鐵修飾好氧顆粒污泥對(duì)含銻廢水中重金屬的吸附研究.pdf

1、目前，含銻廢水的微生物吸附研究主要集中于絮體吸附劑，包括細(xì)菌、真菌、藻類(lèi)等，然而吸附后期的泥水分離操作不僅增加了工藝成本，而且耗時(shí)費(fèi)力;此外微生物由于表面的電荷屬性限制，無(wú)法對(duì)含氧陰離子形成有效的吸附，因此本課題研究通過(guò)微生物顆?；夹g(shù)和修飾化技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，成功地轉(zhuǎn)化了活性污泥的存在形態(tài)，并提高了微生物吸附重金屬Sb(Ⅴ)的效率，同時(shí)也改善了吸附后期的泥水分離效果，這對(duì)推動(dòng)資源循環(huán)利用，構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)具有重要的意義;修

2、飾方法以及吸附行為的機(jī)制研究也為提高顆粒污泥吸附能力和工程化應(yīng)用提供了重要的理論基礎(chǔ)。
　　本課題在SBR反應(yīng)器中，通過(guò)不同的條件分別培養(yǎng)出了細(xì)菌型顆粒污泥和真菌型顆粒污泥，兩種顆粒污泥在外觀形態(tài)、物理結(jié)構(gòu)以及群落特征等方面均具有顯著的差異性。修飾方法的篩選方面，本課題以顆粒絮體為研究對(duì)象，分別通過(guò)氯化鈉、氯化鈣、氯化鐵、乙醇以及鹽酸五種低成本、低污染的改性劑進(jìn)行了化學(xué)修飾，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在pH4.3的條件下，三氯化鐵修飾的顆粒絮體對(duì)

3、Sb(Ⅴ)具有較強(qiáng)的吸附能力，去除率可以達(dá)到99％以上，因此鐵修飾方法將在后面的研究中分別應(yīng)用于細(xì)菌型顆粒污泥和真菌型顆粒污泥。
　　三氯化鐵修飾的顆粒污泥在色澤和質(zhì)地上與原始顆粒污泥存在很大的差別，其中細(xì)菌型顆粒污泥經(jīng)過(guò)修飾后表面粘性明顯降低，質(zhì)地更加密實(shí);化學(xué)修飾也使得顆粒污泥中的金屬元素成分發(fā)生了顯著的變化，修飾前絀菌型顆粒污泥中金屬元素以鈣為主，含量為8.8％，鐵含量為0.11％，真菌顆粒污泥中金屬元素以鉀為主，含量為2.

4、5％，鐵含量為0.06％。經(jīng)過(guò)化學(xué)修飾，細(xì)菌顆粒污泥和真菌顆粒污泥中的鉀、鈉、鈣、鎂四種元素均產(chǎn)生了大幅度的下降，而鐵的含量卻分別增加到5.9％和1.6％;掃描電鏡圖譜中清晰地觀察到細(xì)菌顆粒污泥中主要以球菌和桿菌為主，而真菌顆粒污泥中微生物的主要存在形式是較為單一的絲狀菌。經(jīng)過(guò)鐵修飾后，細(xì)菌顆粒污泥和真菌顆粒污泥中的微生物表面均覆蓋了不同程度的納米顆粒物質(zhì)，通過(guò)能譜儀對(duì)修飾后的顆粒污泥表面進(jìn)行了元素的微區(qū)成分分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，元素鐵的相對(duì)

5、含量大幅增加，而其金屬元素的種類(lèi)和含量卻出現(xiàn)了大幅的降低;傅里葉紅外光譜分析結(jié)果表明，修飾前后顆粒污泥表面官能團(tuán)發(fā)生了不同程度的變化，特別是細(xì)菌型顆粒污泥，表面羥基的紅外光譜吸收峰位置出現(xiàn)了較大的位移，結(jié)合顆粒污泥自身的組成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行推斷解析，三氯化鐵的水解作用產(chǎn)生了大量氫氧化鐵物質(zhì)的微沉淀，而顆粒污泥胞外多糖中豐富的羥基與氫氧化鐵產(chǎn)生了表面絡(luò)合作用，使得顆粒污泥表面穩(wěn)定地“粘合”了大量氫氧化鐵納米顆粒物質(zhì)。
　　本研究還通過(guò)序

6、批試驗(yàn)分別研究了pH值、生物量、溫度、轉(zhuǎn)速以及離子強(qiáng)度等因素對(duì)修飾化顆粒污泥吸附Sb(Ⅴ)性能的影響程度，其中pH對(duì)修飾化顆粒污泥的吸附性能具有較大的影響，強(qiáng)酸環(huán)境（pH2.0和2.8）會(huì)溶解修飾作用形成的氫氧化鐵，降低Sb(Ⅴ)的去除效果，強(qiáng)堿環(huán)境(pH11.3)則會(huì)提高顆粒污泥表面EPS的溶解度，造成細(xì)菌顆粒污泥的解體，同時(shí)，在堿性條件下，大量的羥基也會(huì)增加吸附劑表而的負(fù)電荷，從而降低對(duì)Sb(Ⅴ)的吸附能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，pH3.4

7、是修飾化顆粒污泥吸附的最佳酸度環(huán)境，去除率可以達(dá)到98％以上;生物量的增加能夠顯著提高Sb(Ⅴ)的去除率，在吸附劑濃度高于18g/L（濕重）時(shí)，去除率可以達(dá)到95％以上;溫度對(duì)吸附劑的影響不是很明顯，但是提高溫度有助于增強(qiáng)吸附性能;轉(zhuǎn)速的提高增加了外界的擾動(dòng)，也加快了Sb(Ⅴ)向顆粒污泥內(nèi)部的擴(kuò)散，當(dāng)轉(zhuǎn)速提高到175rpm時(shí)，不僅加快了修飾化顆粒污泥吸附過(guò)程的速率，同時(shí)也縮短了吸附過(guò)程的平衡時(shí)間;離子強(qiáng)度的增加對(duì)吸附行為產(chǎn)生了嚴(yán)重的抑制

8、作用并顯著降低了對(duì)Sb(Ⅴ)的去除能力;在對(duì)干擾性離子的影響研究中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)鐵修飾的顆粒污泥對(duì)金屬陽(yáng)離子幾乎沒(méi)有親和力，但是由于陰離子的競(jìng)爭(zhēng)作用導(dǎo)致了修飾化細(xì)菌顆粒污泥對(duì)Sb(Ⅴ)吸附能力出現(xiàn)了不同程度的下降。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模型理論對(duì)Sb(Ⅴ)的吸附機(jī)制進(jìn)行綜合解析:1）質(zhì)子化作用使得顆粒污泥表面帶上大量的正電荷;2）在靜電引力的作用下，Sb(OH)6-逐漸靠近氫氧化鐵微沉淀界面;3）離子交換作用使顆粒污泥表而的鐵羥基和Sb(OH)6-

9、生成了外層絡(luò)合物;4）在一定的條件下，外層絡(luò)合物進(jìn)一步形成更加穩(wěn)定的內(nèi)層絡(luò)合物。
　　不同的動(dòng)力學(xué)模型、等溫線(xiàn)模型以及熱力學(xué)模型分別應(yīng)用于修飾化顆粒污泥對(duì)Sb(Ⅴ)的吸附行為研究中。相對(duì)而言，Pseudo-second-order模型能夠較好地描述兩種顆粒污泥的吸附過(guò)程，擬合結(jié)果的相關(guān)性均達(dá)到0.998以上，表明吸附行為屬于化學(xué)吸附過(guò)程。根據(jù)擬合參數(shù)可以判斷，在初始濃度分別20mg/L，60mg/L和100mg/L的條件下，修飾化

10、真菌顆粒污泥的吸附速率分別為細(xì)菌顆粒污泥的2.8倍，4.4倍和3.7倍。顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型擬合結(jié)果表明Sb(Ⅴ)的吸附過(guò)程包括了速度較快的膜擴(kuò)散和速度較慢的顆粒內(nèi)擴(kuò)散兩個(gè)主要階段;等溫線(xiàn)模型研究中，無(wú)論是修飾化細(xì)菌顆粒污泥還是真菌顆粒污泥，Langmuir模型均比Freundlich模型具有更好的擬合相關(guān)性，這說(shuō)明了吸附過(guò)程主要以單層的化學(xué)吸附為主;吸附熱力學(xué)的研究結(jié)果顯示，在溫度283K-318K的范圍內(nèi)，吸附焓變(△H)為正值，這說(shuō)明了

11、吸附過(guò)程是吸熱反應(yīng)，溫度的提高有利于增強(qiáng)吸附性能，不同溫度下吉布斯自由能(△G)均為負(fù)值，這說(shuō)明吸附反應(yīng)能夠自發(fā)進(jìn)行。
　　細(xì)菌顆粒污泥和真菌顆粒污泥對(duì)含銻廢水中其他金屬離子的原位吸附研究在本課題的最后部分進(jìn)行了探討。通過(guò)不同pH條件下顆粒污泥對(duì)重金屬離子銅、鋅、鎳的吸附性能對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)酸性條件（pH1.9和2.6）不利于陽(yáng)離子金屬的吸附，細(xì)菌顆粒污泥的吸附性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于真菌顆粒污泥，同時(shí)，顆粒污泥對(duì)銅離子和鋅離子的親和力明顯強(qiáng)于

12、鎳離子;細(xì)菌顆粒污泥對(duì)鍶離子的吸附性能研究發(fā)現(xiàn)，pH，生物量，轉(zhuǎn)速，初始濃度以及離子強(qiáng)度等因素對(duì)吸附行為均產(chǎn)生了不同程度的影響;在連續(xù)吸附和解吸的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，氯化鈉和氯化鉀可以作為理想的解吸劑，解吸能力以及解吸后的再吸附能力均能維持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，而氯化鈣和水則不適合作為解吸劑;綜合離子交換實(shí)驗(yàn)以及連續(xù)吸附解吸實(shí)驗(yàn)，可以判斷出細(xì)菌顆粒污泥對(duì)鍶離子的吸附機(jī)制主要包括離子交換和物理吸附，其他的機(jī)制例如微沉淀、絡(luò)合作用等則貢獻(xiàn)較小。動(dòng)力學(xué)模型