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            好氧顆粒污泥處理重金屬廢水工藝

            隨著我國工業化工程中電池、電鍍、冶煉、石化等行業的不斷發展,含重金屬元素如鉛、銅、鎳、鎘、鉻、汞、砷等廢水的排放量呈逐年增加的趨勢,水體重金屬污染情勢嚴峻。

              沉淀法、離子交換法、液膜法、電解法和生物吸附法等傳統的重金屬廢水處理方法,都存在一定的缺點或不足,如價格昂貴、反應不易控制、效果不理想、回收貴金屬難,容易造成二次污染等。近年來,利用生物吸附劑處理重金屬廢水則有良好的效果,優點有:①原料廉價易得;②適合低濃度重金屬廢水;③不易產生二次污染;④吸附容量大;⑤良好的選擇性;⑥可回收一些貴重金屬;⑦應用范圍廣。大多數生物吸附劑都是以生物絮狀體形式存在的懸浮微生物,易于分散在液相中,因此吸附后的難題是如何快速實現吸附劑與處理介質的固液分離。

              好氧顆粒污泥吸附劑是典型的生物吸附劑,除了具備一般生物吸附劑的優點外,還具有特殊的生物體結構特征;顆粒比重比水大,具有優異的沉降性能,可以克服傳統生物吸附劑在吸附后不易與水分離的缺點。

              1、好氧顆粒污泥的結構特征

              好氧顆粒污泥一般具有較高的比表面積和良好的沉降性能,是一種粒徑小、密度高的球形細菌體,含有大量的胞外多聚物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)。EPS含有大量的醇、竣基、氨基、巰基、酚基等,該基團容易與水體中不同價態的重金屬離子發生反應,使得微生物表面富集了大量的金屬離子。EPS獨特微生物結構、膠體負電性和生物體活性等特征,使得水體中的重金屬元素被捕捉,因此好氧顆粒污泥可以作為天然的重金屬離子吸附劑用以處理含重金屬離子的廢水。

              2、好氧顆粒污泥去除重金屬機理

              好氧顆粒污泥對重金屬的去除機理較為復雜,目前國內外學者的研究主要是通過在實驗室采用模擬法進行研究,重點針對好氧顆粒污泥對含單一重金屬離子廢水的去除行為及機理,對不同種重金屬離子共存的廢水則研究較少。好氧顆粒污泥對重金屬離子的去除主要通過胞外聚合物吸附、離子交換、金屬螯合、化學沉淀等。HuiXu等研究表明:好氧顆粒污泥對Ni2+的去除機理主要通過離子交換過程,同時胞外多聚物EPS和細胞壁基團內含有的O、N、S、P等原子可以和重金屬離子形成螯合物或絡合物,使得重金屬離子得到去除。因此好氧顆粒污泥細胞和EPS對重金屬離子的有機絡合是顆粒污泥吸附重金屬離子的重要方式。

              HuiXu等通過采用X射線衍射、傅立葉變換紅外光譜及X光電子能譜等技術,提出了吸附的三種機理:離子交換、EPS吸附和化學沉淀。姚磊等通過環境掃描電子顯微鏡和X射線能譜分析結果表明,吸附過程主要是離子交換吸附和金屬鰲合兩個過程。

              微生物去除重金屬離子的過程一般是多種機理共同作用的結果。重金屬離子可能在微生物表面發生氧化還原反應而去除,有些離子可能會因沉淀或揮發而去除。通過其它方式去除的重金屬離子一般較為次要,實驗中檢測難度較大,對于好氧顆粒污泥的去除機理有待進一步研究證實。

              3、好氧顆粒污泥去除重金屬的影響因素

              (1)pH值。

              pH值是影響好氧顆粒污泥去除重金屬離子的重要因素,其主要是改變基團的荷電特征和污泥的表面電位。HuiXu、YuLiu等研究發現:初始pH值對好氧顆粒污泥對Ni2+的去除率起重要作用,并影響好氧顆粒污泥zeta電位。楊學耀等研究發現:好氧顆粒污泥對Cd2+的去除效果最佳pH值在6~7。姚磊等研究發現:好氧顆粒污泥在較高pH(5.0-6.0)條件下對Pb2+具有較強的去除效果。

              (2)接觸時間。

              好氧顆粒污泥對重金屬吸附過程一般分為快速吸附和慢速吸附兩個階段。沈祥信研究發現:好氧顆粒污泥去除Cu2+、Cd2+、Zn2+和Pb2+金屬離子平衡時間約為2h;同時研究對Pb2+的去除效果表明:好氧顆粒污泥對Pb2+的去除過程是快速吸附行為,其中前5min的吸附量就達到最大吸附量的75.0%。增加好氧顆粒污泥與重金屬廢水的接觸時間在一定程度上可以提高去除效果,但在實際工程應用中意味著需要提高反應器的容積,從經濟效應上考慮有待進一步探討。

              (3)好氧顆粒污泥粒徑。

              好氧顆粒污泥的粒徑大小對去除效果影響較大,吸附劑粒徑過大過小都不利于吸附效果,粒徑大小主要影響顆粒吸附劑的比表面積或有效吸附面積。同等情況下,一般粒徑小的顆粒污泥具有較大的比表面積,其單位重量吸附劑的有效吸附位點數較多,但同時影響到好氧顆粒污泥的EPS含量。

              (4)溫度。

              微生物細菌對重金屬離子的吸附過程可能是放熱反應也可能是吸熱反應,其受反應體系的溫度影響較大。溫度主要通過影響吸附劑的生理代謝活動、基團吸附熱動力學和吸附熱容等因素,進而影響吸附效果。沈祥信研究表明:好氧顆粒污泥對重金屬離子的吸附量隨著溫度的升高,是一個先增加后降低的過程。在工業廢水處理的實際應用中,提高溫度則需要增加能量供應,消耗成本,從經濟效益角度未必合理,通常常溫操作即可。

              (5)好氧顆粒的離子濃度(C0/X0)。

              有效吸附位點數是表征好氧顆粒污泥活性的一個重要參數,與好氧顆粒污泥的重量有關,同時與溶液中重金屬離子濃度有關,單位質量好氧顆粒污泥其吸附容量是一定的,所以好氧顆粒的離子濃度(Co/Xo)是決定其去除效果的關鍵因素。LiuY,YangSF等研究發現:一定質量的好氧顆粒污泥對Zn2+的吸附能力與鋅離子的初始濃度(C0)和顆粒濃度(X0)有關,并且成一定的線性關系。

              (6)營養物質與代謝底物。

              好氧顆粒污泥微生物去除重金屬離子過程是耗能反應,溶液中營養物質的存在有利于促進微生物代謝活動,增強去除效果,同時產生一定的代謝底物。營養物質中存在的有價離子及微生物代謝產生的底物可能同重金屬離子發生競爭效應,對好氧顆粒污泥的吸附效果產生影響。微生物在不同濃度葡萄糖溶液中對重金屬離子的去除效果早有相關報道,Norris研究發現微生物在加入10mol葡萄糖溶液后可增加對Cd2+和Co2+的吸附量。

              (7)共存離子。

              微生物對溶液中不同重金屬離子的去除過程存在著競爭效應,不同金屬離子與好氧顆粒污泥的吸附位點的親和力不一樣,故共存離子的存在勢必影響好氧顆粒污泥對目標離子的去除效果。江孟研究發現:多種金屬離子共存時,微生物對目標離子的去除效果有所下降。

              (8)其它影響因素。

              好氧顆粒污泥去除重金屬離子是一個多種因素綜合作用的過程,其受到眾多因素的影響,如水力剪切力、曝氣量、污泥齡、代謝抑制因子等。目前好氧顆粒污泥的培養方法有多種,培養過程直接影響污泥的理化特征及微生物菌群分布,而不同的菌群是影響其吸附效果的一個重要因素。

              4、好氧顆粒處理重金屬廢水的發展趨勢

              (1)復雜介質的機理研究。

              實際廢水往往多種金屬離子共存的復雜介質,對好氧顆粒污泥去除重金屬機理的研究應進一步深化,重點對過程動力學和熱力學開展研究,探索吸附過程中的自由能和熵變情況。

              (2)改性和保存方法研究。

              吸附劑的容量大小和使用便捷性是其工業化應用的一個重要因素,探索改性研究提高好氧顆粒污泥吸附劑的容量是一個重要方向,尋找較好的好氧顆粒污泥的保存方法是促進產業化的前提。

              (3)解析和活性恢復研究。

              好氧顆粒污泥吸附金屬離子后如何快速實現金屬離子的有效回收和顆粒污泥活性的恢復是個重要方向,特別是有效回收貴重金屬,促進生物顆粒再利用,減少二次污染發生。

              (4)工藝裝置研究開發。

              好氧顆粒污泥處理重金屬廢水的最終目標是實現工業化應用,要結合好氧顆粒污泥本身的特性,加強工藝流程和反應器開發,并利用實際廢水進行研究,為實現工業化提供理論指導和實際參考。

             

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