利用复合型磁性生物吸附剂吸附废水中铅的方法

摘要

本发明公开了一种利用复合型磁性生物吸附剂吸附废水中铅的方法，包括以下步骤：将复合型磁性生物吸附剂按15～60g/L湿重的用量加入到pH值范围为2～6.5、浓度为10mg/L～500mg/L的含铅工业废水中，于30℃～35℃下振荡吸附8h以上，然后从废水中分离出吸附剂，废水调节至中性后排放即可；复合型磁性生物吸附剂是以白腐菌活菌菌丝为载体，所述菌丝缠绕成菌球，所述菌球内部包埋有Fe3O4纳米粒子和海藻酸钙，所述海藻酸钙作为固定化介质将所述菌丝和Fe3O4纳米粒子紧密连接在一起。本发明的方法具有吸附量大、吸附效率高、操作简单方便、成本低、重复利用率高且清洁无污染等优点。

说明书

技术领域

本发明属于废水的生物吸附处理领域，尤其涉及一种复合型生物吸附剂吸附废水中重金属的方法。

背景技术

随着城市化进程的加快和工农业的迅速发展，我国绝大多数城市都存在着较为严重的水污染问题。大量未经处理的城市垃圾、工业废水和生活污水以及大气沉降物不断排入水体中，使水体悬浮物和沉积物中的重金属含量急剧升高，水体重金属污染己成为全球性的环境污染问题，对重金属污染水体的治理迫在眉睫。

含铅废水来自各种电池车间、选矿厂、石油化工厂等，这些工矿企业生产经营过程中，产生的废水不经处理或处理不彻底便排入水体中，铅污染物进入水体或是在水生生物体内富集，再通过食物链到达人体内，进而导致铅中毒。另外，铅锌矿、有色金属矿尾矿水、选矿废水、废渣中所含的铅也是水体中铅污染的主要来源。目前水中铅的去除一般采用离子交换法、化学沉淀法、电解法、液膜法和吸附法。其中，吸附法具备操作简便、处理低浓度重金属废水效果好、可回收重金属、不会产生二次污染等优点，现已广泛应用于废水处理中。

白腐菌（P. chysosporium）能有效地从水溶液中富集和吸附重金属离子，还可进一步回收重金属离子，是一种公认的高效生物吸附剂，并被广泛地加以研究。在传统的生物吸附法处理过程中，生物细胞一般处于游离状态，极易从反应器中流失并随着待处理液被排出，其难以通过固液分离方式回收并被反复使用。另外，待处理的废水往往对细胞的毒性很大，处于游离状态下的生物细胞其活性难以维持，从而导致处理效率的逐渐下降。

微生物固定化技术使得微生物具有更强地降解有毒化合物的能力，还可有效改善微生物的机械性能，使其具备更好的机械强度和重复利用性。微生物的稳定性增强，在待处理废水中给微生物创造了相对较好的生长环境，能使其通过生长繁殖保持高浓度，从而提高处理的速度和效率；即使在处理负荷较高时，也不会引起微生物细胞的脱出现象，处理负荷易于控制。如何更好地发展和运用微生物固定化技术以进行重金属废水的处理，正成为一个新兴的研究领域。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种吸附量大、吸附效率高、操作简单方便、成本低、重复利用率高且清洁无污染的利用复合型磁性生物吸附剂吸附废水中铅的方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种利用复合型磁性生物吸附剂吸附废水中铅的方法，包括以下步骤：将所述复合型磁性生物吸附剂按15～60g/L湿重的用量加入到pH值范围为2～6.5、浓度为10 mg/L～500 mg/L的含铅工业废水中，于30℃～35℃下振荡吸附8h以上，然后从所述含铅工业废水中分离出复合型磁性生物吸附剂，分离后滤出的含铅工业废水调节至中性后排放，完成对含铅工业废水的处理；

所述复合型磁性生物吸附剂是以白腐菌（P. chysosporium）活菌菌丝为载体，所述菌丝缠绕成菌球，所述菌球内部包埋有Fe₃O₄纳米粒子和海藻酸钙，所述海藻酸钙作为固定化介质将所述菌丝和Fe₃O₄纳米粒子紧密连接在一起。

上述本发明的复合型磁性生物吸附剂为一集物理、化学和生物吸附作用于一体的复合型吸附剂，其中，具体是以白腐菌活菌菌丝作为生物吸附剂成分，而Fe₃O₄纳米粒子则被包埋在菌丝体内部以进一步富集污染物，海藻酸钙则作为固定化介质将白腐菌活菌菌丝和Fe₃O₄纳米粒子密切结合以增强整个吸附剂的机械强度和稳定性。

本发明的复合型磁性生物吸附剂可以用来处理含铅工业废水，将本发明的复合型磁性生物吸附剂用来处理含铅工业废水时，含铅工业废水的pH值范围应当控制在2～6.5的范围内，该pH值的范围是通过以下试验确定的。将本发明的复合型磁性生物吸附剂按1.5 g湿重加入到50 mL的含铅工业废水中，废水中铅离子浓度控制在100 mg/L，利用0.5 M的HNO₃和NaOH溶液调节pH在2～6.5的范围内，在30℃、150 rpm下恒温振荡吸附12 h，滤出吸附剂，取上清液测定剩余Pb(II)的浓度，并据此分析该复合型磁性生物吸附剂在不同pH值下的吸附效率（测定结果见下表1）。由下表1可见，本发明的复合型磁性生物吸附剂用来处理含铅工业废水时，不仅显著提高了白腐菌对Pb(II)的吸附效率，也表现出更好的稳定性，在pH值为4～6.5范围时，其吸附效率始终保持在80%以上，远远高于未固定的白腐菌，最佳吸附pH值为5.0。

表1：在不同pH条件下对Pb(II)的吸附效率

pH值234566.5白腐菌4.36%23.16%34.32%37.56%21.92%19.96%复合型磁性生物吸附剂63.2%73.26%82.84%95.03%91.44%86.92%

上述的利用复合型磁性生物吸附剂吸附废水中铅的方法，所述菌球内部包埋的Fe₃O₄纳米粒子和海藻酸钙的质量比优选为1∶（0.1～1.2）。

上述的利用复合型磁性生物吸附剂吸附废水中铅的方法，所述振荡吸附的时间优选为8h～12h。振荡吸附的优选时间是通过以下试验确定的：将本发明的复合型磁性生物吸附剂按1.5 g湿重添加到铅离子浓度为50 mg/L、pH值为5的含铅废水中，在35℃、150 rpm下恒温振荡吸附24 h，按下列时间取样测定不同时间段复合型磁性生物吸附剂对铅离子的吸附效率，结果如下表2所示，吸附8h后，吸附基本达到平衡。相对于传统的生物吸附剂，本发明的复合型磁性生物吸附剂的吸附时间比较快，较佳的吸附时间为8h～12h。

表2：在不同吸附时间条件下对Pb(II)的吸附效率

吸附时间（h）12468101224吸附效率（%）54.4961.0380.0789.9791.8792.0692.2792.81

上述的利用复合型磁性生物吸附剂吸附废水中铅的方法，所述含铅工业废水中铅离子浓度优选为10 mg/L～200 mg/L（利用本发明的方法处理含铅浓度≤200 mg/L的工业废水，性价比最优）。

上述的利用复合型磁性生物吸附剂吸附废水中铅的方法，所述方法还优选包括吸附剂解吸循环的操作过程，该操作过程具体包括以下步骤：将从所述含铅工业废水中分离出的复合型磁性生物吸附剂进行解吸，以0.1～0.5 M的盐酸作为解吸剂，在30℃～35℃下振荡解吸30min～60min（测定解吸液中铅浓度），滤出解吸后的该复合型磁性生物吸附剂，超纯水清洗，然后将其循环加入到待处理的含铅工业废水中吸附铅。本发明复合型磁性生物吸附剂的重复利用性可通过以下试验进行确定：以0.1～0.5 M 盐酸作为解吸剂对吸附后的复合型磁性生物吸附剂进行解吸，35℃下振荡解吸30min～60min，测定解吸液中铅的浓度，滤出吸附剂，超纯水清洗，然后再将其加入到50 mL Pb(II)浓度为100mg/L、pH值为5的工业废水中，在35℃、150 rpm下恒温振荡吸附8h，重复此吸附-解吸过程9次，验证其重复利用性，结果见下表3。下表3的数据表明，经过8次吸附-解吸循环操作后，该复合型磁性生物吸附剂对含铅溶液（浓度为100 mg/L）中铅的吸附率仍保持在90%以上，这表明本发明的复合型磁性生物吸附剂具有很好的重复利用性，经过重复8次吸附-解吸过程后仍保持较高的吸附效率，在用于含铅工业废水的处理过程中，可以有效地进行回收利用，以降低运行成本。

表3：在吸附-解吸循环下对Pb(II)的吸附效率和解吸率

重复次数12345…89吸附效率（%）94.1492.8192.0891.8991.82…90.3289.74解吸效率（%）59.9857.1754.1453.5951.51…49.1648.81

上述的利用复合型磁性生物吸附剂吸附废水中铅的方法中，所述复合型磁性生物吸附剂的制备方法优选包括以下步骤：

无菌条件下，在无菌Fe₃O₄粒子和海藻酸钠混合液中接种所述白腐菌的孢子悬浮液，每毫升混合液中的接种量为0.2mL～1.0mL，充分混合均匀后得混合溶液，将1体积的所述混合溶液逐滴滴加到4～10体积的无菌CaCl₂溶液中（优选取4mL～5mL的所述混合溶液逐滴滴加到20mL～40mL的无菌CaCl₂溶液中），于室温下静置1h～4h后得到含Fe₃O₄-海藻酸钙-白腐菌微球的反应液，再对所述Fe₃O₄-海藻酸钙-白腐菌微球进行固定化培养，培养完成后得到复合型磁性生物吸附剂。

上述的利用复合型磁性生物吸附剂吸附废水中铅的方法，所述无菌Fe₃O₄粒子和海藻酸钠混合液的配制方法优选包括以下步骤：

将Fe₃O₄纳米粒子加入到浓度为20 g/L～60 g/L的海藻酸钠溶液中，所述Fe₃O₄纳米粒子的添加量为0.05 g/mL～0.20 g/mL，然后在105℃～115℃条件下灭菌30min～60min，最后在无菌条件下冷却60min～90min，制得无菌Fe₃O₄粒子和海藻酸钠混合液。

上述的利用复合型磁性生物吸附剂吸附废水中铅的方法，所述白腐菌的孢子悬浮液的孢子浓度优选为1.0×10⁶个/mL～2.0×10⁶个/mL；所述无菌CaCl₂溶液的浓度优选为0.1M～0.2M。

上述的利用复合型磁性生物吸附剂吸附废水中铅的方法，所述固定化培养的具体过程优选包括以下步骤：

将所述Fe₃O₄-海藻酸钙-白腐菌微球从所述反应液中滤出，无菌超纯水清洗多次（3～5次即可），然后将Fe₃O₄-海藻酸钙-白腐菌微球转移至的白腐菌液体Kirk培养基中，每50ml～100ml所述液体Kirk培养基中转移2.5g～4.5g Fe₃O₄-海藻酸钙-白腐菌微球，在35℃～37℃、120 rpm～150 rpm条件下恒温振荡培养4～5天，然后将培养后的菌球滤出，超纯水冲洗多次（3～5次即可），完成固定化培养过程。

通过对大量采用本发明优选方法制得的复合型磁性生物吸附剂进行微观研究分析后发现，本发明的复合型磁性生物吸附剂在1000倍的环境扫描电镜下观察具有特殊的微观结构，本发明复合型磁性生物吸附剂的外部含丰富的白腐菌菌丝体，菌丝体呈白色，生长良好，整个菌丝体缠绕成结构松散的菌球，菌球呈多孔状，比表面积大，且含有大量的小空隙，以便于Pb(II)传输到复合型磁性生物吸附剂内部，菌丝细胞壁上富含羧基、羟基、氨基、磷酰基、羰基等多种官能团，这些官能团具有键合铅离子的能力，有很好的表面吸附作用；而固定化介质海藻酸钙则将白腐菌菌丝和Fe₃O₄纳米粒子密切结合，增加了白腐菌菌丝的机械强度和稳定性；特别值得提出的是，本发明中Fe₃O₄纳米粒子和海藻酸钙均很好地被包埋在白腐菌菌球内部，且Fe₃O₄纳米粒子分散良好，由于吸附剂内部孔隙率大，进一步促进了Pb(II)的吸附与聚集，有效地改善了白腐菌菌球内部吸附受到限制的问题，强化了吸附剂的内部传输吸附机理。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明革新了复合型磁性生物吸附剂的结构，相比于传统的固定化生物吸附剂，本发明的复合型磁性生物吸附剂是在菌球内部包埋可吸附并富集污染物的Fe₃O₄纳米粒子，有效增强了复合型磁性生物吸附剂的内部传输吸附机理，降低了污染物对微生物的毒性；而复合型磁性生物吸附剂表面的白腐菌则含有大量的吸附位点，能有效吸附水中的重金属离子；另外，通过采用菌球包埋Fe₃O₄纳米粒子和海藻酸钙的结构形式，使复合型磁性生物吸附剂的机械强度和稳定性大大增强，这种微观结构的特殊性和稳定性使得本发明成为一种集物理、化学和生物吸附作用于一体的复合型吸附剂；

（2）本发明的复合型磁性生物吸附剂在用于处理含铅工业废水时，不仅处理工艺和吸附设备简单，操作方便，成本极低，而且吸附容量大、吸附速度快、重复利用率高，且清洁无污染，对低浓度（例如1～100 ppm）的含铅废水有很好的处理效果，能有效降低废水处理运行成本，是一种可以广泛采用的、能够高效去除重金属污染废水中铅的复合型磁性生物吸附剂；

（3）在本发明优选的技术方案中，大大简化了复合型磁性生物吸附剂的制备工艺，缩短了固定化时间，在白腐菌菌丝的生长过程中即可完成固定化过程，固定化培养后的产品可直接用于铅吸附，避免了菌粉的收集与碾磨等复杂的操作；可见，本发明的复合型磁性生物吸附剂不仅制作简单，而且使用方便，通过科学合理地原料配比及低成本、便捷式的操作工艺制备出复合型磁性生物吸附剂，为规模化应用提供了前提。

附图说明

图1 为本发明实施例1中复合型磁性生物吸附剂在1000倍环境扫描电镜下的表面菌丝体微观结构图。

图2为本发明实施例1中复合型磁性生物吸附剂在1000倍环境扫描电镜下的内部微观结构图。

图3为本发明实施例2中复合型磁性生物吸附剂吸附不同浓度含铅废水中铅离子的效果图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例1：

一种利用复合型磁性生物吸附剂吸附废水中铅的方法，包括以下步骤：

取含铅工业废水1L，该废水的Pb(II)含量约为300mg/L，将废水通过酸碱调节池调节pH值至5（2～6.5均可）后，在反应槽中加入60g（湿重）本发明的复合型磁性生物吸附剂，在温度为35℃（30℃～35℃均可）、转速为150 rpm条件下，振荡吸附8h，然后直接过滤，分离出水及吸附后的复合型磁性生物吸附剂，分离后滤出的含铅工业废水调节至中性后排放，完成对含铅工业废水的处理。

用火焰原子吸收分光光度法测定未被吸附的铅，铅去除率达89.24%（参见下表4中去除铅效果的对比），使用后的生物吸附剂通过解析可循环使用，具体操作包括：将从含铅工业废水中分离出的复合型磁性生物吸附剂进行解吸，以0.1～0.5 M的盐酸作为解吸剂，在35℃下振荡解吸30min～60min，滤出解吸后的该复合型磁性生物吸附剂，超纯水清洗，然后将其循环加入到待处理的含铅工业废水中吸附铅；经8次吸附-解吸循环后，该复合型磁性生物吸附剂对含铅溶液（Pb(II)浓度为100 mg/L）中铅的吸附率仍保持在90%以上，可见，本发明的复合型磁性生物吸附剂具有很好的重复利用性，能有效用于含铅废水的处理。

表4：不同吸附剂对含铅废水处理的处理效率和吸附容量对比

吸附剂吸附效率吸附容量Fe₃O₄纳米粒子30.69%46.04 mg/gFe₃O₄-海藻酸钙微球38.95%58.43 mg/g未固定白腐菌P.>25.06%37.59 mg/g海藻酸钙固定化白腐菌P.>42.46%63.69 mg/gFe₃O₄-海藻酸钙-白腐菌P.>89.24%133.86 mg/g

本实施例的复合型磁性生物吸附剂的制备方法包括以下步骤：

（1） 无菌Fe₃O₄粒子和海藻酸钠混合液的制备：将0.20g Fe₃O₄纳米粒子加入到2mL浓度为40g/L的海藻酸钠溶液中，充分搅拌均匀，然后在105℃条件下灭菌30min，最后在无菌条件下冷却80min，制得无菌Fe₃O₄粒子和海藻酸钠混合液；

（2）Fe₃O₄-海藻酸钙-白腐菌微球的制备：无菌条件下，接种0.4mL孢子浓度为2.0×10⁶个/mL的白腐菌孢子悬浮液至2mL上述步骤（1）制得的无菌Fe₃O₄粒子和海藻酸钠混合液中，充分混合均匀后得混合溶液，利用医用无菌注射器将该混合溶液逐滴滴加到20mL摩尔浓度为0.2M的无菌CaCl₂溶液中，室温下静置4h后得到含Fe₃O₄-海藻酸钙-白腐菌微球的反应液；

（3）固定化培养：待上述步骤（2）的固定化过程完成后，将Fe₃O₄-海藻酸钙-白腐菌微球从反应液中滤出，并用无菌超纯水对制得的Fe₃O₄-海藻酸钙-白腐菌微球洗涤3次，然后将3.0g Fe₃O₄-海藻酸钙-白腐菌微球转移至50mL白腐菌液体Kirk培养基中，在37℃、150rpm条件下恒温振荡培养4天，将培养后的菌球滤出，超纯水冲洗3次，制得本实施例的复合型磁性生物吸附剂。

在1000倍的环境扫描电镜下观察本实施例制得的复合型磁性生物吸附剂的微观结构，发现本实施例的复合型磁性生物吸附剂的外部含丰富的白腐菌菌丝体（菌丝体呈白色，生长良好），整个菌丝体缠绕成结构松散的菌球，菌球呈多孔状，有巨大的比表面积，且含有大量的小空隙（参见图1），以便于Pb(II)传输到复合型磁性生物吸附剂内部，菌丝细胞壁上富含羧基、羟基、氨基、磷酰基、羰基等多种官能团，这些官能团具有键合铅离子的能力，有很好的表面吸附作用；而固定化介质海藻酸钙则将白腐菌菌丝和Fe₃O₄纳米粒子密切结合，增加了白腐菌菌丝的机械强度和稳定性；特别值得提出的是，本发明中Fe₃O₄纳米粒子和海藻酸钙均很好地被包埋在白腐菌菌球内部，且Fe₃O₄纳米粒子分散良好（参见图2），由于吸附剂内部孔隙率大，进一步促进了Pb(II)的吸附与聚集，有效地改善了白腐菌菌球内部吸附受到限制的问题，强化了吸附剂的内部传输吸附机理。由上可见，本实施例中用到的复合型磁性生物吸附剂是以白腐菌（P. chysosporium）活菌菌丝为载体，菌丝缠绕成菌球，菌球内部包埋有Fe₃O₄纳米粒子和海藻酸钙，所述海藻酸钙作为固定化介质将所述菌丝和Fe₃O₄纳米粒子紧密连接在一起。菌球内部包埋的Fe₃O₄纳米粒子和海藻酸钙的质量比为1∶0.4。

实施例2：

将实施例1中制备的复合型磁性生物吸附剂按60 g/L（湿重）加入到不同浓度的含铅工业废水（Pb(II)浓度10～500 mg/L）中，含铅工业废水的pH值均调节至5，在35℃、150 rpm条件下振荡吸附，待吸附8 h后，直接过滤，从含铅工业废水中分离出复合型磁性生物吸附剂，滤出的含铅工业废水调节至中性后排放。

利用火焰原子吸收分光光度计测定溶液中未被吸附的铅离子，该复合型磁性生物吸附剂在不同浓度含铅废水中对铅的吸附效果如图3所示。由图3可见，本发明的方法对10 mg/L的含铅废水的去除率达90.18%，吸附后Pb(II)残余量为0.82 mg/L，达到第一类污染物最高允许排放浓度的国家标准（总铅＜1.0mg/L），即本发明的复合型磁性生物吸附剂能有效用于废水中微量铅的去除；对铅浓度为50mg/L～200mg/L的工业废水的去除率均在94%以上，但残余的铅浓度超过1.0mg/L，没有达到排放标准，但根据我们的试验，当含铅工业废水中Pb(II)的浓度超过200mg/L时，可通过增加该复合型磁性生物吸附剂的使用量进行处理。

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