硫酸盐还原菌对酸性废水中重金属的生物沉淀作用研究

摘要

矿山开采、有色金属冶炼与加工以及电镀、制革等行业会大量产生一种含高量重金属的酸性废水,一定程度上制约了工业企业的健康发展。生物沉淀技术是近年发展起来一项基于硫酸盐还原菌(sulfate-reducing bacteria,SRB)还原SO42-产生硫化物而沉淀去除重金属的废水净化新方法。该方法兼具重金属去除种类广泛且彻底,工艺流程简单以及处理成本低的特点。本文在尝试分离耐酸性硫酸盐还原菌的基础上,对酸性重金属废水生物沉淀处理的主要影响因素进行了初步研究,旨在为此类酸性废水微生物沉淀修复技术的建立与实际应用提供技术保障。
　　 本文从某河流清淤泥中分离出一株具有硫酸盐还原功能的耐酸性菌株WF83,在自行设计的一套0.67L小型连续搅拌槽式反应器中(continuous-flow stirred tank reactor,CSTR)分别研究了碳硫比(COD/SO42-)和进水pH值对以WF83为主要菌种的生物沉淀作用对人工配制的酸性重金属废水(pH=2.0,重金属Zn2+、Cu2+和Cr3+含量分别为60、40和10 mg/L,SO42-4000～6200 mg/L)的处理效果;并在此基础上,以重金属污染底泥生物沥浸脱毒工艺产生的酸性重金属废液为研究对象,对生物沉淀法处理酸性废水的实际效果进行了检验。形态学以及16S rRNA基因序列分析鉴定显示,分离菌株WF83为肠杆菌属(Enterobacter sp.),该菌株属中温菌、兼性厌氧,且适宜生长pH范围较广(pH5.0～9.0生长良好),表现出较强的耐酸性。以菌株WF83为主要SRB菌种的生物沉淀作用在COD/SO42-为3.0～0.78和pH为4.3～2.6的不同进水条件下(HRT=36h)对试验废水均有较好的处理效果,具体表现为:CSTR反应器出水pH值可稳定达6.5-8.0,废水中Cu2+、Zn2+去除率达99％以上,Cr3+去除率达94％以上,处理后SO42-去除率达70％左右;带能谱仪的扫描电镜(SEM-EDS)以及X-射线衍射(XRD)对CSTR反应器沉淀物的分析鉴定进一步证明了,废水重金属得以去除的主要原因为产生了难溶性的金属硫化物沉淀。此外,试验还发现随着进水pH由4.3降至2.6,出水pH和碱度均呈现逐步下降的趋势,而SO42-的生物还原和重金属去除效果变化不大;随着进水COD/SO42-比的下降,SO42-去除率显著下降(100％→60％→20％),但对重金属去除率没有影响。结合实际考虑,控制进水COD/SO42-为1.8、pH值为3.5对酸性重金属废水生物沉淀处理较为有利。采用菌株WF83生物沉淀处理底泥沥浸酸性废液的试验表明,该法对上述废水有较满意的净化效果,Zn2+、Cu2+和Cr3+去除率均达97％以上,SO42-去除亦可达60％左右。
　　 此外,本文发现硫酸盐还原菌产生的胞外多聚物(Extracellular polymeric subtances,EPS)在酸性废水中重金属生物沉淀去除中也可能有积极作用(以Cu为例)。研究发现,上述CSTR反应器中SRB产生的EPS含量约为26.27mg/gVSS,其中多糖组分占74.5％,蛋白质占25.5％(多糖/蛋白质为2.92);SEM-EDS和FI-IR分析表明EPS对Cu2+有较强的吸附作用,在pH5.5时,qm可达2500mg(Cu2+)/g(EPS)。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 酸性重金属废水的来源及特征

1.1.1 废水的来源

1.1.2 废水的危害

1.2 酸性重金属废水的处理方法

1.2.1 物理法

1.2.2 化学法

1.2.3 生物法

1.3 硫酸盐还原菌生物沉淀技术概述

1.3.1 硫酸盐还原菌的分类及生物学特性

1.3.2 硫酸盐还原菌处理酸性重金属废水的原理及特点

1.3.3 硫酸盐还原菌生物沉淀作用的主要影响因素

1.3.4 应用前景及已有研究的不足之处

1.4 本论文的研究目的和内容

2 耐酸硫酸盐还原功能菌株WF83的分离鉴定及生长特性

2.1 材料与方法

2.1.1 样品来源

2.1.2 培养基

2.1.3 仪器和设备

2.1.4 菌株的筛选、富集

2.1.5 菌株的分离和鉴定

2.2 结果与讨论

2.2.1 形态特征

2.2.2 菌株WF83对O2的耐受性

2.2.3 菌株WF83对碳源的利用

2.2.4 pH和温度条件对菌株WF83生长的影响

2.2.5 菌株WF83的系统发育分析

2.3 小结

3 硫酸盐还原菌处理酸性重金属废水的影响因素研究

3.1 试验装置和反应器的启动

3.2 试验方法

3.2.1 不同COD/SO42-对硫酸盐生物还原过程的影响

3.2.2 不同pH对硫酸盐生物还原过程的影响

3.2.3 底泥沥浸酸液的硫酸盐还原菌生物沉淀处理效果检验

3.2.4 分析项目与方法

3.3 结果与分析

3.3.1 不同COD/SO42-对硫酸盐生物还原过程的影响

3.3.2 不同pH对硫酸盐生物还原过程的影响

3.3.3 底泥沥浸酸液的硫酸盐还原菌生物沉淀处理效果

3.4 小结

4.硫酸盐还原菌胞外聚合物对Cu2+的吸附行为

4.1 材料与方法

4.1.1 EPS的提取

4.1.2 EPS成分测定

4.2 EPS对Cu2+的吸附等温线

4.2.1 Cu2+质量浓度分析

4.2.2 SEM及EDS分析

4.2.3 红外光谱分析

4.3 结果与讨论

4.3.1 EPS的组成

4.3.2 EPS的等温吸附行为

4.3.3 EPS吸附Cu2+的机理探讨

4.4 小结

5.结论

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果