生化法去除电镀废水中重金属离子的研究

    ［摘要］利用从重金属污染物中筛选出的混合菌种进行重金属离子的去除。实验考察了pH、菌种投加量、温度及反应时间对混合菌种去除重金属离子的影响，并通过正交实验对影响因素进行了优化。确定其最佳的处理条件为：pH=6.0，反应时间20 min，微生物投加量3.0 mL/L和温度20℃，并在此条件下进行了实际电镀废水的验证实验。结果表明：混合菌群在最佳条件下对实际电镀废水中的镉、铬、铜和镍离子的去除率分别为97.7%、98.6%、95.0%和91.5%，效果良好。

    ［关键词］电镀废水；重金属离子；生化处理；微生物

    ［中图分类号］X703.1［文献标识码］A［文章编号］1005-829X（2010）10-0060-04

    电镀废水污染严重，是较难处理的废水之一〔1〕。传统的电镀废水的处理方法主要有化学法〔2-4〕、膜分离技术〔5〕、离子交换法〔6-7〕、吸附法〔8〕、有机絮凝法、电解法〔9-10〕等。微生物处理技术是新兴的电镀废水处理技术，可运用混合菌群通过生物的絮凝、吸附、转化等综合作用〔11-14〕，达到去除电镀废水中重金属离子的效果。微生物处理技术适应性强、设备简单、无二次污染、处理费用低，在电镀废水的处理方面有着广阔的应用前景。笔者利用从重金属污染物中筛选出的混合菌种对含重金属的电镀废水进行了处理，考察了pH、菌种投加量、温度及反应时间对混合菌种去除电镀废水中重金属离子的影响，并通过正交实验对这4个影响因素进行了优化，确定其最佳的处理条件，获得了较好的效果。

    1·实验材料和方法

    1.1实验材料

    1.1.1主要实验仪器及试剂

    仪器：IRIS Advantage 1000型电感耦合等离子体发射光谱仪，美国Thermo Jarrell Ash公司；HHS28型电热恒温水浴锅，上海天平仪器厂；JB21型磁力搅拌器，上海雷磁新泾仪器有限公司；800型离心机，上海手术器械厂。试剂：硝酸、氢氧化钠，分析纯，中国医药上海化学试剂站。

    1.1.2实验废水

    本实验中所用实际电镀废水为平湖某电镀厂排放的废水，其水质如表1所示。在对去除重金属离子影响因素的研究中，采用的是模拟配水。

              

     1.2实验方法

    1.2.1菌种的制备

    厌氧微生物菌是本实验室从重金属污染物中筛选出的混合菌种，经初步鉴定，其中1株为梭菌属，其余3株为硫还原菌属，其比例约为2∶1∶1∶1，常温厌氧环境保存。活化时采用2 L的厌氧瓶，以食品发酵液为主要培养基，接种体积分数为10%的混合菌种。在35℃下厌氧培养2 d后，取菌液用于实验。

    1.2.2单因素实验

    取200 mL配制重金属废水，镉、铬、铜和镍金属离子的质量浓度分别为40、30、10、50 mg/L。在pH、菌种投加量、温度和反应时间等不同的反应条件下进行试验，加入OD600=0.6的菌液（培养约48 h），缓慢搅拌1 min，反应30 min，静置10 min后，用离心机在2 000 r/min下离心分离，取上清液测定残留金属离子的浓度，计算其对金属离子的去除率。

    1.2.3正交实验

             

    1.2.4综合验证实验

    取200 mL实际电镀废水，根据最佳反应参数，进行验证实验：在室温条件下用氢氧化钠溶液调pH=6.0，分别加入8 mL/L的菌液（考虑到实际电镀废水中其他有机物的影响，故加大菌种投量），缓慢搅拌1 min，在20℃反应20 min后，调pH至6～7，过滤，测定Cd2+、Cr6+、Cu2+、Ni2+的含量。

    1.2.5指标测试及方法

    实验过程中需要测定的指标和采用的分析方法，如表3所示。

    2·实验结果及讨论

    2.1单因素实验

    2.1.1 pH对重金属离子去除率的影响

    pH对重金属离子去除率的影响见图1。

              

    由图1可以看出，在不同的pH条件下，4种金属离子都有不同程度的去除，去除率总体上随着pH的升高而增加。重金属离子浓度下降主要有两个方面的原因：一方面，这些细菌会代谢生成一定的硫化物，在酸性条件下它们是以硫化氢的形式存在，S2-浓度与H+浓度的平方成反比，当酸性减弱，S2-浓度就会增大，更有利于金属硫化物沉淀生成；另一方面，金属离子与H+之间存在着竞争吸附的关系，在低pH下，细菌表面更多地吸附了溶液中的H+，大大降低了细菌与重金属离子的结合能力和反应机会，随着pH升高，细菌表面的负电荷密度增大，重金属离子的电性吸附量增加，细菌对重金属离子的选择吸附能力增强。本实验表明在pH=6.0时，菌液对镉、铬、铜、镍去除率分别可达到96%、94%、83%和91%。相对来说，菌液对4种金属离子的去除能力依次为：Cd2+＞Cr6+＞Ni2+＞Cu2+。

    2.1.2菌种投加量对重金属离子去除率的影响

    菌种投加量直接影响反应体系中的生物量，所以菌种投加量对金属离子的去除率具有很强的影响。菌种投加量对重金属离子去除率的影响见图2。

              

    由图2可见，金属离子的去除率随着菌种投加量的增加而增加。当菌种投加量＜1.0 mL/L时，金属离子的去除率增长缓慢；菌种投加量超过1.0 mL/L后，金属离子去除率开始显著增加，并在菌种投加量为2.0 mL/L左右时开始趋于平衡。当菌种投加量达到3.0 mL/L时，对镉、铬、铜、镍4种金属离子的去除率达到最高，分别为94%、96%、82%和93%。这表明微生物的生物量直接影响对重金属离子的去除。

    2.1.3温度对重金属离子去除率的影响

    温度是影响菌种反应过程的重要环境因子之一，其作用机理主要包括3个方面：一是温度升高可加快微生物的生化反应速率，使得混合菌可以加快重金属离子的生物转化；二是细菌表面上的吸附包括物理吸附和化学吸附，化学反应热可正可负，温度增高时反应产物的量可能增加也可能减少，而物理吸附总是伴随有能量的释放，因此温度升高物理吸附量减少；三是离子交换吸附是吸热反应，非离子交换吸附是放热反应，因此，温度升高有利于离子交换吸附，而不利于非离子交换吸附。不同温度下试样对镉、铬、铜和镍的去除率，如图3所示。

              

    由图3可见，4种金属离子的去除率总体上随着温度的升高而增大，在20℃时，细菌对镉、铬、铜和镍去除率就接近最大值，分别为96%、95%、83%和90%。在温度＜20℃时，温度对微生物处理金属离子具有一定的影响，但当温度＞20℃时，温度对本部分的实验影响甚微，表明本实验可在常温条件下进行。

    2.1.4反应时间对重金属离子去除率的影响

    反应时间对重金属去除率的影响见图4。

            

    由图4可以看出，重金属离子的去除率随着反应的进行先增加，之后趋于平衡。在反应时间为10 min时，4种重金属去除率基本都达到50%，当反应时间达到20 min后，细菌对镉、铬、铜、镍的去除率接近最大值，分别为95%、95%、83%、90%。在后续时间里，重金属离子的去除率几乎没有变化。因此，处理时间在20 min以内就可以达到很好的处理效果。

    2.2正交实验

    按1.2.3进行的正交实验结果见表4、表5。



    从表4、表5可以看出，影响废水中各离子去除的因素影响程度由大到小依次为pH>菌种投加量>反应时间>温度。进而确定最佳反应参数为：pH=6.0，反应时间20 min，微生物加入量为3.0 mL/L，温度为20℃。

    2.3综合验证实验

    综合验证实验结果见表6。

             

     从表6可以看出，使用菌液对实际废水进行验证试验时，对实际电镀废水中镉、铬、铜、镍4种重金属离子的去除效果良好，平均去除率分别为97.7%、98.6%、95.0%和91.5%。

    3·结论

    讨论了微生物在处理电镀废水重金属离子工艺中的影响因素，并对不同影响因素条件下得出的结果进行分析。通过正交实验确定最佳反应参数，即微生物加入量为3.0 mL/L、反应时间为20 min、pH=6.0、温度20℃为最优组合条件。将此参数用于实际废水处理得到了很好的处理效果，表明本混合菌群对重金属废水有较强的适应性，并且能够独立处理此类废水，具有广阔的应用前景。