生化法去除電鍍廢水中重金屬離子的研究

【簡介】

（1.同濟(jì)大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海200092；2.上海市虹口區(qū)環(huán)境保護(hù)局，上海200083）

［摘要］利用從重金屬污染物中篩選出的混合菌種進(jìn)行重金屬離子的去除。實(shí)驗(yàn)考察了pH、菌種投加量、溫度及反應(yīng)時(shí)間對混合菌種去除重金屬離子的影響，并通過正交實(shí)驗(yàn)對影響因素進(jìn)行了優(yōu)化。確定其最佳的處理?xiàng)l件為：pH=6.0，反應(yīng)時(shí)間20 min，微生物投加量3.0 mL/L和溫度20℃，并在此條件下進(jìn)行了實(shí)際電鍍廢水的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：混合菌群在最佳條件下對實(shí)際電鍍廢水中的鎘、鉻、銅和鎳離子的去除率分別為97.7%、98.6%、95.0%和91.5%，效果良好。

［關(guān)鍵詞］電鍍廢水；重金屬離子；生化處理；微生物

［中圖分類號］X703.1［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A［文章編號］1005-829X（2010）10-0060-04

電鍍廢水污染嚴(yán)重，是較難處理的廢水之一〔1〕。傳統(tǒng)的電鍍廢水的處理方法主要有化學(xué)法〔2-4〕、膜分離技術(shù)〔5〕、離子交換法〔6-7〕、吸附法〔8〕、有機(jī)絮凝法、電解法〔9-10〕等。微生物處理技術(shù)是新興的電鍍廢水處理技術(shù)，可運(yùn)用混合菌群通過生物的絮凝、吸附、轉(zhuǎn)化等綜合作用〔11-14〕，達(dá)到去除電鍍廢水中重金屬離子的效果。微生物處理技術(shù)適應(yīng)性強(qiáng)、設(shè)備簡單、無二次污染、處理費(fèi)用低，在電鍍廢水的處理方面有著廣闊的應(yīng)用前景。筆者利用從重金屬污染物中篩選出的混合菌種對含重金屬的電鍍廢水進(jìn)行了處理，考察了pH、菌種投加量、溫度及反應(yīng)時(shí)間對混合菌種去除電鍍廢水中重金屬離子的影響，并通過正交實(shí)驗(yàn)對這4個(gè)影響因素進(jìn)行了優(yōu)化，確定其最佳的處理?xiàng)l件，獲得了較好的效果。

1·實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1主要實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

儀器：IRIS Advantage 1000型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，美國Thermo Jarrell Ash公司；HHS28型電熱恒溫水浴鍋，上海天平儀器廠；JB21型磁力攪拌器，上海雷磁新涇儀器有限公司；800型離心機(jī)，上海手術(shù)器械廠。試劑：硝酸、氫氧化鈉，分析純，中國醫(yī)藥上海化學(xué)試劑站。

1.1.2實(shí)驗(yàn)廢水

本實(shí)驗(yàn)中所用實(shí)際電鍍廢水為平湖某電鍍廠排放的廢水，其水質(zhì)如表1所示。在對去除重金屬離子影響因素的研究中，采用的是模擬配水。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1菌種的制備

厭氧微生物菌是本實(shí)驗(yàn)室從重金屬污染物中篩選出的混合菌種，經(jīng)初步鑒定，其中1株為梭菌屬，其余3株為硫還原菌屬，其比例約為2∶1∶1∶1，常溫厭氧環(huán)境保存。活化時(shí)采用2 L的厭氧瓶，以食品發(fā)酵液為主要培養(yǎng)基，接種體積分?jǐn)?shù)為10%的混合菌種。在35℃下厭氧培養(yǎng)2 d后，取菌液用于實(shí)驗(yàn)。

1.2.2單因素實(shí)驗(yàn)

取200 mL配制重金屬廢水，鎘、鉻、銅和鎳金屬離子的質(zhì)量濃度分別為40、30、10、50 mg/L。在pH、菌種投加量、溫度和反應(yīng)時(shí)間等不同的反應(yīng)條件下進(jìn)行試驗(yàn)，加入OD600=0.6的菌液（培養(yǎng)約48 h），緩慢攪拌1 min，反應(yīng)30 min，靜置10 min后，用離心機(jī)在2 000 r/min下離心分離，取上清液測定殘留金屬離子的濃度，計(jì)算其對金屬離子的去除率。

1.2.3正交實(shí)驗(yàn)

1.2.4綜合驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

取200 mL實(shí)際電鍍廢水，根據(jù)最佳反應(yīng)參數(shù)，進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：在室溫條件下用氫氧化鈉溶液調(diào)pH=6.0，分別加入8 mL/L的菌液（考慮到實(shí)際電鍍廢水中其他有機(jī)物的影響，故加大菌種投量），緩慢攪拌1 min，在20℃反應(yīng)20 min后，調(diào)pH至6～7，過濾，測定Cd2+、Cr6+、Cu2+、Ni2+的含量。

1.2.5指標(biāo)測試及方法

實(shí)驗(yàn)過程中需要測定的指標(biāo)和采用的分析方法，如表3所示。

2·實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 pH對重金屬離子去除率的影響

pH對重金屬離子去除率的影響見圖1。

由圖1可以看出，在不同的pH條件下，4種金屬離子都有不同程度的去除，去除率總體上隨著pH的升高而增加。重金屬離子濃度下降主要有兩個(gè)方面的原因：一方面，這些細(xì)菌會代謝生成一定的硫化物，在酸性條件下它們是以硫化氫的形式存在，S2-濃度與H+濃度的平方成反比，當(dāng)酸性減弱，S2-濃度就會增大，更有利于金屬硫化物沉淀生成；另一方面，金屬離子與H+之間存在著競爭吸附的關(guān)系，在低pH下，細(xì)菌表面更多地吸附了溶液中的H+，大大降低了細(xì)菌與重金屬離子的結(jié)合能力和反應(yīng)機(jī)會，隨著pH升高，細(xì)菌表面的負(fù)電荷密度增大，重金屬離子的電性吸附量增加，細(xì)菌對重金屬離子的選擇吸附能力增強(qiáng)。本實(shí)驗(yàn)表明在pH=6.0時(shí)，菌液對鎘、鉻、銅、鎳去除率分別可達(dá)到96%、94%、83%和91%。相對來說，菌液對4種金屬離子的去除能力依次為：Cd2+＞Cr6+＞Ni2+＞Cu2+。

    2.1.2菌種投加量對重金屬離子去除率的影響

    菌種投加量直接影響反應(yīng)體系中的生物量，所以菌種投加量對金屬離子的去除率具有很強(qiáng)的影響。菌種投加量對重金屬離子去除率的影響見圖2。

由圖2可見，金屬離子的去除率隨著菌種投加量的增加而增加。當(dāng)菌種投加量＜1.0 mL/L時(shí)，金屬離子的去除率增長緩慢；菌種投加量超過1.0 mL/L后，金屬離子去除率開始顯著增加，并在菌種投加量為2.0 mL/L左右時(shí)開始趨于平衡。當(dāng)菌種投加量達(dá)到3.0 mL/L時(shí)，對鎘、鉻、銅、鎳4種金屬離子的去除率達(dá)到最高，分別為94%、96%、82%和93%。這表明微生物的生物量直接影響對重金屬離子的去除。

2.1.3溫度對重金屬離子去除率的影響

溫度是影響菌種反應(yīng)過程的重要環(huán)境因子之一，其作用機(jī)理主要包括3個(gè)方面：一是溫度升高可加快微生物的生化反應(yīng)速率，使得混合菌可以加快重金屬離子的生物轉(zhuǎn)化；二是細(xì)菌表面上的吸附包括物理吸附和化學(xué)吸附，化學(xué)反應(yīng)熱可正可負(fù)，溫度增高時(shí)反應(yīng)產(chǎn)物的量可能增加也可能減少，而物理吸附總是伴隨有能量的釋放，因此溫度升高物理吸附量減少；三是離子交換吸附是吸熱反應(yīng)，非離子交換吸附是放熱反應(yīng)，因此，溫度升高有利于離子交換吸附，而不利于非離子交換吸附。不同溫度下試樣對鎘、鉻、銅和鎳的去除率，如圖3所示。

由圖3可見，4種金屬離子的去除率總體上隨著溫度的升高而增大，在20℃時(shí)，細(xì)菌對鎘、鉻、銅和鎳去除率就接近最大值，分別為96%、95%、83%和90%。在溫度＜20℃時(shí)，溫度對微生物處理金屬離子具有一定的影響，但當(dāng)溫度＞20℃時(shí)，溫度對本部分的實(shí)驗(yàn)影響甚微，表明本實(shí)驗(yàn)可在常溫條件下進(jìn)行。

2.1.4反應(yīng)時(shí)間對重金屬離子去除率的影響

反應(yīng)時(shí)間對重金屬去除率的影響見圖4。

由圖4可以看出，重金屬離子的去除率隨著反應(yīng)的進(jìn)行先增加，之后趨于平衡。在反應(yīng)時(shí)間為10 min時(shí)，4種重金屬去除率基本都達(dá)到50%，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到20 min后，細(xì)菌對鎘、鉻、銅、鎳的去除率接近最大值，分別為95%、95%、83%、90%。在后續(xù)時(shí)間里，重金屬離子的去除率幾乎沒有變化。因此，處理時(shí)間在20 min以內(nèi)就可以達(dá)到很好的處理效果。

2.2正交實(shí)驗(yàn)

按1.2.3進(jìn)行的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4、表5。

從表4、表5可以看出，影響廢水中各離子去除的因素影響程度由大到小依次為pH>菌種投加量>反應(yīng)時(shí)間>溫度。進(jìn)而確定最佳反應(yīng)參數(shù)為：pH=6.0，反應(yīng)時(shí)間20 min，微生物加入量為3.0 mL/L，溫度為20℃。

2.3綜合驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

綜合驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

從表6可以看出，使用菌液對實(shí)際廢水進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)，對實(shí)際電鍍廢水中鎘、鉻、銅、鎳4種重金屬離子的去除效果良好，平均去除率分別為97.7%、98.6%、95.0%和91.5%。

3·結(jié)論

討論了微生物在處理電鍍廢水重金屬離子工藝中的影響因素，并對不同影響因素條件下得出的結(jié)果進(jìn)行分析。通過正交實(shí)驗(yàn)確定最佳反應(yīng)參數(shù)，即微生物加入量為3.0 mL/L、反應(yīng)時(shí)間為20 min、pH=6.0、溫度20℃為最優(yōu)組合條件。將此參數(shù)用于實(shí)際廢水處理得到了很好的處理效果，表明本混合菌群對重金屬廢水有較強(qiáng)的適應(yīng)性，并且能夠獨(dú)立處理此類廢水，具有廣闊的應(yīng)用前景。