论文摘要
重金属污染的生物法净化是目前国内外研究的热点之一。利用优势菌生物系统的还原吸附作用去除水环境中的Cr（Ⅵ）是一种非常有前景的处理方法，探索有益磁生物效应对生物系统的稳定性和抗冲击能力的促进作用，是推动和拓广生物法在重金属污染防治中应用的有效措施之一。本文首先通过驯化—分离—筛选—诱变选育得到对Cr（Ⅵ）具有较强吸附能力的优势菌，通过16SrDNA测序和生理生化特性分析对优势菌进行了鉴定；然后通过工艺条件试验研究了外加碳源、循环流量、微量金属、进水Cr（Ⅵ）负荷等对优势菌生物滤床系统除Cr（Ⅵ）效率的影响；通过比较优势菌生长繁殖速率、除Cr（Ⅵ）效率以及污泥活性，获得了最佳磁生物效应下的表面磁场强度和磁场作用方式；在模拟废水处理的基础上，进行了磁场—优势菌污泥净化处理实际含Cr（Ⅵ）废水的试验；最后，通过比较5#优势菌的胞外多聚物（EPS）、细胞壁和原生质球对Cr（Ⅵ）的还原吸附效率及磁场对厌氧系统产气组分的影响，结合X射线光电子能谱（XPS）、透射电镜—衍射能谱（TEM-EDS）、扫描电镜—衍射能谱（SEM-EDS）等仪器分析检测手段，对优势菌吸附还原Cr（Ⅵ）以及特定弱磁场对优势菌除Cr（Ⅵ）效率的影响机理进行了分析研究。研究选育得到了两株Cr（Ⅵ）耐受程度高的除铬优势菌——5#和2-1#，经鉴定他们分别属于Brevibacillus parabrevis（类短短芽孢杆菌）和Bacillus cereus（腊状芽孢杆菌）。接种两株优势菌的厌氧生物滤床系统在进水CODCr140mg／L左右，恒流泵流量为47mL／min，添加微量金属时，除Cr（Ⅵ）效果最佳，系统的稳定性较好。优势菌污泥的连续Cr（Ⅵ）吸附（4次）量为27-28mg/g干污泥，污泥再生后吸附能力提高29．68％。扫描电镜观察生物滤床底部污泥和滤料上的生物膜，发现生物滤床底部污泥中以球菌为主，如Methanosaricina sp．和Methanithrix sp．，且优势菌在生物膜中保持优势。通过比较不同磁场对优势菌生长和除Cr（Ⅵ）能力的影响，确定静态培养的最佳表面磁场强度为6．0 mT。通过比较吸附方式对优势菌污泥Cr（Ⅵ）吸附量的影响，发现分批处理是生物处理含Cr（Ⅵ）重金属废水的理想方式，但提高污泥浓度是保证分批处理效率的必要条件。在弱磁场条件下运行一段时间的污泥表现出明显的Cr（Ⅵ）去除—再生优势，磁场对于提高污泥对Cr（Ⅵ）的吸附能力有促进作用。将磁场的引入厌氧污泥除Cr（Ⅵ）系统，达标时间可提前1—3h。无论直接磁场还是间接磁场均能提高活性污泥的最大产甲烷速率(Umax·CH4)，降低污泥的最大比CODCr去除速率(Umax·CODCr)。对生物滤床中上部和中下部污泥进行XPS分析，发现污泥中Cr（Ⅵ）占总铬的比例为20％左右，且Cr（Ⅲ）以Cr2O3和Cr（OH）3形式存在，Cr（Ⅵ）以K2Cr2O7形式存在。优势菌EPS、细胞壁、原生质球的Cr（Ⅵ）还原吸附贡献试验，说明EPS对铬的吸附还原贡献最大，原生质球的Cr（Ⅵ）还原吸附效率高于完整菌株，这与质膜上的大量酶系的作用是分不开的。磁场的施加降低了厌氧系统臭气组分（NH3、H2S）和VOCs的产率，但提高了系统产气组分CO2和CH4的产率；通过TEM—EDS分析，检测到Cr存在于胞外颗粒物质中，且Cr的价态形式都有两种，即磁场对对优势菌吸附去除Cr的位点影响不明显。最后，论文在试验结果和文献分析的基础上，提出了优势菌生物系统对Cr（Ⅵ）的还原去除的机理和磁场提高优势菌系统除Cr（Ⅵ）效果的作用机理。其中优势菌生物系统对Cr（Ⅵ）的还原去除机理包括胞外还原沉积过程（机理Ⅰ）、胞外直接结合沉积过程（机理Ⅱ）和胞内还原代谢过程（机理Ⅲ），3个机理共同存在，根据环境和工艺条件的变化，贡献不同。而磁场提高优势菌系统除Cr（Ⅵ）效果是通过提高非产甲烷菌的活性，一定程度提高CH4的产率和系统的稳定性来实现的。本论文的研究成果为磁场—优势菌一体化技术处理重金属废水的推广应用提供了重要的实验基础和理论依据。