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        脲酶菌的篩選及其對垃圾焚燒飛灰的固化

        2018-11-07 11:14:32,,,,
        關(guān)鍵詞:側(cè)限脲酶飛灰

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        (浙江理工大學(xué),a.生命科學(xué)學(xué)院;b.土木工程與建筑學(xué)院,杭州 310018)

        0 引 言

        垃圾焚燒是當(dāng)前城市垃圾處置的重要方式。近年來,我國經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)興建生活垃圾焚燒廠的量逐年遞增,2015年底全國生活垃圾焚燒廠多達(dá)267座,日焚燒垃圾21.90萬噸以上,且年焚燒垃圾量以10%的速度增長[1]?;以巧罾贌谋厝划a(chǎn)物,其中包括焚燒爐中產(chǎn)生的底灰和煙氣凈化系統(tǒng)中收集得到的飛灰,底灰的比重約為20.00%~30.00%,飛灰比重約為3.00%~5.00%[2]。大量研究結(jié)果表明,飛灰中易富集Zn、Pb、Hg、Cu、Cr、Cd和Ni等重金屬,飛灰內(nèi)Zn、Pb、Cu、Cr、Cd和Ni含量一般占飛灰干重的0.41%~1.93%、0.14%~0.57%、0.04%~0.11%、0.02%~0.04%、0.01%~0.04%和0.01%~0.02%[3-6]。

        本文目的是研究脲酶菌對焚燒飛灰內(nèi)重金屬的固化效果。從丹參根際土壤中篩選獲得兩株脲酶菌UR-F51和UR-121,對固化飛灰的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和顆粒級配進(jìn)行測定,從而評估脲酶菌UR-F51和UR-121對飛灰的固化能力;對固化后飛灰的重金屬浸出濃度進(jìn)行了測試,從而評估微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉積處理后飛灰內(nèi)重金屬的穩(wěn)定能力。

        1 材料與方法

        1.1 實(shí)驗(yàn)材料

        KH2PO42.00 g/L,NaCl 5.00 g/L,Na2Ac 2.00 g/L,尿素20.00 g/L,瓊脂20.00 g/L,酚紅(終濃度為0.01 g/L)。

        富集培養(yǎng)基:酵母提取物20.00 g/L,(NH4)2SO410.00 g/L。

        篩選培養(yǎng)基:葡萄糖20.00 g/L,蛋白胨2.00 g/L,牛肉膏10.00 g/L,酵母膏3.00 g/L,所用試劑純度皆為分析純。城市垃圾焚燒飛灰來源于杭州市蕭山區(qū)錦江綠色有限公司。

        1.2 實(shí)驗(yàn)方法

        1.2.1 脲酶菌的篩選與鑒定

        脲酶菌的篩選:稱取土壤5.00 g,按10%的接種量與無菌水混合,制成懸浮液。對懸浮液進(jìn)行倍比稀釋后,分別吸取100 μL的1×10-5、1×10-6倍和1×10-7倍稀釋液,均勻涂布于固體篩選培養(yǎng)基上,每個(gè)梯度3個(gè)重復(fù),30 ℃恒溫培養(yǎng),定期觀察。然后,挑取使固體篩選培養(yǎng)基顏色變紅的不同菌株,在固體篩選培養(yǎng)基上劃線純化培養(yǎng),30 ℃恒溫培養(yǎng),每隔24 h觀察。以尿素為底物,進(jìn)行脲酶活性測定,具體方法見文獻(xiàn)[13]。挑選脲酶活性較高的菌株進(jìn)行飛灰固化實(shí)驗(yàn)。

        脲酶菌分子鑒定:對篩選獲得的高效脲酶菌進(jìn)行16S rDNA分子鑒定。采用通用引物27 F(AGAGTTTGATCCTGGCTCAG)和1492 R(GGTTACCTTGTTACGACTT)對脲酶菌DNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增,PCR反應(yīng)體系和循環(huán)參數(shù)見文獻(xiàn)[14]。PCR擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行純化后,送至蘇州金唯智生物科技有限公司測序。測序結(jié)果與Ezbiocloud庫進(jìn)行Blast比對,利用MEGA 5.0建立系統(tǒng)發(fā)育樹,從而分析脲酶菌的進(jìn)化地位。

        1.2.2 脲酶菌固化飛灰

        1.2.2.1 脲酶菌固化飛灰過程

        將垃圾焚燒飛灰于105 ℃烘箱內(nèi)干燥24 h;脲酶菌UR-F51和UR-121在30 ℃、220 r/min搖床內(nèi)擴(kuò)大培養(yǎng)48 h。將垃圾焚燒飛灰與尿素和菌液按1.00 kg:0.027 kg:300.00 mL的比例進(jìn)行充分混合,稱取上述混合物120.00 g,分三次均勻填充于內(nèi)徑36 mm、高80 mm的模具內(nèi),后置于溫度為20 ℃、濕度為95%的養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù),24 h后開模,并繼續(xù)在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)6 d。以水處理后的飛灰樣品為對照組,每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

        1.2.2.2 固化飛灰的檢測

        無側(cè)限抗壓強(qiáng)度:利用萬能伺服試驗(yàn)機(jī)(CMT4000)對養(yǎng)護(hù)7 d后的模型進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)壓力計(jì)量程為30 kN,精度為1 N,加載速率為2 mm/min。

        固化顆粒級配:取無側(cè)限抗壓實(shí)驗(yàn)后飛灰樣品,在105 ℃的烘箱內(nèi)烘干24 h,用橡膠槌研碎,按《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237—1999),采用篩分法和甲種密度計(jì)法聯(lián)合測定顆粒級配,并繪制曲線,顆粒級配的數(shù)據(jù)處理和分析方法見文獻(xiàn)[15]。

        重金屬的固化率:取無側(cè)限抗壓實(shí)驗(yàn)后樣品,在105 ℃的烘箱內(nèi)烘干24 h,用橡膠槌研碎,按《固體廢物浸出毒性浸出方法-水平振蕩法》(HJ 557—2009),對脲酶菌固化后飛灰進(jìn)行重金屬毒性浸出,并利用ICP-MS技術(shù)對脲酶菌固化后飛灰重金屬浸出濃度進(jìn)行測定,計(jì)算固化飛灰的重金屬固化率。

        1.3 統(tǒng)計(jì)分析

        利用SPSS 20.0軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 脲酶菌篩選與鑒定

        2.1.1 脲酶活性測定

        從土壤內(nèi)篩選獲得2株生長較快的脲酶菌,分別命名為UR-F51和UR-121。對2株脲酶菌進(jìn)行脲酶活性定量檢測,結(jié)果見表1。由表1可知,菌株UR-F51和UR-121的脲酶活性分別為14.91 mmol/L和10.19 mmol/L,且菌株UR-F51脲酶活性是UR-121的1.5倍。

        表1 脲酶菌UR-F51和UR-121脲酶活性

        2.1.2 脲酶菌16S rDNA分子鑒定

        對篩選獲得的高效脲酶菌進(jìn)行16S rDNA分子鑒定,并將脲酶菌測序結(jié)果與Ezbiocloud庫進(jìn)行比對,脲酶菌UR-121和UR-F51的分子鑒定與Ezbiocloud數(shù)據(jù)庫比對結(jié)果,如表2。表2顯示:菌株UR-F51與Bacillusaryabhattai、UR-121與Pseudomonastaiwanensis相似度均為99%以上。利用軟件MEGA 5.0,建立脲酶菌UR-121和UR-F51的系統(tǒng)發(fā)育樹,如圖1。圖1中可見,菌株UR-F51與Bacillusaryabhattai、菌株UR-121與Pseudomonastaiwanensis各自聚為一簇,因此菌株UR-F51為Bacillusaryabhattai,菌株UR-121為Pseudomonastaiwanensis。

        表2 脲酶菌UR-121和UR-F51的分子鑒定與Ezbiocloud數(shù)據(jù)庫比對結(jié)果

        圖1 基于16S rDNA序列構(gòu)建脲酶菌UR-F51和UR-121的系統(tǒng)發(fā)育樹

        2.2 脲酶菌固化飛灰

        利用脲酶菌UR-F51和UR-121分別固化垃圾焚燒飛灰,繼而測定脲酶菌固化后飛灰的各項(xiàng)指標(biāo),即無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、飛灰顆粒級配、飛灰顆粒SEM檢測和重金屬固化率。

        2.2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

        脲酶菌固化后飛灰樣品在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)7 d,然后測定其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。脲酶菌UR-F51和UR-121的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測定結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,脲酶活性與抗壓強(qiáng)度呈正相關(guān),脲酶活性較高的UR-F51,其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相對其他處理組偏高;UR-F51和UR-121處理組的抗壓強(qiáng)度分別為0.42 MPa和0.36 MPa,與對照組相比,分別提高48.46%和27.39%。以上結(jié)果表明,脲酶菌固化后飛灰的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯得到提高,且與脲酶活性呈一定的正相關(guān)。

        圖2 脲酶菌UR-121和UR-F51固化后的飛灰抗壓強(qiáng)度

        2.2.2 固化飛灰顆粒級配

        采用篩分法和甲種密度計(jì)法聯(lián)合測定固化后飛灰的顆粒級配,并繪制顆粒級配曲線,脲酶菌UR-121和UR-F51固化后的飛灰顆分級配曲線,如圖3。結(jié)果顯示:脲酶菌固化飛灰的顆粒直徑在0.00~1.00 mm之間;粒徑小于0.01 mm時(shí),處理組間無明顯差異,且所有固化后的飛灰所占的百分含量均約為10%;粒徑在0.03~0.90 mm之間時(shí),處理組間差異顯著,與對照相比,菌株UR-F51和UR-121處理組所占百分含量顯著增偏高,且處理組UR-F51所占百分含量顯著高于UR-121。以上結(jié)果表明:脲酶菌固化后飛灰的顆粒粒徑顯著變大,且處理組UR-F51的顆分粒徑最大,與脲酶菌UR-F51和UR-121固化飛灰后的掃描電鏡(圖4)結(jié)果一致。

        圖3 脲酶菌UR-121和UR-F51固化后的飛灰顆分級配曲線

        圖4 脲酶菌UR-121和UR-F51固化后飛灰SEM圖

        2.3.3 固化飛灰的重金屬固化率

        脲酶菌UR-121和UR-F51固化飛灰后的重金屬浸出濃度結(jié)果如表3所示。由表3可知,Cu和Cr的浸出濃度顯著高于Ni、Cd、Hg和Pb。菌株UR-F51和UR-121處理組的Cr、Ni、Cu、Cd和Pb浸出濃度顯著低于對照,表明2株脲酶菌顯著促進(jìn)飛灰中重金屬的固化作用。菌株UR-F51和UR-121處理組固化后飛灰內(nèi)Cu的浸出濃度分別為0.58 μg/L和132.70 μg/L,固化率分別為99.73%和37.17%;Ni浸出濃度分別為0.09 μg/L和0.55 μg/L,固化率分別為90.43%和41.49%;Cr浸出濃度分別為2.63 μg/L和3.55 μg/L,固化率分別為37.23%和15.27%。以上結(jié)果證實(shí)菌株UR-F51對飛灰重金屬的固化效果最佳。

        3 討 論

        本文從土壤中分離出2株脲酶菌BacillusaryabhattaiUR-F51和PseudomonastaiwanensisUR-121,進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)2株脲酶菌均能增強(qiáng)飛灰的固化作用,其中菌株BacillusaryabhattaiUR-F51對飛灰及其重金屬的固化效果最好,在飛灰處理中具有一定的應(yīng)用潛力。影響飛灰及其重金屬的因素有很多,如脲酶菌脲酶活性、環(huán)境pH值、脲酶菌代謝產(chǎn)物和飛灰顆粒大小等[8]。

        表3 脲酶菌UR-121和UR-F51固化飛灰后的重金屬浸出濃度

        注:利用spss軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析,表內(nèi)凡有一個(gè)相同標(biāo)記字母的即為差異不顯著,凡具不同標(biāo)記字母的即為差異顯著。

        4 結(jié) 論

        飛灰富含重金屬等有毒有害物質(zhì),對人類的健康造成極大的威脅。許多研究表明,脲酶菌的應(yīng)用可以緩解城市生活垃圾焚燒飛灰污染。本文通過篩選脲酶菌,并探索脲酶菌生物固化焚燒飛灰的效果,結(jié)論如下:

        a) 本文從土壤內(nèi)分離獲得2株高效脲酶菌BacillusaryabhattaiUR-F51和PseudomonastaiwanensisUR-121。

        b) 2株脲酶菌均能增強(qiáng)飛灰的固化作用,其中菌株BacillusaryabhattaiUR-F51對飛灰及其重金屬的固化效果最好,在飛灰處理中具有一定的應(yīng)用潛力。

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