摘 要

由于金属冶炼、镍矿开采、镍铁电镀等行业过量排放Ni² 离子含量超标的重金属废水，我国水体重金属Ni污染问题日益严重。水体中超标的Ni离子会毒化水体并扩散至土壤中，导致生态环境一步步恶化，生物生存堪忧。据研究，Ni中毒会产生多种神经衰弱的症状，过量的Ni更是具有强致癌性。由于镍污染在近年才得到重视，故处理含镍废水的方法大多需要优化，传统的治理方法普遍存在条件难达成、二次污染等问题，故研究新的高效处理含镍废水的方法是现阶段亟需解决的问题。

目前，微生物处理法受到大多数研究者的青睐，本文主要介绍以硫酸盐还原菌处理含镍废水的方法。硫酸盐还原菌凭借其独特的代谢途径，可将SO₄^2-还原为H₂S并产生OH^-，水体中的重金属离子可迅速与生成的H₂S结合生成可去除的沉淀，实现了无二次污染的重金属处理。本研究在当前研究的基础上，针对其中的不足，主要的研究内容与结果如下：

(1)本研究对实验室保存的硫酸盐还原菌菌株进行了筛选、纯化，并对其进行了活性测定，该菌株培养64h后培养基中OD₆₀₀达到0.4703，培养基的最终pH为6.4，在80h时达到最低ORP值-321mv。

(2)本研究对所得菌株进行了除镍效果的单因素实验。通过单因素实验得到该硫酸盐还原菌菌株处理含镍废水最优条件为：pH为8.0、环境温度为35C，生长培养基的碳硫比为2，Ni² 离子浓度为0.025g/L。

(3)本研究对该硫酸盐还原菌菌株进行了除镍效果的正交实验，得到其处理含镍废水的因素影响的主次关系为：温度gt;Ni² 离子浓度gt;pHgt;碳硫比。当环境条件为：35C、pH 8.0、Ni² 离子浓度0.025g/L、碳硫比2时，该硫酸盐还原菌的除镍效果最好。

关键词：硫酸盐还原菌；含镍废水；生物矿化

Abstract

Due to excessive discharge of heavy metal wastewater with excessive Ni² ion content in metal smelting, nickel mining, nickel-iron electroplating and other industries, the pollution of heavy metal Ni in Chinese water is becoming increasingly serious. Excessive Ni ions in the water will poison the water and spread to the soil, leading to the gradual deterioration of the ecological environment and the survival of organisms. According to research, Ni poisoning can produce a variety of neurasthenic symptoms, and excessive Ni is a strong carcinogen. Because nickel pollution has only been paid attention to in recent years, most methods to treat nickel-containing wastewater need to be optimized. Traditional treatment methods are generally difficult to achieve conditions, secondary pollution and other problems. Therefore, it is an urgent problem to study new and efficient methods to treat nickel-containing wastewater.

At present, microbial treatment method is favored by most researchers. This paper mainly introduces the method of treating nickel-containing wastewater with sulfate reducing bacteria. Sulfate-reducing bacteria can reduce SO₄^2- into H₂S and produce OH^- by their unique metabolic pathways. Heavy metal ions in water can quickly combine with the generated H₂S to form removable precipitates, thus achieving heavy metal treatment without secondary pollution. Based on the current research, the main research contents and results are as follows:

(1)In this study, the strain of sulfate reducing bacteria preserved in the laboratory was screened and purified, and its activity was determined. After the strain was cultured for 64h, the OD₆₀₀ in the medium reached 0.4703, the final pH of the medium was 6.4, and the lowest ORP value was -321mv at 80h.

(2)In this study, a single factor experiment was conducted on the nickel removal effect of the strain. The sulfate-reducing bacteria strain is obtained by single factor experiment with the optimum conditions for wastewater containing nickel: pH 8.0 to 35C, environment temperature, growth medium carbon sulfur ratio of 2, Ni² ion concentration is 0.025 g/L.

(3)In this study, orthogonal experiments were conducted on the nickel removal effect of this sulfate reducing bacteria strain, and the primary and secondary relationships of the factors affecting the treatment of nickel containing wastewater were obtained: temperaturegt;Ni² ion concentrationgt;pHgt;carbon-sulfur ratio. When environmental conditions are: 35C, pH 8.0, Ni² ions concentration is 0.025 g/L, carbon and sulfur than 2, the sulfate reducing bacteria in addition to the effect of nickel is best.

Keywords: sulfate reducing bacteria; Nickel containing wastewater; biomineralization

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 水体镍污染现状 1

1.2 镍污染危害 1

1.3 水体镍污染治理研究进展 1

1.3.1 传统水体镍污染治理技术 1

1.3.2 新型镍污染治理技术 2

1.4 硫酸盐还原菌治理水体镍污染原理 3

1.5 研究目标、研究内容和拟解决的关键问题 4

1.5.1 研究课题的目的及意义 4

1.5.2 研究课题的主要内容及技术路线 4

第2章 硫酸盐还原菌株的筛选、培养及其活性研究 5

2.1 引言 5

2.2 实验材料与方法 5

2.2.1 实验仪器及试剂 5

2.2.2 实验方法 6

2.3 结果与讨论 7

2.3.1 硫酸盐还原菌菌株的筛选、分离与保存 7

2.3.2 菌株生长曲线的研究 8

2.4 本章小结 9

第3章 硫酸盐还原菌株去除镍离子条件优化 10

3.1 引言 10

3.2 实验试剂及仪器 10

3.3 实验方法 11

3.3.1 SRB除镍的单因素实验 11

3.3.2 正交实验 13

3.4 结果与讨论 13

3.4.1 SRB对Ni2 的诱导成矿 13

3.4.2 不同pH对SRB除镍能力的影响 13

3.4.3 不同温度对SRB除镍能力的影响 14

3.4.4 不同镍离子浓度对SRB除镍能力的影响 15

3.4.5 不同的培养基碳硫比对SRB除镍能力的影响 16

3.4.6 培养基溶液的红外图谱分析 18

3.4.7 正交实验结果分析 19

3.5 本章小结 20

第4章 结论与存在问题 21

4.1 结论 21

4.2 本研究存在的问题 21

参考文献 22

致 谢 24

第1章 绪论

1.1 水体镍污染现状

水是生命之源，随着人类对水的需求从生存延伸至农业、工业等各个方面，水对人类社会渐渐起到了无法替代的作用。在全球经济和社会的发展过程中，人类社会对水的需求量逐渐增长。虽然中国的水资源总量充裕，但是人均水资源贫乏。缺水状况在我国普遍存在，并且情况仍在不断恶化。水资源贫乏再加上生活污水、工业废水等水体污染问题，人类的生存目前正在面临威胁。

重金属污染在水体污染中显得最为严重。水环境重金属污染指的是排入水体的重金属物质超过了水体的处理能力，使重金属在水体存在残留，从而破坏水体中的生物的生长环境。人类在利用被污染的水体的过程中也会收到危害。包括重金属镉(Cd)、汞(Hg)、铅(Pb)等生物毒性显著的元素是主要的水体重金属污染物质，其余诸如锌(Zn)、铜(Cu)、镍(Ni)等常见元素在个别地区也严重影响了水体质量^[1]。

生态环境中的镍主要分布于大气和水体中。镍的来源主要源于地球的地质运动而自然形成和人类的工业排放。自然界中火山的爆发，微滴海水的蒸发，植物花粉、矿物和土壤微粒的飞扬能导致镍进入大气，但是以这种方式进入大气的镍并不是主体。石油中含有镍，大部分煤也含有微量的镍，通过燃烧过程被释放到大气中。在冶炼含镍矿石时，部分矿粉也会随气流进入大气。水体中的镍主要来源于大气降尘、农田施肥、植物和动物残体的腐烂以及农田排水以及植物生长而从土壤中带走的镍^[2]。另外，工厂废水中也含有大量的镍离子，如镀镍工业废水为2～900mg/L，机器制造业废水为5～35mg/L，金属加工业废水为17～51mg/L。由于镍是人体必需的微量元素，所以镍污染在很长一段时间内并没有得到应有的重视，直到近年的研究发现摄入过量的镍会诱发呼吸器官癌症以及白血病之后，镍的污染防治才开始落实。

1.2 镍污染危害

水体中的镍易通过饮用水以及食品等介质进入人体，从而对人体造成伤害。目前我国规定地面水中镍的最高容许浓度为0.5mg/L。镍可促进神经干细胞的分化，且促进向星形胶质细胞分化的作用强于向神经元的分化，进而导致失眠、恶心、视力减退等神经衰弱症状。同时镍还会降低生育能力，具有致畸、致突变等毒性作用。另外，镍是一种具有很强致癌作用的元素，有实例显示白血病患者急性期全血镍含量的高地与病情有一定关系^[3-5]。

1.3 水体镍污染治理研究进展

1.3.1 传统水体镍污染治理技术

由于镍污染在上个世纪并没有被重视，在水体镍污染领域我国并没有深入的研究。从21世纪初开始，以几起突发性水污染事件为契机，镍污染治理渐渐进入研究者的视野。我国初期的水体镍污染治理技术主要是以氢氧化镁吸附镍和碱性环境下使用絮凝剂FeCl₃使镍以氢氧化镍的形式沉淀的方法^[6-7]。这两种方法均涉及到镍离子在碱性环境下生成氢氧化镍沉淀的原理，但是在实际运用中需要将废水pH调至10左右，不符合排放标准，需要进行二次处理，因此这两种方法难以大范围推广执行。

1.3.2 新型镍污染治理技术

目前，除镍的方法变得多样化，主要分为使用物理及化学的方法处理和生物法处理。前者主要有化学沉淀、离子交换、吸附、电化学法、膜过滤等。后者主要有生物吸附法、固定化细胞技术等。

电化学法是将电解质溶液通上电流，在阴极和阳极上分别发生还原反应和氧化反应的过程，成本低、快捷方便且不会造成二次污染^[8]。近年，对电化学除镍的研究主要集中于电沉积而国外研究主要着眼于电絮凝方面。由于对新型电极材料和电极形态的研究较少，所以电沉积处理效果不是很好，而电絮凝法易使阳极的处理效果下降而难以用以实际处理。吸附法主要用于处理电镀废水中的镍离子。常用的吸附材料有粉煤灰、藻类、活性炭等。这些吸附材料利用其结构疏松多孔、表面积大等优势对水体中的镍离子有很好的吸附效果。目前，吸附法除电镀废水中的镍仍在理论研究阶段，有很多没有考虑的因素会影响实际应用。李蕊^[9]等提出电镀废水中除了含有Ni² 之外，还含有其他重金属离子。Cu² 和Zn² 的存在对Ni² 去除率有影响，会形成竞争吸附，使得Ni² 的去除率显著下降，在实际的使用中不存在普适性。

生物吸附法包含金属超富集植物吸附与微生物吸附。金属超富集植物吸附是指在金属严重污染的土壤上种植特殊品种的植物，利用植物将金属从土壤中吸收并转化为生物质的过程^[10]。该方法不仅能将被污染的土壤修复，还能从植物生物质中制取金属，是有良好前景的绿色清洁技术。微生物吸附主要是依靠生物体细胞壁表面的一些具有络合、配位能力的集团起作用，如巯基、羧基、羟基等基团^[11]。金属也能通过沉降和晶体化作用沉积于微生物的细胞表面。微生物吸附法的优势在于在除金属的过程中，微生物能够不断生长和繁殖，从而提高金属去除的效率。另外，微生物的表面能分泌粘性物质，该物质比表面积大，易使废水中的金属被吸附。

1.4 硫酸盐还原菌治理水体镍污染原理

硫酸盐还原菌(sulfate-reducing bacteria，简称SRB)是一类能把单硫、亚硫酸盐、硫酸盐、硫代硫酸盐还原为硫化物的微生物^[12]。至目前为止，SRB已有12个属近40多个种，但是这种分类还不够完善，主要是因为SRB的分类学特征不够明显。大部分SRB除了能够还原硫酸盐这个共同点外，并没有类似之处^[13]。硫酸盐可以促进SRB生长，但也有部分的菌种在无硫酸盐存在的环境仍能通过发酵获得的能量生长。在富含硫酸盐的环境中，SRB以SO₄^2-为电子受体氧化有机物获得能量，同时，所有的SRB都不能以氧作为电子受体，氧会抑制其生长。与大多数微生物相比SRB的生长速度尤为缓慢。

硫酸盐还原菌将硫酸盐还原至硫化氢的过程是由一系列酶促成的，分析中间产物相当复杂。一般认为，硫酸盐还原的主要过程为硫酸盐运输、硫酸盐激活、APS还原以及亚硫酸盐还原四步^[14-16]。SRB还原硫酸盐的完整过程如图1所示。

SO₄^2-

APS PPi

2PI

SO₄^2- ATP

PAPS

SO₃^2- ATP

S^2-

S₂O₃^2-

S₃O₆^2-

图1 硫酸盐还原菌还原硫酸盐过程

微生物矿化作用是指由微生物控制和操纵的沉积作用^[17-19]。SRB的生物矿化过程属于微生物诱导矿化。在该过程中，一方面微生物起到电子传递界面的作用，另一方面，微生物的代谢产物也会诱导矿化物的形成。SRB诱导生物矿化主要分为两个过程，细胞壁通过静电作用先将水体中的Ni² 吸附在生成的S^2-表面，包裹大量的有机物，然后在SRB的作用下以此为成核点，硫化镍的晶体逐渐生长。

1.5 研究目标、研究内容和拟解决的关键问题

1.5.1 研究课题的目的及意义

我国在21世纪初并没有重视水体镍污染，导致在镍铁合金工业发达的地区废水中的镍含量严重超标。目前，各地仍有突发性水污染事件，这使镍污染的治理形势不容乐观。针对我国的镍污染现状，本文从镍污染的来源、危害、现状、修复方法、修复原理等方面进行了论述，以期为我国的水体镍污染治理作出贡献，也为将来的微生物实际投入应用于水体镍污染治理提供参考依据。

微生物治理虽然还处于研究室研发阶段，但是相较于传统的污染处理手段有成本低廉、重金属去除率高、没有二次污染的优势，在未来的重金属污染治理方面有良好的前景和发展潜力。本课题着力于探究成本最低、效果最好的硫酸盐还原菌治理法，尝试将硫酸盐还原菌应用于不同的环境下的含镍废水，以得到最优的重金属去除条件。

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