固定化蜡质芽孢杆菌处理制革废水中Cr的条件优化

书书书第２４卷第４期２０１１年８月四川理工学院学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｉｃｈｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｖｏｌ２４　Ｎｏ４Ａｕｇ２０１１收稿日期：２０１１０６１５基金项目：教育部科学技术研究重点项目（２１１１６１）；四川理工学院人才引进科研启动项目（２０１０ＸＪＫＲＬ００３）作者简介：赵长青（１９８１），女，四川自贡人，讲师，博士，主要从事环境微生物方面的研究。文章编号：１６７３１５４９（２０１１）０４０４３６０４固定化蜡质芽孢杆菌处理制革废水中Ｃｒ（Ⅵ）的条件优化赵长青１，２，陈武勇２，杨秦欢３（１．四川理工学院生物工程学院，四川自贡６４３０００；２．四川大学制革清洁技术国家工程实验室，成都６１００６５；３．四川理工学院材料与化学工程学院，四川自贡６４３０００）　　摘　要：为了高效去除制革废水中的Ｃｒ（Ⅵ），实验采用粉末活性炭包埋蜡质芽孢杆菌（Ｂａｃｉｌｌｕｓｃｅｒｅｕｓ）制成固定化细胞颗粒，并探讨了该颗粒去除Ｃｒ（Ⅵ）的效果。结果表明，在ｐＨ值５０、温度３７℃、Ｃｒ（Ⅵ）初始浓度小于１０ｍｇ／Ｌ、颗粒用量０５ｇ／ｍＬ左右时，Ｃｒ（Ⅵ）去除率较大；在最优条件下，固定化细胞颗粒处理Ｃｒ（Ⅵ）的效果比未加菌体的固定化颗粒和Ｂａｃｉｌｌｕｓｃｅｒｅｕｓ单独处理时的效果都好。研究表明，固定化Ｂａｃｉｌｌｕｓｃｅｒｅｕｓ细胞颗粒可以作为一种新的生物材料，处理制革废水中的Ｃｒ（Ⅵ）。关键词：制革废水；六价铬；固定化；蜡质芽孢杆菌；优化中图分类号：Ｑ９３８．１＋１文献标识码：Ａ引言目前对含Ｃｒ（Ⅵ）废水的处理方法中，用微生物去除溶液中Ｃｒ（Ⅵ）的报道较多［１３］。但是在工业应用中，微生物又受到自身粒径小、浓度低、机械强度不高、难于固液分离等限制。而将微生物细胞固定化，可以解决这些问题［４］。因此，希望采用固定化微生物的方法处理制革废水中的Ｃｒ（Ⅵ）。目前对高效菌株采用固定化方法来处理其它废水中Ｃｒ（Ⅵ）的报道并不多见［５］，对高效菌株采用固定化方法来处理制革废水中的Ｃｒ（Ⅵ）则鲜有报道。为了探索一种有效的处理制革废水中Ｃｒ（Ⅵ）的新技术，以达到国家对制革废水越来越高的排放要求，我们提出采用固定微生物的方式处理制革废水中的Ｃｒ（Ⅵ）。对微生物细胞进行固定化时，将吸附法和包埋法相结合是较为常用的方法。作为吸附载体，活性炭因来源广、成本低、易制造而具有有较大的应用前景；作为包埋载体，天然高分子多糖类的海藻酸钠因具有固化、成型方便，对微生物毒性小及固定化密度高等优点而得以应用广泛［４］。因此，本文希望以海藻酸钠为包埋剂，以活性炭为吸附剂，对Ｃｒ（Ⅵ）还原菌Ｂａｃｉｌｌｕｓｃｅｒｅｕｓ进行固定，并探索该固定化颗粒去除制革废水中Ｃｒ（Ⅵ）的优化条件。首先，本实验将以粉末活性炭为吸附剂，以海藻酸钠为包埋剂，对ＢａｃｉｌｌｕｓｃｅｒｅｕｓＧ８６３９制成固定化细胞颗粒。之后，以制革铬鞣废水为供试废水，研究不同ｐＨ、温度、固定化细胞颗粒用量、Ｃｒ（Ⅵ）初始浓度对固定化细胞颗粒处理铬鞣废水中Ｃｒ（Ⅵ）的影响。然后，在优化条件下，探讨固定化细胞颗粒对铬鞣废水中Ｃｒ（Ⅵ）的去除效果，同时与未加菌体的固定化颗粒和Ｂａｃｉｌｌｕｓｃｅｒｅｕｓ单独处理的效果进行对比。１实验部分１１主要材料及仪器粉末活性炭（比表面积：９００ｍ２／ｇ；孔径：１９０ｎｍ；孔隙率：８００；碘值：６００ｍｇ／ｇ）（工业级），青岛原生态活性炭有限公司；海藻酸钠（化学纯），成都市科龙化工试剂厂；重铬酸钾（分析纯），成都市科龙化工试剂厂；二苯基卡巴肼（分析纯），成都市科龙化工试剂厂；有机玻璃柱，自制；立式压力蒸汽压菌器（ＣＤＺＸ－５０ＫＢＳ），上海申安医疗器械厂；紫外可见光分光光度仪（Ｌａｍｂｄａ２５），德国ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒ公司；水浴振荡器（ＣＨＺ－８２型），金坛市富华仪器有限公司；微充氧泵（ＹＳ－２８００型），中山市松豹电子器具有限公司；生化培养箱（ＳＰＸ－８０ＢＳ－Ⅱ型），上海新苗医疗器械制造有限公司。１２实验１２１固定化细胞颗粒的制备方法［４］（１）先将一定量粉末活性炭（已灭菌）加入到含５０ｍＬＬＢ培养基的２５０ｍＬ锥形瓶中，接种一定量的ＢａｃｉｌｌｕｓｃｅｒｅｕｓＧ８６３９，使每１ｇ固定化细胞颗粒含有０１１ｇ粉末活性炭和００１ｇ菌体营养细胞；（２）将海藻酸钠加热溶于水后，于高压灭菌锅中灭菌，冷却；然后，将海藻酸钠溶液与含有粉末活性炭的微生物细胞混合均匀，使海藻酸钠最终浓度为２２５％；（３）将海藻酸钠与菌体混合液用无菌针形管滴至５％的ＣａＣｌ２溶液（已灭菌）中，放置３ｈ；滤出颗粒，用生理盐水洗净，备用。１２２含Ｃｒ（Ⅵ）铬鞣废水将山羊皮铬鞣工艺废水过滤后稀释２０倍，再加入营养成分（即５ｇ／Ｌ酵母膏、１０ｇ／Ｌ蛋白胨、４ｇ／Ｌ乳酸钠），构成含有培养基的铬鞣废水。根据实验的要求，在该含培养基的废水中加入Ｋ２Ｃｒ２Ｏ７，使废水中含有不同浓度的Ｃｒ（Ⅵ）。Ｃｒ（Ⅵ）的测定方法采用二苯卡巴肼法［６］。１２３影响固定化细菌处理Ｃｒ（Ⅵ）的因素（１）ｐＨ用０１ｍｏｌ／ＬＨＣｌ和０１ｍｏｌ／ＬＮａＯＨ溶液将含Ｃｒ（Ⅵ）的铬鞣废水分别调到不同ｐＨ（４０～８０），各取２０ｍＬ，倒入装有１２０ｇ固定化细胞颗粒的１００ｍＬ锥形瓶中，于３７℃振荡器中振荡（转速为７０ｒ／ｍｉｎ）。２４ｈ后取样过滤，分析滤液中的Ｃｒ（Ⅵ）含量。同时，在各ｐＨ条件下以未加入固定化细胞颗粒的含Ｃｒ（Ⅵ）铬鞣废水作为空白对照。（２）温度取含有１２４ｍｇ／ＬＣｒ（Ⅵ）的铬鞣废水（ｐＨ５０）２０ｍＬ，倒入装有９０ｇ固定化细胞颗粒的１００ｍＬ锥形瓶中，分别于２２℃、２７℃、３２℃、３７℃、４２℃的振荡器中振荡（７０ｒ／ｍｉｎ）。２４ｈ后过滤，分析滤液中的Ｃｒ（Ⅵ）含量。（３）细胞生物量取２０ｍＬ含１５０ｍｇ／ＬＣｒ（Ⅵ）的废水（ｐＨ５０），分别倒入装有不同质量固定化细胞颗粒（００２５、００５、０２５、０５０、０７５、１０ｇ／ｍＬ）的１００ｍＬ锥形瓶中，分别于３７℃的振荡器中振荡（７０ｒ／ｍｉｎ）。２４ｈ后过滤，分析滤液中的Ｃｒ（Ⅵ）含量。（４）Ｃｒ（Ⅵ）初始浓度取ｐＨ为５０的含不同浓度Ｃｒ（Ⅵ）（１０、５０、１００、１５０、２０１ｍｇ／Ｌ）的铬鞣废水２０ｍＬ，分别倒入装有９０ｇ固定化细胞颗粒的１００ｍＬ锥形瓶中，于３７℃的振荡器中振荡（７０ｒ／ｍｉｎ）。２４ｈ后过滤，分析滤液中的Ｃｒ（Ⅵ）含量。１２４固定化细菌处理Ｃｒ（Ⅵ）的效果反应装置如图１所示，为一有机玻璃柱（直径５０ｃｍ，高３００ｃｍ）。分别将２００ｍＬ含Ｃｒ（Ⅵ）铬鞣废水（ｐＨ５０，Ｃｒ（Ⅵ）浓度为１０１８ｍｇ／Ｌ）加入到盛有固定化细胞颗粒（１＃柱，含颗粒１００ｇ）、未加菌体的固定化颗粒（２＃柱）、单独菌液（３＃柱）的三个玻璃柱中，置于３７℃培养箱中曝气，在不同时间从玻璃柱上端取样２ｍＬ，过滤，分析滤液中Ｃｒ（Ⅵ）含量。其中，２＃柱中的活性炭质量与１＃柱相同，３＃柱中菌的培养方式和菌体质量与１＃柱相同（所含菌体营养细胞为１ｇ）。图１反应装置示意图２结果与讨论２１ｐＨ的影响由于Ｃｒ（Ⅵ）在溶液中的存在形式随ｐＨ的变化而变化；ｐＨ＝５０～６０时，主要是以ＨＣｒＯ４－和ＣｒＯ４２－两种形式存在［７］。所测试的ｐＨ范围中（４０～８０），ｐＨ５０时，固定化细胞颗粒对Ｃｒ（Ⅵ）的去除率最大（９６６９％）（见图２）。因此，认为该固定化细胞颗粒处理Ｃｒ（Ⅵ）时，偏重于处理ＨＣｒＯ４－和ＣｒＯ４２－两种形式。图２不同初始ｐＨ时对制革废水中Ｃｒ（Ⅵ）的去除率２２温度的影响从图３可知，Ｃｒ（Ⅵ）去除率从２２℃～３７℃依次增加，３７℃处理时Ｃｒ（Ⅵ）去除率最高，为９５０３％；当温度７３４第２４卷第４期　　　　赵长青等：固定化蜡质芽孢杆菌处理制革废水中Ｃｒ（Ⅵ）的条件优化高于３７℃时，Ｃｒ（Ⅵ）去除率下降。在处理后续的含Ｃｒ（Ⅵ）铬鞣废水时，将温度设定在３７℃。图３不同温度对制革废水中Ｃｒ（Ⅵ）的处理效果２３固定化细胞颗粒用量的影响从图４可以看到，固定化细胞颗粒用量越大，Ｃｒ（Ⅵ）去除率越大。当固定化细胞颗粒为０５ｇ／ｍＬ时，Ｃｒ（Ⅵ）去除率较大（９２８１％）；当颗粒质量大于０５ｇ／ｍＬ时，Ｃｒ（Ⅵ）去除率增加的幅度不大。原因是：颗粒用量虽然增多，但在废水体积一定的情况下，颗粒与废水的接触面积有限，从而使Ｃｒ（Ⅵ）去除率不会大幅度增大。因此选择０５ｇ／ｍＬ作为后续实验中固定化细胞颗粒的参考质量。图４不同用量的固定化细胞颗粒对制革废水中Ｃｒ（Ⅵ）的去除率２４Ｃｒ（Ⅵ）初始浓度的影响从图５可以看出，随着Ｃｒ（Ⅵ）初始浓度的增加，Ｃｒ（Ⅵ）去除率下降。当Ｃｒ（Ⅵ）初始浓度小于１００ｍｇ／Ｌ时，Ｃｒ（Ⅵ）去除率为９９０％以上（Ｃｒ（Ⅵ）初始浓度为１０ｍｇ／Ｌ时，Ｃｒ（Ⅵ）去除达１００％）；当Ｃｒ（Ⅵ）初始浓度继续增大时，Ｃｒ（Ⅵ）去除率下降的幅度较大。由此可见，该固定化细胞颗粒对于处理１００ｍｇ／Ｌ以下的Ｃｒ（Ⅵ）具有很好的效果。２５固定化细菌处理Ｃｒ（Ⅵ）的效果由图６可知，固定化细胞颗粒处理含Ｃｒ（Ⅵ）铬鞣废水时，Ｃｒ（Ⅵ）的去除主要在前３０ｍｉｎ，去除率已达６５０１％，随后Ｃｒ（Ⅵ）的去除率继续增大，反应进行１２０ｍｉｎ时，Ｃｒ（Ⅵ）浓度达到了平衡，其Ｃｒ（Ⅵ）去除率达最大值，为９９１９％。１２０ｍｉｎ后，随着时间的继续增加，Ｃｒ（Ⅵ）去除率并未增大，这可能是由于固定化细胞颗粒图５不同Ｃｒ（Ⅵ）初始浓度对制革废水中Ｃｒ（Ⅵ）的处理效果内部的营养源（培养基）有限，在反应１２０ｍｉｎ或１２０ｍｉｎ之前营养源就被颗粒内部包埋的菌体营养细胞耗尽，因此不能再为细胞提供营养，细胞也不能再持续增长，从而抑制了细胞对Ｃｒ（Ⅵ）的去除，进一步抑制了该固定化细胞颗粒对Ｃｒ（Ⅵ）的继续去除。图６在各最优条件下铬鞣废水中Ｃｒ（Ⅵ）随时间的变化而用未加菌体的固定化颗粒单独处理时，对Ｃｒ（Ⅵ）的去除源于活性炭的吸附作用。在反应１８０ｍｉｎ前，随着时间的增加，Ｃｒ（Ⅵ）去除率逐渐增大，但增加的速度逐渐减缓，这是由于Ｃｒ（Ⅵ）被颗粒表面的活性炭吸附后，又逐渐被包埋在颗粒内部的活性炭吸附，随着颗粒内部未吸附Ｃｒ（Ⅵ）的活性炭的逐渐减少，Ｃｒ（Ⅵ）去除率增加的速度也就逐渐减缓。反应１８０ｍｉｎ时，该未加菌体的固定化颗粒对Ｃｒ（Ⅵ）的吸附浓度达到饱和，Ｃｒ（Ⅵ）去除率达到最大值，为７３９０％，比固定化细胞颗粒处理的Ｃｒ（Ⅵ）去除率最大值（９９１９％）小２５２９％。用Ｂａｃｉｌｌｕｓｃｅｒｅｕｓ单独处理含Ｃｒ（Ⅵ）铬鞣废水时，随着时间的增加，其Ｃｒ（Ⅵ）的去除率逐渐增大，４２０ｍｉｎ时的Ｃｒ（Ⅵ）去除率（３９０１％）要比固定化细胞处理的Ｃｒ（Ⅵ）去除率最大值（９９１９％）小６０１８％。可见，固定化细胞颗粒处理Ｃｒ（Ⅵ）的效果比固定化活性炭颗粒（即，未加菌体的固定化颗粒）和单独的Ｂａｃｉｌｌｕｓｃｅｒｅｕｓ都要好。由于该固定化细胞颗粒处理Ｃｒ８３４四川理工学院学报（自然科学版）　　　　　　　　　　　　２０１１年８月（Ⅵ）时，主要是Ｂａｃｉｌｌｕｓｃｅｒｅｕｓ对Ｃｒ（Ⅵ）进行还原，与粉末活性炭吸附作用的共同结果［８］，因此对该固定化细胞颗粒处理Ｃｒ（Ⅵ）的良好效果可以解释为：该颗粒内的粉末活性炭能快速的将溶液中的Ｃｒ（Ⅵ）吸附到颗粒表面，进而吸附到颗粒内部，从而使得包埋在颗粒内部的六价铬还原菌Ｂａｃｉｌｌｕｓｃｅｒｅｕｓ所产生的还原酶能更快的将Ｃｒ（Ⅵ）催化还原为Ｃｒ（Ⅲ）。因此，可以说，固定化细胞颗粒综合了粉末活性炭和Ｂａｃｉｌｌｕｓｃｅｒ