活性污泥胞外聚合物对土壤中重金属的吸附效能及机制

摘要

土壤的重金属污染对生态环境和人体健康具有严重危害，目前技术存在成本高、难操作等局限，研究新型高效低成本重金属修复技术意义重大。
　　众多研究表明活性污泥胞外聚合物（EPS）对重金属具有良好的吸附效能。活性污泥中胞外聚合物是其除细胞和水分外第三大类组成物质，主要由蛋白质、糖、核算和酯类组成，活性污泥总有机物的50％～90%、污泥干重的15%都来自于EPS。本文以两种活性污泥胞外聚合物作为吸附剂，分别研究其对土壤中镉、锌、铅的吸附效能及机制，考察了pH值、EPS投加量、吸附时间等因素对吸附效能的影响规律和在同位、异位条件下的吸附效能，并对吸附热力学过程进行了拟合和描述，分析了EPS处理后土壤基本性质的变化，最后通过现代分析手段研究了EPS吸附重金属的机理。
　　最佳反应条件的研究结果表明：当Pb2+、Cd2+和Zn2+的初始质量浓度为1000mg/kg、500mg/kg、150mg/kg时，EPS投加量为20mg/g，pH值为8条件下，EPS对重金属的吸附效果最好。此时，EPSⅠ对Pb2+和Zn2+的最佳吸附时间为8h，Cd2+为5h，EPSⅡ对Pb2+的最佳吸附时间为8h，Zn2+和Cd2+为5h；最佳吸附效率EPSⅠCd2+分别为73.21%、80.37%、75.27%，Zn2+分别为90.12%、88.13%、85.63%，Pb2+分别为86.54%、83.21%、78.96%；EPSⅡCd2+分别为78.2%、80.37%、75.27%，Zn2+分别为85.6%、81.23%、76.49%，Pb2+分别为88.34%、84.31%、80.43%。可知两种活性污泥胞外聚合物对Pb2+、Cd2+和Zn2+吸附特性良好，EPSⅠ的吸附效果优于EPSⅡ。
　　对反映的热力学方程研究表明：一级反应模型可以很好地模拟0～2h内EPS对Pb2+、Cd2+和Zn2+吸附的试验数据，EPSⅠ的吸附速率Cd2+＞Zn2+＞Pb2+，EPSⅡ的吸附速率Zn2+＞Cd2+＞Pb2+。两种EPS相比，EPSⅠ吸附Cd2+和Pb2+的速度大于EPSⅡ，而EPSⅡ吸附Zn2+的速度大于EPSⅠ。
　　分析EPS处理后土壤基本性质的变化显示：淋洗后土壤的pH值有所下降，总有机碳的含量有所下降，比表面积有小幅度的增加。
　　通过各种现代分析手段对EPS吸附重金属的机理进行研究表明：Pb2+、Cd2+、Zn2+的活性吸附基团主要为羧基、羰基、酰胺基团，酰胺基团对Pb2+的吸附作用大于Cd2+、Zn2+；XPS试验表明被EPS吸附的Cd是受氧化的Cd或Cd的化合物，而EPS-Pb、EPS-Zn的表面状况与EPS极为相似；EPS与Pb2+结合无序，与Cd2+、Zn2+结合有序；Pb2+结合于EPS的颗粒内部，Cd2+在EPS表面结合量较大。离子交换是EPS吸附Pb2+、Cd2+、Zn2+的机理之一，且在Pb2+的吸附中占比例较Cd2+、Zn2+大；Zn2+和Cd2+在EPS上成离子键的吸附量只占少部分，Pb2+成离子键部分较大；EPS有多种吸附位，对不同重金属吸附敏感程度不同。
　　本文表明活性污泥胞外聚合物作为吸附剂前景广阔，具有更深一步的研究价值。从活性污泥中提取胞外聚合物，不但可以治理重金属污染，也可以使剩余活性污泥减容减量，意义重大。

目录

活性污泥胞外聚合物对土壤中重金属的吸附效能及机制

ADSORPTION EFFICIENCY ANDMECHANISM OF HEAVY METAlS INSOIL BY EXTRACELLUAR POLYMERICSUBSTANCES FROM ACTIVATEDSLUDGE

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 胞外聚合物概述

1.3 胞外聚合物吸附重金属研究现状

1.4 本文的研究意义与研究内容

第2章 实验材料与方法

2.1 实验材料

2.2 实验方法

2.3 分析方法

2.4 实验仪器与药品

2.5 本章小结

第3章 胞外聚合物吸附土壤重金属效能研究

3.1 EPSⅠ吸附土壤中重金属效果影响

3.2 EPSⅡ吸附土壤中重金属效果影响

3.3 胞外聚合物同位吸附土壤重金属研究

3.4 本章小结

第4章 EPS 处理对土壤基本性质的影响

4.1 EPS 处理前后土壤基本性质的测定

4.2 EPS 淋洗前后土壤中重金属的形态分析

4.3 土壤的基本性质对重金属形态转化的影响

4.4 本章小结

第5章 EPS 吸附重金属机理研究

5.1 红外光谱分析

5.2 X 射线光电子光谱衍射分析(XPS)

5.3 X 射线荧光光谱衍射分析(XRF)

5.4 X 射线衍射分析(XRD)

5.5 离子竞争实验

5.6 离子交换实验

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理

致谢