微生物亚铁氧化反硝化过程及其产物对重金属的去除

摘要

反硝化过程是碳氮地球化学循环的一个重要环节，对于维持环境中碳氮的平衡具有重要的意义，同时也是目前多种污水处理的常用的脱氮方法。水中重金属可能抑制反硝化菌细胞生长，并降低反硝化酶的活性，从而影响反硝化效率。亚铁氧化反硝化，又称亚铁氧化硝酸盐还原(Nitrate-dependent anaerobic ferrous oxidizing,NAFO)是指特定功能的微生物类群将亚铁氧化和硝酸盐氮还原相耦合的代谢过程，反应过程中，硝酸盐氮主要被反硝化为氮气，亚铁被氧化为三价铁氧化物。由于三价铁氧化物对重金属的吸附性能，使得NAFO具有耐受及去除重金属潜力。本研究的目的是探索亚铁氧化反硝化过程对重金属的耐受及去除的特点，最终为NAFO过程用于污水脱氮及重金属去除技术的研究提供理论依据。研究结果如下：
　　（1）较高浓度的Cd对普通异养反硝化和NAFO反硝化的脱氮均有一定的抑制作用。其中，以亚铁为电子供体的NAFO系统对Cd的耐受性更强，相同Cd浓度下，比普通异养反硝化系统反硝化脱氮速率更高。NAFO通过对重金属去除降低Cd的毒害作用。
　　（2）悬浮培养NAFO反应生成的固体颗粒产物是一种无定形的Fe-细胞的复合物，主要成分为Fe（Ⅲ），也是两性电解质，等电点（pHpzc）为8.82±0.25，颗粒比表面积为10.9m2/g，孔径在2.5nm和4.5nm之间，是典型的介孔材料，表面存在氧化铁羟基和羧酸、酰胺等有机官能团以及沉积的磷酸根。
　　（3）在合适的pH条件下，NAFO固体颗粒对重金属Pb，Cd，Zn和Ni的吸附去除能力强，在pH4至7的范围内，Pb和Cd的去除率高于95%，pH从5增加到8，Zn的去除率保持在98%以上，Ni的平均去除速率在pH6时达到90%至99%。对各重金属的吸附动力学和热力学曲线，分别可以用准二级动力方程和Freundlich等温线方程进行很好的拟合。NAFO固体颗粒是一种非常有潜力的处理重金属废水的吸附剂。
　　（4）以NAFO过程为主导的生物膜反应器的脱氮除磷效果较好，硝酸盐氮、总磷的去除率均为94%以上，出水浓度分别稳定在0～0.5mg/L和0～1mg/L。但是，出水COD、SS和VSS较高，降低进水有机物浓度并不能解决问题，反而对反应器的运行带来较大的干扰。
　　（5）NAFO生物膜反应器的顶部、中部、底部和出水携带固体颗粒物为不同形式的结晶态三价铁矿物和细胞复合物，等电点（pHpzc）分别为6.85±0.00，6.77±0.00和6.58±0.06，8.58±0.06。四种颗粒均属于微米级别的颗粒，孔径集中在3～4纳米，属于介孔材料。比表面积较大，底部最高达到了98.99m2/g，表面的活性基团更加丰富。NAFO生物膜反应器形成四种固体颗粒物吸附Cd离子的最佳pH分别为：7、6、8、8；底部和出水SS吸附Ni离子的最佳pH分别为6、7，平均去除率为Ni（92%以上）>Cd（81%以上）。对重金属的吸附曲线与准二级动力学方程和 Freundlich等温线方程具有良好的拟合性。

目录

声明

1 前言

1.1重金属的污染及其对反硝化的影响

1.2亚铁氧化反硝化及环境效应

1.3铁氧化物的重金属吸附去除特性

1.4研究目的与内容

1.5技术路线

2 材料与方法

2.1两种不同环境的亚铁氧化反硝化菌群

2.2 NAFO与Cd共存的情况下的脱氮效果和Cd的去除效果

2.3 悬浮状态NAFO固体颗粒产物对污水中典型重金属的吸附

2.4 NAFO生物膜反应器脱氮特性及其固体产物对重金属吸附

2.5固体颗粒产物分别对含低浓度Cd和Ni废水的吸附去除特征

2.6分析测定方法

2.7 实验仪器设备

2.8数据分析方法

3 结果与分析

3.1 反硝化过程与Cd的相互影响

3.2 悬浮培养NAFO固体产物对污水中典型重金属的吸附特性

3.3 以NAFO过程为主导的生物膜反应器脱氮特性

3.4 反应器的固体颗粒物对重金属的吸附特性

4 讨论

4.1 对Cd的耐受机制

4.2 NAFO固体颗粒产物的应用

4.3 NAFO过程为主导的生物膜反应器的改进

5 结论与展望

致谢

参考文献

附录A 在读期间发表论文情况

附录B 在读期间申请专利情况