微生物絮凝剂捕集水中Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)的优化及机理研究

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近年来,随着我国经济社会的迅猛发展和城镇化进程的不断推进,人口数量持续增长,人们生活水平稳步提高,生活污水及工业废水的产生量不断递增、成分越来越复杂。由于现阶段全国范围内统一有效地污水排放监管体系尚未完善,复杂废水的处理技术瓶颈有待突破,大量未经处理或未达标的污(废)水肆意排放,造成各大流域内水环境恶化现象频发,严重威胁到我国有限的水资源,并在一定程度上危害到人们的生命健康。工农业生产活动中产生各种重金属废水,隶属难生物降解、毒性大、处理成本高、易通过食物链富集后危害人体安全的废水。在已报道的各类重金属污染突发事件中,Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)污染的事件频发,严重影响到周围环境的生物多样性及人们的生命安全,因此,对废水中的Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)进行处理技术的深入研究及革新已势在必行。目前处理含Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)废水的常用方法有:化学沉淀、离子交换、化学氧化或还原、反渗透、电渗析、超滤、溶剂萃取等,但是这些方法都有一定的局限性,如处理费用居高不下、操作条件较难控制、易形成二次污染物等诸多问题。生物法具有选择性强、效率高、消耗少、费用低等优点,近年来,越来越多的被应用于重金属废水处理的研究中,在此类研究中,生物吸附剂一直是研究者关注的重点,相比之下,人们对于微生物絮凝剂处理重金属废水的研究尚处于起步阶段,更鲜于其重金属捕集机理的探索。本研究以微生物絮凝剂MBFGA1为重金属捕集剂,对溶液中Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)进行捕集,研究了微生物絮凝剂MBFGA1对Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)的捕集性能。采用单因素静态实验对影响MBFGA1捕集Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)的5个主要影响因素:pH值、MBFGA1投加量、CaCl2投加量、搅拌速度和搅拌时间进行了实验分析,并在单因素静态实验的基础上通过BBD(Box-Behnken design)响应面优化法对MBFGA1捕集水中Cu(Ⅱ)的过程进行了优化,设定5个影响因子分别为pH值、MBFGA1投加量、CaCl2投加量、搅拌速度和搅拌时间,响应值为Cu(II)的去除率。同时,结合FTIR图对MBFGA1捕集Cu(Ⅱ)的相关机理进行了初探。结果表明,不同的因子对其捕集效果的影响不同,各自都有一定的规律:影响MBFGA1捕集Cu(II)的显著性因素为MBFGA1投加量和搅拌速度,相对来说MBFGA1投加量的影响作用尤为明显;当pH为7.23,MBFGA1投加量为24.75mg/L,CaCl2投加量为29.25 mg/L,搅拌速度为130.90r/min和搅拌时间为47.79s时,MBFGA1对Cu(II)捕集的效果达到最佳,Cu(II)的实测浓度为0.08 mg/L,去除率达99.68%,捕集容量为303.43mg/g。影响MBFGA1捕集Pb(Ⅱ)的显著性因素为MBFGA1投加量和pH,相对来说pH的影响作用尤为明显;当pH为9.0,MBFGA1投加量为33mg/L,CaCl2投加量为4.0mg/L,搅拌速度为200r/min和搅拌时间为120s时,MBFGA1对Pb(Ⅱ)捕集的效果达到最佳,Pb(Ⅱ)的实测浓度为0.05mg/L,去除率达99.8%。最后结合FTIR图,对MBFGA1捕集Cu(Ⅱ)的相关机理进行了初探,发现MBFGA1中对Cu(Ⅱ)起捕集作用的基团主要是羟基、羰基、乙酰基、C-O-O、芳香环,以化学捕集为主,为物理捕集为辅。本研究结果显示微生物絮凝剂MBFGA1对于废水中的Cu (Ⅱ)和Pb (Ⅱ)具有很好的捕集效果,且该絮凝剂经济,无二次污染。
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