電鍍廢水因鍍件和工藝的不同,污染物的種類也不同,濃度差異也較大,成分復雜,不僅含有Cr6+、Pb2+、Zn2+、Fe2+、Ni2+等大量的重金屬離子,而且含有劇毒的CN-。近年來,國內外對高濃度電鍍廢水處理方法研究甚多,工藝各異,主要有化學法、電解法、離子交換法、電滲析法、生物法等,而傳統的化學法、離子交換法、反滲析法等不同程度地存在著工藝復雜、能耗大、成本高、占地面積大、運轉費用高、有二次污染等弊端。

利用微生物處理重金屬工業廢水的研究源于20世紀80年代,采用生物法處理金屬廢水成為國內外科研人員研究的新課題,它具有效率高、選擇性強、吸附容量大等優點,不會造成二次污染,且廢水處理成本低,面世后便引起了廣泛注意,得到了較快的發展。

1原理

生物法處理電鍍廢水的機理在于微生物之間存在互生、共生的關系,有著化學、物理和遺傳等三個層次的相互協作機制。在微生物的生長、繁殖過程中,會產生一定量的代謝產物。這類生化物質能使廢水中的重金屬離子改變價態,使Cr6+還原為Cr3+,同時微生物菌群本身還有較強的生物絮凝、靜電吸附作用,吸附Cr3+及、Zn2+、Ni2+、Cd2+、Cu2+、Pb2+等離子,使其經固液分離后進入菌泥餅,廢水達標排放或回用。微生物在一定條件下靠養分不斷繁殖生長,從而長期產生廢水處理所需的菌源。

2研究概況

近幾年來,隨著生物工程科學的發展,人們對微生物的認識越來越深入,已著手研究利用微生物法處理電鍍廢水的新技術,目前在功能菌分離,菌群及工藝優化、提高生物吸附性能以及優化微生物處理工藝等方面,國內外科技人員已做出了大量研究和工程實例。

2.1功能菌

功能菌是從廢水、電鍍污泥及下水道管內分離篩選出菌株,人工培養和馴化,從中獲得高效凈化重金屬的復合功能菌。微生物功能菌處理電鍍廢水具有工藝流程簡單、污泥量少等特點。

中科院成都生物研究所的李福德、吳乾菁、趙曉紅等自1986年以來,從電鍍污泥、廢水及下水道鐵管內分離篩選出35株菌株,從中獲得了高效凈化Cr6+及其它重金屬的SR系列復合功能菌,并以此為基礎設計了微生物法治理電鍍廢水的新工藝。成都錦江電機廠等四項實際工程運行結果表明:該微生物法對廢水組分、金屬離子濃度以及pH的變化適應性較強,處理后水中Cr6+、總鉻、Zn2+、Ni2+、Cd2+等離子質量濃度均符合《污水綜合排放標準》(GB8978-88)。且工藝流程簡單,投資少,無二次污染,污泥中金屬用微生物法或化學法回收。

Tuppurainen等用硫酸鹽還原菌(SRB)處理人工合成的含硫酸鋅的重金屬廢水,使SO42-還原成S2-,S2-與Zn2+生成沉淀。X-射線衍射分析表明,沉淀物大部分是ZnS。用SRB處理含Zn2+質量濃度為200mg/L左右的廢水,Zn2+去除率達到98%。

Laxman等研究發現灰色鏈霉菌能在24～48h內把Cr6+還原成Cr3+并能顯著地吸收Cr3+。

喬勇等從電鍍廢水中分離出了三株能夠高效降解自由氰根的菌種,并對這三株菌的生長曲線和影響其降解氰化物的因素進行了研究。結果表明,在其最優條件下該菌種能將80mg/L的CN-降解到0.22mg/L,降氰率達到98.9%。該研究結果可為微生物在處理含氰廢水的實際應用提供依據。

2.2高效生物吸附劑

生物吸附劑是利用生物體本身的化學結構及成分特性來吸附溶于水中的金屬離子,再通過固液兩相分離將水溶液中的金屬離子去除,因此開發高效的生物吸附劑和處理工藝,是生物法處理重金屬廢水的主要發展方向。

B.W.Atkinson等研究了剩余活性污泥處理電鍍廢水,電鍍廢水主要含有Zn2+,其質量濃度達到110mg/L,同時還含有少量的Cu2+、Cd2+、Ni2+、Cr3+和Cr6+,其研究結果表明,活性污泥對鋅的去除率高達96%,其它金屬的質量濃度均在50mg/L以上,平均去除率為80%。生物吸附法由于其吸附容量一定、選擇性高、活性污泥來源廣泛、廉價易得等特點[11],因而這一結果表明活性污泥非常適合作為生物吸附劑使用。

Anastasios等在Cu2+、Zn2+和Ni2+3種離子共存的溶液(pH為8)中,用失活的鏈霉菌菌體對Zn2+(質量濃度為50mg/L)進行吸附,其去除率達到70%;溶液pH為9時,Zn2+的去除率接近100%。

趙力等人研究了黑根霉菌絲體對鉛的吸附,發現在適宜的條件下,飽和吸附量分別可以達到135.8mg/g(未經處理)和121.1mg/g(明膠包埋)。

王亞雄等]研究發現類產堿假單胞菌和藤黃微球菌對Cu2+和Pb2+有較強的吸附能力。Cu2+和Pb2+離子在這2種細菌上的吸附基本符合Langmuir單分子層吸附行為,其線形回歸系數大于0.99。Cu2+和Pb2+離子在細菌表面吸附與pH有密切關系,適宜pH范圍為5～6。稀HNO3和H2SO4是Cu2+離子從藤黃微球菌菌體上有效的洗脫劑。

2.3工藝優化

張子間等針對單一生物法凈化含鉻電鍍廢水存在著效率低、處理成本高的問題,采用一種新的組合工藝:微電解-生物法來處理含鉻電鍍廢水。在實驗過程中,重金屬離子通過微電解法去除90%以上,剩余部分被后續工藝的微生物功能菌去除。實驗結果表明:Cr6+的質量濃度為50mg/L,Cu2+質量濃度為15mg/L,Ni2+質量濃度為10mg/L的廢水經處理后,重金屬離子的凈化率達99.9%,且無二次污染。

Wang等人選用苯酚降解菌P.putida和Cr6+還原菌E.coli在連續流生物反應器中聯合培養。苯酚是唯一碳源和能量源。該系統分別在不同作用時間、Cr6+和苯酚不同初始濃度的10種工況下,連續運行了279d。在其中8種工況下,Cr6+和苯酚幾乎獲得了完全去除。本系統的特點是細菌的培養裝置與反應器合并在一起,在細菌培養的同時去除了Cr6+和苯酚。

葉錦韶等利用復合生物吸附劑FY01與活性污泥作為吸附材料,探討了柱式生物曝氣法對高濃度含鉻電鍍廢水的生物吸附效果。研究結果表明柱式生物曝氣吸附法對含鉻廢水的處理效果理想,運行穩定。串聯處理2000mL總鉻、Cu2+和COD質量濃度分別為60.4、4.51和48.2mg/L的電鍍廢水2h后,去除率分別高達92.1%、99.2%和71.4%。

劉瑞軒等人開發了電生物膜方法處理重金屬離子有機廢水的全套工藝,研究表明電生物膜反應器能夠很好地凈化含有50mg/LPb2+和1500mg/L苯酚的高濃度廢水,對含Cr3+初始質量濃度為5～80mg/L的電鍍廢水均可得到高效治理,該法對水質水量波動適應性強,出水均優于工業污水國家排放標準。

3微生物法處理電鍍廢水的優缺點

同化學法、離子交換法、氣浮法相比,微生物法不使用化學藥劑,處理技術比較簡單,功能菌對金屬離子的富集程度高,污泥中金屬濃度高,生成污泥量少,二次污染明顯減少,處理方法簡便運行費用低,而且污泥中重金屬易回收,回收率高。處理后污泥中金屬的殘留量符合并低于GB4284-84農用污泥中污染物控制標準。具體參見http://www.dongaorq.cn更多相關技術文檔。

同時,生物法處理電鍍廢水目前所采用的功能菌和廢水中金屬離子的反應效率不太高,且每天都要不斷培菌對培養基的消耗也較大,造成處理成本仍然較高。處理后出水雖然重金屬離子達到排放標準,但由于生物菌的過量投加,水中的殘余生物還能繁殖因而不能直接回用。

4研究展望

微生物法處理電鍍廢水技術作為一種新興的廢水處理技術,正引起人們的關注。它的特殊作用正在不斷得到挖掘,一些具有特異性的優勢菌種不斷得到創造或改進。針對廢水生物處理法存在著一些缺陷和不足,我們還需要在以下幾個方面不斷完善和改進現有技術和方法:

1)提高功能菌的反應效率,降低功能菌的培養成本,實現處理設施的設備化和自動化。

2)對微生物與重金屬反應的動力機理進行深入研究,提高微生物對重金屬的負荷能力,以提高重金屬離子的去除效果。

3)開發新型的處理工藝及反應器,并獲取特征參數。