利用厌氧预发酵污泥去除水中Cr(Ⅵ)的效果及机理研究

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铬(Cr)是一种常见的污染物,主要来源于电镀、采矿、木材防腐和皮革制革行业。Cr主要以(Cr(VI))和三价铬(Cr(III))两种形态存在于环境中。其中,Cr(VI)易溶解、易迁移、毒性高,若其处置不当被排放到环境中,严重威胁人类健康和生态环境。因此有必要寻求一种廉价、高效的处理方法及技术。发酵后的活性污泥含有许多产酸细菌及其代谢物,具有良好的还原效果,微生物细胞表面的各种活性基团,如羟基、氨基、羧基、磷酸基,可以通过络合或螯合吸附细胞表面的重金属,形成重金属沉淀,从而降低重金属对微生物细胞的毒性。因此,利用厌氧发酵后的污泥对Cr(VI)进行去除是一种很有前途、低成本、环保的方法,然而目前利用活性污泥厌氧发酵去除Cr(VI)的机制不是很清楚,比如活性污泥发酵条件对Cr(VI)去除的影响及活性污泥在最优发酵条件下的直接生物还原和间接生物还原的主体地位,非生物作用的贡献等。本论文选用长春南郊污水处理厂,吉林市污水处理厂,泉眼镇蘑菇沟垃圾场的厌氧污泥,探索其去除Cr(VI)污染的潜力。探究电子供体投加量、硫酸盐投加量、p H及生物量对厌氧污泥去除Cr(VI)污染的影响。结果表明:(1)来自长春南郊污水处理厂的厌氧污泥表现出最强的处理铬污染的潜力。(2)通过预发酵技术能够提高厌氧污泥对Cr(VI)的去除率。(3)p H、碳源、适量硫酸盐和较大的生物量可以提升厌氧污泥去除Cr(VI)污染的能力,厌氧污泥去除50 mg/L Cr(VI)污染的最优发酵条件为:p H=7、葡萄糖添加2 g/L、硫酸盐投加量2 g/L、生物量0.5 g.MLSS.L-1,在此发酵条件下,厌氧污泥对50 mg/L的Cr(VI)在8 h内去除率可达99.9%。(3)适量的葡萄糖作为碳源,能够形成更适合Cr(VI)生物还原的环境,促进微生物的发酵产氢及代谢作用进而提高Cr(VI)的去除效率,同时使发酵后的污泥形成了大量松散多孔的结构,并且有大量的双球菌粘附于污泥之上,有利于铬吸附。通过批次对照实验结合发酵反应污泥形貌结构的变化和铬的形态变化分析,深入探究发酵后活性污泥对Cr(VI)的还原及吸附作用。X射线光电子能谱(XPS)和傅立叶变换红外光谱(FTIR)分析表明,发酵后的活性污泥表面有更加丰富的含氧官能团,包括羰基和醌基。此外N-H键峰强度增加,表明发酵过后的污泥表面有更多的胞外聚合物,提高微生物对铬毒性的耐受性;发酵反应后的污泥与不发酵的污泥相比,表面不仅能吸附较多的铬,并且能将更多的Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ);扫描电镜(SEM)和元素分析(EDS)结果表明发酵后的污泥表面形成了大量松散细小的多孔结构,且覆盖有颗粒物沉淀,元素分析显示为铬。通过吸附动力学模型分析拟合可知活性污泥对铬的吸附不仅包括表面吸附,而且也存在内部扩散的过程。对原始污泥及发酵反应后的污泥进行微生物群落结构的分析,结果表明发酵后的污泥对Cr(Ⅵ)还原主要是直接生物还原作用,Clostridium(梭菌属)占主导地位,由原本的1.98%增长至47.52%,Firmicutes(厚壁菌门)含量有较大提升,由原本的2.66%升高至79.85%,表明发酵过程可提升活性污泥耐受且还原Cr(Ⅵ)的能力。本研究利用厌氧发酵后的活性污泥对Cr(VI)高效率去除的研究结果有助于设计一种绿色,可持续的Cr(VI)污废水去除生物还原系统。
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