硫酸鹽還原菌結(jié)合生物材料處理重金屬污水的研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)以及礦業(yè)的發(fā)展，人們對資源的過度開發(fā)及不合理利用，污染物的超標(biāo)排放，導(dǎo)致環(huán)境問題日益嚴(yán)重。尤其是一些不良企業(yè)任意排放未經(jīng)過處理的工業(yè)污水，導(dǎo)致水體污染的問題尤為嚴(yán)重。許多重金屬離子，如砷、鉛、汞、鉻、銅、鋅和鎘，會對人類和生態(tài)環(huán)境帶來不利的影響。微生物法用于去除污水中重金屬，具有效率高、低成本和產(chǎn)物可生物降解無二次污染等諸多優(yōu)點(diǎn)，其中一類特殊的微生物—硫酸鹽還原菌(Sulfate reducing bacterial，SRB

2、)，具有將硫酸鹽還原成硫化氫能力，而被廣泛用于高效修復(fù)重金屬污染污水。同樣，具有良好吸附性能的生物材料由于來源廣泛、可再生、可生物降解等特點(diǎn)，可作為去除污水重金屬離子一種實(shí)用材料。本論文針對硫酸鹽還原菌與生物材料聯(lián)合處理重金屬污水進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，主要工作內(nèi)容如下:
　　1.通過馴化獲得高耐受重金屬的硫酸鹽還原菌，對Cd2+、Cu2+、Zn2+的耐受濃度分別為250 mg/L，150 mg/L，150 mg/L。同時，馴化得到高耐

3、受重金屬的蠟樣芽孢桿菌(Bacillus cereus，B.cereus)，耐受Cd2+、Cu2+、Zn2+濃度分別為300 mg/L，150 mg/L，200 mg/L，并分別考察了pH、溫度對SRB和B.cereus去除Cd2+、Cu2+、Zn2+的影響。
　　2.SRB-CCMKGM-Ni/Fe協(xié)同處理含鎘污水體系。
　　(1) SRB，用于產(chǎn)生H2S，與重金屬結(jié)合形成重金屬硫化物沉淀;交聯(lián)羧甲基魔芋葡甘露聚糖(Cro

4、sslinked carboxymethyl konjacglucomannan，CCMKGM)，是優(yōu)良的吸附劑;納米鎳鐵雙金屬顆粒(Ni/Fe bimetallic nanoparticles，Ni/Fe)，由化學(xué)合成法制備，具有還原水體中重金屬離子的能力。考察了不同初始Cd2+濃度，pH、溫度、反應(yīng)時間對 SRB，CCMKGM，Ni/Fe，SRB-CCMKGM，SRB-CCMKGM-Ni/Fe體系Cd2+去除率和SO42-殘留量的影

5、響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所構(gòu)建的SRB-CMKGM-Ni/Fe體系處理含鎘污水的效率明顯高于SRB，CCMKGM，Ni/Fe體系。該體系在初始Cd2+為150 mg/L時，去除率達(dá)到99.7％，
　　而SRB，CCMKGM，Ni/Fe的Cd2+去除率分別只有57.3％，52.3％，58.9％。說明吸附在CCMKGM上的SRB能顯著提高體系去除Cd2+和SO42-的能力。在Ni/Fe雙金屬顆粒協(xié)助下，Cd2+去除率和SRB的活性均較大提高

6、。
　　(2)利用掃描電鏡、傅里葉遠(yuǎn)紅外光譜、X射線衍射和原子火焰吸收光譜等分析手段，進(jìn)一步研究SRB-CCMKGM-Ni/Fe體系去除重金屬的機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該體系的重金屬去除方式主要包括生物吸附，化學(xué)還原和硫酸鹽還原作用。在掃描電鏡圖像中，納米Ni/Fe雙金屬粒子呈球狀(40-80 nm)，它對重金屬污染物的氧化作用，增強(qiáng)了體系中活性組分的含量，如羥基自由基(·OH)。 X衍射分析結(jié)果表明，反應(yīng)后，在沉積于SRB-CCMK

7、GM-Ni/Fe體系表面的許多細(xì)小而不規(guī)則的顆粒，主要是SRB的還原反應(yīng)產(chǎn)生的CdS和Ni/Fe雙金屬顆粒氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的Cd0或CdO，還有由于Ni/Fe雙金屬粒子的破損，暴露的Fe0氧化還原產(chǎn)生Fe(OH)3、 Fe3O4、 Fe2O3。FTIR分析表明SRB和CCMKGM參與吸附的化學(xué)官能團(tuán)有-NH2,-NH，-OH，C=O，O-C-O和-CH等，而且，酰胺基化合物峰值的變化也說明蛋白質(zhì)中質(zhì)子化的酰胺基在吸附過程中可能起重要的作

8、用。
　　3.基于蠟樣芽孢桿菌-茶籽餅(Camellia oleifera cake，COC)-SRB協(xié)同作用，并結(jié)合生物浮選法構(gòu)建新型復(fù)合重金屬污水處理體系，所處理的污水中三種重金屬初始濃度分別是:200 mg/L Cd2+，100mg/L Cu2+,100 mg/L Zn2+。
　　(1) B.cereus降解COC最佳培養(yǎng)條件:轉(zhuǎn)速150 rpm，溫度37℃，pH值7.0，培養(yǎng)時間48h。此時，細(xì)菌數(shù)量為6.7×106

9、 CFU/mL，茶皂素濃度7.8％。
　　(2)分析探索了兩種微生物和COC如何協(xié)同作用處理復(fù)合重金屬污水。該體系對單一重金屬去除能力依次為Cd2+＞ Cu2+＞ Zn2+。B.cereus降解茶籽餅COC產(chǎn)生營養(yǎng)物，并通過其有氧呼吸消耗反應(yīng)體系中的氧氣，為SRB提供缺氧和富含營養(yǎng)物質(zhì)的環(huán)境。后者產(chǎn)生的H2S，使重金屬沉淀。因此，兩者生物還原作用在重金屬去除過程中發(fā)揮重要的作用。
　　(3)通過原子火焰吸收光譜、掃描電鏡和X

10、射線衍射等分析手段進(jìn)一步研究其去除重金屬的機(jī)制。結(jié)果表明，處理后的微生物和COC顆粒表面出現(xiàn)大量的重金屬硫化物(CdS，CuS，ZnS)和重金屬化合物，并且，微生物的菌體形態(tài)受重金屬及還原反應(yīng)產(chǎn)物的影響，發(fā)生了明顯變化。COC顆粒充當(dāng)了微生物群落形成生物膜的基床，由于好氧B.cereus對氧氣的消耗，造成在COC顆粒表面形成生物膜并產(chǎn)生一個有利于厭氧菌生長的空間。另外，以氫作為電子供體的SRB利用還原反應(yīng)將重金屬還原成重金屬硫化物，后者

11、也可以吸附重金屬。B.cereus的重金屬吸附機(jī)制包括表面吸附，細(xì)胞外沉淀和借助細(xì)胞內(nèi)特殊成分的胞內(nèi)積累。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其細(xì)胞表面先是快速吸附重金屬，隨后是一個相對緩慢的細(xì)胞內(nèi)積累重金屬的過程。
　　(4)重金屬生物浮選法。由微生物菌體和茶皂素組成的重金屬捕捉劑，以及浮選柱中產(chǎn)生的許多能夠吸附重金屬離子的小泡沫，可以顯著地去除溶液中殘留的重金屬。生物浮選過程中捕捉劑對三種重金屬離子的選擇吸附性表現(xiàn)為:Cd2+＞ Zn2+＞ Cu2+