CN109926029A - 一种活性污泥胞外聚合物的提取方法及其在铀污染水体/土壤的吸附应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于净化处理技术领域，具体是涉及到一种活性污泥胞外聚合物的提取方法，主要包括以下步骤：(1)将活性污泥混匀测试其电导率，然后配制电导率与之相同的盐溶液；将活性污泥离心，除去上清液，得到活性污泥沉淀；(2)然后用步骤(1)配制的盐溶液重新悬浮活性污泥沉淀，经剪切、加热后冷却并离心，收集上清液，即为活性污泥胞外聚合物溶液；将步骤(2)所得活性污泥胞外聚合物溶液加入乙醇静置析出絮体，经透析、冷冻干燥，得到活性污泥胞外聚合物固体。该提取过程所需要的设备较少，操作简单，成本低廉且无污染；同时，所得活性污泥胞外聚合物对水体/土壤中多种金属离子能够高效快速吸附的应用，具有吸附容量大、吸附速度快的特点。

Description

一种活性污泥胞外聚合物的提取方法及其在铀污染水体/土 壤的吸附应用

技术领域

本发明属于净化处理技术领域，具体是涉及到一种生物吸附剂，即活性污泥胞外聚合物的提取方法，及其处理低浓度含金属离子废水及土壤的应用。

背景技术

在传统能源消耗加快、环境污染加重的背景下，各个国家和地区将目光投向清洁的核能，尤其在核能发电方面。随着正式批准《国家核电中长期规划(2005～2020)》，我国的核电发展步入了一个新的发展阶段。然而，2011年日本福岛核电站事故，导致放射性物质泄漏，引起了人们对放射性污染的恐慌和高度关注。

铀是核能发电的主要燃料，未经处理的含铀废水及被含铀废水污染的土壤均会给环境和人类健康带来危害,其危害主要是辐射和化学毒性。放射性,可破坏动植物和人的组织细胞，使之发生病变；铀同样也是一种重金属，经食物链进入生物体内，积聚在体内的铀能够使蛋白质的结构发生不可逆的改变,从而影响组织细胞功能,进而影响人体健康。

对于含铀废水中铀的去除方法较多,主要包括溶剂萃取法、共沉淀法、浮选法、离子交换法和吸附法等。吸附法因具有成本低廉、工艺简单及适用性广等优点而被广为采用，其中，生物吸附剂在重金属废水的处理中得到了大量运用。对于铀污染土壤常用的修复方法有物理修复、化学修复和生物修复。针对放射性核素含量低、量大且广的污染土壤，物理修复与化学修复处理和维护运行成本过高，易产生二次污染，因而生物修复已成为研究热点。活性污泥胞外聚合物(EPS)属于生物吸附剂的一种，是寄存在活性污泥中微生物在其新陈代谢过程中分泌的产物、大分子水解以及废水中吸附的有机物，主要成分为多糖和蛋白质。

申请号为201610955395.X的专利采用超声/加热/离心的方法提取了培养菌体所产生的 EPS，在酸性条件下对被重金属污染的水体进行了有效的修复，但是其所述的EPS提取方法较为复杂，且在酸性条件下处理重金属污染的水体在实际废水处理中的应用有限。尚无有关活性污泥胞外聚合物(EPS)用于铀污染土壤修复的文献报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种操作更为便捷的活性污泥胞外聚合物(EPS)的提取方法，其提取过程所需要的设备较少，操作简单，成本低廉且无污染。

本发明还提供活性污泥胞外聚合物(EPS)对低浓度含铀废水中铀高效快速吸附的应用，具有吸附容量大、吸附速度快的特点，使得其在含铀废水治理等研究领域具有很好的发展前景。

同时，本发明还提供活性污泥胞外聚合物(EPS)对铀污染土壤中铀进行生物修复的应用，胞外聚合物(EPS)在土壤中流动性良好、不易被微生物降解，对且多种重金属吸附性能良好，在土壤修复领域具有较大的研究价值。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种活性污泥胞外聚合物(EPS)的提取方法，包括以下步骤：

(3)提取胞外聚合物：将活性污泥混匀测试其电导率，然后配制电导率与之相同的盐溶液；

(4)将活性污泥第一次离心，除去上清液(一)，得到活性污泥沉淀；然后用步骤(1)配制的盐溶液重新悬浮活性污泥沉淀，经剪切、加热后冷却并第二次离心，收集上清液(二)，即为胞外聚合物(EPS)溶液；

(5)将步骤(2)所得胞外聚合物(EPS)溶液加入乙醇等静置析出EPS絮体，然后进行透析，将透析后的浓缩溶液冷冻干燥，即得到活性污泥胞外聚合物(EPS)固体。

按上述方案，步骤(1)中活性污泥获取方法为：从城市污水处理厂的好氧处理池中获取含活性污泥的污水，静置浓缩，得到活性污泥。静置浓缩的时间通常为1～7天。含活性污泥的污水获取中，要从运行状况良好且稳定的城市污水处理厂的好氧处理池中获取。

按上述方案，步骤(1)中所述盐溶液为NaCl与水的混合溶液，溶液需提前水浴加热65～75℃。

按上述方案，步骤(2)中采用与上清液(一)等体积的步骤(1)配制的盐溶液重新悬浮活性污泥沉淀至原体积。

按上述方案，步骤(2)中初次离心时间在5～10min，离心力为4000～5000g。

按上述方案，步骤(2)中剪切时间为1～5min，转速为600～800rpm。

按上述方案，步骤(2)中加热时间为30～60min，加热温度为70～80℃。

按上述方案，步骤(2)中冷却至3～8℃，第二次离心温度为3～8℃，离心力为3500～ 4500g，离心时间在10～20min。

按上述方案，步骤(3)中乙醇和步骤(2)所得胞外聚合物(EPS)溶液的体积比为2.5:1～4.5:1。

按上述方案，步骤(3)中静置温度为3～8℃，时间为12～24小时。

按上述方案，步骤(3)中透析温度为3～8℃，透析时间12～36h。所述透析采用分子截留量为8000～14000的透析袋；所述透析液为超纯水，透析期间换水4～10次。

本发明还提供一种从活性污泥中提取的EPS，按照上述的提取方法得到。同时，本发明还提供一种上述从活性污泥中提取的EPS高效快速吸附低浓度含铀废水中的铀的应用。具体应用方法包括如下步骤：

1)配置将含铀废水pH调节到弱酸性至弱碱性(如6.00～8.00)；

2)将EPS溶液置于透析袋中，将透析袋加入到步骤1)所述含铀废水中，经吸附平衡后，移除透析袋，含铀废水中铀的浓度较初始减少77.41％～92.73％。

按上述方案，所述步骤1)中含铀废水中铀的浓度为10～20mg/L。相对于现有技术中在酸性条件下(pH＝3)用EPS吸附铀，该应用方法适用于弱酸性至弱碱性，pH范围更宽泛，操作也更为便捷的特点。

按上述方案，所述步骤2)中EPS溶液的浓度范围为200～400mg/L。

优选地，步骤2)中透析袋需进行前处理，所述透析袋的分子截留量为3500～7000，透析溶剂为超纯水。

同时，本发明还提供一种上述从活性污泥中提取的EPS修复铀污染土壤的应用。具体应用方法包括如下步骤：

1)配置一定浓度的EPS溶液，并用缓冲溶液调节将pH调节到中性；

2)将铀污染土壤与步骤1)中的EPS溶液混合振荡一段时间，吸附平衡后，沉降进行固液分离，并将沉淀的土壤烘干，铀污染土壤中铀的去除率约80％。或者，步骤2)为：将步骤1)中的EPS溶液投入到铀污染土壤中，EPS对土壤中的铀起到络合固定作用，减少土壤中铀有效态含量，使其金属活性降低。

按上述方案，所述步骤1中EPS溶液的浓度范围为600～1000mg/L。

按上述方案，所述步骤2中铀污染土壤中铀的含量为100～200mg/Kg，振荡时间为8～ 12h。

另外，本发明所述从活性污泥中提取的EPS对其他的重金属离子，例如汞也具有较好的吸附效果，应用范围广。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

①本发明所选取的原料为城市生活污水处理厂的剩余活性污泥，对于污水处理过程中产生的大量剩余活性污泥的处理处置一直是个难题，从活性污泥中提取胞外聚合物，可以使剩余污泥减容减量，解决了一部分污泥的出路，降低了污泥对环境带来的污染；

②目前大部分技术研究的是特种菌体产生的胞外聚合物，菌体的培养较为复杂，并且增加了生产成本，难以大批量生产，而本发明获得EPS的成本低，以剩余活性污泥作为EPS的来源，理论上无需成本，同时实现了资源再利用；

③本发明所提出的EPS的提取方法，对设备要求不高，反应条件温和，工艺过程简单易行，可操作性强，提取的整个过程中不会引入其他有毒药剂，对环境污染少；

④本发明所得的EPS在弱酸性及中性条件下对废水中铀的去除效果较好，去除率可达 90％以上(具体可见应用例2)，在处理生活废水、海洋废水及大部分生产废水时无需提前调节pH，使用起来较为简单；对其他的重金属离子，例如汞也具有较好的吸附效果(具体可见应用例3)，应用范围广；

⑤本发明所得的EPS对低浓度含铀废水的吸附效果较好，不仅吸附量大，(吸附容量为193.1～247.8mg/g，具体可见应用例1、2)，同时吸附速度较快(约40min即可达到平衡，具体可见应用例2)，吸附后产生的废物较少，减少了污染废物的排放，无二次污染的形成，有效的改善了环境污染问题；

⑥本发明所采用的EPS及其吸附应用，有环境负荷小的特点，反应后易于从水中去除，对于含铀放射性废水，只有自然衰变才是彻底消除放射性的根本途径，可将吸附后的EPS重新冷冻干燥后进行深度贮存，减少放射性对环境的污染；

⑦本发明所得的EPS对铀污染土壤中的铀能进行有效的生物修复，去除率可到80％ (具体可见应用例4)，EPS在土壤中具有流动性良好、不易被微生物降解等优良特点，且对多种重金属吸附性能良好，在土壤修复领域具有较大的研究价值。

附图说明

图1为本发明的EPS的红外光谱图。

图2为本发明的的EPS的三维荧光图。

图3为本发明的EPS吸附剂对铀的去除率随pH值的变化关系图。

图4为本发明的EPS吸附剂对铀的去除率随时间的变化关系图。

图5为本发明的EPS吸附剂对汞的去除率随pH值的变化关系图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

一种活性污泥胞外聚合物(EPS)的提取方法，包括以下步骤：

(1)活性污泥获取

以剩余活性污泥为原料，污泥来源于武汉某城市生活污水处理厂，该污水处理厂采用 A/A/O工艺；从好氧池中取出适量泥水混合液，静置2天，每天撇除一次上清液，获得浓缩后的活性污泥；

(2)提取胞外聚合物

将经过浓缩处理的活性污泥混匀测试其电导率，电导率为1752μS/cm，用超纯水与NaCl 配制相同电导率的盐溶液，并水浴加热至75℃；

将活性污泥在4000g的离心力下离心5min，去除上清液(一)；用与上清液(一)等体积的NaCl溶液重新悬浮污泥沉淀至原体积，然后使用涡旋混合器在680rpm的转速下剪切3min；

将上述剪切后的混浊液80℃水浴加热45min后，冰水浴冷却；冷却后的溶液在4℃，4000g的离心力下离心10min，再次收集上清液(二)，即为胞外聚合物(EPS)溶液；

(3)胞外聚合物的纯化

在上清液(二)中加入3倍体积的无水乙醇，置于4℃的冰箱冷藏保存过夜，胞外聚合物以絮体的形式析出；然后再搅拌均匀置于4℃的冰箱冷藏2小时，除去部分清液，反复多次获得胞外聚合物的浓缩液；

对14000MW的透析袋进行预处理，用超纯水煮沸15min并清洗三次；将胞外聚合物的浓缩液置于透析袋中，浸没在超纯水中，置于4℃的冰箱冷藏保存，每隔几个小时换一次水，透析18h；将透析后的溶液冷冻干燥，即制得胞外聚合物固体，即EPS吸附剂。

图1为提取所得EPS吸附剂的红外光谱图。由图1可知：EPS的具体的特征峰如下：3411cm^-1多糖、蛋白质和聚磷等多聚物分子内部O—H键伸缩振动；2930cm^-1与2847cm^-1分别为脂肪酸和多糖分子内C—H的伸缩振动；1648cm^-1和1560cm^-1分别为酰胺中C＝O、 C＝C伸缩和N—H弯曲振动；1417cm^-1为羧基内C＝O对称伸缩振动；1246cm^-1为PO₂反对称伸缩振动；1038cm^-1峰为对称的C—O—C糖苷键拉伸振动；876cm^-1为磷酸脂(RO)₃P＝O 的P—O—C对称伸缩振动。由红外结果可知，纯化所得产物中含有羧基、酰胺基、磷酸基、羟基等活性基团，为目标产物EPS。

实施例2

一种活性污泥胞外聚合物(EPS)的提取方法，包括以下步骤：

(1)活性污泥获取

以剩余活性污泥为原料，污泥来源于武汉某城市生活污水处理厂，该污水处理厂采用 A/A/O工艺；从好氧池中取出适量泥水混合液，静置1天，每天撇除一次上清液，获得浓缩后的活性污泥；

(2)提取胞外聚合物

将经过浓缩处理的活性污泥混匀测试其电导率，电导率为1681μS/cm，用超纯水与NaCl 配制相同电导率的盐溶液，并水浴加热至70℃；

将活性污泥在4000g的离心力下离心10min，去除上清液(一)；用与上清液(一)等体积的NaCl溶液重新悬浮污泥沉淀至原体积，然后使用涡旋混合器在700rpm的转速下剪切2min；

将上述剪切后的混浊液80℃水浴加热60min后，冰水浴冷却；冷却后的溶液在4℃，4500g的离心力下离心15min，再次收集上清液(二)，即为胞外聚合物(EPS)溶液；

(3)胞外聚合物的纯化

在上清液(二)中加入4倍体积的无水乙醇，置于4℃的冰箱冷藏保存过夜，胞外聚合物以絮体的形式析出；然后再搅拌均匀置于4℃的冰箱冷藏2.5小时，除去部分清液，反复多次获得胞外聚合物的浓缩液；

对14000MW的透析袋进行预处理，用超纯水煮沸10min并清洗三次；将胞外聚合物的浓缩液置于透析袋中，浸没在超纯水中，置于4℃的冰箱冷藏保存，每隔几个小时换一次水，透析24h；将透析后的溶液冷冻干燥，即制得胞外聚合物固体，即EPS吸附剂。

图2为提取所得EPS吸附剂的三维荧光图。由图2可知：EPS的荧光峰主要有两个，峰A(Ex/Em：270-280/325-335)类色氨酸蛋白以及峰B(Ex/Em：220-230/320-335)芳香族蛋白。在EPS与金属反应的时候，主要是这两种蛋白类物质中的官能团参与反应。

应用例1

不同溶液pH值条件下，EPS吸附剂对水体中铀的去除率

将30mL初始浓度为10mg/L的铀溶液，分别调节pH为3、4、5、6、7、8，将浓度为250mg/L的EPS溶液移取5mL于3500MW的透析袋中，将透析袋放置于铀溶液中，25℃振荡2h后取出测定。

实验结果如图3所示，当铀溶液pH由3升至6时，EPS对铀的去除效率随着pH的升高而变大，增大了约50％；当溶液pH达到6时，EPS对铀的去除效率达到最高；此后随着 pH的上升，EPS对铀去除效率略有下降，降幅较低在5％以内，说明在弱酸性至弱碱性条件下(pH＝6.00～8.00)具有较好的去除效率。在此条件下，EPS对铀的吸附容量在 236.5～247.8mg/g之间。

应用例2

不同吸附时间条件下，EPS吸附剂对水体中铀的去除率

将30mL初始浓度为10mg/L的铀溶液，调节pH为7±0.2，将浓度为350mg/L的EPS溶液移取5mL于3500MW的透析袋中，将透析袋放置于铀溶液中，25℃振荡，5、10、20、 30、40、50、60、120、180min取样测定。

实验结果如图4所示，反应的开始阶段，EPS对铀的吸附速度比较快，吸附效率随时间的延长快速增加；当反应40min时，吸附效果可以达到90％以上；在反应时间为 40min～60min时，吸附效率增长缓慢，增幅在3％左右；此后，随反应时间的增大，吸附效率基本不变，稳定在93％左右。由上可知，EPS吸附铀由快速吸附阶段和慢速吸附阶段两个阶段组成，到达平衡阶段时，在上述条件下EPS对铀的吸附容量为193.1mg/g。

应用例3

不同溶液pH值条件下，EPS吸附剂对水体中汞的去除率

将30mL初始浓度为10mg/L的汞溶液，分别调节pH为1、3、5、7、9、11，将浓度为50mg/L的EPS溶液移取5mL于3500MW的透析袋中，将透析袋放置于汞溶液中，25℃振荡2h后取出测定。

通过空白对照实验去除碱性条件下汞因沉淀而被去除这一影响因素后，实验结果如图5 所示，当溶液pH由1升至11时，EPS对汞的去除效率随着pH的升高持续增大。当投加量相当少时，在中性及碱性条件下对汞的去除效率达到80％左右。

应用例4

将25mL浓度为800mg/L，pH＝7±0.02的EPS溶液与含铀量为150mg/Kg的土样1g置于50mL离心管中混合,25℃振荡12h，沉降进行固液分离去除上清液，将沉淀在40℃下干燥至恒重，对待测土样进行测定。

通过实验测定，EPS对土样中铀的去除效率为76.87％。EPS通过离子交换与络合作用吸附土壤中的铀，改变了土壤中铀的有效形态，降低土壤中铀有效态的含量，从而进一步减少植物对铀的吸附。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种活性污泥胞外聚合物的提取方法，其特征在于它主要包括以下步骤：

(1)提取胞外聚合物：将活性污泥除去上清液(一)，得到活性污泥沉淀；然后用盐溶液重新悬浮活性污泥沉淀，然后收集所得悬浮液中的上清液(二)，即为活性污泥胞外聚合物溶液；

(2)将步骤(2)所得活性污泥胞外聚合物溶液析出絮体后进行透析，透析所得浓缩溶液经冷冻干燥，即得到活性污泥胞外聚合物固体。

2.根据权利要求1所述的一种活性污泥胞外聚合物的提取方法，其特征在于步骤(1)中活性污泥获取方法为：从城市污水处理厂的好氧处理池中获取含活性污泥的污水，静置浓缩，得到活性污泥。

3.根据权利要求1所述的一种活性污泥胞外聚合物的提取方法，其特征在于步骤(1)中还包括配制盐溶液的步骤，配制方法为：首先将活性污泥混匀测试其电导率，然后配制电导率与之相同的盐溶液。

4.根据权利要求1所述的一种活性污泥胞外聚合物的提取方法，其特征在于步骤(1)所述盐溶液为NaCl与水的混合溶液，混合溶液需提前加热65～75℃。

5.根据权利要求1所述的一种活性污泥胞外聚合物的提取方法，其特征在于步骤(2)中采用与上清液(一)等体积的步骤(1)配制的盐溶液重新悬浮活性污泥沉淀。

6.根据权利要求1所述的一种活性污泥胞外聚合物的提取方法，其特征在于步骤(2)中收集上清液采用离心的方式，离心前依次悬浮液经过剪切、加热后冷却处理；其中，加热时间为30～60min，加热温度为70～80℃。

7.根据权利要求6所述的一种活性污泥胞外聚合物的提取方法，其特征在于步骤(2)中冷却至3～8℃，离心温度为3～8℃，离心力为3500～4500g，离心时间在10～20min。

8.根据权利要求1所述的一种活性污泥胞外聚合物的提取方法，其特征在于步骤(3)中析出絮体以乙醇作为析出剂；乙醇和步骤(2)所得活性污泥胞外聚合物溶液的体积比为2.5:1～4.5:1。

9.根据权利要求1所述的一种活性污泥胞外聚合物的提取方法，其特征在于步骤(3)中静置温度为3～8℃，时间为12～24小时；透析温度为3～8℃，透析时间12～36h。

10.权利要求1所述方法提取的活性污泥胞外聚合物在处理水体/土壤中金属离子方面的应用。

11.权利要求1所述方法提取的活性污泥胞外聚合物在处理水体中铀离子方面的应用，其特征在于具体应用方法包括如下步骤：

1)配置将含铀废水pH调节到弱酸性至弱碱性；

2)将活性污泥胞外聚合物溶液置于透析袋中，将透析袋加入到步骤1)所述含铀废水中，经吸附平衡后，移除透析袋，含铀废水中铀的浓度降低。

12.权利要求1所述方法提取的活性污泥胞外聚合物修复铀污染土壤的应用，其特征在于具体应用方法包括如下步骤：

1)配置活性污泥胞外聚合物溶液，并用缓冲溶液调节将pH调节到中性；

2)将铀污染土壤与步骤1)中的活性污泥胞外聚合物溶液混合振荡至吸附平衡后，沉降进行固液分离，并将沉淀的土壤烘干，从而减少土壤中铀有效态含量；或者，步骤2)为：将步骤1)中的活性污泥胞外聚合物溶液投入到铀污染土壤中，活性污泥胞外聚合物对土壤中的铀进行络合固定，从而减少土壤中铀有效态含量。