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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(yè)化工程中電池、電鍍、冶煉、石化等行業(yè)的不斷發(fā)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(yán)峻。

　　沉淀法、離子交換法、液膜法、電解法和生物吸附法等傳統(tǒng)的重金屬廢水處理方法，都存在一定的缺點(diǎn)或不足，如價(jià)格昂貴、反應(yīng)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(yōu)點(diǎn)有：①原料廉價(jià)易得;②適合低濃度重金屬廢水;③不易產(chǎn)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(yīng)用范圍廣。大多數(shù)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(shí)現(xiàn)吸附劑與處理介質(zhì)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(yōu)點(diǎn)外，還具有特殊的生物體結(jié)構(gòu)特征;顆粒比重比水大，具有優(yōu)異的沉降性能，可以克服傳統(tǒng)生物吸附劑在吸附后不易與水分離的缺點(diǎn)。

　　1、好氧顆粒污泥的結(jié)構(gòu)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(xì)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(tuán)容易與水體中不同價(jià)態(tài)的重金屬離子發(fā)生反應(yīng)，使得微生物表面富集了大量的金屬離子。EPS獨(dú)特微生物結(jié)構(gòu)、膠體負(fù)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(jī)理

　　好氧顆粒污泥對重金屬的去除機(jī)理較為復(fù)雜，目前國內(nèi)外學(xué)者的研究主要是通過在實(shí)驗(yàn)室采用模擬法進(jìn)行研究，重點(diǎn)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(jī)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(xué)沉淀等。HuiXu等研究表明：好氧顆粒污泥對Ni2+的去除機(jī)理主要通過離子交換過程，同時(shí)胞外多聚物EPS和細(xì)胞壁基團(tuán)內(nèi)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(luò)合物，使得重金屬離子得到去除。因此好氧顆粒污泥細(xì)胞和EPS對重金屬離子的有機(jī)絡(luò)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(shù)，提出了吸附的三種機(jī)理：離子交換、EPS吸附和化學(xué)沉淀。姚磊等通過環(huán)境掃描電子顯微鏡和X射線能譜分析結(jié)果表明，吸附過程主要是離子交換吸附和金屬鰲合兩個(gè)過程。

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

　　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(tuán)的荷電特征和污泥的表面電位。HuiXu、YuLiu等研究發(fā)現(xiàn)：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(xué)耀等研究發(fā)現(xiàn)：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(fā)現(xiàn)：好氧顆粒污泥在較高pH(5.0-6.0)條件下對Pb2+具有較強(qiáng)的去除效果。

　　(2)接觸時(shí)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(gè)階段。沈祥信研究發(fā)現(xiàn)：好氧顆粒污泥去除Cu2+、Cd2+、Zn2+和Pb2+金屬離子平衡時(shí)間約為2h;同時(shí)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(dá)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(shí)間在一定程度上可以提高去除效果，但在實(shí)際工程應(yīng)用中意味著需要提高反應(yīng)器的容積，從經(jīng)濟(jì)效應(yīng)上考慮有待進(jìn)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(diǎn)數(shù)較多，但同時(shí)影響到好氧顆粒污泥的EPS含量。

　　(4)溫度。

　　微生物細(xì)菌對重金屬離子的吸附過程可能是放熱反應(yīng)也可能是吸熱反應(yīng)，其受反應(yīng)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(dòng)、基團(tuán)吸附熱動(dòng)力學(xué)和吸附熱容等因素，進(jìn)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(gè)先增加后降低的過程。在工業(yè)廢水處理的實(shí)際應(yīng)用中，提高溫度則需要增加能量供應(yīng)，消耗成本，從經(jīng)濟(jì)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(diǎn)數(shù)是表征好氧顆粒污泥活性的一個(gè)重要參數(shù)，與好氧顆粒污泥的重量有關(guān)，同時(shí)與溶液中重金屬離子濃度有關(guān)，單位質(zhì)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(guān)鍵因素。LiuY，YangSF等研究發(fā)現(xiàn)：一定質(zhì)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(guān)，并且成一定的線性關(guān)系。

　　(6)營養(yǎng)物質(zhì)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(yīng)，溶液中營養(yǎng)物質(zhì)的存在有利于促進(jìn)微生物代謝活動(dòng)，增強(qiáng)去除效果，同時(shí)產(chǎn)生一定的代謝底物。營養(yǎng)物質(zhì)中存在的有價(jià)離子及微生物代謝產(chǎn)生的底物可能同重金屬離子發(fā)生競爭效應(yīng)，對好氧顆粒污泥的吸附效果產(chǎn)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(guān)報(bào)道，Norris研究發(fā)現(xiàn)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(yīng)，不同金屬離子與好氧顆粒污泥的吸附位點(diǎn)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(biāo)離子的去除效果。江孟研究發(fā)現(xiàn)：多種金屬離子共存時(shí)，微生物對目標(biāo)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(gè)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(yǎng)方法有多種，培養(yǎng)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(gè)重要因素。

　　4、好氧顆粒處理重金屬廢水的發(fā)展趨勢

　　(1)復(fù)雜介質(zhì)的機(jī)理研究。

　　實(shí)際廢水往往多種金屬離子共存的復(fù)雜介質(zhì)，對好氧顆粒污泥去除重金屬機(jī)理的研究應(yīng)進(jìn)一步深化，重點(diǎn)對過程動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)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(yè)化應(yīng)用的一個(gè)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(gè)重要方向，尋找較好的好氧顆粒污泥的保存方法是促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化的前提。

　　(3)解析和活性恢復(fù)研究。

　　好氧顆粒污泥吸附金屬離子后如何快速實(shí)現(xiàn)金屬離子的有效回收和顆粒污泥活性的恢復(fù)是個(gè)重要方向，特別是有效回收貴重金屬，促進(jìn)生物顆粒再利用，減少二次污染發(fā)生。

　　(4)工藝裝置研究開發(fā)。

　　好氧顆粒污泥處理重金屬廢水的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，要結(jié)合好氧顆粒污泥本身的特性，加強(qiáng)工藝流程和反應(yīng)器開發(fā)，并利用實(shí)際廢水進(jìn)行研究，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)化提供理論指導(dǎo)和實(shí)際參考。