王繼豪，馮秀娟，2，黃哂蒞，鄒彥鋆

(1.江西理工大學(xué) 江西省環(huán)境巖土與工程災(zāi)害控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州 341000；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

水中重金屬污染問題引起業(yè)界和學(xué)界的重視，其中Cr6+以強(qiáng)致癌變、致畸變和致突變作用嚴(yán)重危害人類健康[1-2]。硫酸鹽還原菌(SRB)是微生物修復(fù)中的功能菌之一[3]，研究發(fā)現(xiàn)，碳源、pH、溫度等條件影響SRB活性，而重金屬對SRB毒性影響巨大[4-5]。本文用海藻酸鈉(SA)進(jìn)行活性SRB固定化[6-9]，羧甲基纖維素(CMC)能增加SA的機(jī)械性能[10-12]，采用交聯(lián)-包埋法制成SRB顆粒，探究顆粒對Cr6+的吸附性能，為含鉻廢水治理提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

普通脫硫弧菌(Desulfovibriovulgaris)，購買自中國微生物菌種保藏管理委員會(huì)普通微生物中心，菌種編號1.5190；硫酸鹽還原菌培養(yǎng)基、羧甲基纖維素鈉、海藻酸鈉、CaCl2·2H2O、NaCl均為分析純；GAC經(jīng)研磨過篩，粒徑為100目。

UV752紫外分光光度計(jì)；DRP-9162型電熱恒溫培養(yǎng)箱；DK-S26型電熱恒溫水浴鍋；蔡司Sigma 300掃描電鏡(SEM)；Thermo Scientific Nicolet 6700傅里葉紅外光譜儀(FTIR)；Thermo Scientific K-Alpha X射線光電子能譜分析儀(XPS)。

1.2 培養(yǎng)基

采用硫酸鹽還原菌專屬培養(yǎng)基(postgate培養(yǎng)基)進(jìn)行菌體培養(yǎng)：K2HPO40.5 g/L，NH4Cl 1 g/L，Na2SO41 g/L，CaCl2·2H2O 0.1 g/L，MgSO4·7H2O 2 g/L，F(xiàn)eSO4·7H2O 0.5 g/L，DL-乳酸鈉2 g/L，酵母提取物1 g/L，抗壞血酸0.1 g/L，121 ℃滅菌20 min。

1.3 固定化小球的制備

配制0.5%CMC和2%SA的混合溶液，置于 90 ℃ 的恒溫水浴鍋內(nèi)充分溶解，冷卻至室溫后，加入活性炭和10%SRB懸濁液，攪拌均勻。使用 10 mL 醫(yī)用注射器將混合物滴入2%CaCl2溶液中交聯(lián)4 h。取出成型顆粒，用0.9%的生理鹽水清洗3遍，4 ℃環(huán)境下密閉保存。實(shí)驗(yàn)前，在厭氧條件下用postgate培養(yǎng)基激活12 h，使得顆粒內(nèi)部SRB能夠生長富集。

1.4 吸附實(shí)驗(yàn)

固定化實(shí)驗(yàn)均在電熱恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行，設(shè)定溫度為37 ℃，固液比10%(M/V)。稱量10 g(濕重)固定顆粒于200 mL具塞錐形瓶中，加入100 mL濃度為50 mg/L的Cr6+的廢水，CMC濃度0.5%，SA濃度2%，GAC濃度3%。靜置反應(yīng)8 h，取樣，根據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》中二苯碳酰二肼分光光度法，于波長540 nm處測定Cr6+的剩余濃度。實(shí)驗(yàn)設(shè)置3組平行。Cr6+的吸附量按式(1)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式中c0—— Cr6+的初始濃度，mg/L；

c1——Cr6+的剩余濃度，mg/L；

m——固定化SRB顆粒的投加量，g；

V——溶液體積，mL。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算處理采用Microsoft Excel 2010，數(shù)據(jù)作圖采用Origin 2018，圖形制作采用Adobe Photoshop CS6。

2 結(jié)果與討論

2.1 固定化SRB顆粒條件優(yōu)化

2.1.1 CMC投加量的影響 CMC投加量對固定化SRB顆粒去除Cr6+的效果見圖1。

圖1 CMC投加量對固定化SRB的性能影響Fig.1 Effect of CMC dosage on the performance of immobilized SRB

由圖1可知，隨著CMC投加量的增加，溶液中Cr6+的濃度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。其中投加量為0.5%時(shí)去除效果最佳，當(dāng)投加量為2%，3%和4%時(shí)，溶液中Cr6+濃度無明顯差別。主要為投加CMC能促進(jìn)SA凝膠乳化和分散[12]，形成較大的孔隙密度，有利于SRB附著生長，但是當(dāng)CMC投加量大于2%時(shí)，所形成的SRB凝膠顆粒粘度高，抑制了SRB去除Cr6+的性能。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)隨著CMC投加量的增加，顆粒拖尾現(xiàn)象嚴(yán)重，形成的顆粒直徑較大，在同等質(zhì)量下，比表面積小，不利于SRB與溶液充分接觸。因此，選擇0.5%為CMC的最佳投加濃度。

2.1.2 SA投加量的影響 SA投加量對固定化SRB顆粒具有重要影響，單獨(dú)CMC溶液不能形成顆粒，只有摻雜了SA的膠體滴加入含交聯(lián)劑CaCl2中溶液中，才能夠凝膠成球。SA投加量對固定化SRB顆粒去除Cr6+的效果見圖2。

圖2 SA投加量對固定化SRB的性能影響Fig.2 Effect of SA dosage on the performance of immobilized SRB

由圖2可知，SA投加量為1%時(shí)，Cr6+濃度最低，為(23.97±0.23)mg/L。隨著SA投加量增加至5%時(shí)，由于海藻酸鈉含有的羥基和羧基官能團(tuán)，可以吸附水中部分Cr6+，然而過量添加SA也會(huì)導(dǎo)致顆粒機(jī)械強(qiáng)度大，影響其內(nèi)外擴(kuò)散的傳質(zhì)性能下降。另一方面，戴云飛等發(fā)現(xiàn)，過低的SA濃度會(huì)導(dǎo)致小球在實(shí)驗(yàn)48 h后出現(xiàn)破損，菌體暴露在溶液中[13]。該現(xiàn)象與本實(shí)驗(yàn)一致。因此，選擇2%為SA的最佳投加量。

2.1.3 GAC投加量的影響 GAC投加量對固定化SRB顆粒去除Cr6+的效果見圖3。

圖3 GAC投加量對固定化SRB的性能影響Fig.3 Effect of GAC dosage on the performance of immobilized SRB

由圖3可知，隨著GAC投加量的增加，Cr6+濃度有一個(gè)明顯的下降過程。初始Cr6+濃度為 50 mg/L，投加量為3%時(shí)，反應(yīng)8 h后溶液濃度為(21.09±0.23)mg/L，去除率達(dá)57.82%。推測為活性炭具有良好的吸附性能和較大的比表面積，能夠增強(qiáng)顆粒SRB的去除Cr6+的能力，同時(shí)也能快速減少Cr(Ⅵ)濃度，降低對顆粒內(nèi)SRB的毒性。吳義誠等的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加入生物炭后，膠球中小球藻細(xì)胞密度是對照組的1.42倍[14]。因此，活性炭的空隙結(jié)構(gòu)有利于SRB附著生長，選擇3%為GAC的最佳投加量。

2.2 吸附等溫線

稱取10 g(濕重)固定顆粒于200 mL具塞錐形瓶中，加入100 mL不同濃度梯度的含Cr6+廢水，反應(yīng)2 h，平行取樣3次，測定Cr6+的剩余濃度。采用Langmuir和Freundlich方程對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖4和表1。

其中Langmuir方程式(2)通過ce/qe對ce線性擬合求得參數(shù)qm和KL，F(xiàn)reundlich式(3)參數(shù)KF和n通過lnqe對lnce線性擬合得到。

(2)

(3)

式中qe——顆粒對Cr6+平衡吸附量，mg/g；

KL——常數(shù)，與吸附反應(yīng)焓有關(guān)，L/mg；

ce——溶液Cr6+的平衡濃度，mg/L；

qm——顆粒對Cr6+的最大理論吸附量，mg/g；

KF——方程的吸附系數(shù)。

由圖4可知，Langmuir、Freundlich擬合結(jié)果與實(shí)測值都比較貼合，說明該吸附過程既符合Langmuir方程，也符合Freundlich模型[15]，而Freundlich模型R2值為0.98大于前者的0.93，說明固定化SRB顆粒屬于多分子層吸附，在吸附過程中不僅是SRB對Cr6+的還原作用，也包含GAC的吸附作用。由Langmuir擬合結(jié)果可知，顆粒在該條件下的qm達(dá)到4.587 mg/g，說明顆粒對Cr6+的吸附效果顯著，而Freundlich方程中1/n =0.593，說明顆粒不具備對Cr6+快速吸附的能力，這一結(jié)果與實(shí)驗(yàn)趨勢一致，表明凝膠層對SRB起了保護(hù)作用，也削弱了菌體的傳質(zhì)性能。

圖4 固定化SRB顆粒吸附等溫線擬合Fig.4 Adsorption isotherm fitting of immobilized SRB particles

表1 吸附等溫線擬合參數(shù)Table 1 Adsorption isotherm fitting parameters

2.3 吸附動(dòng)力學(xué)研究

吸附動(dòng)力學(xué)采用擬一級動(dòng)力學(xué)[16]和擬二級動(dòng)力學(xué)[17]來擬合。

擬一級動(dòng)力學(xué)qt=qe-qee-k1t

(4)

(5)

式中qt——t時(shí)刻時(shí)顆粒的吸附量，mg/g；

qe——平衡時(shí)吸附量，mg/g；

k1——擬一級動(dòng)力學(xué)方程的速率常數(shù)，min-1；

k2——擬二級動(dòng)力學(xué)方程的速率常數(shù)，g/(mg·min)。

稱量10 g固定顆粒于200 mL具塞錐形瓶中，加入100 mL濃度為50 mg/L的Cr6+廢水，設(shè)置培養(yǎng)箱溫度為37 ℃，黑暗靜置培養(yǎng)，設(shè)置3組平行樣，于不同時(shí)間取樣，測定Cr6+的剩余濃度。固定化SRB顆粒對Cr6+的吸附量變化見圖5。

由圖5可知，在實(shí)驗(yàn)開始的20 min內(nèi)，Cr6+快速被吸附，0～24 h屬于快速吸附階段。隨著顆粒表面吸附位點(diǎn)的飽和，Cr6+去除速率逐漸降低，進(jìn)入慢速吸附階段，在60 h達(dá)到吸附平衡，吸附量占總吸附量的29.6%。

圖5 固定化SRB顆粒動(dòng)力學(xué)模型擬合曲線Fig.5 Fitting curve of kinetic model of immobilized SRB particles

分別采用準(zhǔn)一級動(dòng)力學(xué)和準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)擬合顆粒吸附Cr6+的過程，結(jié)果見表2。

表2 吸附動(dòng)力學(xué)模型擬合參數(shù)Table 2 Fitting parameters of adsorption kinetic model

由表2可知，準(zhǔn)一級動(dòng)力學(xué)和準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)的R2分別為0.958和0.986，理論平衡吸附量(qe)分別為4.716 mg/g和5.345 mg/g，都十分接近實(shí)驗(yàn)平衡吸附量4.995 mg/g。這表明顆粒SRB吸附Cr6+的過程是多種吸附反應(yīng)的復(fù)合效應(yīng)，以表面化學(xué)吸附為主[2]，準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)模型更吻合顆粒對Cr6+的吸附動(dòng)力學(xué)機(jī)制。

2.4 固定化SRB顆粒反應(yīng)機(jī)理研究

2.4.1 SEM 圖6為固定化SRB顆粒外表面和截面結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖。

圖6 固定化SRB顆粒SEM分析Fig.6 SEM analysis of immobilize SRB particles

由圖6b(顆粒20 μm表面)可知，由于小球經(jīng)過干燥脫水，顆粒表面存在明顯裂紋，凹凸不平較為粗糙。由圖6a(5 μm)可知，局部表面布滿細(xì)小微孔，便于微生物與外界的物質(zhì)交換，但仍然有一些團(tuán)聚物呈塊狀、圓球狀分散在顆粒表面；切開截面觀察，圖6d(20 μm圖)中可以看到顆粒內(nèi)部更加粗糙，分布大大小小的各類形狀的孔室和裂紋，這些構(gòu)成了顆粒內(nèi)部的物質(zhì)運(yùn)輸通道和微生物生活空間。由圖6c(5 μm)可知，在微生物附著在孔隙中生長，由于制備過程氣泡沒有完全去除，可以觀察到大量規(guī)則的氣孔。

2.4.2 FTIR 固定化SRB顆粒表面的FTIR見圖7。

圖7 固定化SRB顆粒FTIR分析Fig.7 FTIR analysis of immobilized SRB particles

2.4.3 XPS 為探討顆粒SRB反應(yīng)機(jī)理，采用XPS對材料進(jìn)行表征。XPS全譜見圖8a，Cr 2p光譜圖見圖8b。

由圖8a可知，各元素信息表明，Cr被成功吸附到材料表面。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，顆粒粒徑變小且強(qiáng)度降低，該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與XPS全譜圖中峰強(qiáng)減弱一致。Cr 2p3/2 和 Cr 2p1/2 的特征峰分別為 578.0 eV 和587.4 eV，與文獻(xiàn)中峰范圍一致[19]。結(jié)果表明，Cr 2p3/2在578.0 eV處的寬峰被擬合為兩個(gè)峰，結(jié)合能分別為577.7 eV和581.2 eV，在587.4 eV處的Cr 2p1/2也擬合為 586.8 eV 和 589.0 eV 的兩個(gè)峰，這些峰分別歸屬于Cr3+和Cr6+。Cr3+與Cr6+占比分別為70.7%和29.3%，該結(jié)果表明固定化SRB顆粒在反應(yīng)中將Cr6+還原為毒性較小的Cr3+。

圖8 固定化SRB顆粒XPS分析Fig.8 XPS analysis of immobilize SRB particlesa.反應(yīng)前后XPS全譜圖；b.反應(yīng)前后Cr 2p-XPS光譜圖

2.5 吸附-再循環(huán)實(shí)驗(yàn)

稱量10 g(濕重)固定顆粒于200 mL具塞錐形瓶中，加入濃度為50 mg/L的Cr6+溶液，其他反應(yīng)條件與動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)相同，完全反應(yīng)48 h后將顆粒與液體分離，收集并測定溶液中Cr6+濃度。再重復(fù)上述步驟進(jìn)行連續(xù)吸附實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖9。

圖9 固定化SRB顆粒吸附再循環(huán)Fig.9 Adsorption recycling of immobilized SRB particlesa.吸附再循環(huán)實(shí)驗(yàn)；b.階段去除速率

由圖9a可知，固定化SRB顆粒在第一次循環(huán)實(shí)驗(yàn)中去除率最高達(dá)89.44%，當(dāng)循環(huán)次數(shù)不斷增加，顆粒對Cr6+的去除率逐漸降低，并且在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)顆粒表面凝膠溶解，粒徑減小，出現(xiàn)細(xì)胞溶出現(xiàn)象。推測由于固定化時(shí)間短，導(dǎo)致材料交聯(lián)程度差，機(jī)械強(qiáng)度較低。另外，連續(xù)多次的重復(fù)使用，也使得顆粒的吸附位點(diǎn)減少，同時(shí)，Cr6+被還原成硫化物沉淀包裹在顆粒表面使得顆粒去除效果減弱。由圖9b可知，0～12 h階段，顆粒經(jīng)過12 h激活后，顆粒性能得到增強(qiáng)，隨后出現(xiàn)驟降，該階段5次循環(huán)的平均去除速率為0.31 mg/h，之后24～36 h和36～48 h兩個(gè)階段去除速率呈緩慢下降趨勢，同時(shí)也可以看出5次循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，各階段的去除速率基本一致，顆粒對Cr6+的去除率仍高達(dá) 56.1%，這表明固定化SRB顆粒在處理含鉻廢水上具有較好的可重復(fù)利用率。

3 結(jié)論

(1)固定化SRB顆粒的最佳制備條件為：0.5% CMC，2%SA和3%GAC。

(2)固定化SRB顆粒吸附Cr6+符合準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)方程，表明該過程以表面化學(xué)吸附為主，多種吸附反應(yīng)的復(fù)合效應(yīng)。吸附過程與Freundlich模型擬合結(jié)果貼合，是多分子層吸附，由于凝膠削弱了顆粒傳質(zhì)作用，顆粒SRB不具備對Cr6+的快速吸附能力。

(3)SEM、FTIR和XPS的表征結(jié)果表明，固定化顆粒通過大小不一的孔室對SRB起到保護(hù)作用和生長空間，同時(shí)顆粒含有多種官能團(tuán)形成吸附位點(diǎn)，與SRB一同將Cr6+還原成毒性小的Cr3+。

(4)在吸附-再循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，固定化SRB顆粒在5次循環(huán)實(shí)驗(yàn)后，對Cr6+的去除率仍有56.1%，在實(shí)驗(yàn)的各個(gè)階段，去除速率基本保持不變。