微生物胞外聚合物與廢水中有毒污染物相互作用及對生物反應(yīng)器性能影響.pdf

1、城市生活污水中的痕量有毒物質(zhì)（如重金屬和抗生素）的污染問題日趨嚴(yán)重。由于它們對微生物具有抑制效應(yīng)，常規(guī)的活性污泥法對其去除效果非常有限，導(dǎo)致它們在污水廠出水中有殘留，可能會(huì)誘發(fā)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)?；钚晕勰嘣诮到鈴U水基質(zhì)的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一類大分子物質(zhì)-胞外聚合物(Extracellular polymeric substances，EPS)覆蓋在微生物細(xì)胞表面及填充在污泥絮體內(nèi)部空隙中。EPS具有大量的活性官能團(tuán)和疏水區(qū)域，有很強(qiáng)的吸附和絡(luò)合污染物的

2、能力。重金屬和抗生素類痕量污染物進(jìn)入廢水生物處理反應(yīng)器中，將首先和微生物EPS發(fā)生吸附或絡(luò)合等相互作用，進(jìn)而影響這些物質(zhì)在反應(yīng)器中的遷移和去除行為。然而目前對EPS在這些痕量污染物去除中的內(nèi)在作用機(jī)制并不清楚。本論文基于先進(jìn)的分析技術(shù)，建立表征微生物EPS與痕量有毒污染物之間相互作用的靈敏分析方法，深入探討EPS和污染物的相互作用機(jī)制，明晰EPS在污染物遷移和去除過程中所起的作用，為強(qiáng)化痕量有毒污染物在活性污泥系統(tǒng)中的去除提供理論依據(jù)和

3、技術(shù)指導(dǎo)。主要研究內(nèi)容和研究結(jié)果如下:
　　 1.集成應(yīng)用等溫滴定微量熱、三維熒光光譜、X射線精細(xì)結(jié)構(gòu)吸收光譜及紅外光譜等多種分析方法，探索了活性污泥EPS結(jié)合水體中的重金屬離子（以銅離子為例）的熱力學(xué)特性和機(jī)制。研究結(jié)果表明: EPS中的蛋白及腐殖質(zhì)組分對重金屬均有很強(qiáng)的結(jié)合能力。EPS對銅離子的結(jié)合容量、結(jié)合常數(shù)及結(jié)合焓變分別為5.74×102 mmol/g，2.18×105 L/mol和11.30 kJ/mol，是一個(gè)典型

4、的放熱過程，并且在熱力學(xué)上是有利的。銅離子的加入導(dǎo)致了EPS結(jié)構(gòu)的無序度增加，且結(jié)構(gòu)的熵增是整個(gè)結(jié)合作用的主要驅(qū)動(dòng)力。X射線精細(xì)結(jié)構(gòu)吸收光譜顯示銅離子可能與EPS分子中羧基官能團(tuán)中的氧原子發(fā)生結(jié)合。
　　 2.探索了活性污泥EPS與典型磺胺類抗生素—磺胺二甲嘧啶(sulfamethazine，SMZ)的相互作用機(jī)制。研究結(jié)果表明:SMZ主要與EPS中的蛋白相結(jié)合，SMZ中的苯環(huán)結(jié)構(gòu)與EPS發(fā)生了明顯的π-π相互作用，較高的結(jié)合常

5、數(shù)表明SMZ能夠被活性污泥EPS有效富集，進(jìn)而影響其后續(xù)生物降解過程。等溫滴定微量熱結(jié)果表明該相互作用在熱力學(xué)上可自發(fā)進(jìn)行，且主要由疏水作用驅(qū)動(dòng)。光散射和凝膠滲透色譜結(jié)果表明發(fā)生結(jié)合后EPS的結(jié)構(gòu)膨脹，變的更加疏松，有利于污染物在活性污泥絮體中的傳質(zhì)和對污染物的富集。
　　 3.發(fā)展了表面等離子共振結(jié)合等溫滴定微量熱方法用于解析腐殖質(zhì)（腐殖酸和富里酸）與SMZ相互作用的微觀動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)。結(jié)果表明SMZ與腐殖酸的結(jié)合受溶液化學(xué)環(huán)

6、境影響明顯，隨離子強(qiáng)度增加而增強(qiáng)，隨溫度升高而減弱。同時(shí)，隨著溫度的上升，相互作用由焓驅(qū)動(dòng)為主轉(zhuǎn)為熵焓協(xié)同驅(qū)動(dòng)，疏水作用逐漸強(qiáng)化;而SMZ與富里酸的相互作用受pH影響很大，富里酸主要和陰離子態(tài)和中性態(tài)SMZ發(fā)生相互作用;核磁滴定結(jié)果表明SMZ芳環(huán)上的氫核與富里酸的相互作用較強(qiáng)，存在明顯的π-π作用;該過程主要由熵驅(qū)動(dòng)主導(dǎo)。
　　 4.分別研究了磺胺類抗生素在間歇和連續(xù)流生物處理反應(yīng)器中的去除狀況，探索了活性污泥EPS在抗生素遷移

7、轉(zhuǎn)化中的作用機(jī)制。研究結(jié)果表明:活性污泥EPS對磺胺類抗生素有明顯的吸附和富集能力。磺胺的降解可以分為兩個(gè)階段:生物吸附和生物降解。EPS通過生物吸附將SMZ從水相富集去除，便于后續(xù)的生物降解，對SMZ的去除起著重要作用。同時(shí)，當(dāng)生物處理反應(yīng)器中微生物受到SMZ沖擊時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更多的EPS抵御侵害，進(jìn)而將SMZ吸附去除。隨著微生物對SMZ的耐受能力的提升，EPS對SMZ的吸附效果也會(huì)強(qiáng)化。
　　 5.針對處理有機(jī)廢水的微生物燃料電

8、池(microbial fuel cell，MFC)反應(yīng)器，采用實(shí)驗(yàn)分析結(jié)合數(shù)學(xué)模擬的方法研究了該反應(yīng)器中質(zhì)子交換膜(proton exchange membrane，PEM)污染問題。研究結(jié)果表明:在長期的MFC運(yùn)行中，質(zhì)子交換膜被微生物、EPS及無機(jī)鹽污染，導(dǎo)致MFC性能的下降。一方面，陽離子傳質(zhì)的物理阻礙直接導(dǎo)致電流衰減，另一方面，質(zhì)子傳質(zhì)受限引起的pH梯度導(dǎo)致電勢損失加劇。膜污染導(dǎo)致的MFC性能的惡化主要由擴(kuò)散系數(shù)下降導(dǎo)致的陽離