《海藻酸钙固定混合srb菌群生物吸附ni_2_的动力学》由会员分享，可在线阅读，更多相关《海藻酸钙固定混合srb菌群生物吸附ni_2_的动力学（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、应用与环境生物学报 2006, 12(5) : 697700 Chin J Appl Environ B iol=ISSN 10062687X 2006210225海藻酸钙固定混合SRB菌群 生物吸附Ni2 +的动力学3潘响亮1, 2王建龙13 3张道勇2(1清华大学核能与新能源技术设计研究院环境技术研究室 北京 100084)(2中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室 贵阳 550002)摘 要 利用海藻酸钙为载体包埋固定化硫酸盐还原菌(SRB)混合菌群,研究了固定化微生物吸附重金属镍离子的 动力学特性.结果表明:固定化混合SRB菌群对Ni2 +具有良好的吸附性能,最大吸附容量q
2、m高达931. 9 mg (Ni2 +) /g(SRB)颗粒,是一种颇具应用前景的生物吸附剂.固定化SRB吸附Ni2 +的动力学过程可以用准二次动力学方程描述,整个吸附过程可以明显地分为两个阶段,即物理化学吸附阶段和生物沉淀阶段.扩散动力学研究表明,固定化颗粒的 内扩散并非是唯一控制吸附速率的机制,整个吸附过程涉及到多种吸附机制.图4表3参14 关键词 固定化; SRB;镍;生物吸附;动力学CLC X703Kinetics of Ni2 +Biosorption byM ixed SRB Population I mmobilized in Ca - alginate3PAN Xianglia
3、ng1, 2, WANG Jianlong13 3SRB; nickle; biosorption; kineticsCLC X703水环境中的重金属污染是个普遍关注的环境问题.含重金 属废水的常用处理方法有沉淀、 活性炭或树脂吸附、 电化学处 理和膜分离技术等,但是这些技术常常受到技术或经济等因素 的限制.最近,生物吸附技术越来越受到人们的关注,许多研 究14表明,细菌、 真菌和藻类都可用作有效的生物吸附剂去 除水中的多种金属.生物吸附技术处理含重金属废水的主要优 点是成本低、 吸附效率高和可再生5.将生物质包埋在海藻酸 钙、 聚乙烯醇等包埋剂中则有利于固液分离、 生物质的回收再 生和应用于
4、各种滤池.生物吸附重金属的机理主要包括细胞外 累积/沉淀、 细胞表面吸附/沉淀和细胞内累积6,其中细胞外收稿日期: 2006205209 接受日期: 2005210209 3 国家自然科学基金项目(No.50278045)和清华大学基础研究基金 (No. JC2002054)资助 Supported by the National Natural Science Foundation of China and the Basic Research Fund of Tsinghua University 3 3 通讯作者 Corresponding author ( E2mail: wangjl
5、 tsinghua. )累积/沉淀仅限于活生物细胞.关于活生物质吸附效果好还是 死生物质吸附效果好,目前尚无定论. 硫酸盐还原菌(SRB)是一类严格的厌氧菌,能够还原硫酸 根并产生H2S .SRB代谢产生的H2S能够与水溶液中的重金 属离子反应形成溶解度很低的金属硫化物沉淀(即SRB的生 物沉淀功能).因此, SRB也被应用于含重金属废水的处 理7, 8,尤其是酸性矿山废水(AMD)9.然而这些研究大多数 仅关注SRB的生物沉淀功能,而忽视了对SRB细胞本身吸附 功能的研究.本研究的主要目的是研究海藻酸钙包埋的混合SRB菌群对Ni2 +的生物吸附行为.1 材料与方法 1. 1 混合SRB菌群驯
6、化、 培养和富集 实验用的厌氧污泥取自亚运村北小河污水厂厌氧消解池, 每升污泥加入5 g无水硫酸钠, 35 振荡培养(120 r/min)驯化1 wk.然后用Postgate B培养基进一步驯化培养,每周更换 新鲜培养基一次.培养8 wk后获得实验用混合SRB菌液,浓度 为2 g (干重) /L.Postgate B培养基(/g L- 1) : KH2PO40. 5;(NH4)2SO4 1. 0; Na2SO41. 0; CaSO41. 0; MgCl27H2O 2. 0;柠檬酸钠3. 5;酵母浸膏1. 0;抗坏血酸0. 1;巯基乙酸0. 1; FeSO47H2O0. 5.加自来水至1 000
7、 mL,用0. 1 mol/L HNO3和0. 1 mol/LNaOH,调节pH为7. 5.Postgate C培养基(/g L- 1) : KH2PO40. 5; NH4Cl 1. 0;Na2SO44. 5; CaCl26H2O 0. 06; MgSO47H2O 0. 06;乳酸钠6. 0;酵母浸膏1. 0; FeSO47H2O 0. 004;二水柠檬酸钠0. 3. 用0. 1 mol/L HNO3和0. 1 mol/L NaOH调节pH为7. 5. 1. 2 混合SRB菌群的海藻酸钙固定 将10 g海藻酸钠加热溶解于500 mL生理盐水中,冷却至40,加入50 mL细胞浓度为2 g (干重
8、) /L的细菌悬浮液混 合均匀,然后用注射器针头滴加5% CaCl2溶液中,边滴边摇, 形成2 mm左右的球形小珠,然后用生理盐水洗涤, 4 保存 备用.包埋过程始终用N2吹脱. 1. 3 海藻酸钙固定混合SRB菌群的活性测试 将5 mL海藻酸钙包埋SRB颗粒放入含有400 mL PostgateC培养基的500 mL葡萄糖瓶中, 35 静置培养, 7 d后测定 溶液中SO2 -4浓度. 1. 4 固定化SRB菌群的重金属吸附动力学 含Ni2 +的溶液用分析纯NiCl26H2O和去离子水配置.将10 mL海藻酸钙包埋的SRB颗粒加入100 mL Ni2 +浓度为100 mg/L, SO2 -4
9、浓度为500 mg/L的溶液中. N2吹脱5 min,用 橡胶塞封口, 35,振荡(125 r/min)吸附,定时采集2 mL水 样,测定水中Ni2 +浓度.1. 5 固定化SRB菌群的重金属(Cu、Zn、Ni)等温 吸附 将5 mL SRB颗粒分别加入含有15 mL Ni2 +浓度为10、25、50、75、100 mg/L的溶液中,用橡胶塞封口, 35,振荡 (125 r/min) 2 h,测定溶液中重金属浓度.1. 6 分析方法 水溶液中Ni2 +浓度用原子吸收分光光度计火焰原子化法测定,仪器为Varian 6 AAS . SO2 -4浓度用DX - 100 D I ONEX IC 测定.
10、2 结果与讨论 2. 1 活性测试 培养24 h后,接种SRB颗粒的培养基中都观察到了明显 的黑色沉淀物.培养7 d后,接种SRB颗粒的培养基中SO2 -4的 浓度从3 862. 3 mg/L下降到1 758. 6 mg/L.培养基中的黑色沉 淀和SO2 -4浓度的明显下降说明经海藻酸钙包埋后的SRB菌 群具有良好的活性. 2. 2 SRB固定化颗粒吸附Ni2 +的动力学图1是海藻酸钙包埋SRB颗粒的吸附动力学.结果表明, 海藻酸钙包埋SRB颗粒可有效吸附Ni2 +, SRB颗粒的吸附动 力学过程可分为两个阶段:在20 min达到吸附平衡,吸附率为40. 99% ,然后吸附平衡保持了10 mi
11、n.从45 min开始, SRB颗粒对水中Ni2 +的吸附平衡被打破,又进入新的“ 吸附期 ”,新的 “ 吸附期 ” 实质上是一个生物沉淀吸附期, SRB颗粒中SRB菌 群将SO2 -4还原成H2S,这些H2S迅速与水中的Ni2 +反应形成NiS沉淀,在后期可以观察到SRB颗粒反应器变得有些混浊, 这些沉淀物为NiS沉淀.在反应1 080 min后,在部分悬浮于液 面的SRB颗粒表面和反应器上部暴露空气的壁上观察到明显 的黄色单质S沉淀,原因是水中的Ni2 +含量已经很低, SRB颗 粒产生大量多余的H2S挥发到空气中后被转变为单质S .图1 Ni2 +随时间的去除率rr(Ni2 +) /%F
12、ig . 1 Ni2 +removal ratesrr(Ni2 +) /%2. 3 SRB颗粒吸附Ni2 +的动力学方程模拟为研究动力学,用准一级和准二级反应动力学方程检验海 藻酸钙固定SRB菌群对Ni2 +的吸附动力学. Lagergren - Anna2durai - Krishnan10, 11的准一级方程表达如下:log(qe-q) = logqe- (k1/2. 303)t(1)qe和q是Ni2 +的平衡吸附量和时间t的吸附量,单位均为mgg- 1,k1是一级吸附速率常数(min- 1).二级动力学模型12, 13表示如下:t/q=1/ (k2qe) +t/q(2)k2是二级吸附速率
13、常数.表1 海藻酸钙固定SRB颗粒的一级和二级吸附动力学常数 Table 1 Kinetic constants of pseudo - first ordermodel and pseudo - second ordermodel 一级模型Pseudo2first ordermodelk1/min- 1 qe/mg g- 1R2二级模型Pseudo2second ordermodelk2/gmg- 1min- 1qe/mg g- 1R20. 0031413. 60. 8743. 4872 E - 5775. 190. 992表1对比了一级模型和二级模型之间的速率常数和平衡 吸附量.结果表明,
14、在Ni2 +初始浓度为100 mg/L时,用一级模 型拟合海藻酸钙固定SRB混合菌群对水溶液中Ni2 +的吸附行为时相关性差(R2=0. 874) ,根据一级模型计算得到的qe也明 显低于实验测到的数据,因此一级模型不适于描述海藻酸钙固 定SRB混合菌群对水中Ni2 +的吸附动力学.用二级模型则可 以理想地拟合实验数据(R2=0. 992) (图2) ,通过二级模型计 算的qe与实验测定的数据非常接近,说明海藻酸钙固定的SRB 混合菌群在有无ZV I的情况下都符合二级模型,并且在吸附过 程存在SRB颗粒与Ni2 +之间的化学反应,这与实验中观察到 的吸附后期水溶液变混浊和有单质S沉淀现象是一致
15、的.896 应 用 与 环 境 生 物 学 报 Chin J Appl Environ B iol 12卷图2 SRB颗粒吸附Ni2 +的准二级方程( )模拟 Fig . 2 Pseudo - second ordermodeling ( ) of nickel sorption kinetics2. 4 海藻酸钙固定SRB颗粒吸附Ni2 +扩散动力学如果不考虑包围SRB颗粒水溶液薄膜的Ni2 +的运动,SRB颗粒的吸附可分为3个步骤: 1)质量迁移(边界层扩散) ;2)离子吸附到位点; 3)颗粒内扩散.外部的质量迁移可根据吸附前10 min的Ct/C0-t曲线计算, SRB颗粒吸附Ni2 +
16、的初始速率为0. 091 2.在许多情况,颗粒内扩散决定吸附速率.根据Weber -Morris方程14:kp=q/ t1/2(3)kp是颗粒内速率常数(mg g- 1min- 0. 5).海藻酸钙固定SRB菌群颗粒吸附Ni2 +的颗粒内扩散动力学过程如图3所示.从图3可以看出,整个吸附过程中SRB颗 粒与Ni2 +之间为非线性关系,说明整个吸附过程有包括边界 层扩散和颗粒内扩散在内的多种吸附机制参与.从曲线转折点 看, SRB颗粒吸附Ni2 +经历了两个阶段的边界层扩散和颗粒内扩散.表2给出了SRB吸附Ni2 +的速率常数.图3 海藻酸钙固定SRB菌群颗粒吸附Ni2 +的颗粒内扩散 Fig . 3 Plot for the intra2particle diffusion forNi2 +表2 SRB吸附Ni2 +的速率常数Table 2 Rate constants
