内容发布更新时间 : 2024/11/14 13:06:44星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

生物吸附法处理污泥中重金属镍的研究

The study on the disposal of sludge containing nickel

heavy metals by biosorption

朱亦珺 Zhu Yijun

摘要 城市污水处理厂剩余污泥具有重金属含量高、含水率高和易于生物吸附的特点，但其重金属含量超标却限制了污泥农用，因此开展降低城市污泥中重金属含量的研究具有重要意义。本论文以污水厂二沉池剩余污泥作为固定化微生物吸附重金属的试验对象，从某污水处理厂活性污泥取样筛选出了一株高效重金属Ni2+吸附菌Z-2，通过分子生物学鉴定，确定为苏云金芽孢杆菌。考察了其重金属吸附性能，结果表明，菌株Z-2对Ni2+的具有较强的吸附性，投加3 g·L-1 (湿重)的菌体，对50 mg·L-1Ni的废水中吸附去除率达到 30.67 %，菌株Z-2对Ni2+的吸附过程能很好地用吸附模型Langmuir方程。本研究成果可为微生物法去除市政污水厂污泥中重金属奠定基础，同时为更好的实现微生物吸附处理污泥中重金属离子工业化提供依据。

Abstract Sludge has the characteristics of high content of heavy metals, high moisture content, and easy adsorption in secondary settling tanks of urban sewage treatment factories. Because this type of sludge contains heavy metals, it cannot be devoted to agriculture. Therefore, it is of highly important to study reducing the content of heavy metals in sludge in urban sewage treatment factories.The metal uptake capacity of a bacterial strain (namely Z-2) which was isolated from both activated sludge and heavy metals contaminated soil adjacent to an electroplating plant was investigated. The biosorption rate and nickle tolerance of Z-2 were significantly improved by acclimated by high metal concentration solution. The optimal parameters for Z-2 were pH at 6.0, temperature at 30～40℃, 8 hours’ sorption time, 100 mg?L-1 of zinc and 50 mg?L-1 of nickel concentration, and a biomass of 3 g?L-1 with 3 days’ culturing, with these these Ni2+ removal with corresponding sorption rate of 30.67 % could be reached. The absorption models matched the Langmuir Isotherm Adsorption Equation. This research provided the basis of applying biosorption to treat heavy metals contained in sewage treatment plant sludge, and this article is important to help with industrialization of this technology. 关键词 活性污泥；重金属；菌种；微生物吸附

Key Words：activated sludge ；heavy metals；bacteria； microbial adsorption

作者简介：朱亦珺，1988年5月，女，汉族，山东即墨市，工程师，硕士，环境工程专业，水处理方向 Author's Notes：Zhu YiJun,1988-, Engineer, Master, School of Civil and Environmental Engineering.

污泥是由多种微生物形成的菌胶团及其微生物吸附的有机物和无机物组成的集合体，是污水生物处理过程的必然副产物。污泥含水量高且成分复杂，含有大量的有机质、氮、磷等营养物质，还含有大量重金属、病原微生物等污染物质[1]。目前污水厂污泥重金属的去除方法主要有动电技术、生物淋滤、植物提取、化学处理。这些方法基本能有效地去除重金属，在一定程度上取得了良好的效果，但普遍都存在一些问题，如动电技术和化学处理法成本高、运作困难；植物提取法处理时间长；生物淋滤法产生高浓度的重金属淋滤液，具有二次污染等问题。但利用生物吸附法能够避免这些问题。与传统方法相比，生物吸附法具有以下优点：成本低、效率高、化学药品用量少、生物吸附剂可以再生，而且金属还可以回收利用。本研究以某污水处理厂为工程实例，结合生物吸附法的特点，通过研究筛选了去除污水厂浓缩前污泥中重金属镍的微生物菌种，对其进行固定化，并研究其去除机理，可为微生物法去除市政污水厂污泥中重金属奠定基础，同时为更好的实现微生物吸附

处理污泥中重金属离子工业化提供依据。

1材料与方法

1.1试验材料

1、菌种来源：某污水处理厂曝气池活性污泥 2、培养基

富集培养基：蛋白胨10 g·L-1，牛肉膏5 g·L-1， NaCl 5 g·L-1，pH 7.2-7.4； 选择培养基：蔗糖5g， NaCl 0.1g·L-1， CaCO30.5g·L-1，K2HPO42g·L-1，（NH4）2SO41 g·L-1， Mg SO4·7H2O0.5g·L-1，Ni2+ （NiC12·6H2O）50 mg·L-1，琼脂20 g·L-1，pH=5-6；

驯化培养基：牛肉膏5 g·L-1，蛋白胨10 g·L-1，NaCl 5 g·L-1，pH为7.2~7.4。最初Ni2+的浓度为25mg·L-1（混合后浓度），以后加入Ni2+的量逐渐增大， Ni2+（NiC12·6H2O）浓度分别取25、50、75、100、150、200 mg·L-1；

分离培养基：牛肉膏5 g·L-1，蛋白胨10 g·L-1，NaCl 5 g·L-1，琼脂20 g·L-1， Ni2+

（NiC12·6H2O）50 mg·L-1，pH为7.2~7.4。 1.2试验方法

1、模拟废水的配置：取一定质量的Ni2+（NiC12·6H2O）配置到蒸馏水1L，调pH至6.0。 2、菌种筛选

将采集的污泥在去离子水中震荡后，取上清液，富集培养，采用逐级连续传代驯化法对富集得到的混合菌株进行耐重金属Ni2+的驯化。驯化初始Ni2+浓度为以25 mg·L-1为浓度梯度向上递增，每批次菌液传代转接量为10%，直至Ni2+浓度为200 mg·L-1。取最后驯化阶段的培养液稀释涂在的固体培养基中，恒温培养，选取菌落特征不同的单菌落，反复划线纯化、镜检，直至获得纯的培养物。筛选得到一株去除重金属能力强的最优菌株命名为菌株Z-2。

3、菌种鉴定：对菌株Z-2进行分子生物学鉴定。

4、单因素优化试验：采用单因素试验，设置菌株对镍吸附的特性条件为：废水初始pH=6，重金属Ni2+初始浓度为100 mg·L-1、摇床转速160 r/min，装液量100 mL (250 mL摇瓶)，菌量2.5 g·L-1、温度为30 ℃、吸附时间为4 h。试验过程中，改变一个参数，固定其他条件，进而确定菌株的最佳吸附条件。 1.3分析方法

采用丁二酮肟分光光度法测定Ni2+的质量浓度。

2 结果与讨论

2.1 菌种鉴定

2.1.1 菌株Z-2形态观察

菌株Z-2为苏云金芽孢杆菌，单个、成对或短链状排列，菌体大小约为0.5~1.5μm×0.8~6.0μm；菌落直径约为2~3mm，圆形、乳白色、不透明、湿润、边缘光滑、中央凸起成半球状。 2.1.2 菌株16SrDNA序列的扩增与分析

将菌株Z-2进行16SrDNA的测序，采用BLAST软件对菌株的同源性进行比较，构建进化树，采用邻位相连法对进化树进行评估[2]。结果确定菌种的分类地位属于苏云金芽孢杆菌属。 2.2镍离子浓度对菌株Z-2吸附效果的影响

废水中镍离子初始浓度对菌株Z-2吸附效果的影响如图1所示。

图1 镍离子浓度对菌株Z-2吸附效果的影响

Fig.1 Effect of initial concentration of Ni (Ⅱ) on biosorption with the strain Z-2

从图1可以看出，随着镍离子浓度的升高，菌株Z-2对镍离子的吸附效果逐渐降低，在镍离子浓度为10~100 mg·L-1范围时，菌株Z-2对镍的去除率维持在29.9%以上。当Ni2+浓度达到100 mg·L-1时，镍离子去除率显著下降，为20.34%。菌株Z-2在Ni2+浓度10~50mg·L-1的范围内具有较好的吸附效果。

2.3 吸附时间对吸附效果的影响

在Ni2+浓度50mg·L-1，pH为6.0，菌量为2.5 g·L-1，30 ℃，160r/min振荡吸附1、2、4、8、16、24 h，结果见图2。

图2 吸附时间对菌株Z-2吸附效果的影响

Fig.2 Effect of adsorption time on the biosorption of Ni (II) with the strain Z-2

由图2可见，在4 h之内，吸附速率增加很快，在4 h时Ni2+去除率增加至27 .05%；在吸附时间达到8 h时，Ni2+去除率稍微增大至29.18%，此时细胞上被吸附的离子与溶液中的重金属离子达到平衡。多数学者认为，生物材料对重金属离子的去除分为快速吸附和慢速吸附两个阶段。快速吸附阶段通常只有几十分钟，即可达到最终吸附量的70%左右，这是一种快速的表面吸附；慢速吸附阶段常常需要几十小时，才能达到生物质最终吸附量，这个过程受胞内代谢、细胞扩散过程的影响较大，是重金属离子向细胞内转移的阶段。因此，有效地去除重金属离子需要使生物吸附的时间足够长，以能够使吸附达到平衡[3]。本实验得出的最佳吸附时间为8小时。 2.4 pH对吸附效果的影响

pH值是影响重金属吸附量的决定性因素。本研究将Ni2+浓度为100 mg·L-1 的溶液分别调节pH 至2～8，结果如图3所示。