CN114105307B

CN114105307B - 一种利用活异养微藻去除废水中Cr6+的方法

Info

Publication number: CN114105307B
Application number: CN202111227235.0A
Authority: CN
Inventors: 端允; 张晶; 游宏坤; 路闯; 李兆强; 岳秀萍
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2021-10-21
Filing date: 2021-10-21
Publication date: 2024-01-23
Anticipated expiration: 2041-10-21
Also published as: CN114105307A

Abstract

本发明属于微藻培养与污水处理技术领域，提供了一种利用活异养微藻去除废水中Cr6+的方法，利用可异养的斜生栅藻，在有机碳源存在下去除污水中Cr6+污染物，填补微藻在混合营养模式下去除重金属的空白。所述活异样微藻为斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）FACHB‑12，先在BG11培养基中培养至对数期后，饥饿培养两天，再将其转移到含Cr6+的人工配制废水中，光照强度为3000lux，光暗比为12h:12h，培养96h，测定微藻的生长情况、有机碳COD的利用情况以及Cr（VI）的去除情况。本发明实现Cr6+的快速有效的去除，为微藻去除废水中的Cr6+提供了一种新的思路。

Description

一种利用活异养微藻去除废水中Cr6+的方法

技术领域

本发明属于微藻培养与污水处理技术领域，具体涉及一种利用活异养微藻去除废水中Cr6+的方法，在有机碳源存在下，利用可异养的斜生栅藻高效处理废水中Cr⁶⁺，为利用微藻从废水中去除Cr6+提供一种新的方法。

背景技术

颜料制造、皮革鞣制、金属电镀等工业废水中均含有Cr6+，此外，矿山废水、畜禽养殖废水、城市二沉池出水和垃圾渗滤液等废水中也含有不同浓度的Cr6+。Cr6+能轻而易举地穿透细胞膜，破坏其完整性，具有致癌性和诱变特性，即使在十亿分之一(ppb)的极低浓度下，Cr⁶⁺也显示出毒性。在水生环境中，铬被列为人类致癌物A类。

目前处理Cr⁶⁺等重金属废水的方法有物理化学法（离子交换、电化学、光催化和吸附等）和生物法。其中，生物法由于在低重金属浓度下的环境友好性和成本效益，受到了广泛的关注。微藻活细胞可通过胞外吸附和胞内积累去除重金属，利用微藻对重金属进行生物修复具有以下优点：工艺强大且简单、与高等植物相比生长速度快以及收获的微藻可用于生产生物燃料等增值产品。

关于重金属对微藻生长和养分去除影响的研究多是在自养条件下进行，即只给微藻提供N、P营养盐等物质，而对有机碳源的关注甚少。但是有机碳类型和浓度会影响微藻的生长代谢以及重金属的毒性。有机碳源存在时，微藻可进行混合营养模式，具有更高的生长潜力，处理周期短，且有机碳还可作为电子供体用于Cr6+的还原。因此利用重金属废水中共存的有机碳源或者通过引入一定量的生活污水等适宜微藻生长的有机废水，提高Cr6+废水的可生化性，有利于提高微藻对Cr6+的耐受性和去除效果，这在实际废水处理中具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明提供了一种利用活异养微藻去除废水中Cr⁶⁺的方法，利用可异养的斜生栅藻，在有机碳源存在下去除污水中Cr⁶⁺污染物，填补微藻在混合营养模式下去除重金属的空白。

本发明由如下技术方案实现的：一种利用活异养微藻去除废水中Cr6+的方法，所述活异样微藻为斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）FACHB-12，先在BG11培养基中培养至对数期后，饥饿培养两天，再将其转移到含Cr⁶⁺的人工配制废水中，光照强度为3000lux，光暗比为12h:12h，培养96h，测定微藻的生长情况、有机碳COD的利用情况以及Cr⁶⁺的去除情况。

在BG11培养基基础上配制人工废水，含300 mg/L COD，25 mg/L NH₄ ⁺-N, 5 mg/LTP；取饥饿培养2 d的斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）进行接种，初始接种密度为OD682=0.18；设置Cr⁶⁺的添加浓度系列为0、0.5、1.0、2.0、3.0和4.0 mg/L，Cr⁶⁺溶液由重铬酸钾配制，培养96h。培养条件为：温度25±1℃，光照强度3000lux，光暗比12h:12h，为了防止藻的聚沉，每12h摇一次，每次摇20min，摇床转速为120r·min^-1。测定微藻的生长情况、有机碳COD的利用情况以及Cr（VI）的去除情况。

具体步骤如下：

（1）斜生栅藻的扩培：实验藻种为斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）FACHB-12，采用BG11培养基对藻种进行扩大培养，处于对数增长期后备用；

（2）实验藻细胞获取：将处于对数生长期的微藻转移至无N、P的BG11培养基中饥饿培养2d，耗尽藻细胞内的营养盐，获取藻细胞；

（3）对比实验：取饥饿培养2d的斜生栅藻进行接种，初始接种密度为OD682=0.18；设置Cr6+的添加浓度系列为0、0.5、1.0、2.0、3.0和4.0 mg/L，培养96h；以氨氮为唯一氮源时，用1 mol·L^-1的NaOH和1 mol·L^-1的HCl调节pH值为pH值为7.2-7.8。

步骤（1）中扩大培养的条件为：温度为25±1℃，光照强度3000lux，光暗比为12h：12h，摇床转速：120r·min^-1。

微藻的初始加入量为0.059g/L。

所述人工配制污水为每1L人工污水中：葡萄糖281 mg、NH₄Cl 96 mg、K₂HPO₄·3H₂O37 mg、CaCl₂·2H₂O 36 mg、MgSO₄·7H₂O 75 mg、Na₂CO₃20 mg、柠檬酸6 mg、柠檬酸铁铵6mg、EDTANa₂1 mg、A5 1 mL；其中：A5的配方为：CuSO₄·5H₂O 0.079 g·L^-1、MnCl2·4H2O1.81g·L^-1、ZnSO₄·7H₂O 0.222 g·L^-1、Na₂MoO₄·2H₂O 0. 39 g·L^-1、Co(NO₃)₂·6H₂O0.049 g·L^-1、H₃BO₃2.86 g·L^-1。

本发明所使用的斜生栅藻（Scenedesmus obliquus， FACHB-12），购自中国科学院武汉水生生物研究所淡水藻种库。

本发明利用活的微藻清除重金属，为从废水中去除Cr⁶⁺提供了一种经济、生态友好和可持续的方法。在之前的研究中，一些自养微藻菌株被用于去除Cr6+，虽然这些活性微藻对Cr6+表现出了较好的处理能力，但在实际应用中仍存在一定的局限性。对于真正的含Cr6+废水来说，忽略有机物几乎是不可能的，有机物类型和浓度会影响微藻的生长代谢以及重金属的毒性。

本发明中：0.5～4.0mg/L Cr⁶⁺作用下斜生栅藻对铬胞外吸附量为0.7～12.7mg/g，胞内积累量为0.9～3.8 mg/g，是文献中所报道的相同浓度范围Cr⁶⁺作用下自养生长的硅藻铬胞外吸附量和积累量的1000倍左右。

附图说明

图1为Cr（Ⅵ）作用下斜生栅藻生物量的变化；

图2为斜生栅藻对不同浓度Cr（Ⅵ）的去除情况；

图3为Cr（Ⅵ）的胞外吸附量和胞内积累量；

图4为Cr（Ⅵ）作用下COD的利用率；

图5分别为对照组、Cr（Ⅵ）作用组藻细胞的红外谱图；

图6为斜生栅藻去除Cr（Ⅵ）实验照片。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：斜生栅藻的获得和扩培

实验藻种为斜生栅藻（Scenedesmus obliquus， FACHB-12），购自中国科学院武汉水生生物研究所淡水藻种库。采用BG11培养基进行扩大培养至对数增长期，BG11培养基的配置如表1。培养条件为：温度（25±1）℃，光照强度3000lux，光暗比12h:12h，为了防止藻的聚沉，每12h摇一次，每次摇20min，摇床转速为120r·min^-1。

实验藻细胞获取：将处于对数生长期的藻液于8000r·min^-1下离心10 min，弃去上清液，用 15 mg·L ^-1的 NaHCO₃溶液冲洗藻体两次，以去除藻细胞表面吸附的营养盐，然后用无菌水冲洗、离心两次，再将其转移至无N、P的BG11培养基中饥饿培养2d以耗尽藻细胞内的营养盐，最后离心，并用无菌水冲洗两次获取藻细胞。

表1：BG11培养基配方

实施例2：斜生栅藻对Cr6+的去除情况和COD的利用情况

取400mL经高压灭菌后的水样，置于500 mL锥形瓶中，接种微藻，其初始光密度（OD₆₈₂）为0.18，人工污水的配置如表2。其中，A5成分如表3所示。

表2：1L人工污水配比

表3：A5成分

设置Cr6+的添加浓度系列为0、0.5、1.0、2.0、3.0和4.0 mg/L，培养96h。Cr（VI）溶液由重铬酸钾配制，购于国药集团。培养条件同斜生栅藻的扩培。以氨氮为唯一氮源时，微藻吸收氨氮的同时会向水体释放H⁺，导致水体pH下降，为排除pH值的影响，定时用1 mol·L^-1的NaOH和1 mol·L^-1的HCl调节pH值为7.5左右。

1、Cr（Ⅵ）对斜生栅藻生长的影响：

图1为Cr（Ⅵ）作用下斜生栅藻生物量的变化；由图1可知，Cr（Ⅵ）会对斜生栅藻的生长产生抑制作用，且随着Cr（Ⅵ）初始浓度的增大和斜生栅藻暴露时间的延长，抑制作用越来越明显。采用抑制率-重金属浓度对数绘制曲线，据线性回归方程计算得：Cr（Ⅵ）对斜生栅藻96 h 的半数抑制浓度（EC50）为 1.7 mg/L。

Cr（Ⅵ）浓度低于EC50时，斜生栅藻前48h均能快速生长，而后生长速率开始下降，这与COD的去除速率趋势相同。高于EC50时，斜生栅藻生长速率整体较为缓慢。当Cr（Ⅵ）浓度为0.5 mg/L时，前36 h对微藻生长的影响不大，随着暴露时间的延长，抑制作用逐渐增强，这可能是由于铬在斜生栅藻体内逐渐积累，影响了其生理特性。96 h内，0、0.5、1.0、2.0、3.0和4.0 mg/L Cr（Ⅵ）作用下斜生栅藻的生物质产量分别为0.35、0.30、0.23、0.17、0.13、0.11g/L。

2、斜生栅藻对人工污水中Cr（Ⅵ）的去除情况

图2为斜生栅藻对不同浓度Cr（Ⅵ）的去除情况；由图2可知，0.5、1.0、2.0、3.0和4.0 mg/L Cr（Ⅵ）作用下，Cr的去除量分别为0.50、0.91、1.17、1.61、1.72 mg/L，去除率分别为100.0%、90.9%、58.5%、53.8%、43.0%。Cr（Ⅵ）初始浓度越高，铬的去除量越大，去除率越小。

Cr（Ⅵ）的去除大部分通过斜生栅藻的吸附和胞内积累去除，还有一部分Cr（Ⅵ）在斜生栅藻表面官能团的作用下还原为Cr（Ⅲ），与解离的PO₄ ^3-形成CrPO₄沉淀。由图2可得，当Cr（Ⅵ）初始浓度低于EC50时，微藻的胞内积累量大于胞外吸附量，Cr（Ⅵ）的去除主要是通过胞内积累；当Cr（Ⅵ）初始浓度为2.0mg/L时，胞外吸附和胞内积累的铬含量相差不大；当Cr（Ⅵ）初始浓度为3.0mg/L和4.0mg/L时，微藻对铬的胞外吸附量远大于胞内积累量，这是由于部分微藻的死亡，铬吸收依赖于代谢过程，该过程只能发生在活细胞中，而死细胞对重金属的吸附能力较强。

3、Cr（Ⅵ）的胞外吸附：微藻细胞壁主要由多糖、脂类和蛋白质组成，并提供多种功能基团。这些官能团为微藻吸附重金属提供了可能。此外，微藻在受到外部胁迫时，细胞壁会产生生物大分子胞外聚合物，这些聚合物会与重金属附着在细胞壁上，以防止过量的重金属进入藻类细胞，这些胞外聚合物也有利于Cr的吸附。

图3为Cr（Ⅵ）的胞外吸附量和胞内积累量；由图3可知，0.5、1.0、2.0、3.0和4.0mg/L Cr（Ⅵ）作用下，斜生栅藻对其的胞外吸附量分别为0.7、1.1、3.8、8.4、12.7mg/g。

为确定参与铬吸附、还原的官能团，对对照组和4.0 mg/LCr（Ⅵ）作用组进行了红外光谱（FTIR）测定，如图5所示。3347 cm^-1处的峰为蛋白质的N—H 伸缩振动吸收峰和碳水化合物的O—H键的伸缩振动吸收峰，Cr（Ⅵ）作用组在3347cm^-1处的峰发生了最大偏移，可能是因为氨基和羟基吸附了Cr（Ⅵ），氨基和羟基还可作为电子供体用于Cr（Ⅵ）的还原；在1658、1544和1243 cm⁻¹处的3个酰胺吸收带分别是由C=O伸缩振动、N-H弯曲振动和C- N伸缩振动引起的，Cr（Ⅵ）作用组酰胺吸收峰发生了偏移，说明酰胺在吸附Cr（Ⅵ）中也起到了重要作用；2926 cm^-1-2851 cm^-1处的振动峰为 CH、CH₂和CH₃基团的C–H 不对称和对称伸缩振动吸收峰，Cr（Ⅵ）作用组在该范围内的峰发生了偏移，说明C-H键也是Cr（Ⅵ）的结合位点之一；1743 cm^-1 处的振动为羧酸C=O 键的伸缩振动，Cr（Ⅵ）作用组中1743 cm^-1处的峰消失，推测是因为带负电荷的羧基与还原生成的Cr（III）结合形成羧酸盐，而羧酸盐在该波长附近无吸收峰。红外表征结果表明微藻生物质表面具有羟基、氨基、羧基等官能团，有利于减弱Cr（VI）对微藻细胞的高毒胁迫。

4、Cr（Ⅵ）的胞内积累：藻细胞中所积累的铬有Cr（Ⅲ）和Cr（Ⅵ）两种存在形态。由图4可知，铬积累量随着Cr（Ⅵ）初始投加量的升高而增加，在3.0 mg/L时胞内积累量达到最大，为3.8mg/g。Cr（Ⅵ）初始投加量为4.0 mg/L 时，铬积累量有所下降，这可能是由于部分微藻的死亡，铬吸收依赖于代谢过程，该过程只能发生在活细胞中。0.5～4.0mg/L Cr（Ⅵ）作用下斜生栅藻对铬的积累量为0.9～3.8 mg/g，是文献中所报道的相同浓度范围Cr（Ⅵ）作用下自养生长的硅藻铬积累量的1000倍左右，这说明微藻对铬的积累能力可能与藻种和微藻的营养方式有关，斜生栅藻在有机碳源存在时具有作为重金属污染生物修复剂的潜力。

5、斜生栅藻在Cr（Ⅵ）胁迫下对COD的利用率：结果如图5所示，48h时，0、0.5、1.0、2.0、3.0和4.0 mg/L Cr（Ⅵ）作用下COD的利用率分别为88.9%、84.5% 、70.0%、58.1% 、46.4% 、47.2%。Cr（Ⅵ）含量越高，COD的利用率越低，这是因为Cr（Ⅵ）抑制了斜生栅藻生物量的增长，从而导致有机物消耗量的减少。96h时，0、0.5、1.0、2.0、3.0和4.0 mg/LCr（Ⅵ）条件下COD的利用率分别为97.7%、92.7%、95.0%、93.2%、83.6%、70.4%。Cr（Ⅵ）浓度不超过2.0mg/L时，96h内COD的利用率差别较小。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种利用活异养微藻去除废水中Cr⁶⁺的方法，其特征在于：所述活异养微藻为斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）FACHB-12，先在BG11培养基中培养至对数期后，饥饿培养2d，再将其转移到含Cr⁶⁺的人工配制污水中，温度25±1℃，光照强度为3000lux，光暗比为12h:12h，培养96h，控制摇床转速为120r·min^-1，每12h摇一次，每次摇20min；测定微藻的生长情况、有机碳COD的利用情况以及Cr（VI）的去除情况；

含Cr⁶⁺的人工配制污水为：含300 mg/L COD，25 mg/L NH₄ ⁺-N, 5 mg/L TP；取饥饿培养2d的斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）进行接种，初始接种密度为OD682=0.18；Cr⁶⁺的添加浓度系列为0.5、1.0、2.0、3.0和4.0 mg/L，Cr（VI）溶液由重铬酸钾配制；测定微藻的生长情况、有机碳COD的利用情况以及Cr（VI）的去除情况；

微藻的初始加入量为0.059g/L；

所述人工配制污水为每1L人工污水中：葡萄糖281 mg、NH₄Cl 96 mg、K₂HPO₄·3H₂O 37mg、CaCl₂·2H₂O 36 mg、MgSO₄·7H₂O 75 mg、Na₂CO₃20 mg、柠檬酸6 mg、柠檬酸铁铵6 mg、EDTANa₂1 mg、A5 1 mL；其中：A5的配方为：CuSO₄·5H₂O 0.079 g·L^-1、MnCl2·4H2O1.81g·L^-1、ZnSO₄·7H₂O 0.222 g·L^-1、Na₂MoO₄·2H₂O 0. 39 g·L^-1、Co(NO₃)₂·6H₂O0.049 g·L^-1、H₃BO₃2.86 g·L^-1。

2.根据权利要求1所述的一种利用活异养微藻去除废水中Cr⁶⁺的方法，其特征在于：具体步骤如下：

（3）对比实验：取饥饿培养2d的斜生栅藻进行接种，初始接种密度为OD682=0.18；设置Cr⁶⁺的添加浓度系列为0.5、1.0、2.0、3.0和4.0 mg/L，培养96h；以氨氮为唯一氮源时，用1mol·L^-1的NaOH和1 mol·L^-1的HCl调节pH值为7.2-7.8。

3.根据权利要求2所述的一种利用活异养微藻去除废水中Cr⁶⁺的方法，其特征在于：步骤（1）中扩大培养的条件为：温度为25±1℃，光照强度3000lux，光暗比为12h：12h，摇床转速：120r·min^-1。