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有机底物对活性污泥胞外聚合物吸附水中铜、锌的影响

陶琴琴  
【摘要】:随着工业的发展和人口的增加,水体重金属污染越来越严重,这对生态环境和人体健康造成了严重危害。水体重金属污染处理方法很多,同传统重金属处理方法相比,生物吸附法具有明显的优势,尤其对低浓度重金属废水的处理效果非常好。 活性污泥胞外聚合物(EPS)是微生物细胞分泌的粘性物质,主要成分是多糖、蛋白质、核酸和脂类等,EPS中存在大量的羧基、羟基、硫酸根等阴离子基团,这些基团使EPS具有吸附重金属的性能。大量研究也表明,EPS对重金属具有良好的吸附效能。EPS是阻碍剩余污泥减容减量的关键性物质,从剩余污泥中提取EPS,将其用来处理重金属污染废水,便可在剩余污泥减容减量的同时控制重金属污染,达到以废治污的目的。 本文首先以污水处理厂活性污泥III为菌种,用分别含有葡萄糖和蛋白胨的人工配置污水培养得到活性污泥I和II。本课题主要从以下两个方面入手,一方面以3种污泥为研究对象,考察了3种污泥的絮凝沉降性能、污泥形态、EPS热提取法最优提取条件、EPS成分、EPS所含官能团等;另一方面,利用最佳提取条件提取一定量的EPS I、EPS II、EPS III作为吸附剂,研究它们对Cu2+和Zn2+的吸附效果,重点考察了pH值、EPS投加量、温度、金属离子初始浓度、吸附时间以及共存离子等因素对吸附效能的影响,通过3种EPS吸附Cu2+和Zn2+的动力学和热力学特征,探索3种EPS对Cu2+和Zn2+的吸附机理。 实验结果表明,3种活性污泥的SV都在15%-50%之间,SVI都在80-120mL/g之间,MLSS都在2000-3000mg/L之间,污泥的絮凝沉降性能良好,其中活性污泥I的絮凝沉降性能最差,活性污泥III的絮凝沉降性能最好;热提取法(80℃,35min)提取EPS的量最多,且微生物细胞破坏程度较小,为最佳提取条件;在一个培养周期内,3种活性污泥生成多糖、蛋白质、EPS总量的速度为:活性污泥I活性污泥III活性污泥II;3种EPS中多糖的含量几乎占了EPS总量的50%,蛋白质的含量却非常低,并且多糖含量顺序为:EPS I EPS II EPS III,蛋白质含量顺序为:EPSII EPS III EPS I;3种EPS中多糖/蛋白质分别为:21.3、4.8、6.4,C/N分别为:8.5、5.5、6.1;3种EPS的红外谱图非常相似,都含有羧基、羟基、蛋白质肽键等多种官能团,其中蛋白质和多糖所含官能团产生的特征峰比较强。3种EPS对Cu2+和Zn~(2+)的吸附效果较好,在初始金属离子浓度为20mg/L条件下,最佳pH都为6,EPS最佳投加量分别约为350mg/L、300mg/L、350mg/L,最佳吸附温度都为25℃;3种EPS对Cu~(2+)和Zn~(2+)的吸附都有快速吸附-慢速吸附两个过程,且Cu~(2+)比Zn~(2+)先达到吸附平衡;3种EPS对Cu~(2+)吸附的热力学过程可以用Freundlich方程描述,对Zn~(2+)吸附的热力学过程用Langmuir方程拟合效果更好。3种EPS对Zn~(2+)的吸附能力都大于Cu~(2+);两种金属与3种EPS之间存在多种作用方式;Cu~(2+)和Zn~(2+)在3种EPS上的吸附都符合假二级动力学模型,Cu~(2+)和Zn~(2+)与3种EPS之间以共价键或离子交换等化学形式结合。假二级动力学中EPS I对Cu~(2+)、Zn~(2+)的最大吸附量分别约为52mg/g和54mg/g;EPS II对Cu~(2+)、Zn~(2+)的最大吸附量分别约为40mg/g和48mg/g;EPS III对Cu~(2+)、Zn~(2+)的最大吸附量分别约为47mg/g和49mg/g;对比3种EPS吸附Cu~(2+)、Zn~(2+)前后的红外谱图,发现3种EPS吸附Cu~(2+)、Zn~(2+)的主要官能团基本一样,参与吸附作用的主要官能团是羟基、氨基、酰胺基团、羧基和醚基等。 本文表明,活性污泥EPS吸附性能良好,有进一步深入研究的必要。研究有机底物对EPS吸附重金属的影响,探索EPS吸附重金属的机理,有助于剩余污泥的减容减量和EPS合理利用,意义重大。


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