聚乙烯醇_海藻酸钠固定香菇废弃物吸附Pb和Cd的最佳配方

摘 要 选用香菇废弃物作为生物吸附剂，用聚乙烯醇（PVA）–海藻酸钠（SA）固定香菇粉制成PVA–SA固定香菇，以吸附溶液中铅（Pb）和镉（Cd）的能力为主要评价指标，结合成球性、机械强度和耐酸性等，通过正交试验确定出吸附Pb的PVA–SA固定香菇最佳配方是8% PVA + 1% SA + 3%香菇粉 + 2% CaCl2的饱和H3BO3，对Pb的吸附率为95.4%，吸附Cd的PVA–SA固定香菇的最佳配方是5% PVA + 1% SA + 3%香菇粉 + 2% CaCl2的饱和H3BO3，对Cd的吸附率为63.7%. 二小球的成球性、机械强度和耐酸性都较好. Langmuir等温吸附模型能最好地拟合香菇吸附Pb的热力学过程，相关系数R2达0.993 9；Freundlich模型能更好地描述香菇吸附Cd的热力学过程，R2为0.999 3. Freundlich等温吸附模型适合描述PVA–SA固定香菇吸附Pb和Cd的热力学过程，R2分别为0.958 7和0.982 3. 自由香菇对Cd的理论最大吸附量qm-Langmuir（2.832 1 mg g-1）小于PVA–SA固定香菇的理论最大吸附量qm-Langmuir（6.447 5 mg g-1），自由香菇吸附Pb的Freundlich模型参数k（0.312 7）小于PVA–SA固定香菇吸附Pb的k（0.431 0），香菇固定后吸附Cd和Pb的能力有所提高.PVA–SA固定香菇吸附Pb和Cd的吸附平衡时间分别为3 h和7 h，比自由香菇吸附Pb和Cd的平衡时间（1 h）长. 伪二级动力学模型能很好地拟合固定香菇吸附Pb和Cd的动力学过程，R2分别为0.999 9和0.994 6，由该模型计算出的对Pb和Cd的平衡吸附量理论值分别为0.453 6 mg g-1和0.2060 mg Cd g-1. 伪二级动力学模型能很好地拟合固定香菇吸附Pb和Cd的动力学过程，由该模型计算出的固定香菇对Pb和Cd的平衡吸附量理论值分别为0.453 6 mg g-1和0.206 0 mg g-1，自由香菇对Pb和Cd的平衡吸附量理论值分别为1.817 2 mg g-1和0.842 5 mg g-1. PVA–SA固定香菇吸附Pb/Cd的伪二级动力学反应速率常数k2为1.324 1/1.253 1，自由香菇吸附Pb/Cd的k2为0.780 5/0.213 0，自由香菇吸附Pb/Cd的k2大于固定香菇的k2，表明固定香菇吸附Pb/Cd达到平衡所需要的时间比自由香菇所需要的时间长. 图3 表6 参16

    固定细胞技术是20世纪60年代初发展起来的生物工程技术，它克服了自由菌体在废水处理中存在的生物细胞小、与水溶液分离难、易造成二次污染等缺点，具有处理效率高、装置占地少、吸附材料可重复利用等优点，在废水处理领域有着广阔的应用前景[1]. 目前常用的固定方法有载体结
合法、交联法和包埋法3种[2]. 在各种固定方法中，以利用高分子聚合物在形成凝胶的过程中将微生物固定在其内部的包埋法优点更加明显. 开发利用廉价、有足够机械、物理和化学稳定性的固定载体成为固定技术能否应用于重金属污水处理领域的关键. 聚乙烯醇（PVA）因无毒、价廉、抗微生物分解和机械强度高等特点受到重视，被认为是目前最有效的固定载体之一[3~4]. 固定技术除了会受到载体特性的影响外，还会受到生物吸附剂的特点、载体和浓度以及固定环境的影响. 菌粉粒度不仅影响到菌粉是否能够与固定剂充分混合，而且对菌粉吸附重金属的能力也有显著影响. 高庭艳利用金针菇废弃物吸附Pb和Cd时发现，粒径越小吸附能力越强[5].载体浓度直接影响固定细胞的性能. 载体浓度越高，固定小球的强度越大，但黏度增加，使得操作难度增加，且不利于基质的传递[3]. 微生物浓度高，其与载体的接触几率增加，微生物浓度的高低直接影响固定球体的成球性、机械强度和耐酸性等. 固定环境影响固定过程，包括固定剂的种类和浓度，常用的固定剂有H3BO3、CaCl2和AlCl3等[7~8]. PVA中添加海藻酸钠（SA）可以明显改善PVA的成球性，同时避免了PVA–SA固定香菇在制备过程中的粘连现象. 但SA的添加量不宜过高，因为在含Mg2+和Ca2+等阳离子的溶液中SA极不稳定，易破碎和溶解[9].

    食用菌是近年来被研究证明能够大量积累重金属的大型真菌[10~11]. 香菇（Lentinus edodes）在我国种植面积大，资源化利用香菇废弃物，不仅材料来源广，而且固定死体细胞没有载
体毒性及对生物活性的限制. 国内学者对固定技术处理重金属废水的研究相对较少，国外对该领域进行了大量的研究，主要集中在对霉和活体细胞固定的研究，有关固定死体细胞的研究相对较少. 本研究通过设计PVA浓度、SA浓度、CaCl2浓度以及菌体浓度4因素4水平的正交试验，选取影响Pb和Cd吸附的主要因素，以获得制作PVA–SA固定香菇吸附Pb和Cd的最佳配方，为开发利用香菇废弃物处理重金属废水提供理论依据.