所述的一种去除沉积物中复合污染物生物净化剂制备应用方法，其特征在于，所述调整复合污染沉积物的初始pH值为5.0~6.5。
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