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次氯酸氧化+SRB耦合脱氮硫杆菌共去除电镀废水中镍硫氮的研究

文树龙  
【摘要】:电镀含镍废水是一种难处理的工业废水,其中部分镍以络合态的形式存在,如乙二胺四乙酸镍(EDTA-Ni)。EDTA-Ni结构稳定,难以被微生物降解,不能实现镍含量的达标排放。而且电镀废水常常含有大量硝酸盐和硫酸盐,而碳含量却很低,硝酸盐的去除也成为含镍废水的处理难点。因此,本研究以电镀含镍废水中EDTA-Ni和硝酸盐为目标污染物,利用次氯酸催化氧化耦合微生物(硫酸盐还原菌和脱氮硫杆菌混合)共去除电镀废水中的镍硫氮,实现硝酸盐和镍的达标排放及镍的回收利用。首先,以羟基氧化镍为催化剂催化次氯酸钠氧化EDTA-Ni,在催化氧化过程中不仅能够循环再生羟基氧化镍,表现高效催化性(95%镍去除),而且实现镍的循环利用,成功回收镍。通过SEM、IR、XRD、XPS等表征技术发现反应前后催化剂主要表面特征、材料结构及元素价态都没有发生明显变化,而且随着催化剂的循环利用,反应速率反而加快。主要是因为在次氯酸的作用发生羟基氧化镍与氢氧化镍循环再生过程,羟基氧化镍表现高效催化性和稳定性,加速次氯酸转化为自由氧降解EDTA-Ni。硫酸盐还原菌(SRB)同步去除硫酸盐和金属镍的响应面实验结果表明硫酸盐还原菌去除镍的最优试验条件为、pH值=6.9、C/S=1.68和MLVSS=5.14时镍去除性能最佳,Ni去除效率可达(68%)。并且,进一步探究Fe~(2+)和Fe~(3+)对反应体系的影响发现,低浓度的Fe~(2+)和Fe~(3+)能够与硫化物(Sulfide,TDS?=?H_2S+HS~-+S~(2-))反应从而减少了其对微生物的抑制作用,因此可以促进硫酸盐还原和Ni的去除;而高浓度的Fe~(2+)和Fe~(3+)与TDS反应生产过多的FeS沉淀将微生物包裹,限制微生物的物质交换,导致硫酸盐还原和Ni的去除效率降低。高通量测序和RDA分析发现Desulfomicrobium和Halothiobacillus与TDS和Ni浓度呈正相关。Deslfobulbus和Desulfovibrio与pH呈正相关。Fe~(3+)和低浓度的Fe~(2+)离子促进了SRB的生长,从而促进了Ni的去除。脱氮硫杆菌同步硫氧化与反硝化的响应面试验结果表明脱氮硫杆菌反硝化的最优试验条件为:pH值=7.15、C/N=1.14和S/N=0.96时反硝化效果最佳,残留NO_3~-和TDS残留浓度分别为17.03 mg-NO_3~--N/L和61.56 mg-TDS/L。进一步探究Fe~(2+)对脱氮硫杆菌的硫氧化与反硝化过程的影响发现,低浓度的Fe~(2+)(1 mmol/L)可以有效地促进TDS和NO_3~-的去除,但高浓度的Fe~(2+)(4 mmol/L)会显著降低其去除效率。高通量测序和RDA分析阐阐明Thauera,Sulfurospirillum和Thiobacillus与SO_4~(2-)浓度和NFL呈正相关,而与与TDS、NO_3~-和NFH呈负相关,进一步表明低浓度的Fe~(2+)对微生物的生长代谢具有促进作用,而高浓度Fe~(2+)起抑制作用。耦合SRB和脱氮硫杆菌进行同步硫酸盐还原、镍去除和反硝化的实验结果显示随着C/N比的增加,硝酸根优先被还原,硫酸根还原滞后,并且镍的去除与C/N呈现正相关关系;S/N比大于1.0后,Ni的去除并不再增加。低浓度的Fe~(2+)(0~2 mmol/L)未对硫酸根的还原产生抑制,但是造成了TDS的降低,而且反硝化和TDS~-氧化效率都随之而提高;随着Fe~(2+)浓度继续增加到4 mmol/L,Ni的去除率明显升高。KGGE和OGE分析结果显示低浓度的Fe~(2+)加强了转录功能、能量生产和转化、碳水化合物转化与机制、氨基酸转运和代谢、碳水化合物代谢等能力,从而有促进了Sulfurospirillum、Thauera、Desulfomicrobium、Stenotrophomonas、Pseudomonas等微生物的生长,而高浓度的Fe~(2+)在微生物胞外形成了结核,阻碍了微生物与外界环境的交换,抑制了其生长。为了阐明硫循环作用机制,对纯化后性能最好的两株菌命名为SRB1和SOB1。SRB1鉴定其为Desulfovibrio,SOB1鉴定其为Thiobacillus。24 h后添加Fe~(2+)和乳酸钠能够最大程度的促进硫还原、镍去除和硫氧化等过程。通过机理分析得到,SRB-SOB体系通过硫还原和硫氧化过程构成了一个硫循环体系,通过SO_4~(2-)浓度的对比计算实验,确认反硝化过程属于化能自养过程,而且通过硫的衡量计算发现Fe~(2+)不参与氧化还原过程。本文构建镍循环催化氧化体系和硫循环体系并进行耦合处理含镍废水,成功实现镍和硝酸盐的达标去除。在催化氧化体系中巧妙再利用废水中的镍,使得催化剂循环再生,达到高效去除效率,也避免高级氧化法处理产生危险性废物的潜在风险;在硫循环体系中,对含镍含硝酸盐废水进行深度处理,进而使电镀废水全面达标排放。本研究成功构建一套次氯酸催化氧化+微生物(硫酸盐还原菌和脱氮硫杆菌混合)联合处理体系,为电镀废水处理技术提供理论依据和实验基础。


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