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器性能影響.pdf

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

2、能力。重金屬和抗生素類痕量污染物進入廢水生物處理反應器中，將首先和微生物EPS發(fā)生吸附或絡合等相互作用，進而影響這些物質在反應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在作用機制并不清楚。本論文基于先進的分析技術，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制，明晰EPS在污染物遷移和去除過程中所起的作用，為強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和

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

4、的放熱過程，并且在熱力學上是有利的。銅離子的加入導致了EPS結構的無序度增加，且結構的熵增是整個結合作用的主要驅動力。X射線精細結構吸收光譜顯示銅離子可能與EPS分子中羧基官能團中的氧原子發(fā)生結合。
　　 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)的相互作用機制。研究結果表明:SMZ主要與EPS中的蛋白相結合，SMZ中的苯環(huán)結構與EPS發(fā)生了明顯的π-π相互作用，較高的結合常

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

6、境影響明顯，隨離子強度增加而增強，隨溫度升高而減弱。同時，隨著溫度的上升，相互作用由焓驅動為主轉為熵焓協(xié)同驅動，疏水作用逐漸強化;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;核磁滴定結果表明SMZ芳環(huán)上的氫核與富里酸的相互作用較強，存在明顯的π-π作用;該過程主要由熵驅動主導。
　　 4.分別研究了磺胺類抗生素在間歇和連續(xù)流生物處理反應器中的去除狀況，探索了活性污泥EPS在抗生素遷移

7、轉化中的作用機制。研究結果表明:活性污泥EPS對磺胺類抗生素有明顯的吸附和富集能力?；前返慕到饪梢苑譃閮蓚€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，當生物處理反應器中微生物受到SMZ沖擊時，會產生更多的EPS抵御侵害，進而將SMZ吸附去除。隨著微生物對SMZ的耐受能力的提升，EPS對SMZ的吸附效果也會強化。
　　 5.針對處理有機廢水的微生物燃料電

8、池(microbial fuel cell，MFC)反應器，采用實驗分析結合數學模擬的方法研究了該反應器中質子交換膜(proton exchange membrane，PEM)污染問題。研究結果表明:在長期的MFC運行中，質子交換膜被微生物、EPS及無機鹽污染，導致MFC性能的下降。一方面，陽離子傳質的物理阻礙直接導致電流衰減，另一方面，質子傳質受限引起的pH梯度導致電勢損失加劇。膜污染導致的MFC性能的惡化主要由擴散系數下降導致的陽離