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四环素类抗生素在活性污泥上的吸附规律及其机理研究

宋现财  
【摘要】:作为新型污染物,抗生素的使用量近年来不断增加,环境中抗生素的浓度也随之提高,抗生素引起的环境危害已经引起广泛的关注。四环素类抗生素在世界范围内被作为饲料添加剂广泛使用,与很多抗生素一样,四环素在动物体内很难被消化吸收,约50%~80%的四环素以动物尿液或者粪便的形式排出。环境介质中低剂量存在的四环素类抗生素以及他们的副产物会引起抗性基因在微生物中的传播,并最终威胁到人类的健康。 从养殖场排出来的废水大都会以不同形式进入污水处理厂。活性污泥法是目前中国污水处理厂最普遍使用的污水处理方法。四环素类抗生素是疏水性有机物,而活性污泥被认为是疏水性有机物的良好吸附剂。以前的研究证明,吸附是四环素类抗生素在活性污泥中迁移转化以及生物利用的最主要方式,也是其在污水处理过程中的最主要去除方式。由于活性污泥中含有较多有机物,成分复杂,导致其吸附四环素类抗生素的机制与一般的介质有较大不同,而目前的研究对于吸附机理却鲜有报道。本文在考察吸附降解规律的基础上,创新性地运用FTIR和XPS技术探究活性污泥吸附四环素类抗生素的机理。 对四环素类抗生素废水的降解实验表明:四环素类抗生素在活性污泥上几乎没有降解效果,BOD5几乎为零。只有通过高级氧化技术使四环素分子破解为小分子有机物后才可提高其生化性。废水经Fenton处理80min后,BOD5/COD由0升高到0.51,生化性得到较大提高。经O3/H2O2氧化工艺处理后,BOD5/COD可提升至0.32。 对于未经预处理的四环素废水,吸附作用是其通过活性污泥去除的主要方式。吸附实验表明:四环素类抗生素和活性污泥的初始浓度均对吸附速率有重要影响,吸附过程较好地符合伪二级动力学模型(R20.997),说明吸附过程以化学吸附机理占主导。伪二级反应动力学方程拟合得到的平衡吸附量qe值比较接近实测值,相对误差在2.0%之内。采用Langmuir, Freundlich和Temkin三种模型拟合吸附等温线,在试验pH值范围内,三种吸附等温线模型均能较好地拟合吸附过程。 pH值对吸附过程有绝对影响,Langmuir模型拟合吸附等温线时,理论最大吸附量qm在不同pH值条件下的变化从46.7mg·g-1到90.95mg·g-1。当pH值等于5.5时,土霉素在水溶液中的存在形态以两性离子为主,在活性污泥上吸附量最大,达到90.95mg·g-1。用Freundlich模型拟合吸附等温线时发现,不同pH值条件下,吸附常数Kf值有很大差别。 不同金属离子对吸附过程的影响存在很大差异,Na+、K+、Ca2+、Mg2+和Cd2+对吸附过程有抑制作用,而Cu2+明显促进吸附过程。离子价态对吸附过程的影响明显,二价阳离子比一价阳离子具有更强的竞争吸附能力。 分析活性污泥的FTIR图谱发现,活性污泥表面多种官能团可与土霉素发生络合作用。吸附前后发生了明显的电子诱导效应,极有可能意味着活性污泥表面官能团与土霉素分子之间存在cation-π作用。在Cu2+存在条件下,活性污泥上的羧基、氨基化合物以及酚基均与Cu2+相互作用,并形成内层配合物,最终形成一种“活性污泥-O≡Cu-OTC"的三元配合物,表明Cu2+在活性污泥吸附四环素类抗生素的过程中起到架桥作用。 分析活性污泥的XPS图谱发现,活性污泥与土霉素结合后,污泥表面醛类、醇类和醚类的比例有明显的变化,说明这三种物质都参与了吸附反应。吸附完成后,一个新的化学官能团在403.2eV处出现,查证发现这种化合物为酚类(土霉素分子的结合物),说明活性污泥与土霉素紧密结合成一种新的聚合物。吸附前后活性污泥中-NH2(298.3eV)和-NH3+(399.9eV)的比例也发生了明显变化,说明两种官能团均参加了吸附反应。在有Cu2+存在条件下,活性污泥吸附土霉素后在404.1eV处出现了新的化合物,可能是金属离子与氨基的结合物,这与FTIR的分析结果一致。 通过分析可知,吸附是四环素类抗生素在活性污泥上去除的主要方式。吸附作用主要通过离子交换和表面络合机制(包括金属架桥和cation-π作用)完成。


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