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《浙江大学》 2010年
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铁矿石—微生物协同去除水中Cr(VI)的研究

王倩  
【摘要】:采用PRB(Permeable Reactive Barrier,可渗透反应墙)技术修复受污染地下水或土壤的过程中,零价铁或纳米级零价铁会被逐渐氧化为Fe203等含铁氧化物(类似于含铁矿物),同时各种含铁矿物也在土壤中广泛存在。本文考察了自然界中常见的铁矿石——黄铁矿、褐铁矿、磁铁矿、赤铁矿和磁黄铁矿,以及微生物对水中Cr(Ⅵ)的去除效果,并将铁矿石和微生物有机结合,初步研究了铁矿石-微生物协同体系对水中Cr(Ⅵ)的去除效果及机理,探讨了在纳米级零价铁的制备中加入稳定剂CMC(羧甲基纤维素),使制备的纳米级零价铁或反应后形成的含铁氧化物高度分散,有效提高对Cr(Ⅵ)去除能力的情况,同时CMC可为后续的微生物处理提供碳源。结果表明: 1、黄铁矿可以有效去除水中的Cr(Ⅵ),去除效率主要受颗粒大小、投加量、初始pH值和反应温度等影响,水中Cl-和SO42-等离子对Cr(Ⅵ)去除效率影响不大,而H2P04-的添加会抑制反应的进行。在Cr(Ⅵ)初始浓度为10 mgl-1、100~200目黄铁矿投加量为20 gl-1、室温的条件下,当pH=3.0时,30 mmin即反应完全;pH=5.5时,120 min后Cr(Ⅵ)去除率可达到91.82%,而在pH=9.0时,反应120 min后Cr(Ⅵ)的去除率仅为52.73%。在与前述相同的反应条件下,当pH=5.5时,黄铁矿对Cr(Ⅵ)的去除能力约为1.53 mg Cr(Ⅵ)g-1。在反应过程中,水中的Cr(Ⅵ)主要与黄铁矿表面的FeS2进行反应,Cr(Ⅵ)被还原成Cr(Ⅲ),形成了类似Fe304结构的Cr2S3和CrS的混合物Cr3S4,及少量的Cr02,并在黄铁矿表面形成覆盖层,使黄铁矿的表面逐渐钝化而失去反应能力。同时,FeS2中的Fe(11)也被氧化为Fe(Ⅲ),从而失去还原去除Cr(Ⅵ)的能力。 2、褐铁矿也可有效去除水中的Cr(Ⅵ)。褐铁矿的颗粒大小、投加量和初始pH值对Cr(Ⅵ)去除效率也有显著的影响,而温度对反应的影响不大。水中Cl-和NO3-对Cr(Ⅵ)去除的影响不大,而MgO的添加在反应初期对反应有抑制作用。在反应过程中,水中的Cr(Ⅵ)与褐铁矿表面的FeS2等反应,Cr(Ⅵ)被还原成Cr2S3和CrS的混合物Cr3S4,并产生了部分Cr5Si3,主要沉积在褐铁矿的表面,使褐铁矿表面逐渐钝化并失去反应能力。室温下,当pH=5.5时,100~200目的褐铁矿对Cr(Ⅵ)的去除能力约为10.03 mg Cr(Ⅵ)g-1。 3、在中性条件下,磁铁矿去除水中Cr(Ⅵ)的能力较差,赤铁矿则具有一定的去除能力。在酸性条件下,两者对水中Cr(Ⅵ)的去除能力均有提高,磁铁矿的去除能力提高较为明显。而磁黄铁矿在酸性和中性条件下对Cr(Ⅵ)均具有较好的去除效果,Cr(Ⅵ)还原产物Cr(Ⅲ)主要以FeCr2O4的形式存在于磁黄铁矿的表面。在碱性条件下,三种铁矿石的去除能力均较差。 4、利用城市污水处理厂厌氧消化池中的污泥接种,加入低浓度含Cr(Ⅵ)废水进行驯化,筛选出对Cr(Ⅵ)具有较强还原去除能力的微生物,微生物对Cr(Ⅵ)的去除反应为酶促反应。乙酸钠是较为合适的碳源,pH值是影响反应的重要因素,在中性条件下,反应效果最佳。在短暂的饥饿状态下,微生物仍具有还原Cr(Ⅵ)的能力。经11h反应后,5 mgl-1的Cr(Ⅵ)废水浓度即降至0。 5、利用铁矿石-微生物联合体系去除水中的Cr(Ⅵ)时,发现铁矿石与微生物之间存在一定的协同效果,去除能力明显优于两者单独反应。在使用0.2 g褐铁矿和2.0 g离心后污泥分别及联合去除30 mgl-1 Cr(Ⅵ)时,78 h后褐铁矿仅将Cr(V1)浓度降至29.6 mgl-1,单独微生物作用可将Cr(Ⅵ)浓度降至5.07 mgl-1,而两者联合作用下,Cr(Ⅵ)浓度可降至3.68 mgl-1。协同体系还原去除Cr(Ⅵ)的反应主要有三条途径:一是铁矿石对Cr(Ⅵ)的吸附与还原,二是微生物对Cr(Ⅵ)的还原降解,三是微生物将铁矿石表面和液相中的Fe(Ⅲ)还原为Fe(Ⅱ),并通过Fe(Ⅱ)间接还原Cr(Ⅵ)。 6、利用纳米级零价铁处理水中Cr(Ⅵ)的过程中,零价铁被逐渐氧化为Fe203等类似于铁矿石的含铁化合物。加入稳定剂CMC可提高纳米级零价铁及被氧化后纳米级含铁化合物的分散度,以保持好的反应活性,同时投加的CMC还可作为后续生物处理过程中微生物的营养物质(碳源),研究为稳定化纳米级零价铁-微生物协同修复Cr(Ⅵ)进行前期的探索。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:X703

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【参考文献】
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