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好氧颗粒污泥处理重金属废水工艺

随着我国工业化工程中电池、电镀、冶炼、石化等行业的不断发展，含重金属元素如铅、铜、镍、镉、铬、汞、砷等废水的排放量呈逐年增加的趋势，水体重金属污染情势严峻。

　　沉淀法、离子交换法、液膜法、电解法和生物吸附法等传统的重金属废水处理方法，都存在一定的缺点或不足，如价格昂贵、反应不易控制、效果不理想、回收贵金属难，容易造成二次污染等。近年来，利用生物吸附剂处理重金属废水则有良好的效果，优点有：①原料廉价易得;②适合低浓度重金属废水;③不易产生二次污染;④吸附容量大;⑤良好的选择性;⑥可回收一些贵重金属;⑦应用范围广。大多数生物吸附剂都是以生物絮状体形式存在的悬浮微生物，易于分散在液相中，因此吸附后的难题是如何快速实现吸附剂与处理介质的固液分离。

　　好氧颗粒污泥吸附剂是典型的生物吸附剂，除了具备一般生物吸附剂的优点外，还具有特殊的生物体结构特征;颗粒比重比水大，具有优异的沉降性能，可以克服传统生物吸附剂在吸附后不易与水分离的缺点。

　　1、好氧颗粒污泥的结构特征

　　好氧颗粒污泥一般具有较高的比表面积和良好的沉降性能，是一种粒径小、密度高的球形细菌体，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、巯基、酚基等，该基团容易与水体中不同价态的重金属离子发生反应，使得微生物表面富集了大量的金属离子。EPS独特微生物结构、胶体负电性和生物体活性等特征，使得水体中的重金属元素被捕捉，因此好氧颗粒污泥可以作为天然的重金属离子吸附剂用以处理含重金属离子的废水。

　　2、好氧颗粒污泥去除重金属机理

　　好氧颗粒污泥对重金属的去除机理较为复杂，目前国内外学者的研究主要是通过在实验室采用模拟法进行研究，重点针对好氧颗粒污泥对含单一重金属离子废水的去除行为及机理，对不同种重金属离子共存的废水则研究较少。好氧颗粒污泥对重金属离子的去除主要通过胞外聚合物吸附、离子交换、金属螯合、化学沉淀等。HuiXu等研究表明：好氧颗粒污泥对Ni2+的去除机理主要通过离子交换过程，同时胞外多聚物EPS和细胞壁基团内含有的O、N、S、P等原子可以和重金属离子形成螯合物或络合物，使得重金属离子得到去除。因此好氧颗粒污泥细胞和EPS对重金属离子的有机络合是颗粒污泥吸附重金属离子的重要方式。

　　HuiXu等通过采用X射线衍射、傅立叶变换红外光谱及X光电子能谱等技术，提出了吸附的三种机理：离子交换、EPS吸附和化学沉淀。姚磊等通过环境扫描电子显微镜和X射线能谱分析结果表明，吸附过程主要是离子交换吸附和金属鳌合两个过程。

　　微生物去除重金属离子的过程一般是多种机理共同作用的结果。重金属离子可能在微生物表面发生氧化还原反应而去除，有些离子可能会因沉淀或挥发而去除。通过其它方式去除的重金属离子一般较为次要，实验中检测难度较大，对于好氧颗粒污泥的去除机理有待进一步研究证实。

　　3、好氧颗粒污泥去除重金属的影响因素

　　(1)pH值。

　　pH值是影响好氧颗粒污泥去除重金属离子的重要因素，其主要是改变基团的荷电特征和污泥的表面电位。HuiXu、YuLiu等研究发现：初始pH值对好氧颗粒污泥对Ni2+的去除率起重要作用，并影响好氧颗粒污泥zeta电位。杨学耀等研究发现：好氧颗粒污泥对Cd2+的去除效果最佳pH值在6～7。姚磊等研究发现：好氧颗粒污泥在较高pH(5.0-6.0)条件下对Pb2+具有较强的去除效果。

　　(2)接触时间。

　　好氧颗粒污泥对重金属吸附过程一般分为快速吸附和慢速吸附两个阶段。沈祥信研究发现：好氧颗粒污泥去除Cu2+、Cd2+、Zn2+和Pb2+金属离子平衡时间约为2h;同时研究对Pb2+的去除效果表明：好氧颗粒污泥对Pb2+的去除过程是快速吸附行为，其中前5min的吸附量就达到最大吸附量的75.0%。增加好氧颗粒污泥与重金属废水的接触时间在一定程度上可以提高去除效果，但在实际工程应用中意味着需要提高反应器的容积，从经济效应上考虑有待进一步探讨。

　　(3)好氧颗粒污泥粒径。

　　好氧颗粒污泥的粒径大小对去除效果影响较大，吸附剂粒径过大过小都不利于吸附效果，粒径大小主要影响颗粒吸附剂的比表面积或有效吸附面积。同等情况下，一般粒径小的颗粒污泥具有较大的比表面积，其单位重量吸附剂的有效吸附位点数较多，但同时影响到好氧颗粒污泥的EPS含量。

　　(4)温度。

　　微生物细菌对重金属离子的吸附过程可能是放热反应也可能是吸热反应，其受反应体系的温度影响较大。温度主要通过影响吸附剂的生理代谢活动、基团吸附热动力学和吸附热容等因素，进而影响吸附效果。沈祥信研究表明：好氧颗粒污泥对重金属离子的吸附量随着温度的升高，是一个先增加后降低的过程。在工业废水处理的实际应用中，提高温度则需要增加能量供应，消耗成本，从经济效益角度未必合理，通常常温操作即可。

　　(5)好氧颗粒的离子浓度(C0/X0)。

　　有效吸附位点数是表征好氧颗粒污泥活性的一个重要参数，与好氧颗粒污泥的重量有关，同时与溶液中重金属离子浓度有关，单位质量好氧颗粒污泥其吸附容量是一定的，所以好氧颗粒的离子浓度(Co/Xo)是决定其去除效果的关键因素。LiuY，YangSF等研究发现：一定质量的好氧颗粒污泥对Zn2+的吸附能力与锌离子的初始浓度(C0)和颗粒浓度(X0)有关，并且成一定的线性关系。

　　(6)营养物质与代谢底物。

　　好氧颗粒污泥微生物去除重金属离子过程是耗能反应，溶液中营养物质的存在有利于促进微生物代谢活动，增强去除效果，同时产生一定的代谢底物。营养物质中存在的有价离子及微生物代谢产生的底物可能同重金属离子发生竞争效应，对好氧颗粒污泥的吸附效果产生影响。微生物在不同浓度葡萄糖溶液中对重金属离子的去除效果早有相关报道，Norris研究发现微生物在加入10mol葡萄糖溶液后可增加对Cd2+和Co2+的吸附量。

　　(7)共存离子。

　　微生物对溶液中不同重金属离子的去除过程存在着竞争效应，不同金属离子与好氧颗粒污泥的吸附位点的亲和力不一样，故共存离子的存在势必影响好氧颗粒污泥对目标离子的去除效果。江孟研究发现：多种金属离子共存时，微生物对目标离子的去除效果有所下降。

　　(8)其它影响因素。

　　好氧颗粒污泥去除重金属离子是一个多种因素综合作用的过程，其受到众多因素的影响，如水力剪切力、曝气量、污泥龄、代谢抑制因子等。目前好氧颗粒污泥的培养方法有多种，培养过程直接影响污泥的理化特征及微生物菌群分布，而不同的菌群是影响其吸附效果的一个重要因素。

　　4、好氧颗粒处理重金属废水的发展趋势

　　(1)复杂介质的机理研究。

　　实际废水往往多种金属离子共存的复杂介质，对好氧颗粒污泥去除重金属机理的研究应进一步深化，重点对过程动力学和热力学开展研究，探索吸附过程中的自由能和熵变情况。

　　(2)改性和保存方法研究。

　　吸附剂的容量大小和使用便捷性是其工业化应用的一个重要因素，探索改性研究提高好氧颗粒污泥吸附剂的容量是一个重要方向，寻找较好的好氧颗粒污泥的保存方法是促进产业化的前提。

　　(3)解析和活性恢复研究。

　　好氧颗粒污泥吸附金属离子后如何快速实现金属离子的有效回收和颗粒污泥活性的恢复是个重要方向，特别是有效回收贵重金属，促进生物颗粒再利用，减少二次污染发生。

　　(4)工艺装置研究开发。

　　好氧颗粒污泥处理重金属废水的最终目标是实现工业化应用，要结合好氧颗粒污泥本身的特性，加强工艺流程和反应器开发，并利用实际废水进行研究，为实现工业化提供理论指导和实际参考。

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