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可渗透反应床固定化硫酸盐还原菌协同Fe-C原位治理酸性矿井水中重金属离子的研究

作　者: 黄志
导　师: 徐建平
学　校: 安徽工程大学
专　业: 微生物学
关键词: 硫酸盐还原菌 Fe-C微电解 可渗透反应床 响应面曲面 酸性矿井水 重金属离子
分类号: X75
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


酸性矿井水(acid mine drainage,简称AMD)产生于高硫煤矿及金属矿的开采过程,当硫化矿物接触化学氧化剂和氧化亚铁硫杆菌时,.会发生一系列的化学反应,就形成了AMD。AMD的特点是含有高浓度的硫酸根离子和铁离子,pH值很低,容易浸出矿物中的有毒重金属元素(如Pb、Cu、Cd、Zn、Cr等),造成重金属污染,给地下水资源、采矿业以及矿区的生态环境构成严重威胁。本文采用固定化硫酸盐还原菌(Sulphate Reducing Bacteria,简称SRB)及Fe-C还原生物强化技.术,结合可渗透反应床((Permeable reactive barrier,简称PRB)结构设计,研究原位治理酸性矿井水重金属离子,实现井下酸性矿井水的原位治理。从而对高硫煤矿井安全绿色生产、保护地下水资源及矿区生态环境有重要意义。首先,为研究可渗透反应床固定化硫酸盐还原菌对酸性矿井水中多种重金属离子的原位修复效果,利用厌氧生物反应器考察了硫酸盐还原菌对重金属的耐受性,及驯化后的硫酸盐还原菌对实验室模拟酸性矿井水中重金属离子的处理效果。结果表明,驯化后的硫酸盐还原菌混合菌群可有效去除酸性矿井水中多种重金属离子,其中Cu2+、Pb2+、Zn2+去除率均可达到90.4%以上,Cd2+的去除率也能达到75.67%以上。在此基础上,将驯化后的SRB保存作为实验菌。其次,为了探索硫酸盐还原菌处理重金属离子的最佳工艺条件,实验采用响应曲面法,以Pb2+、Cd2+、Cu2+、Zn2+、Fe2+平均去除率为响应值,运用Box-Behnken(BB)设计研究了各自变量及其交互作用对水中重金属离子去除效果的影响。以二次多项式回归方程预测模型为基础,得到硫酸盐还原菌处理重金属离子的最佳工艺条件为：pH=7.1,T=34.8℃,t=5天,初始浓度越低时去除率越高。在最优条件下,Pb2+、Cd2+、Cu2+、Zn2+、Fe2+去除率分别达到98.81%、93.1%、96.62%、92.73%、93.41%。同时,运用Box-Behnken(BB)设计和响应曲面法研究四个因素：pH (2.0-4.0),温度(30-40℃),铁碳比(1/2-3/2) and铁碳量(2-4g)及其交互作用对微电解法去除Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+的影响。全部29组实验建立了一个二次多项式回归方程预测模型。根据模型得出,铁碳微电解法处理重金属离子的最佳工艺条件为：pH=3.08, T=38.75°C,铁碳比6：5,铁碳量39.7g/L。在最优条件下,Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+去除率分别达到82.23%,89.48%,69.30%,75.07%。在上述实验的基础上,采用响应曲面法,利用Box-Benhnken的中心组合设计,研究了在不同pH值、温度、时间、以及铁菌比对Fe-C/SRB体系处理酸性矿井废水重金属离子的影响,得出Fe-C/SRB体系处理酸性矿井废水重金属离子的最适工艺条件。结果表明,响应曲面法可以有效的优化SRB/Fe-C系统去除重金属的工艺条件。方差分析显示R2=0.9993,非常接近1,说明实验结果与二次回归方程预测模型非常符合。实验所得最佳条件为pH7、30℃铁菌比3：10、7d。在此条件下Cu2+、Pb2+、Zn2+、Cd2+的去除率分别为99.53%、99.58%、98.30%、98.97%,较单一系统,去除效果有显著提高。最后,考察了利用实验室模拟可渗透反应床(Permeable reactive barrier,PRB)处理酸性重金属废水的效果。试验数据显示,系统稳定的前两周,各重金属离子基本去除。14d后Zn2+、Cd2+去除率开始下降,而Cu2+、Zn2+的去除率36d后才开始缓慢下降。同时,Fe-C体系提高了模拟酸性矿井水的pH值,从进水的pH3左右迅速提高到pH7左右,出水达到7到8之间。

全文目录


摘要  5-8
ABSTRACT  8-15
第一章 绪论  15-21
  1.1 课题研究背景  15-16
  1.2 可渗透反应床的研究现状  16-17
  1.3 硫酸盐还原菌的研究现状  17-19
    1.3.1 硫酸盐还原菌的影响因素  17-18
      1.3.1.1 pH  17-18
      1.3.1.2 温度  18
      1.3.1.3 重金属离子  18
      1.3.1.4 碳源  18
      1.3.1.5 硫化物浓度  18
    1.3.2 SRB去除废水中重金属离子的机理  18
    1.3.3 SRB去除废水中重金属离子的研究现状  18-19
  1.4 Fe-C微电解的研究现状  19-21
    1.4.1 Fe-C微电解去除废水中重金属离子的机理  19
    1.4.2 Fe-C微电解的研究现状  19-21
第二章 硫酸盐还原菌种对重金属的耐受性研究  21-27
  2.1 实验材料和方法  21-23
    2.1.1 实验主要仪器  21
    2.1.2 菌种和培养基  21-22
    2.1.3 实验方法  22
    2.1.4 分析方法  22-23
  2.2 实验结果与分析  23-26
    2.2.1 SRB培养基的改进  23
    2.2.2 SRB对重金属耐受性研究  23-25
    2.2.3 SRB驯化后对模拟矿井水中重金属的去除效果  25
    2.2.4 扫描电镜观察  25-26
  2.3 本章小结  26-27
第三章 硫酸盐还原菌处理重金属离子条件的优化  27-36
  3.1 实验材料和方法  27-28
    3.1.1 实验主要仪器  27
    3.1.2 菌种和模拟废水  27-28
    3.1.3 实验方法  28
    3.1.4 分析方法  28
  3.2 结果与讨论  28-35
    3.2.1 单因素实验  28-30
      3.2.1.1 初始pH对SRB去除重金属的影响  28-29
      3.2.1.2 温度对SRB去除重金属的影响  29
      3.2.1.3 时间对SRB去除重金属的影响  29-30
      3.2.1.4 重金属初始浓度对SRB去除重金属的影响  30
    3.2.2 响应面实验  30-35
  3.3 本章小结  35-36
第四章 Fe-C还原处理重金属离子条件的优化  36-46
  4.1 实验材料和方法  36-37
    4.1.1 实验主要仪器  36
    4.1.2 实验活性材料  36-37
    4.1.3 模拟重金属矿井水成分  37
    4.1.4 分析方法  37
      4.1.4.1 单因素试验  37
      4.1.4.2 响应面试验  37
  4.2 结果与分析  37-45
    4.2.1 单因素试验结果与讨论  37-40
      4.2.1.1 铁碳总量对铁碳微电解法去除重金属的影响  37-38
      4.2.1.2 pH对铁碳微电解法去除重金属的影响  38-39
      4.2.1.3 温度对铁碳微电解法去除重金属的影响  39
      4.2.1.4 时间对铁碳微电解法去除重金属的影响  39-40
      4.2.1.5 铁碳比对SRB去除重金属的影响  40
    4.2.2 响应面实验  40-45
      4.2.2.1 响应曲面法试验结果与讨论  40-42
      4.2.2.2 预测模型的建立  42-45
      4.2.2.3 预测模型的验证  45
  4.3 本章小结  45-46
第五章 SRB协同Fe-C还原处理重金属离子条件的优化  46-55
  5.1 实验材料和方法  46-47
    5.1.1 实验主要仪器  46
    5.1.2 实验材料  46
    5.1.3 模拟重金属矿井水成分  46-47
    5.1.4 实验方法  47
      5.1.4.1 单因素试验  47
      5.1.4.2 响应面试验  47
  5.2 结果与分析  47-54
    5.2.1 单因素试验结果与讨论  47-50
      5.2.1.1 反应时间对SRB/Fe-C去除重金属的影响  47-48
      5.2.1.2 pH对SRB/Fe-C去除重金属的影响  48-49
      5.2.1.3 温度对SRB/Fe-C去除重金属的影响  49
      5.2.1.4 铁菌比对SRB去除重金属的影响  49-50
    5.2.2 响应面实验  50-54
      5.2.2.1 响应曲面法试验结果与讨论  50-51
      5.2.2.2 预测模型的建立  51-54
      5.2.2.3 预测模型的验证  54
  5.3 本章小结  54-55
第六章 可渗透反应床处理酸性重金属废水的研究  55-60
  6.1 SRB的固定化  55-56
    6.1.1 陶粒预处理  55
    6.1.2 SRB吸附和SRB海藻酸钠包埋效果的比较  55-56
  6.2 实验室模拟可渗透反应床  56-59
    6.2.1 模拟酸性矿井水  56
    6.2.2 实验室模拟可渗透反应床设计  56-57
    6.2.3 系统pH值的变化  57-58
    6.2.4 系统对重金属离子的动态去除  58-59
  6.6 本章小结  59-60
第七章 结论  60-62
参考文献  62-67
攻读学位期间发表的学术论文目录  67-68
致谢  68-69

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 废物处理与综合利用 > 矿业、冶金工业废物处理与综合利用
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