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生化法去除電鍍廢水中重金屬離子的研究

發布時間:2011-10-12 10:50:12  中國污水處理工程網

電鍍廢水污染嚴重,是較難處理的廢水之一〔1〕。傳統的電鍍廢水的處理方法主要有化學法〔2-4〕、膜分離技術〔5〕、離子交換法〔6-7〕、吸附法〔8〕、有機絮凝法、電解法〔9-10〕等。微生物處理技術是新興的電鍍廢水處理技術,可運用混合菌群通過生物的絮凝、吸附、轉化等綜合作用〔11-14〕,達到去除電鍍廢水中重金屬離子的效果。微生物處理技術適應性強、設備簡單、無二次污染、處理費用低,在電鍍廢水的處理方面有著廣闊的應用前景。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行了處理,考察了pH、菌種投加量、溫度及反應時間對混合菌種去除電鍍廢水中重金屬離子的影響,并通過正交實驗對這4個影響因素進行了優化,確定其最佳的處理條件,獲得了較好的效果。

1·實驗材料和方法

1.1實驗材料

1.1.1主要實驗儀器及試劑

儀器:IRIS Advantage 1000型電感耦合等離子體發射光譜儀,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,上海手術器械廠。試劑:硝酸、氫氧化鈉,分析純,中國醫藥上海化學試劑站。

1.1.2實驗廢水

本實驗中所用實際電鍍廢水為平湖某電鍍廠排放的廢水,其水質如表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實驗方法

1.2.1菌種的制備

厭氧微生物菌是本實驗室從重金屬污染物中篩選出的混合菌種,經初步鑒定,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,常溫厭氧環境保存。活化時采用2 L的厭氧瓶,以食品發酵液為主要培養基,接種體積分數為10%的混合菌種。在35℃下厭氧培養2 d后,取菌液用于實驗。

1.2.2單因素實驗

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

1.2.3正交實驗

1.2.4綜合驗證實驗

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

1.2.5指標測試及方法

實驗過程中需要測定的指標和采用的分析方法,如表3所示。

2·實驗結果及討論

2.1單因素實驗

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方面的原因:一方面,這些細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系,在低pH下,細菌表面更多地吸附了溶液中的H+,大大降低了細菌與重金屬離子的結合能力和反應機會,隨著pH升高,細菌表面的負電荷密度增大,重金屬離子的電性吸附量增加,細菌對重金屬離子的選擇吸附能力增強。本實驗表明在pH=6.0時,菌液對鎘、鉻、銅、鎳去除率分別可達到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。當菌種投加量<1.0 mL/L時,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左右時開始趨于平衡。當菌種投加量達到3.0 mL/L時,對鎘、鉻、銅、鎳4種金屬離子的去除率達到最高,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過程的重要環境因子之一,其作用機理主要包括3個方面:一是溫度升高可加快微生物的生化反應速率,使得混合菌可以加快重金屬離子的生物轉化;二是細菌表面上的吸附包括物理吸附和化學吸附,化學反應熱可正可負,溫度增高時反應產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,非離子交換吸附是放熱反應,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,細菌對鎘、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,溫度對微生物處理金屬離子具有一定的影響,但當溫度>20℃時,溫度對本部分的實驗影響甚微,表明本實驗可在常溫條件下進行。

2.1.4反應時間對重金屬離子去除率的影響

反應時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的進行先增加,之后趨于平衡。在反應時間為10 min時,4種重金屬去除率基本都達到50%,當反應時間達到20 min后,細菌對鎘、鉻、銅、鎳的去除率接近最大值,分別為95%、95%、83%、90%。在后續時間里,重金屬離子的去除率幾乎沒有變化。因此,處理時間在20 min以內就可以達到很好的處理效果。

2.2正交實驗

按1.2.3進行的正交實驗結果見表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>反應時間>溫度。進而確定最佳反應參數為:pH=6.0,反應時間20 min,微生物加入量為3.0 mL/L,溫度為20℃。

2.3綜合驗證實驗

綜合驗證實驗結果見表6。

從表6可以看出,使用菌液對實際廢水進行驗證試驗時,對實際電鍍廢水中鎘、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果進行分析。通過正交實驗確定最佳反應參數,即微生物加入量為3.0 mL/L、反應時間為20 min、pH=6.0、溫度20℃為最優組合條件。將此參數用于實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的適應性,并且能夠獨立處理此類廢水,具有廣闊的應用前景。(谷騰水網)

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