一种基于藻类生物膜去除水中重金属的方法

本发明属于重金属污水处理，具体涉及一种基于藻类生物膜去除水中重金属的方法。

背景技术：

1、重金属是指原子密度大于5g·cm-3的一类金属元素，主要包括cd、cr、hg、pb、cu、zn、ag、sn等，一般从毒性角度也将as、se和al包括在内。重金属是一种性质稳定的、难以降解的环境污染物，它们会致畸、致癌，在低浓度下亦具有高毒性，重金属浓度即使略微超过规定的限度也可能比更高浓度的相对低毒性的金属更加危险。重金属浓度是表征环境质量的重要指标，与环境健康状况密切相关。一般而言，自然环境中重金属的原始浓度不会对生物构成威胁。然而自工业革命以来，由于人类工农业生产活动中所产生排放的大量废弃物向环境中释放了超量重金属物质，导致现有环境中重金属浓度水平普遍超过了其自然背景值。在污染严重的区域，环境中重金属浓度远远高于其自然背景值。一旦生物对重金属的富集与积累超过其耐受性，重金属就会对其繁殖、发育、生长和生理功能造成毒性损害，这些毒性损伤甚至是致命的。重金属通过吸附、离子交换、复杂、沉积和生物吸收在生物体内富集，并可以沿着食物链进一步逐级累积传递，最终对处于食物链末端的人类的健康造成损害。长期的重金属累积会导致人体罹患癌症、生长发育异常、神经炎症、内分泌异常、多种脏器功能疾病乃至诱发死亡。重金属还可以与其他一些环境污染物如抗生素、微塑料以及其他一些有机污染物产生一定的协同效应，使其环境危害进一步扩大。因此，一旦重金属在环境中形成污染，就会对当地生态系统与居民健康造成严重危害。

2、研究显示，土壤重金属污染的来源主要为工业生产排放废水废渣与农业生产的农药与肥料。当前我国社会对所产生的固体废物和其中含有金属的废水的处理不当而造成水生、大气和土壤生态系统的重金属污染不断增加的状况已经严峻到了威胁整个生态系统的程度。

3、目前常见的重金属处理修复方法主要为物理化学手段如化学沉淀法、高分子捕集剂法、活性炭吸附法、鳌合树脂吸附法、离子交换法、电化学法等。其基本思路都是从废水中剥离有毒金属。但是这些方法存在一些固有缺陷，如重金属去除不完全、去除效率不稳定、设备昂贵、对试剂或能量要求高以及产生有毒污泥或其他需要处理的废物。此外，当重金属浓度降低到10～100mg·l-1时，传统物化方法的去除效率会大幅降低甚至去除无效。然而即使低浓度的重金属也具有高毒性，因此有必要对低浓度的重金属废水进一步处理。使用生物工艺处理富金属废水可以克服物理和化学在处理低浓度重金属废水方面的缺陷，生物处理方法具有降低化学品需求、低成本和低污染效率等优点。生物吸附是其中一种具有竞争力和经济效益的新兴技术方向，微藻是生物吸附重金属理想的吸附材料。一定生物量的藻类的重金属金属积累能力与化学吸附剂相当甚至更高。微藻是一种单细胞、光自养生物，可适应各种环境包括土壤、河流、海洋以及工业和生活污水处理池。微藻的表面积与体积之比很大，有利于其与外界物质接触。大多数微藻的细胞壁的官能团携带负电荷易于与溶液中的阳离子相互结合。与其他生物或物理化学吸附剂相比，微藻对重金属的高吸附作用适用范围在ph 2～7之间，金属浓度在20～20000mg·l-1之间时平均为25.4～389mg·g-1，这些指标要优于物理化学吸附剂和其他生物吸附剂。

4、现有也有采用藻类附着载体进行重金属处理，但是由于微藻培养及其构建生物膜过程不完善，导致生物膜对重金属处理效果不好。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于藻类生物膜去除水中重金属的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于藻类生物膜去除水中重金属的方法，包括以下步骤：

3、s1：莱茵衣藻的培养；

4、s2：构建莱茵衣藻聚氨酯生物膜；

5、s3：莱茵衣藻聚氨酯生物膜生物量检测；

6、s4：将需要处理的水经过莱茵衣藻聚氨酯生物膜；

7、s5：测定需处理的水处理前后的重金属含量，计算重金属去除率，计算公式如下：

8、

9、式中：r为重金属去除率，％；c0为初始时刻的金属离子浓度，mg·l-1；cf为吸附后水中金属离子浓度，mg·l-1。

10、莱茵衣藻的培养包括以下步骤：

11、取1l锥形瓶，其中含有1l的三乙酸盐磷酸盐培养基(tap)，且培养基中氮磷比为5.2～104.4，培养基ph为7，加入0～12g无水葡萄糖，然后在无菌条件下将莱茵衣藻接种至培养基内，之后在培养室中培养。

12、上述任一方案中优选的是，所述培养温度为恒温25℃，光暗比例12h：12h，光照强度为3500lx(冷白光)。

13、上述任一方案中优选的是，所述培养的光暗比例12h：12h。

14、上述任一方案中优选的是，所述培养的光照强度为3500lx(冷白光)。

15、上述任一方案中优选的是，每日定时摇瓶3次，培养时长为4d。

16、上述任一方案中优选的是，在步骤s2中，所述构建莱茵衣藻聚氨酯生物膜包括以下步骤：

17、取步骤s1中培养的莱茵衣藻液，加入到三乙酸盐磷酸盐培养基中，培养条件为培养基中氮磷比为174，加入64.1g无水葡萄糖，且光照周期光暗比4.1，将聚氨酯载体放入到莱茵衣藻液中，使得莱茵衣藻液均匀分布在聚氨酯载体的表面，完成莱茵衣藻聚氨酯生物膜的构建。

18、所述培养条件采用响应曲面法来确定，具体步骤为：

19、首先通过单因素实验获得氮磷比、无水葡萄糖加入量和光照周期三个因素的坡点，采用响应曲面法中的bbd(box-behnken)方法进行三因素实验，通过design-export软件计算出最优的培养条件，其中莱茵衣藻聚氨酯塑料载体挂膜生物量关于培养基氮磷比(a)、外加碳量(b)与光照周期(c)的二阶拟合方程为：y＝1.55+0.0861a+0.5558b+0.0883c+0.1180ab-0.0490ac+0.0363bc+0.0019a2-0.5471b2-0.0572c2。

20、莱茵衣藻聚氨酯生物膜生物量检测包括以下步骤：

21、(1)首先分别测定离心管的干重和聚氨酯载体的干重；

22、(2)将装有莱茵衣藻聚氨酯生物膜的瓶子与通气装置连接，打开通气泵进行通气，保持24h稳定通气，恒温25℃培养14d，光照强度为3500lx；

23、(3)结束后将瓶子中的聚氨酯载体装入到离心管中，将离心管放入到收集袋中，置于冰箱冷冻24h；

24、(4)封口膜封口，并戳数个通气孔，之后放入冻干机中冻干，冻干4d，使用分析天平称量离心管管重；

25、(5)莱茵衣藻聚氨酯生物膜生物量即为冻干后的管重减去之前称量过的离心管的干重和泡沫塑料的干重。

26、上述任一方案中优选的是，在步骤s5中，采用感耦合等离子体发射光谱仪来测定水中重金属含量。

27、上述任一方案中优选的是，所述三乙酸盐磷酸盐培养基中氮磷比为41.8～104.4，外加无水葡萄糖为15～60g。

28、本发明的技术效果和优点：该基于藻类生物膜去除水中重金属的方法在培养基中外加碳源以及合理的氮磷比使得莱茵衣藻培养的更好，且在构建莱茵衣藻聚氨酯生物膜时其加入的碳源以及合理的氮磷比使得该生物膜在构建时得到了强化，使得本发明的莱茵衣藻聚氨酯生物膜处理重金属时效率更高，效果更好。