复合菌群及其固定化处理含镉、硒废水特性及机理分析

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矿山废水常含有重金属,其中硒(Se(Ⅳ))、镉(Cd(Ⅱ))含量超标会带来极大危害,必须进行适当处理。该类废水通常pH较低,有机质较少,采用生物法处理时需外加碳源,但在“双碳(碳达峰碳中和)”背景下,低碳废水处理更符合发展要求。本研究从锌铅矿土壤中分离富集复合菌群制备成生物质,并利用海藻酸钠固定化处理制备成生物小球。探讨复合菌群生物质处理Cd(Ⅱ)、生物小球处理Se(Ⅳ)和Cd(Ⅱ)效能。通过扫描电子显微镜电镜-X射线能谱(SEM-EDS)、傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)等技术探讨去除机理,通过16S r DNA高通量测序技术,解析复合菌群中群落结构特征。其主要结论如下:(1)复合菌群在-60℃下冷冻干燥制备成有活性生物质,经高温灭菌后制备成无活性生物质。单因素试验结果表明,初始pH=6、温度30℃、Cd(Ⅱ)初始浓度为20 mg/L和生物质投加量为1 g/L为两种生物质除Cd(Ⅱ)的适宜条件;此条件下处理含Cd(Ⅱ)废水120 h,有、无活性两种生物质对Cd(Ⅱ)去除率分别为91.91%±1.08%和79.54%±3.55%,说明有活性生物质除Cd(Ⅱ)效果更佳。(2)SEM-EDS、FTIR和XRD结果表明,复合菌群生物质对Cd(Ⅱ)的去除以生物吸附为主,其中胺基、羟基和磷酸等官能团参与作用,反应后有Cd(OH)2和Cd O生成。高通量测序结果显示,Comamonas(39.94%),unclassified_f__Enterobacteriaceae(34.96%),Ochrobactrum(14.07%)和Alcaligenes(4.84%)是除Cd(Ⅱ)优势菌属。基因功能预测发现,复合菌群中与代谢有关的基因丰度增加,如脂质和氨基酸运输基因、无机离子转运基因和胞内运输基因等。(3)复合菌群与海藻酸钠以一定比例混合制备成固定化生物小球。单因素试验结果表明,适宜条件下(pH=5、初始Se(Ⅳ)浓度为7.9 mg/L、生物小球投加量为5 g/L(湿重)生物小球对Se(Ⅳ)去除率为92.36%±0.87%。与Se(Ⅳ)反应后的生物小球继续吸附11.2mg/L Cd(Ⅱ),在10 h内Cd(Ⅱ)去除率高达99%。(4)SEM-EDS、FTIR和XPS结果表明,生物小球除Se(Ⅳ)机制主要是生物还原和吸附,除Cd(Ⅱ)机制主要是吸附。反应后生成Se(0)和Cd Se纳米颗粒的平均粒径分别为344 nm和479 nm。微生物群落分析表明,unclassified_f__Enterobacteriaceae、unclassified_f__Comamonadaceae和Serratia是除硒、镉的优势菌属。基因功能预测显示,调控碳水化合物代谢的基因丰度持续上升,说明在无外加碳源条件下,生物小球中复合菌群有可能利用内部碳源(海藻酸钠或内源物质)。
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