1 引言

　　核技術(shù)開發(fā)利用在給人類帶來巨大經(jīng)濟效益和社會效益的同時，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(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，耗能少等特點而漸備受關(guān)注.酵母細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行核素離子的吸附富集處理的相關(guān)研究已有較多報道.來自釀酒廠的廢棄酵母細胞作為工業(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)吸附實驗中，微生物吸附劑都是通過離心方式進行固液分離處理的;然而，將來微生物吸附在處理大宗量實際重金屬或核素污染廢水時，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)有機廢液、水體污染藻類等的絮凝處理已有較多報道.其中的化學絮凝法主要以鋁鹽、聚合氯化鋁鐵作為無機絮凝劑，通過中和藻類細胞的表面電荷，使其富集沉降，得了良好的除藻效果.那么，利用已有化學絮凝法對體積更小的菌體細胞是否有很好絮凝效果，對吸附重金屬或核素廢水后的微生物吸附劑進行絮凝處理是否是一個方便、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胞對Sr2+較佳吸附條件的基礎(chǔ)上，以吸附Sr2+后的啤酒酵母細胞為對象，開展絮凝劑種類、液相pH、絮凝劑添加量等因素對絮凝效果的影響研究，并對絮凝效果較好的PAC進行了絮凝機理初步探討，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 實驗材料與方法

　　2.1 實驗材料及準備

　　實驗用微生物為啤酒酵母細胞，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，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，PAC為工業(yè)級.

　　絮凝實驗前，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 實驗儀器

　　S440型掃描電鏡(英國Leica公司)、ZS90型Zeta電位計(英國Malvern公司)、HI88703型濁度儀(美國Hach公司)、S40型pH /電導率計(瑞士Mettler Toledo公司).

　　2.3 絮凝試驗

　　實驗前，將所需濃度酵母細胞加入含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.絮凝條件：①絮凝劑添加量：取已被吸附Sr2+后酵母細胞溶液懸浮液分別分成10份，每份150 mL，并從1到10對其進行依次編號，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，進行絮凝試驗.②pH影響實驗：取已被吸附Sr2+后酵母細胞溶液懸浮液分別分成7份，每份150 mL，并從1到7對其進行依次編號，再將1到7號溶液的pH值分別調(diào)到4、5、6、7、8、9、10，加入定量絮凝劑，進行絮凝試驗.③酵母細胞濃度實驗：將4、5、6、8和10 g · L-1的吸附Sr2+后的酵母細胞懸浮液，各取40 mL加入平底試管中，加入絮凝劑開始實驗.以上各組實驗均記錄絮凝0、30和60 min時上部液體濁度，并根據(jù)公式(1)計算絮凝效率.

　　式中，η為絮凝效率;TUt為絮凝劑加入后t時刻的液相濁度(NTU);TU0為絮凝劑初始加入時刻的液相濁度(NTU).

　　2.4 SEM分析

　　在PAC加入后液相出現(xiàn)明顯礬花時(約0.5 min)，立即取絮凝體滴加在蓋玻片上制SEM樣片，并同時取對照組制備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，進行SEM分析.

　　2.5 Zeta電位分析

　　配制6.0 g · L-1的酵母細胞和0.1 mmol · L-1的PAC(聚合氯化鋁)，在pH為3~10范圍內(nèi)，25 ℃下測試相應(yīng)的Zeta電位值，每個對應(yīng)pH測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 不同絮凝劑對酵母細胞的絮凝效果

　　絮凝前，測得含酵母細胞的液相濁度為1380 NTU，無絮凝劑對照組絮凝30 min和60 min時上清液濁度分別為330 NUT和260 NUT.由圖 1中可以看出，對于3種鋁鹽而言，PAC對酵母細胞的絮凝效果最好，絮凝效果順序為PAC> KAl(SO4)2> Al2(SO4)3.隨著絮凝劑加入量的增大，Al2(SO4)3和KAl(SO4)2作用下酵母細胞的絮凝效率基本呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢;在60 min時的上清液濁度分別為170 NTU和130 NTU，對應(yīng)絮凝效率分別為87.68%和90.58%.對于PAC而言，其對酵母細胞的絮凝效果隨絮凝劑添加量變化呈現(xiàn)“V”字型，即投加量到達一定的時候，繼續(xù)投加混凝劑會使得液相中酵母細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，絮凝效果較好.其中，當PAC添加量為2.0 mL情況下(對應(yīng)體積比為1 ∶ 20)，30 min和60 min時上清液濁度分別為20 NTU和10 NTU，對應(yīng)絮凝效率最高分別為98.55%和99.28%;而當PAC添加量增至4.5 mL時，其在30 min和60 min時上清液濁度均為210 NTU，對應(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)作用在當絮凝劑投加量超過一定限度時，會產(chǎn)生“膠體保護”作用，發(fā)生再穩(wěn)現(xiàn)象，酵母細胞的絮凝效果反而下降.

 圖 1 不同絮凝劑投加量下3種鋁鹽對酵母細胞的絮凝效果

　　3.2 液相初始pH對絮凝效果的影響

　　由圖 2a可以看出，絮凝前，含酵母細胞液相的濁度隨著pH的增加而升高;在pH 4~10范圍內(nèi)，對應(yīng)溶液濁度為1500—1730 NTU.當絮凝進行30 min和60 min時，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，Al2(SO4)3和KAl(SO4)2組在30 min時對應(yīng)上清液濁度分別為235 NTU和219 NTU;而pH為9時，對應(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時對應(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種鋁鹽對酵母細胞絮凝效果的影響

　　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%.對于PAC而言，膠體顆粒表面電性受液相pH的影響較大.當液相pH>8時，其水解后生成的Al(OH)3帶較弱的負電;當pH<7時，水解后生成的Al(OH)3帶較強的正電.酵母細胞在弱酸和中性條件下基本呈負電性，因此，在pH<7時，PAC絮凝體與酵母細胞菌體表面電荷相異，可加強Al(OH)3網(wǎng)捕作用和卷掃絮凝，提高絮凝效果.綜上可知，實驗條件下3種鋁鹽絮凝劑對酵母細胞絮凝效果對比結(jié)果顯示為：PAC> KAl(SO4)2> Al2(SO4)3.

　　3.3 酵母細胞初始濃度對絮凝效果的影響

　　酵母細胞初始濃度對PAC絮凝效果的影響結(jié)果見圖 3.可以看出，無絮凝劑時，液相濁度隨酵母細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)，對應(yīng)濁度為805~3120 NTU.酵母細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，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，在酵母細胞初始濃度為4.0 g · L-1時，30 min和60 min時上清液濁度分別為163.0 NTU和32.7 NTU.60 min時，酵母細胞初始濃度在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)時間內(nèi)，可以看出酵母細胞初始濃度為5.0 g · L-1組對應(yīng)濁度最低，此時相應(yīng)的絮凝劑與酵母細胞加入質(zhì)量比為9∶50.

 圖 3 不同酵母細胞初始濃度對PAC絮凝效果的影響

　　3.4 PAC絮凝酵母細胞的SEM分析

　　在PAC加入前后取樣制片進行SEM分析，結(jié)果見圖 4.PAC加入前，液相中酵母細胞菌體在經(jīng)過吸附振蕩1 h后，菌體相對分散(如圖 4a所示)，菌體間團聚規(guī)模小，沉降緩慢.而當加入PAC后，酵母細胞菌體在PAC分子作用下，快速聚集成團，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，大量酵母細胞菌體在PAC分子作用下短時間內(nèi)聚集成較大的菌膠團，加速絮凝體的形成，從而快速有礬花現(xiàn)象產(chǎn)生.

 圖 4 PAC絮凝前后酵母細胞SEM分析(a. 絮凝前(×10000); b. 絮凝1 min后(×5000))

　　3.5 絮凝機理分析

　　圖 5為pH為3~10范圍內(nèi)，PAC和酵母細胞的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，較為穩(wěn)定.酵母的Zeta電位隨pH增加而逐漸降低，其等電點分別出現(xiàn)在2.5左右.在實驗絮凝pH條件下，酵母細胞表面均帶負電.可以看出，對酵母細胞而言，pH為6.5~7.5范圍內(nèi)的酵母細胞與PAC的Zeta電位差值相對較大;其中絮凝效果最佳的初始液相pH(pH=7.0)時，對應(yīng)的酵母細胞與PAC的Zeta電位差值Δζ為68.4 mV.實驗條件下，當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電的酵母細胞菌體(對應(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與酵母細胞的Zeta電位分析

　　在實驗整個絮凝過程中，定時測試液相電導率變化，監(jiān)測間隔為20 s，時長為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，液相電導率在短時間內(nèi)有快速變化.例如，當液相初始pH為7時，加入PAC后液相電導率在最初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實驗組中，電導率則在起初120 s由1.926 ms最低降到1.853 ms.而當液相初始pH為4時，電導率在經(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.液相電導率高低與其內(nèi)含溶質(zhì)鹽的濃度或會分解為電解質(zhì)的化學雜質(zhì)有直接關(guān)系.實驗中電導率值是液相中PAC分子、Sr2+剩余離子、酵母細胞菌體及其附帶有機雜質(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，在水中與酵母細胞所帶的負電荷瞬間產(chǎn)生中和作用，使膠體脫穩(wěn)而迅速絮凝，并進一步架橋生成大絮團而快速沉淀.其中PAC的加入對Sr2+剩余離子和有機雜質(zhì)影響較小，因此液相電導率值主要由PAC分子和酵母細胞菌體數(shù)量決定.液相電導率越小，對應(yīng)剩余PAC和菌體數(shù)量就越少，絮凝效果越好.同樣，電導率變化越快，對應(yīng)的絮凝速度就越快.因此，圖 6中的電導率變化結(jié)果也證明了pH為7初始液相條件下，PAC對酵母細胞的絮凝效果最好，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.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

 圖 6 不同初始pH下PAC絮凝過程液相電導率變化趨勢

　　4 結(jié)論

　　實驗條件下，3種鋁鹽絮凝劑對酵母細胞絮凝效果對比結(jié)果顯示為：PAC> KAl(SO4)2> Al2(SO4)3. PAC對酵母細胞的絮凝是一個快速作用過程，在1 min內(nèi)出現(xiàn)明顯礬花現(xiàn)象;在60 min時絮凝效率可達到99%以上.對應(yīng)最佳絮凝條件為：pH=7.0，初始酵母細胞濃度為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)果顯示此時酵母細胞菌體在PAC分子作用下快速形成菌膠團.對PAC快速絮凝酵母細胞的機理初步研究發(fā)現(xiàn)，在pH為3~10范圍內(nèi)，酵母細胞與PAC之間的Zeta電位差值均在50 mV以上，當pH為7時其最大差值可達到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電的酵母細胞菌體，并快速形成絮凝體而沉降.絮凝過程中液相電導率變化分析也證實了這點.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.