1 引言
核技術(shù)開發(fā)利用在給人類帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的同時(shí)，也產(chǎn)生了放射性廢物.鍶作為核爆、核事故等引起的全球性沉降中危害最大的核素之一，其污染具有隱蔽性和滯后性等特點(diǎn)(Osmanlioglu，2006).生物吸附是一種處理重金屬離子廢水污染的新興技術(shù)，用微生物菌體作為生物處理劑，吸附富集存在于水溶液中的鈾、鍶、銫等放射性核素，以效率高，成本低，耗能少等特點(diǎn)而漸備受關(guān)注.酵母細(xì)胞作為一種重要的生物資源，近年來將其作為生物吸附劑進(jìn)行核素離子的吸附富集處理的相關(guān)研究已有較多報(bào)道.來自釀酒廠的廢棄酵母細(xì)胞作為工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的一類微生物，已作為一種重要微生物吸附劑被廣泛應(yīng)用于各種重金屬及核素離子的吸附研究中.以上絕大多數(shù)吸附實(shí)驗(yàn)中，微生物吸附劑都是通過離心方式進(jìn)行固液分離處理的;然而，將來微生物吸附在處理大宗量實(shí)際重金屬或核素污染廢水時(shí)，如何將混合液中已吸附后的微生物快速、方便有效地分離是必然要解決的問題.目前，有關(guān)工業(yè)有機(jī)廢液、水體污染藻類等的絮凝處理已有較多報(bào)道.其中的化學(xué)絮凝法主要以鋁鹽、聚合氯化鋁鐵作為無機(jī)絮凝劑，通過中和藻類細(xì)胞的表面電荷，使其富集沉降，得了良好的除藻效果.那么，利用已有化學(xué)絮凝法對(duì)體積更小的菌體細(xì)胞是否有很好絮凝效果，對(duì)吸附重金屬或核素廢水后的微生物吸附劑進(jìn)行絮凝處理是否是一個(gè)方便、可行的有效途徑等問題，將值得我們深入探討.
本文在我們已取得酵母細(xì)胞對(duì)Sr2+較佳吸附條件的基礎(chǔ)上，以吸附Sr2+后的啤酒酵母細(xì)胞為對(duì)象，開展絮凝劑種類、液相pH、絮凝劑添加量等因素對(duì)絮凝效果的影響研究，并對(duì)絮凝效果較好的PAC進(jìn)行了絮凝機(jī)理初步探討，其結(jié)果可為大宗量核素及重金屬廢水微生物吸附的后期處理提供參考.
2 實(shí)驗(yàn)材料與方法
2.1 實(shí)驗(yàn)材料及準(zhǔn)備
實(shí)驗(yàn)用微生物為啤酒酵母細(xì)胞，取自綿陽某啤酒廠，60 ℃烘箱24 h烘干成粉后備用;所選絮凝劑為鋁鹽類絮凝劑，該類絮凝劑具有腐蝕性小，凈化效果好，使用方便等特點(diǎn)，主要選用Al2(SO4)3·7H2O、 KAl(SO4)2、聚合氯化鋁(PAC)等3種應(yīng)用較多的鋁鹽絮凝劑.Sr(NO3)2、Al2(SO4)3·7H2O、KAl(SO4)2均為分析純級(jí)，PAC為工業(yè)級(jí).
絮凝實(shí)驗(yàn)前，稱取一定量Sr(NO3)2溶解于無菌蒸餾水中，配制成1.0 mmol · L-1的Sr2+儲(chǔ)備液10 L;在分別稱取一定量的PAC、Al2(SO4)3·7H2O、KAl(SO4)2等溶解于蒸餾水中，配制成濃度為0.1 mol · L-1的各絮凝劑儲(chǔ)備液100 mL;配制0.5 mol · L-1的NaOH和HNO3溶液各200 mL用于調(diào)節(jié)pH值.
2.2 實(shí)驗(yàn)儀器
S440型掃描電鏡(英國Leica公司)、ZS90型Zeta電位計(jì)(英國Malvern公司)、HI88703型濁度儀(美國Hach公司)、S40型pH /電導(dǎo)率計(jì)(瑞士Mettler Toledo公司).
2.3 絮凝試驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)前，將所需濃度酵母細(xì)胞加入含1.0 mmol · L-1的Sr2+振蕩吸附60 min，吸附量為13.48 mg · g-1，獲得吸附后的混合液.各取40 mL混合液加入相應(yīng)50 mL平底試管中;然后分別加入Al2(SO4)3·7H2O、KAl(SO4)2、PAC這3種絮凝劑在如下絮凝條件下開始絮凝試驗(yàn).絮凝條件：①絮凝劑添加量：取已被吸附Sr2+后酵母細(xì)胞溶液懸浮液分別分成10份，每份150 mL，并從1到10對(duì)其進(jìn)行依次編號(hào)，分別依次加入0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0和4.5 mL的絮凝劑，進(jìn)行絮凝試驗(yàn).②pH影響實(shí)驗(yàn)：取已被吸附Sr2+后酵母細(xì)胞溶液懸浮液分別分成7份，每份150 mL，并從1到7對(duì)其進(jìn)行依次編號(hào)，再將1到7號(hào)溶液的pH值分別調(diào)到4、5、6、7、8、9、10，加入定量絮凝劑，進(jìn)行絮凝試驗(yàn).③酵母細(xì)胞濃度實(shí)驗(yàn)：將4、5、6、8和10 g · L-1的吸附Sr2+后的酵母細(xì)胞懸浮液，各取40 mL加入平底試管中，加入絮凝劑開始實(shí)驗(yàn).以上各組實(shí)驗(yàn)均記錄絮凝0、30和60 min時(shí)上部液體濁度，并根據(jù)公式(1)計(jì)算絮凝效率.
式中，η為絮凝效率;TUt為絮凝劑加入后t時(shí)刻的液相濁度(NTU);TU0為絮凝劑初始加入時(shí)刻的液相濁度(NTU).
2.4 SEM分析
在PAC加入后液相出現(xiàn)明顯礬花時(shí)(約0.5 min)，立即取絮凝體滴加在蓋玻片上制SEM樣片，并同時(shí)取對(duì)照組制備SEM樣;將以上樣品經(jīng)過2.5%戊二醛固定后，經(jīng)梯度濃度乙醇脫水(30%，50%，70%，90%和100%，各20 min)后，進(jìn)行SEM分析.
2.5 Zeta電位分析
配制6.0 g · L-1的酵母細(xì)胞和0.1 mmol · L-1的PAC(聚合氯化鋁)，在pH為3~10范圍內(nèi)，25 ℃下測(cè)試相應(yīng)的Zeta電位值，每個(gè)對(duì)應(yīng)pH測(cè)3次，取平均值.pH調(diào)節(jié)用0.5 mol · L-1的HCl 或NaOH.
3 結(jié)果與討論
3.1 不同絮凝劑對(duì)酵母細(xì)胞的絮凝效果
絮凝前，測(cè)得含酵母細(xì)胞的液相濁度為1380 NTU，無絮凝劑對(duì)照組絮凝30 min和60 min時(shí)上清液濁度分別為330 NUT和260 NUT.由圖 1中可以看出，對(duì)于3種鋁鹽而言，PAC對(duì)酵母細(xì)胞的絮凝效果最好，絮凝效果順序?yàn)镻AC> KAl(SO4)2> Al2(SO4)3.隨著絮凝劑加入量的增大，Al2(SO4)3和KAl(SO4)2作用下酵母細(xì)胞的絮凝效率基本呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì);在60 min時(shí)的上清液濁度分別為170 NTU和130 NTU，對(duì)應(yīng)絮凝效率分別為87.68%和90.58%.對(duì)于PAC而言，其對(duì)酵母細(xì)胞的絮凝效果隨絮凝劑添加量變化呈現(xiàn)“V”字型，即投加量到達(dá)一定的時(shí)候，繼續(xù)投加混凝劑會(huì)使得液相中酵母細(xì)胞去除率反而略有下降.在PAC(濃度為0.1 mmol · L-1)添加量為1.5~2.5 mL時(shí)，絮凝效果較好.其中，當(dāng)PAC添加量為2.0 mL情況下(對(duì)應(yīng)體積比為1 ∶ 20)，30 min和60 min時(shí)上清液濁度分別為20 NTU和10 NTU，對(duì)應(yīng)絮凝效率最高分別為98.55%和99.28%;而當(dāng)PAC添加量增至4.5 mL時(shí)，其在30 min和60 min時(shí)上清液濁度均為210 NTU，對(duì)應(yīng)絮凝效率僅為84.78%.這主要是由于該類絮凝劑主要是通過壓縮雙電層、吸附-電中和、吸附-橋聯(lián)和網(wǎng)捕卷掃作用來達(dá)到絮凝除濁的效果(唐婉瑩等，1997).但是，吸附-電中和及吸附-橋聯(lián)作用在當(dāng)絮凝劑投加量超過一定限度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生“膠體保護(hù)”作用，發(fā)生再穩(wěn)現(xiàn)象，酵母細(xì)胞的絮凝效果反而下降.
圖 1 不同絮凝劑投加量下3種鋁鹽對(duì)酵母細(xì)胞的絮凝效果
3.2 液相初始pH對(duì)絮凝效果的影響
由圖 2a可以看出，絮凝前，含酵母細(xì)胞液相的濁度隨著pH的增加而升高;在pH 4~10范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)溶液濁度為1500—1730 NTU.當(dāng)絮凝進(jìn)行30 min和60 min時(shí)，Al2(SO4)3和KAl(SO4)2組的絮凝效果均在液相pH在8以上開始出現(xiàn)明顯變化.例如，pH為8時(shí)，Al2(SO4)3和KAl(SO4)2組在30 min時(shí)對(duì)應(yīng)上清液濁度分別為235 NTU和219 NTU;而pH為9時(shí)，對(duì)應(yīng)濁度分別降低到了65.3 NTU和67.2 NTU.PAC在pH在6~7范圍內(nèi)的絮凝效果較好，30 min和60 min時(shí)對(duì)應(yīng)上清液濁度分別在22.2~27.94 NTU和13.2~14.4 NTU.
圖 2 不同pH下3種鋁鹽對(duì)酵母細(xì)胞絮凝效果的影響
圖 2b為3種絮凝劑在不同pH下的絮凝效率變化情況.PAC在pH在6~7下，30 min和60 min時(shí)的絮凝效率分別為98.25%~98.64%和99.09%~99.19%;而Al2(SO4)3和KAl(SO4)2組在pH為10情況下，分別在60 min出現(xiàn)最大絮凝效率為97.60%和97.54%.對(duì)于PAC而言，膠體顆粒表面電性受液相pH的影響較大.當(dāng)液相pH>8時(shí)，其水解后生成的Al(OH)3帶較弱的負(fù)電;當(dāng)pH<7時(shí)，水解后生成的Al(OH)3帶較強(qiáng)的正電.酵母細(xì)胞在弱酸和中性條件下基本呈負(fù)電性，因此，在pH<7時(shí)，PAC絮凝體與酵母細(xì)胞菌體表面電荷相異，可加強(qiáng)Al(OH)3網(wǎng)捕作用和卷掃絮凝，提高絮凝效果.綜上可知，實(shí)驗(yàn)條件下3種鋁鹽絮凝劑對(duì)酵母細(xì)胞絮凝效果對(duì)比結(jié)果顯示為：PAC> KAl(SO4)2> Al2(SO4)3.
3.3 酵母細(xì)胞初始濃度對(duì)絮凝效果的影響
酵母細(xì)胞初始濃度對(duì)PAC絮凝效果的影響結(jié)果見圖 3.可以看出，無絮凝劑時(shí)，液相濁度隨酵母細(xì)胞濃度的增加基本呈線性變化，在其濃度為4.0~10.0 g · L-1范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)濁度為805~3120 NTU.酵母細(xì)胞添加量直接影響液相中絮凝劑分子與菌體數(shù)量比值.菌體濃度較低時(shí)，液相中絮凝劑分子間接觸幾率增大，荷電相同的絮凝劑分子間接觸幾率增大，絮凝網(wǎng)絡(luò)形成慢，絮凝效果和速率較低.如，在酵母細(xì)胞初始濃度為4.0 g · L-1時(shí)，30 min和60 min時(shí)上清液濁度分別為163.0 NTU和32.7 NTU.60 min時(shí)，酵母細(xì)胞初始濃度在4.0~8.0 g · L-1均有較好的絮凝效果，絮凝效率均在96%以上，在絮凝后上清液濁度范圍為17.1~32.7 NTU;其中較短絮凝(30 min)時(shí)間內(nèi)，可以看出酵母細(xì)胞初始濃度為5.0 g · L-1組對(duì)應(yīng)濁度最低，此時(shí)相應(yīng)的絮凝劑與酵母細(xì)胞加入質(zhì)量比為9∶50.
圖 3 不同酵母細(xì)胞初始濃度對(duì)PAC絮凝效果的影響
3.4 PAC絮凝酵母細(xì)胞的SEM分析
在PAC加入前后取樣制片進(jìn)行SEM分析，結(jié)果見圖 4.PAC加入前，液相中酵母細(xì)胞菌體在經(jīng)過吸附振蕩1 h后，菌體相對(duì)分散(如圖 4a所示)，菌體間團(tuán)聚規(guī)模小，沉降緩慢.而當(dāng)加入PAC后，酵母細(xì)胞菌體在PAC分子作用下，快速聚集成團(tuán)，1 min內(nèi)已開始有明顯礬花出現(xiàn)，并快速聚集沉降.如圖 4b所示，大量酵母細(xì)胞菌體在PAC分子作用下短時(shí)間內(nèi)聚集成較大的菌膠團(tuán)，加速絮凝體的形成，從而快速有礬花現(xiàn)象產(chǎn)生.
圖 4 PAC絮凝前后酵母細(xì)胞SEM分析(a. 絮凝前(×10000); b. 絮凝1 min后(×5000))
3.5 絮凝機(jī)理分析
圖 5為pH為3~10范圍內(nèi)，PAC和酵母細(xì)胞的Zeta電位變化情況.其中PAC 的Zeta電位在50~55 mV區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，較為穩(wěn)定.酵母的Zeta電位隨pH增加而逐漸降低，其等電點(diǎn)分別出現(xiàn)在2.5左右.在實(shí)驗(yàn)絮凝pH條件下，酵母細(xì)胞表面均帶負(fù)電.可以看出，對(duì)酵母細(xì)胞而言，pH為6.5~7.5范圍內(nèi)的酵母細(xì)胞與PAC的Zeta電位差值相對(duì)較大;其中絮凝效果最佳的初始液相pH(pH=7.0)時(shí)，對(duì)應(yīng)的酵母細(xì)胞與PAC的Zeta電位差值Δζ為68.4 mV.實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)PAC溶于水后，水解生成具有較高正電荷和較大比表面積的多核羥基絡(luò)合物;在較佳pH液相條件下，由于PAC和酵母細(xì)胞菌體間的Δζ較大，相應(yīng)較高的異電荷作用力能夠使PAC分子能迅速捕集到液相中帶負(fù)電的酵母細(xì)胞菌體(對(duì)應(yīng)圖 4b)，中和菌體表面電荷后形成絮凝體，并快速聚集成較大絮凝體(礬花)而快速沉降.
圖 5 液相PAC與酵母細(xì)胞的Zeta電位分析
在實(shí)驗(yàn)整個(gè)絮凝過程中，定時(shí)測(cè)試液相電導(dǎo)率變化，監(jiān)測(cè)間隔為20 s，時(shí)長為1 h，結(jié)果如圖 6所示.可以看出，調(diào)節(jié)吸附Sr2+后酵母懸浮液pH為4、7和8，在加入PAC的初始階段，液相電導(dǎo)率在短時(shí)間內(nèi)有快速變化.例如，當(dāng)液相初始pH為7時(shí)，加入PAC后液相電導(dǎo)率在最初60 s內(nèi)，快速從1.919 ms下降到1.776 ms，然后開始緩慢回升.pH為8實(shí)驗(yàn)組中，電導(dǎo)率則在起初120 s由1.926 ms最低降到1.853 ms.而當(dāng)液相初始pH為4時(shí)，電導(dǎo)率在經(jīng)過最初快速下降后，于920 s左右由2.17 ms下降到了最低2.01 ms.液相電導(dǎo)率高低與其內(nèi)含溶質(zhì)鹽的濃度或會(huì)分解為電解質(zhì)的化學(xué)雜質(zhì)有直接關(guān)系.實(shí)驗(yàn)中電導(dǎo)率值是液相中PAC分子、Sr2+剩余離子、酵母細(xì)胞菌體及其附帶有機(jī)雜質(zhì)等成分的整體反映結(jié)果.在PAC加入液相后，PAC快速水解成Al(OH)3，在水中與酵母細(xì)胞所帶的負(fù)電荷瞬間產(chǎn)生中和作用，使膠體脫穩(wěn)而迅速絮凝，并進(jìn)一步架橋生成大絮團(tuán)而快速沉淀.其中PAC的加入對(duì)Sr2+剩余離子和有機(jī)雜質(zhì)影響較小，因此液相電導(dǎo)率值主要由PAC分子和酵母細(xì)胞菌體數(shù)量決定.液相電導(dǎo)率越小，對(duì)應(yīng)剩余PAC和菌體數(shù)量就越少，絮凝效果越好.同樣，電導(dǎo)率變化越快，對(duì)應(yīng)的絮凝速度就越快.因此，圖 6中的電導(dǎo)率變化結(jié)果也證明了pH為7初始液相條件下，PAC對(duì)酵母細(xì)胞的絮凝效果最好，這與前述(圖 2)結(jié)果相一致.具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
圖 6 不同初始pH下PAC絮凝過程液相電導(dǎo)率變化趨勢(shì)
4 結(jié)論
實(shí)驗(yàn)條件下，3種鋁鹽絮凝劑對(duì)酵母細(xì)胞絮凝效果對(duì)比結(jié)果顯示為：PAC> KAl(SO4)2> Al2(SO4)3. PAC對(duì)酵母細(xì)胞的絮凝是一個(gè)快速作用過程，在1 min內(nèi)出現(xiàn)明顯礬花現(xiàn)象;在60 min時(shí)絮凝效率可達(dá)到99%以上.對(duì)應(yīng)最佳絮凝條件為：pH=7.0，初始酵母細(xì)胞濃度為5.0 g · L-1，1.0 mmol · L-1的絮凝劑添加體積比為1 ∶ 20.SEM分析結(jié)果顯示此時(shí)酵母細(xì)胞菌體在PAC分子作用下快速形成菌膠團(tuán).對(duì)PAC快速絮凝酵母細(xì)胞的機(jī)理初步研究發(fā)現(xiàn)，在pH為3~10范圍內(nèi)，酵母細(xì)胞與PAC之間的Zeta電位差值均在50 mV以上，當(dāng)pH為7時(shí)其最大差值可達(dá)到68.4 mV，相應(yīng)較高的電位差有利于PAC分子迅速捕集液相中帶負(fù)電的酵母細(xì)胞菌體，并快速形成絮凝體而沉降.絮凝過程中液相電導(dǎo)率變化分析也證實(shí)了這點(diǎn).本研究可為放射性核素、重金屬水體污染的生物吸附處理后的快速沉積提供思路，為生物吸附的大宗量應(yīng)用提供工藝參考.
