王冬梅， 何穎霞， 許 菡， 李 強(qiáng)

(1.臨沂市環(huán)境監(jiān)測站，山東臨沂 276000;2.山東省水土保持與環(huán)境保育重點(diǎn)研究室 臨沂大學(xué)水土保持與環(huán)境保育研究所，山東臨沂 276005)

引 言

電鍍過程產(chǎn)生的廢水中含有大量的重金屬離子，如鐵、鋁、鋅、鎳、銅、鉻及鉛等，質(zhì)量濃度可高達(dá)幾十甚至上百 mg/L［1］。

目前，針對含有高濃度重金屬的電鍍廢水的處理技術(shù)分為物理化學(xué)法、生物法等。其中，物理化學(xué)手段［2-4］包括還原、絮凝沉淀、離子交換吸附、蒸發(fā)濃縮、活性炭及其它填料吸附等，但具有高成本、高能耗、產(chǎn)生大量化學(xué)污泥和二次污染等問題。由于重金屬對微生物的毒害作用，普通的生物法對電鍍廢水無法起到直接處理的效果。因此，科研工作者和一線環(huán)保工程師開始研究生物法處理含電鍍廢水中高濃度重金屬的新方案。

白腐真菌(white rot fungus)是一類使木材腐爛、產(chǎn)生白色絮體的絲狀真菌，模式菌株為黃孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium)，其表面具有豐富的胞外多糖，可以耐受且有效地吸附水體中的重金屬，加之其絲狀結(jié)構(gòu)增加了比表面積，使其吸附性能也大大增加［5-6］?？梢姡赘婢m合作為含重金屬廢水的吸附劑。目前，有研究表明，白腐真菌對水中單一重金屬有顯著的吸附作用，而電鍍廢水中往往含有多種重金屬，且濃度較高，使用白腐真菌特異性處理電鍍廢水的研究仍未見報道。

本文介紹了使用白腐真菌模式株黃孢原毛平革菌吸附電鍍廢水中的重金屬，同時降低COD、氨氮、總氮和總磷，以及后續(xù)重金屬的洗脫和回收方案。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

研究的電鍍廢水來自天津市某電鍍廠生產(chǎn)廢水，廢水中含有 186mg/L COD，33.2mg/L 氨氮，48.0mg/L總氮，3.71mg/L總磷。為考察白腐真菌對多種重金屬的吸附作用，添加重金屬鹽使鐵、鋁、鋅及鎳質(zhì)量濃度分別達(dá)到 57.8、60.8、33.2 及26.6mg/L，作為高質(zhì)量濃度重金屬實驗用水，稀釋十倍作為低質(zhì)量濃度重金屬實驗用水。

研究使用的菌株為白腐真菌模式株黃孢原毛平革菌ATCC24725，購自美國模式培養(yǎng)物集存庫(ATCC)。

1.2 實驗方法

1.2.1 菌株活化

黃孢原毛平革菌ATCC24725的活化與培養(yǎng)使用改良的土豆培養(yǎng)基，配方為每1L含200g土豆浸出汁，3g K2HPO4，1g KH2PO4，0.5g NH4NO3，0.1g Na2SO4，10mg MgSO4·7H2O，1mg MnSO4·4H2O，0.5mg CaCl2，1mg FeSO4·7H2O，5g CH3COONa，5g酵母粉，10g蛋白胨，10g葡萄糖，pH 調(diào)至7.0。固體培養(yǎng)基再加20g瓊脂。培養(yǎng)基配制后于121℃、103kPa條件下濕熱滅菌20min。

將甘油保藏的黃孢原毛平革菌接種至土豆培養(yǎng)基平板，30℃恒溫培養(yǎng)復(fù)蘇。靜置培養(yǎng)5～7d，直到菌絲蔓延覆蓋整個平板。無菌操作取長寬各1cm的帶菌絲培養(yǎng)基接種至土豆培養(yǎng)基平板，將割下的帶菌絲培養(yǎng)基小塊倒扣在新平板中心。30℃靜置培養(yǎng)5～7d，直至菌絲鋪滿平板，將菌體用滅菌牙簽刮下，在4℃保藏備用，同時高溫滅活一部分菌體備用。

1.2.2 吸附和洗脫實驗

將0.5g黃孢原毛平革菌活菌體和死菌體分別投入1L電鍍廢水中，曝氣控制溶解氧(DO)為3.0mg/L，運(yùn)行1d和3d時分別取上清水樣待測，重復(fù)三個平行試樣。

運(yùn)行3d后的每 0.5g菌體用 10mL的 1%HNO3洗脫1h，得到重金屬濃縮液。

1.2.3 數(shù)據(jù)測定與計算

采用原子吸收分光光度法檢測各重金屬含量，采用重鉻酸鹽法檢測COD，采用納氏試劑分光光度法檢測氨氮，采用堿性過硫酸鉀消解分光光度法檢測總氮，采用鉬酸銨消解分光光度法檢測總磷。

我國應(yīng)用型本科教育具有專業(yè)化、多樣化、國際化的發(fā)展特點(diǎn)。專業(yè)化是強(qiáng)調(diào)以培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，加強(qiáng)實踐教學(xué)和培養(yǎng)專業(yè)化人才。多樣化是發(fā)展多種人才培養(yǎng)模式，在不同方面進(jìn)行專攻研究，注重教育產(chǎn)出和實際成效[13]。國際化是加速教育國際化進(jìn)程，用國際視野去看待應(yīng)用型本科教育[14]。所以，對于應(yīng)用型本科院校的教師而言，除自身專業(yè)知識水平過硬外，還應(yīng)具備先進(jìn)的教學(xué)理念，培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新意識，同時還應(yīng)加強(qiáng)自身國際交流能力、社會服務(wù)能力等。

采用公式計算重金屬去除率:

式中m吸附前為吸附前重金屬質(zhì)量，g;m吸附后為吸附后重金屬質(zhì)量，g。

采用公式計算重金屬洗脫率:

式中m吸附前為吸附前重金屬質(zhì)量，g;m吸附后為吸附后重金屬質(zhì)量，g，m洗脫重金屬為洗脫重金屬質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 白腐真菌對廢水中重金屬的去除

白腐真菌對電鍍廢水中重金屬進(jìn)行吸附，分別取活菌和死菌在1d和3d時的上清水樣，測定重金屬濃度，結(jié)果見圖1和圖2。

廢水中含有相對較高濃度的鐵、鋁、鋅和鎳時，活菌吸附1d重金屬去除率分別可達(dá)到83.8%、83.9%、75.2%和71.2%的，而死菌吸附1d 重金屬去除率分別可達(dá)到 74.2%、73.1%、68.4% 和 66.9%，可見反應(yīng)1d時，活菌的吸附效果優(yōu)于死菌。這是因為隨著活菌的代謝，不斷分泌多糖、蛋白等胞外聚合物，從而提高菌株的吸附能力。白腐真菌是好氧菌，系統(tǒng)中如添加活菌，需要同時攪拌和曝氣;死菌則只需要適當(dāng)攪拌，有一定的能耗差異，因此活菌和死菌的比較是具有實際意義的。

反應(yīng)3d時，活菌和死菌的吸附效率相差并不明顯，活菌的鐵、鋁、鋅和鎳去除率分別為95.4%、96.5%、96.0% 和 98.1%;死菌的鐵、鋁、鋅和鎳去除率分別為 94.9%、95.6%、94.0% 和 95.5%，活菌略高于死菌，考慮到初始投加量一致，可見此時為各實驗組基本吸附飽和。

圖1 活菌和死菌吸附高質(zhì)量濃度重金屬時的去除率

廢水中含有相對較低質(zhì)量濃度的鐵、鋁、鋅和鎳時，去除率與高質(zhì)量濃度時比較均偏低。反應(yīng)1d時，活菌的鐵、鋁、鋅和鎳去除率為81.3%、79.6%、77.4%、84.2%，死菌的重金屬去除率為 83.3%、81.4%、78.0%和84.9%。反應(yīng)3d時，活菌的鐵、鋁、鋅和鎳去除率為 69.9%、79.1%、70.5% 和76.7%，死菌的鐵、鋁、鋅和鎳去除率為 72.7%、76.2%、75.3%和81.9%。運(yùn)行1d 和3d的重金屬去除率差異并不明顯，可見1d時基本吸附飽和。與高質(zhì)量濃度重金屬廢水處理時相同，活菌組重金屬去除率均略高于死菌組，可見新生胞外聚合物在不同濃度下均可促進(jìn)吸附。對廢水中鋁的處理實驗組3d時比1d時更低，可能是因為死菌解體造成的脫吸附，因此在實際應(yīng)用中，合理控制反應(yīng)周期，不僅能節(jié)約時間，而且能提高去除效率。

圖2 活菌和死菌吸附低質(zhì)量濃度重金屬時的去除率

廢水中重金屬質(zhì)量濃度相對較高時，白腐真菌吸附1 d時的出水未達(dá)標(biāo)，吸附3 d時的出水活菌組均達(dá)標(biāo)，死菌組除Zn外也均達(dá)標(biāo)。重金屬質(zhì)量濃度相對較低時，1 d時的出水活菌組均達(dá)標(biāo)，死菌組除Ni外也均達(dá)標(biāo)，而吸附3 d時的出水則均達(dá)標(biāo)。由此可以確定反應(yīng)的時間，即確定實際應(yīng)用時的水力停留時間(HRT)。

表1 各實驗組出水中重金屬質(zhì)量濃度與國標(biāo)的對比

白腐真菌對廢水中重金屬的吸附是物理作用，通過各實驗組間比較，對不同重金屬不存在明顯的選擇吸附性。

2.2 白腐真菌對COD、氨氮、總氮及總磷的去除

電鍍污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB21900-2008)中同時規(guī)定了COD、氨氮、總氮和總磷的排放標(biāo)準(zhǔn)。白腐真菌作為異養(yǎng)菌，活菌在吸附重金屬的同時，通過自身的碳氮磷代謝過程吸收去除水中的有機(jī)物、氨氮、總氮和總磷，各項指標(biāo)明顯降低，出水均能達(dá)標(biāo)，結(jié)果見表2。

表2 白腐真菌對COD、氨氮、總氮和總磷的去除效果

在廢水中低質(zhì)量濃度重金屬下，活菌降低COD、氨氮和總磷的效果更好;而廢水中高質(zhì)量濃度重金屬下，活菌降低總氮的效果更好。白腐真菌對不同底物的代謝是基于不同代謝通路的;重金屬質(zhì)量濃度發(fā)生變化時，不同代謝通路的活躍程度變化不一致，由此造成對各底物的降解效果上的差異。另外，死菌不具備代謝功能，基本不能起到降低COD、氨氮、總氮和總磷的作用，故未列出。

2.3 白腐真菌中重金屬的洗脫

當(dāng)白腐真菌吸附重金屬飽和后，可以通過少量酸液將重金屬洗脫下來，洗脫液僅為總水量1%，其中的重金屬可通過電絮凝等手段回收，菌株可以重復(fù)使用。各實驗組洗脫率見圖3。由圖3可以看出，洗脫率最高為77.6%，最低為42.6%。其中，高質(zhì)量濃度重金屬實驗組的洗脫率高于低質(zhì)量濃度重金屬實驗組，相差20%以上，可見重金屬負(fù)載量高時易于洗脫;而死菌洗脫率高于活菌，可能是因為死菌的胞外聚合物相對疏松，易于洗脫。

圖3 白腐真菌中重金屬洗脫率

初始投加活菌對廢水中重金屬進(jìn)行吸附，經(jīng)過一次使用后，對白腐真菌進(jìn)行洗脫，洗脫后成為死菌，如再重復(fù)利用，需遵循上述的死菌吸附規(guī)律。

白腐真菌吸附去除電鍍廢水中的重金屬，主要是依靠胞外多糖等聚合物的作用;其胞外多糖基因在重金屬離子存在時仍然可以正常地轉(zhuǎn)錄表達(dá)，這是確保白腐真菌在反應(yīng)器內(nèi)具備長期吸附重金屬能力的基礎(chǔ)。王亮等［8］采用帶能譜儀的環(huán)境掃描電鏡(ESEM-EDX)表征了吸附重金屬離子前后白腐真菌菌體表面的變化，可以看出胞外聚合物對吸附能力的重要影響，通過調(diào)控胞外多糖的生成量來提高吸附能力也成為未來研究方向之一。

另外，白腐真菌產(chǎn)生的過氧化物酶系具有廣譜降解性，能降解木質(zhì)素、芳香族及偶氮類等復(fù)雜物質(zhì)。因此，如果能將其吸附性和廣譜降解性結(jié)合起來處理含復(fù)雜成分廢水，可以達(dá)到事半功倍的效果。

目前工業(yè)廢水脫色最常用的是絮凝沉淀或絮凝氣浮法，根據(jù)污染物質(zhì)濃度的差異，使用的絮凝劑成本約為0.75～2.0元/m3，而且為一次性使用。白腐真菌的胞外多糖是不斷隨代謝產(chǎn)生的，可以在多次進(jìn)水中重復(fù)使用(使用次數(shù)和成本呈負(fù)相關(guān))，因此去除效果和成本較物化法都具有明顯優(yōu)勢。

3 結(jié)論

白腐真菌可以通過吸附作用去除電鍍廢水中的多種重金屬。活菌吸附效果優(yōu)于死菌，吸附率最高可達(dá)95.6%。廢水中重金屬質(zhì)量濃度高時，負(fù)載量越大，吸附效率越高，但反應(yīng)時間需適當(dāng)延長，最終活菌組均可達(dá)標(biāo)。白腐真菌在吸附重金屬的同時，可以通過自身代謝降低COD、氨氮、總氮和總磷。吸附重金屬達(dá)到飽和的菌體可以通過洗脫重復(fù)利用，洗脫液中的重金屬可以通過電絮凝等手段回收。

綜上所述，白腐真菌去除電鍍廢水中的重金屬，較之物化法具有成本和效果雙重優(yōu)勢，未來可能在電鍍及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的廢水處理中發(fā)揮重要作用。

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