處理含鈷工業(yè)廢水的方法

在當今環(huán)境污染中，水體污染已嚴重威脅著(zhù)社會(huì )發(fā)展與人類(lèi)健康，成為亟待解決的主要污染問(wèn)題之一[1, 2]. 一直以來(lái)，金屬污染因其危害大、 治理難等特點(diǎn)成為工業(yè)廢水治理過(guò)程中的一大難題[3, 4]. 隨著(zhù)冶金、 電鍍及核技術(shù)等的迅猛發(fā)展，水體重金屬污染中鈷元素污染也隨之而來(lái). 當鈷離子濃度較高時(shí)會(huì )對植物產(chǎn)生毒害作用，危害人類(lèi)健康. 目前的方法對于廢水中Co2+的去除比較困難，普遍采用的物理-化學(xué)處理方法效果不佳[5]. 因此，治理工業(yè)廢水中難處理、 高危害的金屬污染問(wèn)題成為凈化廢水的重中之重.

　　傳統治理重金屬工業(yè)廢水的方法一般如化學(xué)沉淀、 溶劑萃取、 離子交換及膜分離等[6]. 這些技術(shù)由于金屬去除不完全、 昂貴的設備及大量的試劑和能量需求等原因而難以應用[5, 7]. 一種以具有替代不可再生資源潛力的微藻凈化為首的生物學(xué)方法，可克服傳統物理-化學(xué)方法缺陷成為金屬廢水污染凈化或恢復的研究熱點(diǎn)[8, 9]. 利用微藻處理工業(yè)廢水的同時(shí)，還可以固定CO2，生產(chǎn)生物燃料，這對緩解化石燃料短缺與改善水體環(huán)境都有重要意義[10]. 然而，前人研究表明通過(guò)傳統的液體懸浮培養藻類(lèi)凈化富含金屬廢水，藻細胞生長(cháng)受到抑制，生物產(chǎn)率較低[11]. 因此，尋求開(kāi)發(fā)高效的微藻培養方式處理廢水具有重要意義.

　　相比于傳統液體懸浮培養，微藻的生物膜貼壁培養是一種新型培養模式. 不同的是，生物膜貼壁培養是根據光稀釋與固定化的原理，將藻細胞與培養基相分離，并固定在一定生物膜材料上，極少量的培養基液體通過(guò)附著(zhù)多孔材料的背面或內部滴入以使藻細胞處于半干濕潤狀態(tài)，并在一定光照強度與CO2濃度下進(jìn)行生長(cháng)的培養方式(圖 1)，其在培養過(guò)程中的取樣和培養后的培養液回收均比傳統液體懸浮培養更為經(jīng)濟、 簡(jiǎn)便[12]. 前期對包括葡萄藻在內的多種藻類(lèi)的生物膜貼壁培養進(jìn)行了深入研究，其中葡萄藻可見(jiàn)光光能利用率最高可達14.9%，培養過(guò)程每生產(chǎn)1kg生物量所需培養基NaNO3僅為27.5g，生物產(chǎn)率和烴產(chǎn)率等也都優(yōu)于傳統培養方式[13]. 貼壁培養因為藻細胞與培養基相分離，利用廢水進(jìn)行微藻的生物膜貼壁培養，藻細胞培養完成后無(wú)需離心，具有一定優(yōu)勢. 在生產(chǎn)生物燃料的同時(shí)耦合處理環(huán)境廢水，為工業(yè)廢水處理凈化提出新的嘗試.

　　圖 1 葡萄藻生物膜培養裝置示意

　　眾多微藻中，葡萄藻因能產(chǎn)生大量的烴類(lèi)而聞名. 從生物能源替代化石能源的角度，烴類(lèi)燃料比脂肪酸甲酯更接近于傳統化石燃料[14]. 而且葡萄藻生成的烴類(lèi)燃燒后產(chǎn)熱值高且對大氣CO2含量無(wú)凈增加，是一種非常有潛力的可再生能源[15, 16]. Sawayama 等[17]用經(jīng)過(guò)二次處理的生活污水(second treated sewage,STS)培養葡萄藻，發(fā)現生活污水中的氮和磷含量大大減少，而同時(shí)有毒重金屬元素砷、 鉻、 鎘等的濃度也大為降低. 本研究利用廢水培養葡萄藻可以?xún)艋�環(huán)境、 降低培養成本，以期為葡萄藻生物燃料生產(chǎn)奠定基礎.

　　本文結合貼壁培養反應裝置的特殊性及前人的實(shí)驗研究，主要考察了電鍍廠(chǎng)排放的含鈷工業(yè)廢水對葡萄藻貼壁培養生長(cháng)及烴積累情況的影響，以期凈化工業(yè)水環(huán)境，在生產(chǎn)生物燃料的同時(shí)降低葡萄藻貼壁培養工藝成本.

　　1 材料與方法1.1 藻種來(lái)源與培養

　　藻株： A品系葡萄藻(Botryococcus braunii SAG 807-1，A race)購買(mǎi)于德國哥廷根大學(xué).

　　葡萄藻種子液培養： 將培養至對數期葡萄藻接種于含Chu 13培養基的玻璃柱800 mL(高80 cm×直徑5 cm)中[13]，使其初始培養濃度約0.1 g·L-1，溫度(25±1) ℃，連續光照強度(100±10) μmol·(m2·s)-1，通入含有1%(體積分數)CO2的壓縮空氣(0.1 MPa)，氣體流速為1 mL·s-1，培養液的pH值約為7.5.

　　1.2 葡萄藻貼壁培養及生物量測定

　　葡萄藻的貼壁培養反應裝置如圖 2所示，一長(cháng)0.4 m，寬0.2 m，厚3 mm的玻璃板置于0.5 m×0.3 m×0.05 m的玻璃腔中，玻璃板的一面附有濾紙，并接受正上方的光照. 將葡萄藻藻種接種到醋酸纖維素膜上，貼于附著(zhù)在玻璃板的濾紙上，將附有藻種的玻璃板放入玻璃腔室內，為保障玻璃腔室內的穩定環(huán)境，用保鮮膜封住玻璃腔的一面. 二氧化碳混合氣通過(guò)玻璃腔的小孔進(jìn)入培養室，培養基通過(guò)循環(huán)泵滴加(培養基循環(huán)使用). 為了培養液更好均勻地滲入藻細胞內，將玻璃培養腔放置一定傾斜角度，熒光燈置于培養腔正上方提供光源. 貼壁培養條件與種子液培養條件相同.

　　圖 2 葡萄藻貼壁培養實(shí)驗裝置

　　葡萄藻生物量測定： 將孔徑0.45 μm，面積0.001 m2的醋酸纖維膜煮沸3次后，在105℃ 烘箱中烘至恒重(W1)，將待測藻樣(DW)用蒸餾水沖洗完全入干凈燒杯中，并倒入抽濾裝置內抽濾至已稱(chēng)重的膜上，將附有藻的膜放入105℃ 烘箱中烘至恒重(W2)，用分析天平稱(chēng)量藻樣的重量(g·m-2)：

　　(1)

　　1.3 葡萄藻烴類(lèi)的提取與分析

　　將葡萄藻溶液于2500 r·min-1離心8 min，洗滌離心3次后收集藻體，然后進(jìn)行冷凍干燥. 稱(chēng)取一定質(zhì)量的干燥藻粉，加入正己烷超聲15 min，1500 r·min-1離心10 min后，收集正己烷提取液，提取過(guò)程重復3~4次，直到提取液無(wú)色，合并正己烷提取液，25℃ 水浴下旋轉蒸發(fā)掉正己烷，室溫下用氮氣吹干所剩殘余，稱(chēng)其重量即為“粗烴”質(zhì)量，計算后得到粗烴含量. 本研究中涉及到的“烴”如無(wú)特殊說(shuō)明均指“粗烴”.

　　粗烴經(jīng)硅膠柱(硅膠粒度200～300目，層析柱尺寸10 mm×100 mm，正己烷為流動(dòng)相)純化，收集黃色條帶出來(lái)之前的所有樣品，25℃ 旋轉蒸發(fā)掉正己烷，氮氣吹干所剩殘余，稱(chēng)重得到“純烴”質(zhì)量，計算后得到純烴含量[18, 19]. 然后硅膠柱分別用氯仿和甲醇進(jìn)行洗脫，分別收集洗脫后的樣品，旋轉蒸發(fā)、 氮氣吹干，稱(chēng)重，即得非極性脂肪酸和極性脂肪酸含量[20].

　　GC/GC-MS 分析[21, 22]： 氣相色譜為安捷倫7890A，檢測器為 FID 檢測器，所得到的純烴溶于色譜純的正己烷中，色譜柱為Agilent HP-5-二苯基聚硅氧烷共聚物色譜柱(30 m×0.25 id)，進(jìn)樣口溫度240℃，檢測器溫度250℃; 初始溫度130℃ (5 min)，然后以8℃·min-1 的速度升到200℃ (2 min)，再以5℃·min-1的速度升到280℃ (20 min). 質(zhì)譜條件： 電子能量70 eV，質(zhì)荷比m/z范圍40～600，結果鑒定對比已報道譜圖.

　　1.4 葡萄藻貼壁培養基中N濃度與Co2+濃度的測定

　　葡萄藻貼壁培養液中氮含量的測定方法參照Collos等[23]的實(shí)驗研究. 準確量取2 mL培養液，10000 r·min-1下離心5 min，收集上清液在220 nm下分光光度計測定，氮的濃度參照以下公式：

　　(2)

　　式中,c是氮濃度(mmol·L-1).

　　葡萄藻貼壁培養液中鈷濃度的測定參照Wang等[24]的離子色譜法.

　　1.5 工業(yè)廢水應用于葡萄藻的貼壁培養

　　將葡萄藻種子液培養14 d后，在溫度(25±1) ℃，連續光照強度(100±10) μmol·(m2·s)-1，1% (體積分數)CO2條件下接種于二次工業(yè)廢水中(由青島黃島廢水處理廠(chǎng)提供)，培養8 d后，研究葡萄藻貼壁培養生長(cháng)及烴類(lèi)積累情況.

　　1.6 統計分析和數學(xué)計算

　　本實(shí)驗中，多組數據間差異顯著(zhù)性分析利用 SPSS 11.0(SPSS Inc.,Chicago,Illinois,USA)的方差分析(ANOVA)程序完成，當 P<0.05 時(shí)表示差異顯著(zhù). 實(shí)驗中，曲線(xiàn)作圖及擬合用 Sigmaplot 8.0(SPSS Inc.,Chicago,Illinois,USA)完成.

　　2 結果與討論

　　2.1 工業(yè)廢水貼壁培養葡萄藻

　　本研究首先將青島黃島廢水處理廠(chǎng)提供的二次工業(yè)廢水與正常Chu 13培養基在相同條件下貼壁培養，其中工業(yè)廢水各主要參數指標見(jiàn)表 1. 相比于正常Chu13培養基，工業(yè)廢水培養基(表 1)中Co2+濃度為0.86 mg·L-1，明顯高于正常Chu 13培養基中Co2+濃度(約為0.09 mg·L-1).

　　表 1 工業(yè)廢水各主要參數指標

　　實(shí)驗研究工業(yè)廢水與正常培養基下貼壁培養葡萄藻生長(cháng)與烴積累情況. 由圖 3(a)與3(b)可知，葡萄藻在工業(yè)廢水及正常Chu 13培養基下長(cháng)勢相當，培養8 d后工業(yè)廢水貼壁培養葡萄藻生長(cháng)狀況略?xún)?yōu)于正常培養基下培養，分別約為6.0 g·(m2·d)-1與5.6 g·(m2·d)-1. 對于烴類(lèi)積累而言[圖 3(c)]，葡萄藻在工業(yè)廢水中烴含量高于正常Chu 13培養基中的含量，分別約是60.2%和51.2%; 而相應的工業(yè)廢水貼壁培養葡萄藻烴產(chǎn)率為3.6 g·(m2·d)-1，高于正常Chu 13培養基中的2.9 g·(m2·d)-1.

　　圖 3 工業(yè)廢水對葡萄藻貼壁培養生長(cháng)與烴積累的影響

　　同時(shí)，還觀(guān)察了葡萄藻在工業(yè)廢水與正常Chu 13培養基貼壁培養8 d的細胞顯微圖(圖 4). 從圖 4的光學(xué)顯微照片可看出，葡萄藻在正常Chu 13培養基中貼壁培養藻細胞較為鮮綠[圖 4(a)]. 整個(gè)藻體細胞串狀集落生，類(lèi)似成串葡萄，由形態(tài)不規則且長(cháng)短各異的繩索狀透明膠質(zhì)部分(折射紹絲)連接而成外型不規則或略近球形的復合集落. 相比較而言，葡萄藻在工業(yè)廢水中培養，藻細胞中脫落在培養基中“杯鞘”較正常Chu 13培養基中的多; 而且培養基中分散的透明顆粒狀堆積物也較正常培養基中多，這些或許是分泌烴類(lèi)的產(chǎn)物.

　　圖 4 葡萄藻在工業(yè)廢水與正常培養基貼壁培養下藻細胞顯微圖

　　葡萄藻在工業(yè)廢水中貼壁培養生長(cháng)與烴類(lèi)的積累情況優(yōu)于正常Chu 13培養基，這或許因為工業(yè)廢水中氮等營(yíng)養鹽濃度優(yōu)于正常Chu 13培養基. 值得注意的是，本研究工業(yè)廢水中Co2+濃度相比較正常Chu 13培養基約高10倍，這是否是促進(jìn)葡萄藻生長(cháng)和烴積累的關(guān)鍵因素，具體原因需要設計實(shí)驗研究.

　　2.2 Co2+濃度對葡萄藻貼壁培養生長(cháng)影響

　　為了進(jìn)一步驗證Co2+濃度對葡萄藻貼壁培養生長(cháng)的影響，在上述實(shí)驗基礎上于正常Chu 13培養基中分別設計了不同鈷濃度0.09(正常)、 0.18、 0.45、 0.90、 4.50、 45.00 mg·L-1對葡萄藻貼壁生長(cháng)的影響(圖 5). 由圖 5可知，在相同條件下Co2+濃度從0.09 mg·L-1至4.50 mg·L-1均能支持葡萄藻貼壁培養較好的生長(cháng). 從圖 5(b)可看出，在葡萄藻貼壁培養8 d內，Co2+濃度為0.09、 0.18、 0.45、 0.90 mg·L-1下生物產(chǎn)率相差不大，分別是6.9、 6.6、 6.5和 6.6 g·(m2·d)-1. 當Co2+濃度為4.50 mg·L-1時(shí)，葡萄藻貼壁培養前4 d內生物產(chǎn)率與正常培養相差不大，培養8 d后生物產(chǎn)率略微下降，約為5.5 g·(m2·d)-1; 當Co2+濃度為45.00 mg·L-1時(shí)，葡萄藻貼壁培養生長(cháng)明顯受到抑制，培養8 d后生物產(chǎn)率僅為0.98 g·(m2·d)-1. 由此可知，4.50 mg·L-1鈷濃度對葡萄藻貼壁生長(cháng)影響不大. 在此基礎上，為進(jìn)一步研究Co2+對葡萄藻貼壁培養烴合成的影響，實(shí)驗選取Co2+濃度0.09 mg·L-1(正常)與4.50 mg·L-1(鈷富余)為研究對象，研究烴積累情況及培養基中Co2+濃度變化情況.

　　圖 5 Co2+濃度對葡萄藻貼壁生長(cháng)的影響

　　2.3 Co2+濃度對葡萄藻貼壁培養烴積累影響

　　在相同條件下，本實(shí)驗研究了Chu 13培養基中鈷富余(4.50 mg·L-1)與正常培養(0.09 mg·L-1)下烴積累的情況(圖 6).從圖 6可看出，隨著(zhù)培養時(shí)間的延長(cháng)無(wú)論是Co2+富余還是正常下烴的含量都增加，但烴含量在Co2+富余下相對較高.培養8 d后，葡萄藻貼壁培養在Co2+富余與正常濃度下烴含量分別是52.9%、43.2%.因為Co2+富余下生物產(chǎn)率低于正常的，因而其對應的烴產(chǎn)率與正常Co2+濃度相當，分別約是2.8 g·(m2·d)-1、 2.9 g·(m2·d)-1 [圖 6(b)].

　　圖 6 Co2+對葡萄藻貼壁培養烴含量、 烴產(chǎn)率的影響

　　一般地，A品系葡萄藻所產(chǎn)烴類(lèi)為C25-C31奇數二烯和三烯類(lèi)化合物. 本實(shí)驗中A品系葡萄藻在Co2+富余與正常濃度下貼壁培養所合成烴構架如圖 7所示. 從中可知，Co2+富余下C31含量約為24.9%，高于Co2+含量正常下的15.3%; C27的含量低于正常Co2+濃度下的量，分別約為13.9%與18.0%; 而C29下的含量在兩種Co2+濃度下相當. 總體來(lái)說(shuō)，其它類(lèi)型的烴類(lèi)含量正常Co2+濃度下略高于Co2+富余下的量. Dennis等[25]認為一定的高Co2+濃度可以提高鈷-卟啉復合酶的活性，進(jìn)而促進(jìn)脂肪醛到烴類(lèi)的轉換. 因此，4.50 mg·L-1 Co2+促進(jìn)了葡萄藻長(cháng)鏈烴等的合成.

　　圖 7 Co2+對葡萄藻貼壁培養烴構架的影響

　　2.4 葡萄藻貼壁方式下培養基中Co2+與N濃度變化情況

　　本研究葡萄藻貼壁培養在Chu 13培養基中Co2+富余(4.50 mg·L-1)與正常情況下(0.09 mg·L-1)培養基中N、 Co2+的消耗情況(圖 8). 由圖 8(a)可知，葡萄藻在Co2+富余下培養，Co2+濃度在前2 d急劇下降，而在隨后的6 d中Co2+濃度減少趨于平緩，培養8 d后最終Co2+濃度約為0.71mg·L-1. 這說(shuō)明葡萄藻在Co2+富余濃度下的貼壁培養基中約85%的Co2+被去除. 結合生物產(chǎn)率計算，葡萄藻貼壁培養Co2+的結合能力為1473.9 μmol·g-1，遠高于Carrilho等[26]的報道微藻P. littoralis的結合力560 μmol·g-1.

　　圖 8 葡萄藻貼壁培養下培養基中Co2+、 N含量的變化情況

　　從圖 8(b)可看出，培養基中N含量的消耗在Co2+濃度富余情況下消耗速率低于正常值，但最終趨勢類(lèi)似，N濃度均從最初的1.98 mmol降到約0. 通過(guò)比較圖 8發(fā)現，在當培養基中Co2+含量變化不大后，N的消耗繼續直至消耗殆盡. 這可能是因為培養基中Co2+的消耗伴隨著(zhù)離子交換，當培養基中Co2+濃度較高時(shí)阻止N通過(guò)位于細胞膜上的離子通道輸出細胞[27]. 由此可知，葡萄藻貼壁培養或許在鈷元素去除方面比其它培養方式更有優(yōu)勢.

　　3 結論

　　(1) 葡萄藻貼壁培養對工業(yè)廢水中重金屬鈷元素的去除效率較高，而且可以促進(jìn)生物燃料烴類(lèi)的合成. 在利用藻類(lèi)生產(chǎn)生物燃料的同時(shí)，去除工業(yè)廢水中N、 P及重金屬元素，可為綠色高能燃料烴類(lèi)的生產(chǎn)與工業(yè)廢水處理耦合提供理論基礎，為工業(yè)廢水處理提供“綠色生態(tài)”途徑.

　　(2) 葡萄藻貼壁培養可處理含鈷工業(yè)廢水，一定范圍內Co2+濃度(<4.5 mg·L-1)對藻細胞生長(cháng)影響不大，反而有利于烴類(lèi)的合成. 4.5 mg·L-1 Co2+可以促進(jìn)葡萄藻長(cháng)鏈烴類(lèi)的合成，提高烴產(chǎn)量.

　　(3) 葡萄藻貼壁培養去除工業(yè)廢水中Co2+的能力為1473.9 μmol·g-1，遠高于報道的微藻P. littoralis.