全 文 ：第 8 卷 第 3 期 环 境 工 程 学 报 Vol ． 8，No ． 3
2 0 1 4 年 3 月 Chinese Journal of Environmental Engineering Mar ． 2 0 1 4
鼠李糖脂对剩余污泥中铜和镍的去除
蓝梓铭 莫创荣* 段秋实 李小明 明聪聪 吴小寅
(广西大学环境学院，南宁 530004)
摘 要 采用批次淋洗的方法研究了鼠李糖脂浓度、pH、淋洗时间、提取次数以及重金属形态对剩余污泥中 Cu 和 Ni
去除效果的影响。结果表明，随着鼠李糖脂浓度的增加，2 种重金属的去除率增加，且鼠李糖脂在碱性条件下对 Cu和 Ni的
去除效果较好，最高去除率可分别高达 80． 77%和 46． 74%;随着振荡时间和提取次数的增加，Cu和 Ni的去除率随之增加，
并明显高于去离子水的提取;对污泥重金属形态进行分析发现，鼠李糖脂能有效去除酸提取态的 Cu 和 Ni。研究结论可为
剩余污泥的资源化而产生重金属安全隐患问题提供解决的参考方案和奠定理论基础。
关键词 生物表面活性剂 鼠李糖脂 重金属 污泥淋洗
中图分类号 X705 文献标识码 A 文章编号 1673-9108(2014)03-1174-05
Ｒemoval of cooper and nickel from excess sludge by rhamnolipid
Lan Ziming Mo Chuangrong Duan Qiushi Li Xiaoming Ming Congcong Wu Xiaoyin
(School of the Environment，Guangxi University，Nanning 530004，China)
Abstract The washing process in a batch experiment was conducted to investigate the performance of rh-
amnolipid on removal of cooper (Cu)and nickel (Ni)from excess sludge． Various factors such as concentra-
tion，pH，contact time，washing times and distributions of heavy metals were studied． The results showed that
the removal efficiency of Cu and Ni increased with the increase of rhamnolipid concentration． Ｒhamnolipid
showed a better removal efficiency of Cu and Ni in alkaline condition，getting the highest removal efficiency of
80． 77% and 46． 74%，respectively． In addition，with the increase of contact time and washing times，higher
removal efficiency was obtained and rhamnolipid performed significantly better than deionized water． The frac-
tionations of heavy metals were identified using the sequential extraction． It indicated that rhamnolipid was effec-
tive in removing the exchangeable and carbonated fractions of Cu and Ni from sludge． As a whole，this study will
provide a reference solution and theoretical foundation to the problems of security risks of heavy metals in recy-
cling excess sludge．
Key words biosurfactant;rhamnolipid;heavy metals;sludge washing
基金项目:广西自然科学基金资助项目(2010GXNSFA013004)
收稿日期:2013 － 02 － 08;修订日期:2013 － 04 － 01
作者简介:蓝梓铭(1987 ～) ，女，硕士研究生，研究方向为环境污染
控制。E-mail:lzmniky@ 163． com
* 通讯联系人，E-mail:mochuangrong@ 163． com
城市污水处理厂每天处理大量的污水，剩余污
泥是采用活性污泥法处理污水过程中产生的副产
物，产生量大而且污泥中含有大量氮、磷、钾等营养
元素，作为农田作物的营养来源有着较大的趋势。
而将剩余污泥作为农用的最大问题之一是重金属的
影响。近几年，中国城市污泥中重金属的含量均呈
下降趋势，然而其中的重金属如铜、锌、镍等的含量
依旧接近我国城市污泥农用标准［1］，极易产生累积
效应。污泥中的重金属一方面会影响作物的生长，
另一方面会通过污泥转移到作物中，进而危害人类
的健康。所以，要使污泥得到农用，急需解决的是要
降低污泥中的重金属含量，使其在较长一段时间内
不影响土壤及作物的生长和食用。
鼠李糖脂是有铜绿假单胞菌(Pseudomonas
aeruginosa)产生的一种阴离子型生物表面活性剂，
主要有 4 种结构［2，3］，如图 1 所示。鼠李糖脂兼有糖
类和脂类 2 种不同化合物的物理和化学性质［4］，具
有化学合成表面活性剂降低表面张力、活性高等特
点。同时，鼠李糖脂在环境友好性上优于化学合成
表面活性剂［5］。利用鼠李糖脂去除重金属的研究
已不少，鼠李糖脂能够络合重金属，不管是土壤、污
水还是沉积物中，对重金属均能得到有效的
去除［6-8］。
第 3 期 蓝梓铭等:鼠李糖脂对剩余污泥中铜和镍的去除
图 1 铜绿假单胞菌合成的 4 种鼠李糖脂的结构
Fig． 1 Structures of four rhamnolipids
produced by pseudomonas
国内外研究者研究用鼠李糖脂从尾矿中提取
铜、用鼠李糖脂加强植物对土壤重金属的吸收，均得
到较好的去除效果，发现鼠李糖脂修复重金属污染
具有很大的潜力［9-11］。而将鼠李糖脂对重金属的去
除研究应用到污泥中，目前还未见报道。本实验采
用鼠李糖脂对城市污水处理厂剩余污泥中的 Cu、Ni
进行去除研究，考察鼠李糖脂的浓度、pH值、接触时
间、淋洗次数以及重金属形态对重金属去除率的影
响，为剩余污泥的资源化做准备，同时为鼠李糖脂修
复重金属污染的污泥的研究提供理论和应用参考。
1 材料与方法
1． 1 实验材料
供试污泥:选用广西南宁市江南污水厂脱水后
的剩余污泥，污水处理工艺为倒置 A2 /O 工艺。采
得的污泥运到实验室后，立即将全部样品倒在瓷盘
中，在通风处慢慢风干，经常翻动。待风干后用研钵
将污泥碾碎，使污泥通过 100 目尼龙筛，收集筛下的
干污泥样品至 250 mL 棕色试剂瓶中保存。污泥理
化性质的测定(CJ /T221-2005) :含水率和有机质含
量采用重量法测定;污泥 pH 采用电极法测定;重金
属元素全量分析采用 HNO3-H2O2-HCl三体系消化，
用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定;
污泥重金属形态分级采用欧洲共同体标准物质局
(European Community Bureau of Ｒeference)的三步连
续提取程序，共分为酸提取态(可交换态和碳酸盐
结合态)、可还原态(铁锰氧化物结合态)、可氧化
态(有机物及硫化物结合态)和残渣态 4 种组分。供
试污泥基本理化性质见表 1。实验可知，供试污泥的
Cu和 Ni都没有超标，分别为 GB 4284-1984酸性土壤
限制值的 44． 24%和 47． 2%。由于重金属是持久性
污染物，在环境中会累积，故有必要对其进行去除和
减量。Cu在污泥中主要以可氧化态存在，其次为残
渣态、酸提取态以及可还原态。Ni 主要以残渣态存
在，其次为可氧化态、酸提取态以及可还原态。
表 1 剩余污泥的理化性质
Table 1 Physicochemical properties of excess sludge
性 质 测定值 GB 4284-1984
含水率(%) 84． 54
pH 6． 46
有机质(g /kg干污泥) 46． 27
Cu(mg /kg干污泥) 110． 6
250(酸性土壤)
500(碱性土壤)
Ni(mg /kg干污泥) 47． 2
100(酸性土壤)
200(碱性土壤)
鼠李糖脂:鼠李糖脂购买于沃太斯化工集团有
限公司，为淡黄色固体粉末，纯度为 44%。
药品和试剂:硝酸、盐酸、过氧化氢均为优级纯;
氢氧化钠为分析纯;实验用水为去离子水。
仪器设备:Optima 5300DV 电感耦合等离子体
发射光谱(ICP-OES) (美国珀金埃尔默仪器公司) ;
PHS-3C精密 pH计(上海精密科学仪器有限公司) ;
TG16 台式高速离心机(长沙英泰仪器有限公司) ;
SH2-82 水浴恒温振荡器(常州翔天实验仪器厂) ;
T500 电子分析天平(上海奥豪斯公司) ;DB-VA 电
热板(金坛市医疗仪器厂)。
1． 2 振荡淋洗实验
称取过 100 目筛污泥样品 1． 000 g 于一系列
100 mL 聚乙烯离心管中，加入鼠李糖脂溶液，于水
浴恒温振荡器中振荡提取 24 h，振荡温度为(25 ±
3)℃，振荡频率为 250 r /min。
实验设定的影响因素有鼠李糖脂浓度(质量分
数)、pH值、提取次数、振荡时间以及重金属形态。
浓度梯度为 0． 0%、0． 1%、0． 2%、0． 3%、0． 5%、
0. 7%、1． 0%;pH 值为 4． 0、6． 0、7． 0、8． 0、10． 0、
12. 0，鼠李糖脂浓度为 0． 7%;振荡时间为 0 min、10
min、30 min、1 h、3 h、6 h、9 h、12 h、24 h、48 h、72 h，
提取剂为 pH 为 13 的 0． 7%鼠李糖脂溶液;提取次
数设定 4 次，提取剂为自然 pH的 0． 5%的鼠李糖脂
溶液，并以去离子水为对照。各处理均重复 3 次，所
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环 境 工 程 学 报 第 8 卷
有水样经过 24 h振荡后在 5 000 r /min离心 10 min，
将上清液过滤，采用电感耦合等离子光谱发生仪
(ICP)测定上清液的重金属浓度。
2 结果与讨论
2． 1 浓 度
使用添加和不添加 1% NaOH 的 2 种鼠李糖脂
溶液对污泥中的 Cu和 Ni 进行去除，添加 1% NaOH
的鼠李糖脂各浓度的 pH 值为 12． 5 ± 0． 2，不添加
1%NaOH的鼠李糖脂溶液为中性。实验结果如图 2
所示。
图 2 鼠李糖脂浓度对污泥中 Cu和 Ni去除率的影响
Fig． 2 Effect of rhamnolipid concentration on
removal of Cu and Ni from sludge
实验结果发现，添加或不添加 1% NaOH，污泥
中的 Cu和 Ni随着鼠李糖脂浓度的增加，去除率逐
渐增加。相比于去离子水，鼠李糖脂对污泥重金属
的去除有着明显的优势，能有比较有效地去除污泥中
的 Cu和 Ni。但在添加 1%NaOH的鼠李糖脂溶液对
污泥重金属的去除明显高于无添加剂的鼠李糖脂溶
液，最高去除率分别可达 80． 77%和 46． 74%，分别提
高了 4倍和 3倍。这是因为，鼠李糖脂为阴离子型生
物表面活性剂，在碱性溶液中更容易形成胶束，更能
发挥鼠李糖脂与重金属的充分和结合作用［12］。
对比 Cu和 Ni发现，Cu的去除优于 Ni。Ochoa-
Loz等［13］研究发现，金属和鼠李糖脂的结合力大小
顺序为:
Al3 + ＞ Cu2 + ＞ Pb2 + ＞ Cd2 + ＞ Zn2 + ＞ Ni2 + ＞
Mn2 + ＞ Mg2 + ＞ K +
从这里看出，当鼠李糖脂与污泥中的 Cu 和 Ni
接触时，相比于 Ni更容易与 Cu相结合。另外，供试
污泥重金属形态中，有机态的 Cu 比例大于 Ni，而有
机态重金属在碱性条件下容易解吸，这就形成了 Cu
的去除率高于 Ni的去除率的结果。
2． 2 pH值
选用质量分数 0． 7%的鼠李糖脂溶液来实验不
同 pH值下污泥重金属的去除效果，如图 3 所示。
实验发现，随着鼠李糖脂溶液的 pH 值从 4 上升至
12，污泥中的 Cu和 Ni 去除率是逐渐上升的，在 pH
值为 12 时取得最高去除率分别为 32． 59% 和
26. 62%。再次验证了碱性条件下的鼠李糖脂溶液
对污泥中的重金属具有更好的去除效果。
图 3 0． 7%鼠李糖脂溶液 pH值对 Cu、Ni去除率的影响
Fig． 3 Effect of pH value of 0． 7% rhamnolipid solution
on removal of Cu and Ni from sludge
在较高 pH 值条件下，鼠李糖脂形成更多小型
胶束，更有利于和重金属有效的结合，同时，pH升高
有利于鼠李糖脂中羧基脱氢离子化，溶解度增大，即
相当于溶液中的鼠李糖脂浓度升高，从而提高了重
金属与鼠李糖脂的络合效率，增大去除率［14-16］。另
一方面，污泥中的重金属的有机结合态在碱性条件下
易被释放，减弱了与污泥的结合状态，从而促进鼠李
糖脂对重金属的解吸［17］，随着 pH的增高和鼠李糖脂
共同作用下，Cu和 Ni的去除率得到有效的升高。
2． 3 淋洗时间
以添加 1% NaOH 的 0． 7% 鼠李糖脂(pH 为
12. 5)为淋洗液，以淋洗时间为变量，实验在 0 ～
72 h间，鼠李糖脂对污泥重金属的解吸动力情况，结
果如图 4 所示。
随着淋洗时间的增加，Cu 和 Ni 的去除率是呈
上升趋势的。振荡时间在前 24 h 内，随着时间的增
加，2 种金属的去除率明显上升。24 h 后的去除率
随时间有所增加但幅度不大，最高去除率在 72 h 时
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第 3 期 蓝梓铭等:鼠李糖脂对剩余污泥中铜和镍的去除
图 4 淋洗时间对 Cu、Ni去除率的影响
Fig． 4 Effect of contact time on removal of
Cu and Ni from sludge
获得，分别为 83． 91%和 46． 04%，比 24 h 所获得的
去除率分别增加了 7． 21%和 3． 49%。污泥中的重
金属和鼠李糖脂相互能够充分作用是需要一定的时
间，而在较短的时间内，鼠李糖脂和污泥中的重金属
作用并不充分，短暂的接触时间获得的去除率也比
较低。随着接触时间的增加，两者互相作用的充分
性越来越强，去除率也显著上升。然而，当接触时间
超过 24 h后，去除率的增加幅度不再明显。由此可
知，当振荡时间超过最佳的振荡时间后，继续使鼠李
糖脂和污泥进行作用，重金属解吸出来的效率变得
越来越低，去除率增加得不明显，而且会存在重金属
重新从水相中转移到污泥中的可能，另外还会增加
能耗。
2． 4 提取次数
用自然 pH值下的 0． 5%鼠李糖脂对污泥进行
4 次提取，并以去离子水为对照，结果如图 5 所示。
实验结果发现，随着提取次数的增加，Cu 和 Ni的累
计去除率都得到提高，0． 5%鼠李糖脂 4 次的提取，
Cu和 Ni的累计去除率分别达 28． 01%和 16． 94%。
结果表明，多次提取能够提高重金属的累计解
析率，一方面，鼠李糖脂的供应充足，最大限度提供
了足够的鼠李糖脂与污泥中的 Cu 和 Ni 进行作用，
避免了原料不足的情况;另一方面，随着鼠李糖脂多
次的提取，铜和镍在污泥中的形态会因为环境有所
改变，某些不易提取的形态逐渐转换成容易被提取
的形态，使得多次提取产生去除率不断增高的结果。
同时，以去离子水作为参比，发现去离子水的提
取效率是明显低于鼠李糖脂溶液的作用。Cu 和 Ni
的最高去除率仅为 16． 53%和 16． 94%。同时，需要
注意去离子水对污泥的洗涤，会解析出一部分的铜
和镍，如果对污泥进行堆放或农用，随着雨水或其他
水分的作用，污泥中的铜和镍也容易沥滤出来，对环
境造成二次污染。
图 5 提取次数对 Cu和 Ni去除率的影响
Fig． 5 Effect of washing times on removal
of Cu and Ni from sludge
2． 5 重金属形态
采用中性条件下的 0． 7%鼠李糖脂溶液对供试
污泥进行 24 h提取，分析提取前后 Cu 和 Ni的形态
变化，如图 6 所示。
图 6 淋洗前后 Cu和 Ni形态的变化
Fig． 6 Distributions of Cu and Ni before and after washing
Cu和 Ni在供试污泥中的形态以可氧化态(有
机物及硫化物结合态)和残渣态居多，两者占据超
过 70%，而酸提取态(可交换及碳酸盐结合态)的
Cu仅为 21． 21%、Ni 为 17． 14%。经过中性 0． 7%
鼠李糖脂溶液提取后，Cu各形态的去除率分别为酸
提取态 82． 38%、可还原态 32． 00%、可氧化态
6. 57%、残渣态 1． 59%;Ni酸提取态有明显的降低，
减少了 56． 08%，其他 3 种形态去除率不明显，均低
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环 境 工 程 学 报 第 8 卷
于 15%。
一般酸提取态在环境中最不稳定，容易受外界
pH、水分等条件的影响，利用鼠李糖脂去除剩余污
泥中重金属，酸提取态急剧减少，还能去除部分的可
还原态(铁锰氧化物结合态)和可氧化态，降低了污
泥重金属的含量，提高了污泥资源化的可利用性。
3 结 论
(1)鼠李糖脂生物表面活性剂对剩余污泥中的
重金属有效的去除，并且在碱性条件下鼠李糖脂的
效用更好，鼠李糖脂和碱性条件两者的双重作用使
得污泥中的重金属得到有效的去除。
(2)随着鼠李糖脂浓度、pH 值、淋洗时间以及
提取次数增加，剩余污泥中的重金属的解析率增高。
浓度、pH值越大，鼠李糖脂形成的胶束越多，和污泥
中重金属的结合率越高，越能将重金属从污泥中解
析出来。同时，淋洗时间越长，鼠李糖脂与重金属的
络合越充分，越有利于污泥重金属的去除，然而过长
的淋洗时间可能会有重金属再解吸以及能耗过大的
副作用。
(3)污泥中重金属的形态是影响鼠李糖脂对污
泥重金属去除率的重要因素。鼠李糖脂能够高效地
酸提取态(可交换态和碳酸盐结合态)的去除，对可
还原态(铁锰氧化物结合态)和可氧化态(有机物及
硫化物结合态)的有一定去除，但不明显，而对残渣
态几乎没有去除。
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