申请日2008.10.06
公开(公告)日2010.04.14
IPC分类号C02F1/62; C02F103/20; C02F1/28; C02F3/34
摘要
一种利用藻菌协同体系对含镉重金属废水进行无害化生物吸附处理的同时两次生产氢气的方法，属于环境能源技术领域。本方法的主要特点在于利用藻细胞壁和菌细胞壁协同快速吸附镉，同时利用衣藻的重金属胁迫效应与其培养过程中硫元素缺乏效应有相似之处的特点让衣藻除镉同时产生氢气，并进一步利用丁酸梭菌来发酵衣藻光合作用累积的生物量再次产氢，吸镉产氢的过程中使用的菌均固定化处理，效率高且易于下游处理，最后获得镉浓度达标的清洁水和大量氢气。该方法可广泛应用于工业化生产的含镉废水清洁化处理及能源化利用。
权利要求书
1.一种资源化处理镉污染废水的方法，其主要过程包括：确定衣藻与固定化的蜡样芽孢杆菌协同作用吸附处理镉污染废水，衣藻缺硫产生氢气，丁酸梭菌发酵死亡衣藻产生氢气，具体如下：
(1)将衣藻和固定化蜡样芽胞杆菌加入镉污染废水中，衣藻和固定化蜡样芽胞杆菌协同快速吸附镉，清除镉污染，获得清洁水体;
(2)封闭水体，衣藻放氢;
(3)衣藻陆续死亡，加入丁酸梭菌和少量糖蜜废液，发酵产出大量氢气;其中所述的蜡样芽孢杆菌为CGMCC 1.1846，丁酸梭菌为CGMCC 1.209。
说明书
一种资源化处理镉污染废水的方法
技术领域
本发明属于环境能源技术领域，具体涉及一种适合于工业化生产的含镉污水清洁化处理及能源化利用的方法。
背景技术
重金属镉对水体的污染已成为全球性的环境问题之一。我国80年代初的调查发现，在金沙江、湘江、蓟运河及锦州湾等地水体均有不同程度的重金属镉污染，严重地段的水相重金属镉浓度高达几百μg/L，沉积物中重金属镉浓度甚至达到上千mg/L[1];2005年底，广东北江突发镉污染事件，孟洲坝断面的镉超标12倍，一度引起当地工农业用水的中断。国外，二十世纪上半叶，日本的“水俣事件”和“富山事件”重金属污染案例早已为人熟知。镉是毒性很强的重金属，慢性中毒表现为头痛、乏力、鼻粘膜萎缩、肺呼吸功能下降、肾功能衰退、胃痛等，急性中毒则有恶心、呕吐、头痛、腹痛等症状，镉能在体内妨碍钙进入骨骼，可造成骨质疏松，脆而易断，引起所谓骨痛病。冶金工业污水中的冲洗水以及有色冶金工业污水，化学工业污水和轻工业污水中，镉包含其中。人体中的镉主要是由被污染的水、食物、空气通过消化道与呼吸道摄入体内的，其中水是人体大量积蓄造成镉中毒的主要原因。企业长期将没有严格处理的废水排放，会致使高浓度的含镉废水污染水源。用这种含镉的水浇灌农田，稻秧生长不良，生产出来的稻米成为“镉米”，严重危害人体健康。尤其应该指出的是，由于镉是汽油添加剂的重要成分，在当今城市汽车工业高速发展的过程中，随着汽油大量消耗，镉也随之排入大气，进而沉降入土壤和水体，进入水体中的镉，能通过食物链而被富集放大，也能以元素形式直接被浮游生物和高等生物吸收。因此，寻找一种很好解决镉污染的办法，对于良好生态环境的维持，尤其是工业发达的城市生态环境是很重要的。
治理水体重金属镉污染，传统的方法主要以物理和化学方法居多，包括沉淀法、螯合树脂法、高分子捕集剂法、天然沸石吸附法、膜技术、活性炭吸附工艺、离子交换法等[2，3]。这些方法具有净化效率高、周期较短等优点，但工作流程大多过长、操作繁琐、处理费用昂贵。因此，人们一直在寻求更为环保、经济适用的方法来代替它们。
生物修复是这种环保、经济适用型方法之一，自1989年美国利用生物修复技术成功处理“瓦尔迪斯”号油轮溢油污染[4]以来，已被国内外研究者应用到各种污染处理中。这一技术普遍被认为具有物理、化学修复方法所无法比拟的优点，费用低廉、不破坏场地结构、不造成地下水二次污染、可以美化环境、易为社会接受，发展前途十分广阔。
在此基础上探索藻类对重金属污染水体的生物修复技术已逐渐成为国际水体污染治理研究中的一个新热点。利用藻类清洁修复水体中的重金属在国内报道相对较少，国外对褐藻的重金属累积方面的研究进行得比较深入，但实际运用还鲜有报道。对于藻类之一的衣藻镉耐受能力和重金属累积能力，已有较多相关文献报道，同时着重于研究衣藻在重金属镉的胁迫下，光系统II光化学活性的改变及其机制，以及氮代谢、硫代谢的代谢变化状况等。衣藻作为微藻光水解放氢的模式植物，国外研究已很深入，正在尝试从实验室向产业化方向迈进。申请者之一的朱毅曾获得衣藻放氢的相关授权专利(ZL 2005 1 0011297.2)，藻菌复合体系的实践模式也在专利中应用。在本专利中，依旧应用衣藻除镉产氢，同时选择了具备更优异吸镉能力的蜡样芽胞杆菌Bacillus cereus(CGMCC 1.1846)，以及更优异发酵放氢能力的丁酸梭菌Clostridium butylicum(CGMCC 1.209)
利用微生物治理修复镉污染土壤的研究，相比于大型陆生植物要早得多，但实际运用却并不广泛。微生物治理周转速度快，生物量易于累积，加之复合微生物体系协同增效，能更好地发挥吸附修复作用。目前研究表明，某些藻类对镉等重金属的最大吸附容量在0.8至1.6mmol/g(干重)之间，吸附容量比其他种类的生物体高得多。吸附速度快，10min内，镉从溶液中的去除率可达到50%以上，因此，藻类适合于发展成为高效的生物吸附材料。
目前微生物修复镉污染的水体是环境技术领域的一个前沿热点，利用藻菌复合体系协同治理是新颖的思路;更为巧妙的技术设计在于修复了镉污染水体的同时，还生产出大量清洁能源——氢气，本发明充分利用藻菌高效复合体系，具有停留时间短，占地面积小，费用低，附加值高等优点，为处理城镇及农村的污水提供了一可行的途径。
[1]李然，李嘉，赵文谦。水环境中重金属污染研究概述。四川环境，1997，16(1)：18～22。
[2]张剑波，冯金敏。离子吸附技术在废水处理中的应用和发展。环境污染治理技术与设备，2000，1(1)：46～51。
[3]赵璇，吴天宝，叶裕才。我国饮用水源的重金属污染及治理技术深化问题。给水排水，1998，24(10)：22～25。
[4]涂书新，韦朝阳。我国生物修复技术的现状与展望。地理科学进展，2004，23(6)：20～32。
发明内容
针对镉污染的危害，国内外对镉污染治理修复研究的基础，以及藻菌复合体系生物吸附镉、藻光合放氢、菌发酵放氢的机理，我们在此提供一种利用藻菌复合体系修复被镉污染水体，并获得清洁能源氢气的方法，涉及重金属污染水体修复，废水能源化利用技术，能广泛应用于含镉废水的净化和高附加值处理。
技术方案如下：
(1)向镉污染污水中投入莱茵衣藻Chlamydomonas reinhardtii(购于美国杜克大学衣藻中心，cc125mt+)，该衣藻同于申请者之一朱毅授权专利(ZL 2005 1 0011297.2)中的衣藻。其生物积累和生物吸着废水中的镉，其累积量可达到藻和菌平均干重的7%(干重，质量分数);
(2)同时加入海藻酸钠固定化的蜡样芽胞杆菌(CGMCC 1.1846)，与藻液体积比为1∶1;
(3)将污水封闭光照，约12小时后衣藻处于无氧状态开始放氢。放氢量约为每升藻液每小时放出0.5毫升氢气，持续12小时左右;
(4)衣藻陆续死亡，加入丁酸梭菌(CGMCC 1.209)和少量糖蜜废液，发酵产出大量氢气，放氢量约为每升废水每小时放出毫升氢气;
(5)水体变得澄清透亮，镉浓度小于0.5μg/L，过滤收集固定化的蜡样芽胞杆菌，进行下游处理。
技术方案之(3)中衣藻放氢机理在于镉抑制衣藻的氮消耗，硫消耗率则提高了40%，直接导致衣藻的硫缺乏，缺硫和镉胁迫联合导致PS II放氧中心复合体D1/32kd蛋白合成受阻。D1蛋白是叶绿体基因编码的所有蛋白质中周转代谢最快的蛋白质，在光照下，D1蛋白处于不断的破坏、降解、合成、修复中，缺硫造成这一周转过程中Cys、Met等蛋白合成非常基本的主要组分合成受阻碍，PS II的修复循环停滞了，光系统II的光化学活性下降，逐渐停止光合放氢。缺硫选择性抑制光合放氧，而呼吸作用则在初期受到的抑制比较小：放氧明显抑制，呼吸依旧进行，加上蜡样芽胞杆菌的协同呼吸作用，约12小时后，系统进入无氧状态，衣藻开始放氢。
本专利的创新点在于利用绿藻和两种细菌构成的复合微生物体系协同作用，对含镉废水进行无害化生物处理，尤为新颖具有创新性的是在处理过程中，利用衣藻的重金属胁迫效应和硫元素缺乏效应相似的特点，生产出清洁能源——氢气，之后又进一步利用细菌发酵衣藻光合作用累积的生物量，再次产氢，在氢经济社会的今天，更彰显其治理过程的环境友好和可持续性。
具体实施方式
实施例：
实验主要仪器：
ST-04微量水色谱仪(北京分析仪器厂)，3m长5A分子筛柱子，热导检测器，高纯气谱用氮气作为载气，外标法测定，色谱工作站JF-9902(北京分析仪器厂)，排水集气法可观察到放氢的体积，并计算出氢气纯度。
实验步骤
110,000g离心收蜡样芽胞杆菌(CGMCC 1.1846)菌体，无菌水洗两次，所用菌液OD600为0.50-0.60之间;
2所得菌糊加入1/3体积的无菌去离子水混匀;
3加入2倍体积的4%藻酸钠，充分混匀;
4将0.05mol/l CaCl2于37℃水浴保温10分钟;
5将藻酸钠和菌糊的混合液装入注射器中，用9号针头匀速分滴滴入CaCl2溶液中。用批量3升反应器培养时，则倒入灭菌后的大烧杯中，用硅胶管和蠕动泵相接，匀速滴入CaCl2溶液中，CaCl2溶液中放一个大转子，用磁力搅拌器匀速搅拌;
6倾去溶液，用无菌去离子水冲洗1次;
7重新加入0.05mol/l CaCl2溶液，于4℃平衡6小时;
8倾去CaCl2溶液，用TAP-S培养基清洗2次后用纱布包裹待用;
9如上同样方法制备丁酸梭菌的菌珠待用。
A将培养到3-6×106个/ml浓度的衣藻离心收获后投入镉污染水体中(对于工厂排放的可集中收集于容器中的污染水源效果最佳)，同时将上述固定处理好的菌珠小袋悬挂浸没于藻液中央，将此系统封闭并处于透光状态培养，正常阳光的昼夜交替即可，如果连续阴雨天气，需要设置人工连续光照，光照强度为100μmol/m2/s，排水集气法收集氢气。如此藻液、菌珠在72小时内可吸镉放氢，藻液可放氢约12小时，放氢速率约为每升藻液每小时生产0.5毫升氢气，持续12小时左右，收集气体中氢气纯度为92%，而菌珠则可持续使用2个月有效，吸附镉能力为7%(干重，质量分数)。
B放氢结束后将菌珠取出可以再次使用。在除镉放氢系统中加入1%(m/v)废糖蜜，或者豆腐厂废豆渣，或者饭店废弃食物残渣，再加入预先培养到OD600为0.50-0.60之间的固定化的丁酸梭菌菌珠(m/v为1‰，m为菌湿重，也就是菌糊重)，继续排水集气法收集生产氢气，此时不需要光照，产氢速率约为每升废水每小时8毫升氢气，可持续产氢100小时以上，依加入的底物多少而持续时间有差异，连续进料可持续产氢10天。衣藻藻体中剩余淀粉也被充分利用，水体变得澄清透明，镉浓度小于我国渔业水质标准(GB11607-89)镉的最高浓度0.0005mg/L。将丁酸梭菌菌珠收获后可继续使用，2个月内有效。当两种固定化菌珠都失效时，采取去固定化的方法，配制1M的磷酸缓冲液，pH值7.0，将固定化藻体中的液体倾去，然后倒入磷酸缓冲液，倒入量为淹没过固定菌珠即可，去固定化后再对吸收了镉的菌体集中处理，累积到一定量时再回收镉。