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活性污泥胞外聚合物对土壤中重金属的吸附效能及机制

马楠  
【摘要】: 土壤的重金属污染对生态环境和人体健康具有严重危害,目前技术存在成本高、难操作等局限,研究新型高效低成本重金属修复技术意义重大。 众多研究表明活性污泥胞外聚合物(EPS)对重金属具有良好的吸附效能。活性污泥中胞外聚合物是其除细胞和水分外第三大类组成物质,主要由蛋白质、糖、核算和酯类组成,活性污泥总有机物的50%~90%、污泥干重的15%都来自于EPS。本文以两种活性污泥胞外聚合物作为吸附剂,分别研究其对土壤中镉、锌、铅的吸附效能及机制,考察了pH值、EPS投加量、吸附时间等因素对吸附效能的影响规律和在同位、异位条件下的吸附效能,并对吸附热力学过程进行了拟合和描述,分析了EPS处理后土壤基本性质的变化,最后通过现代分析手段研究了EPS吸附重金属的机理。 最佳反应条件的研究结果表明:当Pb~(2+)、Cd~(2+)和Zn~(2+)的初始质量浓度为1000 mg/kg、500 mg/kg、150 mg/kg时,EPS投加量为20mg/g, pH值为8条件下,EPS对重金属的吸附效果最好。此时, EPSⅠ对Pb~(2+)和Zn~(2+)的最佳吸附时间为8h ,Cd~(2+)为5h,EPSⅡ对Pb~(2+)的最佳吸附时间为8h,Zn~(2+)和Cd~(2+)为5h;最佳吸附效率EPSⅠCd~(2+)分别为73.21%、80.37%、75.27%,Zn~(2+)分别为90.12%、88.13%、85.63%,Pb~(2+)分别为86.54%、83.21%、78.96%; EPSⅡCd~(2+)分别为78.2%、80.37%、75.27%,Zn~(2+)分别为85.6%、81.23%、76.49%,Pb~(2+)分别为88.34%、84.31%、80.43%。可知两种活性污泥胞外聚合物对Pb~(2+)、Cd~(2+)和Zn~(2+)吸附特性良好,EPSⅠ的吸附效果优于EPSⅡ。 对反映的热力学方程研究表明:一级反应模型可以很好地模拟0~2h内EPS对Pb~(2+)、Cd~(2+)和Zn~(2+)吸附的试验数据,EPSⅠ的吸附速率Cd~(2+)Zn~(2+)Pb~(2+),EPSⅡ的吸附速率Zn~(2+) Cd~(2+) Pb~(2+)。两种EPS相比, EPSⅠ吸附Cd~(2+)和Pb~(2+)的速度大于EPSⅡ,而EPSⅡ吸附Zn~(2+)的速度大于EPSⅠ。 分析EPS处理后土壤基本性质的变化显示:淋洗后土壤的pH值有所下降,总有机碳的含量有所下降,比表面积有小幅度的增加。 通过各种现代分析手段对EPS吸附重金属的机理进行研究表明:Pb~(2+)、Cd~(2+)、Zn~(2+)的活性吸附基团主要为羧基、羰基、酰胺基团,酰胺基团对Pb~(2+)的吸附作用大于Cd~(2+)、Zn~(2+);XPS试验表明被EPS吸附的Cd是受氧化的Cd或Cd的化合物,而EPS-Pb、EPS-Zn的表面状况与EPS极为相似;EPS与Pb~(2+)结合无序,与Cd~(2+)、Zn~(2+)结合有序; Pb~(2+)结合于EPS的颗粒内部,Cd~(2+)在EPS表面结合量较大。离子交换是EPS吸附Pb~(2+)、Cd~(2+)、Zn~(2+)的机理之一,且在Pb~(2+)的吸附中占比例较Cd~(2+)、Zn~(2+)大;Zn~(2+)和Cd~(2+)在EPS上成离子键的吸附量只占少部分,Pb~(2+)成离子键部分较大;EPS有多种吸附位,对不同重金属吸附敏感程度不同。 本文表明活性污泥胞外聚合物作为吸附剂前景广阔,具有更深一步的研究价值。从活性污泥中提取胞外聚合物,不但可以治理重金属污染,也可以使剩余活性污泥减容减量,意义重大。


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