混合硫酸盐还原菌群还原Cr(Ⅵ)的初步研究

李 光，方晓兰，蔡志辉

(1.岳阳职业技术学院，湖南 岳阳 414000；2.岳阳同联药业有限公司，湖南 岳阳 414000)

含Cr(Ⅵ)废水主要来源于油墨、染料及油漆颜料的生产、制革、金属清洗、预电镀和电镀等行业[1～3]，含Cr(Ⅵ)废水的盲目排放对区域水体和生态系统造成严重的环境污染，并危害到了人类的生存和健康。目前，对于含Cr(Ⅵ)废水的处理方法主要是将六价铬还原为三价铬，传统方法包括化学还原法、电解法和离子交换法等[4，5]，正在兴起的生物修复法是国家鼓励的具有发展前景的环境友好型方法。

硫酸盐还原细菌(Sulfate-reducing bacterium，SRB)，是能将硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐等硫氧化物以及元素硫还原形成硫化氢的细菌的统称，已广泛用于含Cr(Ⅵ)废水的处理。从电镀淤泥中分离出的高效还原杆菌——脱硫弧菌在菌废比为1∶1.4、Cr(Ⅵ)浓度为75 mg·L-1时，Cr(Ⅵ)去除率达99%[6～10]。

作者在此以硫酸盐等作为电子受体，以乳酸盐、氢气、乙酸盐等作为电子供体，利用混合硫酸盐还原菌群将Cr(Ⅵ)还原为低价态、易沉淀的Cr(Ⅲ)。探讨了pH值、培养温度等对Cr(Ⅵ)去除率的影响。为生物法处理含Cr(Ⅵ)废水的应用提供参考。

1 实验

1.1 菌种与培养基

Cr(Ⅵ)高耐受性硫酸盐还原菌群取自湖南精细化工产业园废水污泥，经富集、驯化得到。

硫酸盐还原菌培养基(g·L-1)：乳酸钠4.0，硫酸镁2.0，酵母膏1.0，氯化铵1.0，磷酸氢二钾0.5，硫酸钠0.5，氯化钙0.1。

1.2 试剂与仪器

重铬酸钾、二苯碳酰二肼等均为分析纯。

UV751GD型紫外可见分光光度计，电子天平(METTLER TOLEDO)，恒温培养箱，冰箱，高压灭菌锅，超净工作台。

1.3 方法

1.3.1 混合菌群对Cr(Ⅵ)耐受性的研究

将驯化得到的混合菌群以5%接种量接种于一系列不同Cr(Ⅵ)浓度梯度的培养基中，通过观察菌群的生长情况分析其耐受Cr(Ⅵ)的能力。

1.3.2 培养条件对混合菌群还原Cr(Ⅵ)能力的影响

在100 mL输液瓶中加入100 mL灭菌的培养基，调节其pH值为7.0，接种5%硫酸盐还原菌群溶液，并加Cr(Ⅵ)至终浓度为30 mg·L-1，于37 ℃恒温培养36 h。取1 mL溶液移入EP管中，于4000 r·min-1离心10 min，吸取0.5 mL上清液稀释至50 mL，测定540 nm处的吸光度，计算Cr(Ⅵ)去除率。以双蒸水为空白对照。

首先固定其它条件不变，按上述方法，在Cr(Ⅵ)浓度分别为30 mg·L-1、40 mg·L-1、50 mg·L-1、60 mg·L-1的条件下，分别考察pH值(1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0)和培养温度(18 ℃、24 ℃、28 ℃、30 ℃、32 ℃、36 ℃、38 ℃、42 ℃、45 ℃)对混合菌群还原能力的影响。

根据上述实验结果，设计综合影响实验，在Cr(Ⅵ)浓度为50 mg·L-1、培养时间为36 h的条件下，考察pH值和培养温度对Cr(Ⅵ)去除率的共同影响。实验因素与水平见表1。

表1 综合影响实验因素与水平

1.4 分析测试

参照国家标准《固体废物总铬的测定——二苯碳酰二肼分光光度法》，取待测Cr(Ⅵ)溶液0.5 mL于50 mL容量瓶中，用水稀释至刻度，加入0.5 mL H2SO4、0.5 mL H3PO4、2 mL 0.2%二苯碳酰二肼溶液，显色10 min后，用10 mm光程比色皿于540 nm处测定吸光度。

2 结果与讨论

2.1 混合菌群对Cr(Ⅵ)的耐受性(图1)

图1 Cr(Ⅵ)浓度对混合菌群生长的影响

由图1可知，当培养基中Cr(Ⅵ)浓度为10～50 mg·L-1时，对菌体生长无明显影响；当Cr(Ⅵ)浓度为55 mg·L-1和60 mg·L-1时，菌群基本上不生长。这表明混合菌群对浓度为10～50 mg·L-1的Cr(Ⅵ)耐受能力较强。

2.2 不同pH值下混合菌群对Cr(Ⅵ)的去除效果

硫酸盐还原菌群的pH值范围很宽，当pH值为4.0～8.0时，SRB生长良好；当pH值<4.0或pH值>8.0时，PbAc试纸检测不到H2S，表明SRB无法生长。

不同pH值下混合菌群对Cr(Ⅵ)的去除效果见表2。

表2 不同pH值下的Cr(Ⅵ)去除率

由表2可以看出，当Cr(Ⅵ)浓度为30 mg·L-1、40 mg·L-1、50 mg·L-1、pH值为4.0～8.0时，Cr(Ⅵ)的去除率较高；当pH值为7.0、Cr(Ⅵ)浓度为30 mg·L-1时，Cr(Ⅵ)去除率达到最高，为95.5%。这是因为，硫酸盐还原菌的代谢产物H2S一般在中性条件下与Cr(Ⅵ)反应，将Cr(Ⅵ)还原成Cr(Ⅲ)，最后在中性或微碱性的条件下以Cr(OH)3或Cr(Ⅲ)的形式被微生物吸附去除。因此，中性至微碱性的pH值(4.0～8.0)环境既利于混合菌群的生长代谢，更利于Cr(Ⅵ)的还原。

2.3 不同培养温度下混合菌群对Cr(Ⅵ)的去除效果(表3)

由表3可以看出，当Cr(Ⅵ)浓度为30 mg·L-1、40 mg·L-1、50 mg·L-1、培养温度为30～42 ℃时，Cr(Ⅵ)的去除率较高；当培养温度为36 ℃或38 ℃、Cr(Ⅵ)浓度为30 mg·L-1时，Cr(Ⅵ)去除率达到最高，为95.2%。这是因为，硫酸盐还原菌的最佳生长温度是36 ℃，属于典型的中温菌。当培养温度高于45 ℃后，OD值迅速下降；55 ℃时，PbAc试纸检测不到H2S，表明此温度下硫酸盐还原菌无法生长，失去对Cr(Ⅵ)的去除作用。

表3 不同培养温度下的Cr(Ⅵ)去除率

2.4 综合影响实验结果(表4)

表4 综合影响实验结果

由表4可知，在Cr(Ⅵ)浓度为50 mg·L-1、培养时间为36 h、培养温度为36 ℃、pH值为7.0时，Cr(Ⅵ)去除率达到最高，为97.6%。

3 结论

采用混合硫酸盐还原菌群处理含Cr(Ⅵ)废水，确定最佳还原条件为：Cr(Ⅵ)浓度50 mg·L-1、培养温度36 ℃、培养时间36 h、pH值7.0。此条件下，Cr(Ⅵ)去除率达到97.6%。混合硫酸盐还原菌群能适应较宽的温度和pH值范围，且性能稳定，用于高浓度含Cr(Ⅵ)废水的处理，效果显著、去除率高、运行成本低、无二次污染。

[1] 丁翼，纪柱.铬化合物生产与应用[M].北京：化学工业出版社，2003：272-339.

[2] 周青龄，桂双林，吴菲.含铬废水处理技术现状及展望[J].能源研究与管理，2010，(2)：29-33.

[3] 郑广宏，肖方.含Cr(Ⅵ)电镀废水治理技术研究进展[J].工业用水与废水，2008，39(5)：11-14.

[4] 纪柱.铬渣的物相组成及其对铬渣解毒和综合利用的影响[J].化工环保，1984，4(1)：38-41.

[5] 王靖芳，冯彦琳，孙双红，等.乳状液膜法迁移及分离铬(Ⅵ)的研究[J].环境化学，1998，17(1)：85-87.

[6] Smith W L，Gadd G M.Reduction and precipitation of chromate by mixed culture sulphate-reducing bacterial biofilms[J].Journal of Applied Microbiology，2000，88(6)：983-991.

[7] 王明义，梁小兵，郑娅萍，等.硫酸盐还原菌鉴定和检测方法的研究进展[J].微生物学杂志，2005，25(6)：81-84.

[8] 瞿建国，申如香，徐伯兴，等.硫酸盐还原菌还原Cr(Ⅵ)的初步研究[J].华东师范大学学报(自然科学版)，2005，(1)：105-110.

[9] Aksu Z，Akpinar D.Competitive biosorption of phenol and chromium(Ⅵ) from binary mixtures onto dried anaerobic activated sludge[J].Biochemical Engineering Journal，2001，7(3)：183-193.

[10] 马锦民，瞿建国，夏君，等.失活微生物和活体微生物处理含铬(Ⅵ)废水研究进展[J].环境科学与技术，2006，29(4)：103-106.