含重金属废水、低浊度废水净化剂的制备及应用研究

论文摘要

生物处理技术作为一种行之有效、安全可靠的方法,在环境污染的治理中起到重要作用。目前生物处理技术的热点之一是微生物胞外多聚物（EPS）的研究。EPS安全无毒,可生物降解,降解产物对环境无害,是环境友好的生物功能材料,在日常生活、工农业生产及环境保护等诸多领域中具有广阔的应用前景。EPS是微生物分泌的高分子聚合物,由粘多糖、蛋白质、核酸等生物大分子组成,具有长链分子,其上含有大量官能团,与壳聚糖的分子结构相似。基于壳聚糖吸附重金属离子的性能以及絮凝性能的报道,本文提出了利用具有类似结构的EPS作为含重金属废水、低浊度废水净化剂的思路。本文主要的研究内容包括:从活性污泥和土壤样本中筛选高产EPS的菌株,通过生理生化实验以及16S rDNA系统学研究进行鉴定;分析培养条件对生产EPS的影响,确定产EPS的最佳环境条件和营养条件;提纯EPS,研究其物理性质及结构;通过EPS吸附Cu（II）和Cd（II）的特性及机理研究,考察EPS净化含重金属废水的能力;考察EPS对高岭土、活性炭和粉煤灰等悬浊液的去浊度能力。主要的研究结果如下:（1）从活性污泥中筛选得到一株具有高产EPS能力、且该性能传代稳定的细菌F19。通过生理生化实验以及16S rDNA分析,鉴定菌株F19为芽胞杆菌,并命名为Bacillus sp. F19。生长曲线与产EPS能力研究表明,菌株Bacillus sp. F19具有稳定的产EPS能力,在培养的第86小时,发酵液中的EPS浓度可以达到1.47 g/l。该菌株生产的EPS绝大多数分布在上清液内,容易分离提取,适合于工程应用。（2）研究了各种培养条件对菌株Bacillus sp. F19生产EPS的影响,确定了最佳环境条件和营养条件,建立EPS生产模型。单因子试验结果表明,半乳糖、蔗糖、果糖、葡萄糖均是适合F19生产EPS的碳源,有机氮源有利于EPS的生产,碱性环境、高通气量、15 %的接种率有利于EPS的合成与分泌。运用Plackett-Burman试验与中心组合试验设计,通过响应曲面法建立EPS的生产模型。结果表明,葡萄糖、酵母粉和K2HPO4对EPS的产量有显著影响。当葡萄糖、酵母粉、K2HPO4的浓度分别为30.26 g l-1、6.41 g l-1和6.65 g l-1时,模型预测的EPS产量最高,达到2.21 g l-1,是未优化时的3倍。验证实验得到的多糖浓度与预测值的误差在10 %以内。（3）利用乙醇沉淀,可以从F19的发酵液中提纯到EPS。EPS呈乳白色,含水率高,干燥后的粉末密度非常小,表面多孔,特性粘度为27.57。EPS从270℃开始热解,最后剩下10.33 %的灰分。EPS中总糖和蛋白含量分别占了总量的66.4 %和16.4 %,多糖中糖醛酸是主要成份,占EPS总量的37 %;中性糖其次,占总量的3.6 %,由葡萄糖和甘露糖组成,两者比例为1:1.2;EPS中另含有0.5 %的氨基糖。（4）研究EPS吸附Cu（II）和Cd（II）的特性及机理,探讨EPS净化重金属废水的能力。结果发现,EPS是高效的Cu（II）和Cd（II）吸附剂,对Cu（II）和Cd（II）的最大吸附量分别达到244 mg/g和148 mg/g,对Cu（II）的吸附能力大于Cd（II）。EPS对Cu（II）和Cd（II）的吸附速度很快,10分钟内可以达到吸附平衡。Cu（II）在EPS上的吸附量随着溶液pH值的升高而增加,pH 4.8时吸附量达到最大。Cd（II）在EPS上的吸附量先随溶液pH值的升高而增加,pH 6.2时吸附量达到最大,之后随着pH的继续增加而降低。两种离子的吸附过程与Langmuir以及Freundlich等温线拟合良好,二级动力学反应模型可以描述吸附过程。EPS吸附金属离子的机理研究表明,吸附Cu（II）过程中存在离子交换与氧化还原反应,吸附Cd（II）的过程中,络合机理起到了关键作用。（6） EPS对高岭土、活性炭和粉煤灰悬浊液具有良好的、独立的絮凝能力,无需金属离子作为助凝剂就能够有效去除浊度。絮凝活性随着pH的增加而降低。随着絮凝剂量的增加,絮凝率先提高,到一定阶段后保持稳定,再降低。金属离子的加入对EPS的絮凝能力没有明显影响。EPS在pH 4-8或90℃处理后,仍具有絮凝性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 EPS 研究现状
• 1.2.1 来源
• 1.2.2 生理作用
• 1.2.3 纯化提取方法
• 1.2.4 化学组成及结构
• 1.2.5 生产EPS 的环境影响因素
• 1.3 生物吸附法处理重金属离子的研究进展
• 1.3.1 生物吸附剂
• 1.3.2 生物吸附机理
• 1.3.3 影响因素
• 1.3.4 动力学研究
• 1.3.5 吸附平衡模型
• 1.4 微生物絮凝剂
• 1.4.1 絮凝机理
• 1.4.2 影响絮凝活性的因素
• 1.5 本课题的意义与研究内容
• 1.5.1 问题的提出
• 1.5.2 研究内容
• 1.5.3 技术路线
• 参考文献
• 第二章 产EPS 菌株的筛选与鉴定
• 2.1 引言
• 2.2 仪器及材料
• 2.2.1 仪器
• 2.2.2 菌种来源
• 2.2.3 培养基
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 菌种的筛选
• 2.3.2 絮凝活性的测量
• 2.3.3 总DNA 的提取
• 2.3.4 DNA 纯化
• 2.3.5 总DNA 的PCR 技术
• 2.3.6 测序及系统进化分析
• 2.3.7 菌株生长量的测定
• 2.3.8 电镜扫描
• 2.3.9 胞囊多聚物的提取
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 菌株的分离和筛选
• 2.4.2 菌株的形态特征
• 2.4.3 生理生化实验
• 2.4.4 部分16S rDNA 的测序结果
• 2.4.5 系统发育树的构建
• 2.4.6 EPS 分布研究
• 2.4.7 生长曲线
• 2.5 小结
• 参考文献
• 第三章 F19 生产EPS 培养条件的优化
• 3.1 引言
• 3.2 材料及方法
• 3.2.1 仪器
• 3.2.2 优化实验设计
• 3.2.3 EPS 的测定
• 3.2.4 单因子优化实验
• 3.2.5 Plackett-Burman 法（PB 法）
• 3.2.6 最陡爬坡实验设计
• 3.2.7 中心组合实验设计
• 3.2.8 模型拟合和验证
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 发酵条件的单因子实验
• 3.3.2 Plackett-Burman 实验
• 3.3.3 最陡爬坡试验
• 3.3.4 中心组合设计
• 3.3.5 响应曲面分析
• 3.3.6 验证试验
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 EPS 的性质与结构分析
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 仪器
• 4.2.2 EPS 的纯化
• 4.2.3 物理性质分析
• 4.2.4 EPS 的结构分析
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 提取与纯化
• 4.3.2 物理性质
• 4.3.3 组成分析
• 4.3.4 官能团分析
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 EPS 吸附重金属离子的特性与机理研究
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 仪器
• 5.2.2 金属离子吸附实验的方法
• 5.2.3 金属离子浓度的测定
• 5.2.4 EPS 吸附金属机理实验
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 吸附的影响因素
• 5.3.2 吸附平衡
• 5.3.3 吸附动力学
• 5.3.4 吸附金属离子的机理分析
• 5.4 小结
• 参考文献
• 第六章 EPS 絮凝性能的研究
• 6.1 引言
• 6.2 材料及方法
• 6.2.1 仪器
• 6.2.2 活性炭和粉煤灰的预处理
• 6.2.3 絮凝率的测定
• 6.2.4 絮凝稳定性分析
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 pH 值的影响
• 6.3.2 絮凝剂浓度的影响
• 6.3.3 金属离子浓度的影响
• 6.3.4 絮凝稳定性
• 6.3.5 絮凝机理
• 6.4 小结
• 参考文献
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 创新点
• 7.3 展望
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢