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含铬重金属废水微生物处理技术与机理研究

李会东  
【摘要】: 重金属污染已经成为当前危害最大的水污染问题之一,其中六价铬是毒性较大的一类污染元素。由于部分加工企业盲目排放超标含铬废水,已对区域水体和生态系统造成严重的环境污染且已经危害到了人类的生存和健康。生物吸附重金属技术以其吸附快、成本低、易操作、无二次污染等优点而广受青睐。尤其是在处理低浓度(1-100mg/l)重金属离子废水的过程中可以作为传统处理技术的一个完善或补充,将毒性极大的六价铬从水体中一次性去除。本文针对六价铬水体污染的微生物吸附处理技术进行了系统的研究。 固定化科恩根霉填充柱吸附Cr(Ⅵ)的研究结果表明:三种载体适宜于本实验所用菌体的固定化;吸附前对吸附剂进行酸预处理的效果显著,吸附速率明显被提高,与对照相比,木屑和聚亚安酯固定的活菌体,其六价铬去除效率分别增加了38%和44%;而海藻酸钙和聚亚安酯固定的死菌体的去除效率分别增加了21%和44%。 Langmuir模型用来描述Cr(Ⅵ)的填充柱等温吸附过程,线性回归分析的结果显示:相关系数r~2均在0.99以上,表明此模型能够很好地用于描述四种固定化生物吸附剂的填充柱对Cr(Ⅵ)的吸附过程。分离因子R_L均在0与1之间,表明吸附剂适宜与Cr(Ⅵ)的生物吸附。Thomas模型被用来拟合填充柱实验,根据Thomas模型计算出的q_0值与分批实验所得q_0值基本一致,标准离差小于4%,说明该模型能够应用于本实验填充柱吸附去除水体中Cr(Ⅵ)的研究。 解吸附实验结果表明,0.1M NaOH溶液解吸附效果明显好于0.1M NaAC,NaCO_3,NaCl和NaNO_3溶液,约98%被吸附的Cr(Ⅵ)被解吸出来。四种固定化吸附剂填充柱的5个吸附一解吸附循环实验结果表明:吸附剂对Cr(Ⅵ)的吸附和解吸附是一个可逆的过程。经过再生后,吸附剂对Cr(Ⅵ)的吸附与解吸附效率仍然保持较高的水平,展现出了较好的实际应用潜能。 海藻酸钠和聚乙烯醇作为基质,利用包埋的方法将微生物科恩根霉和磁性纳米颗粒进行固定,制备了具有生物功能的磁性吸附剂。该吸附剂被用于Cr(Ⅵ)废水的生物吸附处理,在外加磁场的作用下,能够迅速地对固液相进行磁性分离。自制Fe_3O_4颗粒直径约为20nm,其磁性经振动样品磁强计测定,结果证明其具备永久磁性。生物功能磁珠在pH为0-12,温度为0-50℃,搅拌速率为200rpm的条件下,96h内各项性能保持完好。其中在pH为1,温度为28℃,100rpm的条件下最利于Cr(Ⅵ)的生物吸附。共存离子对生物功能磁珠吸附Cr(Ⅵ)的影响不仅依赖于共存离子和目标离子的量,而且也依赖于离子的价态。铬主要以Cr(Ⅵ)的形式被生物功能磁珠吸附,约15%的Cr(Ⅵ)被还原成Cr(Ⅲ)。Langmuir和Lagergren模型能够很好拟合Cr(Ⅵ)的等温和动力学吸附过程。实验证明,该吸附剂同时具有良好的吸附性能和优越的分离优势。 工业发酵废弃菌体作为廉价吸附剂,并且利用物理学中的磁性分离原理以及微生物固定化技术,制备了吸附迅速,分离简单,可以重复利用的去除水体中Cr(Ⅵ)的新型应用性技术,通过实验初步验证了其商业开发应用的潜能。 本研究通过对FT-IR和RS的图谱进行分析,结果表明:在Cr(Ⅵ)的生物吸附去除过程中,微生物细胞成分氨基发挥着主要作用。酸性的溶液条件利于微生物细胞成分如氨基等的质子化发生,通过静电作用快速吸附强酸条件下低浓度铬酸盐溶液中的优势阴离子HCrO_4~-和CrO_4~(2-)。除此之外,还包括生物吸附剂与Cr(Ⅵ)的氧化还原作用,即将Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅵ)。因此,Cr(Ⅵ)的生物吸附机理可能存在两方面作用:一是物理过程静电作用,二是化学过程氧化还原作用。


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