含重金属废水、低浊度废水净化剂的制备及应用研究

【摘要】： 生物处理技术作为一种行之有效、安全可靠的方法,在环境污染的治理中起到重要作用。目前生物处理技术的热点之一是微生物胞外多聚物(EPS)的研究。EPS安全无毒,可生物降解,降解产物对环境无害,是环境友好的生物功能材料,在日常生活、工农业生产及环境保护等诸多领域中具有广阔的应用前景。EPS是微生物分泌的高分子聚合物,由粘多糖、蛋白质、核酸等生物大分子组成,具有长链分子,其上含有大量官能团,与壳聚糖的分子结构相似。基于壳聚糖吸附重金属离子的性能以及絮凝性能的报道,本文提出了利用具有类似结构的EPS作为含重金属废水、低浊度废水净化剂的思路。 本文主要的研究内容包括:从活性污泥和土壤样本中筛选高产EPS的菌株,通过生理生化实验以及16S rDNA系统学研究进行鉴定;分析培养条件对生产EPS的影响,确定产EPS的最佳环境条件和营养条件;提纯EPS,研究其物理性质及结构;通过EPS吸附Cu(II)和Cd(II)的特性及机理研究,考察EPS净化含重金属废水的能力;考察EPS对高岭土、活性炭和粉煤灰等悬浊液的去浊度能力。主要的研究结果如下: (1)从活性污泥中筛选得到一株具有高产EPS能力、且该性能传代稳定的细菌F19。通过生理生化实验以及16S rDNA分析,鉴定菌株F19为芽胞杆菌,并命名为Bacillus sp. F19。生长曲线与产EPS能力研究表明,菌株Bacillus sp. F19具有稳定的产EPS能力,在培养的第86小时,发酵液中的EPS浓度可以达到1.47 g/l。该菌株生产的EPS绝大多数分布在上清液内,容易分离提取,适合于工程应用。 (2)研究了各种培养条件对菌株Bacillus sp. F19生产EPS的影响,确定了最佳环境条件和营养条件,建立EPS生产模型。单因子试验结果表明,半乳糖、蔗糖、果糖、葡萄糖均是适合F19生产EPS的碳源,有机氮源有利于EPS的生产,碱性环境、高通气量、15 %的接种率有利于EPS的合成与分泌。运用Plackett-Burman试验与中心组合试验设计,通过响应曲面法建立EPS的生产模型。结果表明,葡萄糖、酵母粉和K2HPO4对EPS的产量有显著影响。当葡萄糖、酵母粉、K2HPO4的浓度分别为30.26 g l-1、6.41 g l-1和6.65 g l-1时,模型预测的EPS产量最高,达到2.21 g l-1,是未优化时的3倍。验证实验得到的多糖浓度与预测值的误差在10 %以内。 (3)利用乙醇沉淀,可以从F19的发酵液中提纯到EPS。EPS呈乳白色,含水率高,干燥后的粉末密度非常小,表面多孔,特性粘度为27.57。EPS从270℃开始热解,最后剩下10.33 %的灰分。EPS中总糖和蛋白含量分别占了总量的66.4 %和16.4 %,多糖中糖醛酸是主要成份,占EPS总量的37 %;中性糖其次,占总量的3.6 %,由葡萄糖和甘露糖组成,两者比例为1:1.2;EPS中另含有0.5 %的氨基糖。 (4)研究EPS吸附Cu(II)和Cd(II)的特性及机理,探讨EPS净化重金属废水的能力。结果发现,EPS是高效的Cu(II)和Cd(II)吸附剂,对Cu(II)和Cd(II)的最大吸附量分别达到244 mg/g和148 mg/g,对Cu(II)的吸附能力大于Cd(II)。EPS对Cu(II)和Cd(II)的吸附速度很快,10分钟内可以达到吸附平衡。Cu(II)在EPS上的吸附量随着溶液pH值的升高而增加,pH 4.8时吸附量达到最大。Cd(II)在EPS上的吸附量先随溶液pH值的升高而增加,pH 6.2时吸附量达到最大,之后随着pH的继续增加而降低。两种离子的吸附过程与Langmuir以及Freundlich等温线拟合良好,二级动力学反应模型可以描述吸附过程。EPS吸附金属离子的机理研究表明,吸附Cu(II)过程中存在离子交换与氧化还原反应,吸附Cd(II)的过程中,络合机理起到了关键作用。 (6) EPS对高岭土、活性炭和粉煤灰悬浊液具有良好的、独立的絮凝能力,无需金属离子作为助凝剂就能够有效去除浊度。絮凝活性随着pH的增加而降低。随着絮凝剂量的增加,絮凝率先提高,到一定阶段后保持稳定,再降低。金属离子的加入对EPS的絮凝能力没有明显影响。EPS在pH 4-8或90℃处理后,仍具有絮凝性。