微電解―生物膜方法處理含重金屬離子電鍍廢水_圖文

1、曬8&85互岔 _胍天爿 臣大謦 、 UN I VERS l TY碩士烏 魚(yú)位論文學(xué)科專(zhuān)業(yè):化學(xué)工程作者姓名:張敬指導(dǎo)教師:姜斌副研究員中文摘要電鍍行業(yè)的廢水量在整個(gè)工業(yè)系統(tǒng)廢水中雖然所占比重較小,但電鍍廢水含 有氰化物、酸、堿以及六價(jià)鉻、銅、鎳、鋅、鎘等金屬污染物,對(duì)環(huán)境有嚴(yán)重的 危害,因此,國(guó)內(nèi)外對(duì)這類(lèi)廢水積極的展開(kāi)了治理方法的研究與應(yīng)用。本文在吸 取微電解和生物吸附處理重金屬離子廢水的優(yōu)點(diǎn)以及已有實(shí)驗(yàn)對(duì)單一重金屬離 子廢水進(jìn)行處理的基礎(chǔ)上,確定了使用微電解一生物膜復(fù)合工藝對(duì)實(shí)際電鍍廢水 進(jìn)行處理。本文首先介紹了活性污泥中混合微生物菌落的培養(yǎng)、馴化及掛膜流程,同時(shí) 對(duì)培養(yǎng)及馴化菌落

2、的外觀形態(tài)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電鏡分析,測(cè)定了混合菌群的生 長(zhǎng)曲線(xiàn),并應(yīng)用平板計(jì)數(shù)法對(duì)培養(yǎng)期及馴化期混合微生物總活菌數(shù)進(jìn)行了比較。 分析單一微電解和生物膜吸附實(shí)驗(yàn)處理電鍍廢水中,選擇去除率較高的電極 做電解材料,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定最佳的廢水處理pH值,考慮不同的電極聯(lián)結(jié)方式 對(duì)于去除的影響。通過(guò)對(duì)不同初始濃度的吸附等溫線(xiàn)的測(cè)定,確定達(dá)到平衡吸附 時(shí)刻的時(shí)間及最佳處理濃度;靜態(tài)吸附過(guò)程中考慮溫度、pH及生物膜濕重量對(duì) 吸附反應(yīng)的影響,確定最佳吸附條件。復(fù)合工藝處理中,將間歇與連續(xù)處理方法、循環(huán)反應(yīng)與單一生物膜流程處理 進(jìn)行比較。選擇最佳的電鍍廢水處理方式,并由實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定了兩種電極材料下 循環(huán)反應(yīng)流程中

3、最佳的循環(huán)廢水量以及微生物膜經(jīng)預(yù)先弱電場(chǎng)馴化、連續(xù)流程中 是否需補(bǔ)充培養(yǎng)液等問(wèn)題。最后對(duì)于靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)中單組分、二組分競(jìng)爭(zhēng)吸附等溫以及吸附的動(dòng)力學(xué)方 程進(jìn)行了探討。結(jié)果表明,Cr6+和Zn2+兩種金屬離子的單一吸附等溫過(guò)程以及二 元離子共存體系均與Langmuir方程具有較好的擬合度。對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)數(shù)據(jù)尚未 驗(yàn)證的四種動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行擬合,說(shuō)明在本實(shí)驗(yàn)中選擇的濃度范圍下的四種動(dòng)力 學(xué)方程其各項(xiàng)相關(guān)系數(shù)均較高,且差異不明顯,均可滿(mǎn)足實(shí)際二元的吸附過(guò)程。關(guān)鍵詞:電鍍廢水,重金屬離子,氰離子,廢水處理,微電解,生物膜,復(fù)合工 藝,二元吸附,動(dòng)力學(xué)吸附ABSTRACTThe plating wastewa

4、ter with cyanide,acid,alkali and heavy metal ions such as chromium,copper,nickel,zinc,cadmium ete.has appeared to be environmental serious damage despite its small quantity proportion in all through the industrial wastewater.For the moment,the research and application of the wastewater treatment has

5、 commenced forwardly in domestic and overseas.In this paper,a novel micro-electro-biofilm complex technology to dispose industrial plating wastewater was adopted based on its advantage of microelectrolysis and biofilm adsorption and experiment data already be done by the same technology,First,the mi

6、xed bacteria were cultivated,domesticated and then put into biofiim training device.To observe the surface configuration and intemal structure of cultivated and domesticated bacteria,the SEM and TEM analysis have been carried out.Meanwhile the growth clLrve measure has been done and applying the cou

7、nting bacterium process to compare the bacteric quantity of cultivated and domesticated period.In the experiment of analyzing single electrolysis and biofilm process,selecting such plate as electrode material that has the high removal rate,and different electrode coupling manner was also taken into

8、account.By determining the adsorptionisotherm of different concentration.the steady adsorptive time and optimal concentrmion have been confirmed.In the experiment,the test of adsorptive factors such as temperature, pH and biomass was carried out to find out the optimal adsorptive condition.Compariso

9、ns of interim and continuous operation,circular complex process and single biofilm process have been analyzed in combined process.The intention is to decide the better treatment operation,and the discussion of the optimal circular wastewater quantity under different electrode material and whether th

10、e complex process needs faint electric domesticationand accession of nutrition component in the experimental process was separately described in the paper.At last,the adsorptive isotherm and kinetic models of single,binary component in static adsorptive experiment were studied.The results show that

11、the single component (Cr6+and Znl and binary components adsorptive system according with Langmuir equation very well.Owning to lack of abundant data home alld overseas,in the givenconcentration range,the correlative coefficients of the four kinetic models display the small difference,so searching fo

12、r the new kinetic equations to serve the actual adsorptive course needs more attention.Key words:plating wastewater,heavy metal ion,cyanide,wastewater treatment, microelectrolysis,biofilm,complex process,binary sorption,kinetic model獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的 研究成果,除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外,論文中不包含其

13、他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果,也不包含為獲得盤(pán)鲞盤(pán)鱟或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證 書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中 作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。學(xué)位論文作者簽名:方長(zhǎng)筋 簽字日期:勘咕 年/月曠日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解盤(pán)洼盤(pán)堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。 特授權(quán)鑫洼盤(pán)堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢 索,并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校 向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤(pán)。(保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說(shuō)明學(xué)位論文作者簽名:Z歟敏 導(dǎo)師簽名簽字日期:肘年/月曠El

14、簽字日期:矽秒辟,月,莎日刖置水是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的必要條件,隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和人民生活水平 的不斷提高,水的短缺已成為世界各國(guó)所面l臨的嚴(yán)峻問(wèn)題。我國(guó)水資源僅占世界 水資源總量的6%,卻承擔(dān)著世界25%人口的經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)需要,人均水資源為世 界人均水量的l/4,居世界第110位,被聯(lián)合國(guó)列為全世界13個(gè)貧水國(guó)之一。為 了解決水資源日益緊張的問(wèn)題,人們?cè)趯ふ倚滤吹耐瑫r(shí)把節(jié)水和廢水的重新利 用視為同等重要。我國(guó)淡水資源嚴(yán)重短缺,供需矛盾突出,廢水的重新利用更為 迫切。近年來(lái),隨著電鍍工業(yè)的不斷發(fā)展,尤其是點(diǎn)多面廣的鄉(xiāng)鎮(zhèn)電鍍企業(yè)的迅速 發(fā)展,使電鍍公害問(wèn)題日趨表面化,電鍍廢水成為具有代表性難處

15、理的工業(yè)廢水 之一。廢水內(nèi)含大量重金屬離子,直接排入受納水體不僅嚴(yán)重污染環(huán)境也浪費(fèi)了 大量有價(jià)金屬。電鍍廢水的有效治理在國(guó)內(nèi)外引起廣泛重視。我國(guó)對(duì)電鍍廢水的治理始于60年代中期,大多采用化學(xué)沉淀法如FeS還原、 FeSO。還原法、石灰沉淀法等,將廢水污染成固化,上清液排放,產(chǎn)生大量的電 鍍污泥;70年代化學(xué)法有了新進(jìn)展,減少了污泥量,占地面積和投資都有所減 少,部分漂洗水實(shí)現(xiàn)了回用;80年代,反滲透法、電滲析法、薄膜蒸發(fā)法、氣 浮法、活性炭法、鐵氧體法和萃取法等相繼出現(xiàn),電解法和離子交換法也有了新 發(fā)展,并研制出電鍍過(guò)程中的逆流漂洗工藝,減少了漂洗水的耗量。近年來(lái)一部分水處理專(zhuān)家又將目光轉(zhuǎn)向了

16、微生物,用微生物處理電鍍廢水與 傳統(tǒng)的物理化學(xué)工藝比較其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在于:在處理運(yùn)行過(guò)程中微生物不斷增 殖,去除離子的量隨著微生物量的增加而增加,金屬回收手段簡(jiǎn)單。但是,由于 漂洗水中重金屬成分復(fù)雜容易毒害微生物而使菌株馴化培養(yǎng)困難,該法目前正處 于實(shí)驗(yàn)室研究階段。而大多數(shù)從事電鍍廢水處理研究的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員,正在著手 豐富和發(fā)展傳統(tǒng)的處理工藝,研究更高層次資源循環(huán)使用的配套技術(shù),并位積累 近半個(gè)實(shí)際的電鍍污泥尋找合理的去向。國(guó)外電鍍廢水的治理與國(guó)內(nèi)相比具有以下特點(diǎn):1電鍍生長(zhǎng)長(zhǎng)點(diǎn)集中,廢 水集中處理而且處理率高。2處理設(shè)備自動(dòng)化程度高,普遍采用pH及ORP自 控系統(tǒng)。3電鍍污泥或濃廢液有專(zhuān)門(mén)的處

17、理中心,渠道暢通,廢水處理站無(wú)電 鍍污泥處理的后顧之憂(yōu)。本文利用已開(kāi)發(fā)的微電解一生物膜法復(fù)合工藝循環(huán)及連續(xù)流程凈化電鍍廢 水,并改善前研究者設(shè)計(jì)的電生物反應(yīng)器。在同一反應(yīng)器內(nèi),一方面利用已經(jīng)掛 膜后附著在填料載體表面的混合微生物吸附電鍍廢水中重金屬離子和氰離子;另 一方面依靠施加在反應(yīng)器兩端的微弱直流電場(chǎng),電化學(xué)反應(yīng)去除一部分重金屬離子和氰離子。查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)、專(zhuān)利數(shù)據(jù)庫(kù)情況表明,目前尚未有關(guān)微電解一生物膜復(fù)合 工藝處理電鍍廢水的報(bào)道。在這樣的背景下,本文引入綜合治理概念,提出應(yīng)用 電生物膜理論處理工廠實(shí)際電鍍廢水,為復(fù)合工藝向工業(yè)化方向發(fā)展提供有益的 參考。第一章文獻(xiàn)綜述電鍍廢水中重金屬不能

18、被任何手段所分解和破壞,只能轉(zhuǎn)變其物理和化學(xué)形 態(tài)。如離子態(tài)的重金屬經(jīng)化學(xué)處理可轉(zhuǎn)變成固態(tài)的重金屬污泥。但是,如果這種 污泥處置不當(dāng),通過(guò)土壤、空氣和水的作用,有可能重新以離子態(tài)進(jìn)入環(huán)境,并 通過(guò)食物鏈危害人體健康。因此,人們稱(chēng)重金屬為“永久性污染物”。加之重金 屬鉻、鎳的致癌作用;氰化物的劇毒作用以及因汞和鎘污染造成的震驚世界的日 本水俁病和痛骨病的發(fā)生,都對(duì)人類(lèi)生存有著嚴(yán)重的威脅。電鍍廢水主要來(lái)源于電鍍生產(chǎn)中的清洗、鍍液過(guò)濾、鍍液的廢棄、更新以及 鍍液的帶出,跑、冒、滴、漏等,其中清洗水是電鍍廢水的主要來(lái)源【Jj。這些廢 水和廢液組分復(fù)雜,含有多種重金屬離子,有的以Cu2十,zn2+,Cr

19、3+,Fe2十,Ni2+等陽(yáng)離子形式存在,有的以陰離子或絡(luò)合離子形式存在,如Cr042,Cr2072。, Cu(P20726等。此外,還含有S042一,C1一,CN一,P043一等酸根以及各種電鍍有機(jī)添 加劑。綜合電鍍廢水主要包括鍍件前處理的酸堿廢水,鉻系和氰系以外的其它鍍 件清洗水,小型電鍍廠一般把清洗水收集起來(lái)一并處理,含Cr6+的廢水經(jīng)還原至 Cr3+后,含CN。廢水破氰后,有時(shí)都?xì)w入廢水一并處理2。電鍍含鉻廢水,則包括鍍鉻清洗水、各種鉻鈍化清洗水、塑料電鍍粗化工藝 清洗水等21。含鉻廢水是電鍍廢水中的主要廢水來(lái)源之一。由于鍍鋅在整個(gè)電鍍 業(yè)中約占一半,而鍍鋅的鈍化決大多數(shù)采用鉻酸鹽,同

20、時(shí),在銅件酸洗、鍍銅層 的退除、鋁件鈍化、鋁件電化學(xué)拋光、鋁件氧化后的鈍化等作業(yè)中也廣泛使用鉻 酸鹽,加之鍍鉻也是電鍍中的一個(gè)主要鍍種【“。因此,處理含鉻廢水,仍是國(guó)內(nèi) 電鍍廠點(diǎn)重點(diǎn)抓的三廢項(xiàng)目之一。重金屬?gòu)U水是一類(lèi)對(duì)環(huán)境和人類(lèi)危害極大的工業(yè)廢水。重金屬難以被降解和 破壞,只能轉(zhuǎn)移其存在位置和轉(zhuǎn)變其物理化學(xué)形態(tài)。人們對(duì)重金屬污染源愈加重第一章文獻(xiàn)綜述電鍍廢水中重金屬不能被任何手段所分解和破壞,只能轉(zhuǎn)變其物理和化學(xué)形 態(tài)。如離子態(tài)的重金屬經(jīng)化學(xué)處理口J轉(zhuǎn)變成固態(tài)的重金屬污泥。但是,如果這種 污泥處置不當(dāng),通過(guò)土壤、空氣和水的作用,有可能重新以離子態(tài)進(jìn)入環(huán)境,并 通過(guò)食物鏈危害人體健康。因此,人們

21、稱(chēng)重金屬為“永久性污染物”。加之重金 屬鉻、鎳的致癌作用;氰化物的劇毒作用以及因汞和鎘污染造成的震驚世界的日 本水俁病和痛骨病的發(fā)生,都對(duì)人類(lèi)生存有著嚴(yán)重的威脅。電鍍廢水主要來(lái)源于電鍍生產(chǎn)中的清洗、鍍液過(guò)濾、鍍液的廢棄、更新以及 鍍液的帶出,跑、冒、滴、漏等,其中清洗水是電鍍廢水的主要來(lái)源【】。這些廢 水和廢液組分復(fù)雜,含有多種重金屬離子,有的以Cu”,zn2+,c,Fe2+,Ni2+等陽(yáng)離子形式存在,有的咀陰離子或絡(luò)臺(tái)離子形式存在,如Cr042一,Cr20,2。, Cu(P:072“等。此外,還含有S042。,CI一,CN。,P04等酸根以及各種電鍍有機(jī)添 加劑。綜合電鍍廢水主要包括鍍件前處

22、理的酸堿廢水,鉻系和氰系以外的其它鍍 件清洗水,小型電鍍廠傲把清洗水收集起來(lái)并處理,含cr”的廢水經(jīng)還原至 cr3+后,含CN。廢水破氰后,有時(shí)都?xì)w入廢水一并處理【”。電鍍含鉻廢水,則包括鍍鉻清洗水、各種鉻鈍化清洗水、塑料電鍍粗化工藝 清洗水等口J。含鉻廢水是電鍍廢水中的主要廢水來(lái)源之一。由于鍍鋅在整個(gè)電鍍 業(yè)中約占一半,而鍍鋅的鈍化決大多數(shù)采用鉻酸鹽,同時(shí),在銅件酸洗、鍍銅層 的退除、錨件鈍化、鋁件電化學(xué)拋光、鋁件氧化后的鈍化等作業(yè)中也廣泛使用鉻 酸鹽,加之鍍鉻也是電鍍中的一個(gè)主要鍍種ll J。因此,處理含鉻廢水,仍是國(guó)內(nèi) 電鍍廠點(diǎn)重點(diǎn)抓的三廢項(xiàng)目之一。1.1.2重金屬?gòu)U水對(duì)環(huán)境和人類(lèi)的危害

23、r|生重金屬?gòu)U水是一類(lèi)對(duì)環(huán)境和人類(lèi)危害極大的工業(yè)廢水。重金屬難以被降解和 破壞,只能轉(zhuǎn)移其存在位置和轉(zhuǎn)變其物理化學(xué)形態(tài)。人們對(duì)重金屬污染源愈加重 破壞,只能轉(zhuǎn)移其存存位置和轉(zhuǎn)變其物理化學(xué)形態(tài)。人們對(duì)重金屬污染源愈加重 3第一章文獻(xiàn)綜述視,且其治理和排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格。迄今為止,無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外,對(duì)重金屬?gòu)U 水的治理仍不夠完善和徹底,遠(yuǎn)未消除重金屬?gòu)U水對(duì)環(huán)境造成的污染。我國(guó)水污 染現(xiàn)狀是“局部有所改善,整體仍在惡化”。因此,有效控SUSn扭轉(zhuǎn)我國(guó)水資源 環(huán)境繼續(xù)惡化的局面,改善水環(huán)境質(zhì)量,加強(qiáng)廢水的處理和循環(huán)利用成為一個(gè)非 常緊迫的問(wèn)題。 水資源在使用過(guò)程中喪失了使用價(jià)值而被排放并以各種形式使 環(huán)

24、境水體受到影響,這種水即為廢水。根據(jù)來(lái)源不同,廢水可分為生活污水和工 業(yè)廢水。根據(jù)水體污染物不同,水污染大致可分為有機(jī)物污染,重金屬污染和放射性 污染等三大類(lèi)。這里詳述重金屬離子污染。重金屬一般是指比重大于45和原 子序數(shù)在2l-83之間的金屬。工業(yè)廢水中所含重金屬毒物主要是鉻、汞、鎳、 鉛、鎘、鉬、銅、鋅等。由于重金屬離子在自然界中沒(méi)有自?xún)艉蜕锝到饽芰? 排入水體后通過(guò)生物鏈不斷富集,對(duì)動(dòng)植物的生命活動(dòng)造成很大傷害。因此有關(guān) 重金屬離子廢水的防治及回用的研究越來(lái)越受到人們的重視。以鉻為例,鉻是一種鋼灰色的耐腐蝕硬金屬,金屬鉻幾乎是無(wú)毒的。其存在 形態(tài)有Cr2十,C,cr6+三種,二價(jià)鉻的化

25、合物一般認(rèn)為是無(wú)毒的,其余的鉻化 合物,當(dāng)濃度過(guò)高時(shí),都不同程度的具有毒性。六價(jià)鉻的化合物對(duì)皮膚有刺激和 過(guò)敏作用;能引起呼吸系統(tǒng)的損害,主要是鼻中隔膜穿孔、咽喉炎、肺炎和呼吸 道癌;經(jīng)消化道侵入,會(huì)造成味覺(jué)和嗅覺(jué)減退,以至消失口J。重金屬隨廢水排出時(shí),即使?jié)舛群艿蜁r(shí),也可能造成危害。重金屬?gòu)U水具有 如下特點(diǎn)【4J:(1在天然水體中只要有微量重金屬,即可產(chǎn)生毒性反應(yīng),且毒性具有長(zhǎng) 期持續(xù)性。重金屬產(chǎn)生毒性的范圍大約在1.O-lOmgL。之間,毒性較強(qiáng)的重金屬 如汞、鎘等毒性濃度范圍在0.0010.1mg+L。水體中某些重金屬可在微生物作用 下,轉(zhuǎn)化為毒性更強(qiáng)的有機(jī)化合物。例如,無(wú)機(jī)汞在天然水體

26、中可被微生物轉(zhuǎn)化 為毒性更強(qiáng)的甲基汞。(2生物可大量富集重金屬,通過(guò)食物鏈,危害人類(lèi)。生物從環(huán)境中攝取 重金屬,并經(jīng)體內(nèi)或某些器官中高度富集,其富集倍數(shù)可達(dá)成千上萬(wàn),水生動(dòng)植 物、陸生農(nóng)作物都有這種現(xiàn)象,然后通過(guò)生物鏈進(jìn)入人體,在某些器官中積蓄起第一章文獻(xiàn)綜述來(lái)構(gòu)成慢性中毒,嚴(yán)重危害人體健康。(3重金屬不能被生物降解,只能改變其化合價(jià)和化合物種類(lèi)。天然水體 中OH。、CI一、S042。、NH4+、有機(jī)酸、氨基酸、腐植酸等,都可以同重金屬生成 各種絡(luò)合物或鰲合物,使重金屬在水中的濃度增大,也可以使沉入水底的重金屬 又釋放出來(lái)。1-21電鍍廢水治理概況電鍍行業(yè)的廢水量在整個(gè)工業(yè)系統(tǒng)廢水中雖然所占比

27、重較小,但電鍍廢水含 有氰化物、酸、堿以及六價(jià)鉻、銅、鎳、鋅、鎘等金屬污染物,對(duì)環(huán)境有嚴(yán)重的 污染,因此,國(guó)內(nèi)外對(duì)這類(lèi)廢水積極的展開(kāi)了治理方法的研究與應(yīng)用。從建國(guó)以 來(lái),直至50年代,我國(guó)電鍍工業(yè)有一定的發(fā)展。但在這一時(shí)期內(nèi),電鍍規(guī)模一 般較小,設(shè)備也較簡(jiǎn)陋,電鍍廢水的治理也處于“空白”狀態(tài)。60年代至70年代,隨著電鍍工業(yè)的發(fā)展,對(duì)電鍍污染問(wèn)題引起了重視。在 這一時(shí)期,開(kāi)展了治理方法的研究及應(yīng)用。這一時(shí)期電鍍廢水治理的主要目標(biāo)為 氰、鉻兩種有害成分。處理的方法多采用化學(xué)法,即化學(xué)沉淀法,這類(lèi)方法屬于 單純的無(wú)害化排放,相當(dāng)于國(guó)外50年代的水平。這一時(shí)期研究和應(yīng)用的主要方 法有:溶度積法、化學(xué)

28、還原法和電解還原法等。70年代至80年代初,我國(guó)對(duì)電鍍廢水的處理方法有了較大的進(jìn)步,在這個(gè) 時(shí)期,已由單純的無(wú)害化,發(fā)展到綜合回收階段。在這個(gè)階段研究和使用的方法 有:離子交換法、蒸發(fā)濃縮法、電滲析法、反滲透法、表面活性劑法、活性炭吸 附法、活性煤處理法、溶劑萃取法等。在我國(guó)的工業(yè)實(shí)踐表明,單獨(dú)使用上述方 法,雖然比單純的無(wú)害化排放前進(jìn)了一步,但還存在一些局限性,在處理效果上 也不夠徹底。例如,離子交換法除鉻的陽(yáng)離子樹(shù)脂交換柱產(chǎn)生的酸性重金屬再生 廢液還需用化學(xué)法補(bǔ)充處理。自從80年代后,明確了單純治理已不能適應(yīng)形式的要求,對(duì)電鍍廢水的處理 進(jìn)入到多元組合技術(shù)處理及綜合防治階段。由于電鍍廢水種

29、類(lèi)繁多,各工廠的情 況也不盡相同,例如有:鍍鉻、鍍鋅、鋁電解拋光、塑料合金粗化和塑料電鍍等 工藝,各個(gè)工藝所產(chǎn)生的廢水的成分也不同。因此,電鍍廢水的治理方法難以達(dá)第一章文獻(xiàn)綜述到統(tǒng)一,任何一種治理方法,都具有優(yōu)缺點(diǎn)。故而采用一種方法,往往達(dá)不到理 想的處理效果,只有采用多種組合方法進(jìn)行治理才能達(dá)到最好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果, 使電鍍廢水的治理向更縱深、更廣泛、更有效、更徹底的方向發(fā)展【卯?；瘜W(xué)法【61是在廢水中投放藥劑,利用化學(xué)反應(yīng)使廢水中有害離子沉淀分離或 分解而除去的方法。例如,在處理含鉻廢水時(shí),采用的方法有:藥劑還原法、鐵 氧體法、鐵粉鐵屑處理法、鋇鹽沉淀法等。由于化學(xué)法投資少、見(jiàn)效快、處理技

30、術(shù)容易掌握,因此,一直是國(guó)內(nèi)外廣泛采用的技術(shù)之一,并且認(rèn)為是一種有發(fā)展 前途的方法?；瘜W(xué)法的缺點(diǎn)是,要不斷的消耗化工材料,一般都因沉淀而產(chǎn)生含 有大量重金屬污染物的污泥,排出的水回用困難,占地面積也較大。國(guó)內(nèi)外對(duì)電 鍍污泥的研究已取得了可喜的進(jìn)展,隨著化學(xué)法處理中的管理自動(dòng)化、新型沉淀 劑的研制、污泥綜合利用的發(fā)展,該法還將得到進(jìn)一步的發(fā)展。電解法利用通電時(shí)陰陽(yáng)極的電化學(xué)反應(yīng)而使廢水中的有毒物分解、氧化還 原、沉淀。在水處理研究中一個(gè)電解槽兼有氧化、還原、凝聚及上浮等多方面的 功能【7一。其優(yōu)點(diǎn)在于:(1具有多種功能,便于綜合處理。除用于電化學(xué)氧化 或還原使毒物轉(zhuǎn)化外,尚用于懸浮或膠體物系相分

31、離; (2電化學(xué)方法可與生 物學(xué)方法結(jié)合成生物電化學(xué)方法嘲:(3電化學(xué)反應(yīng)以電子作為反應(yīng)劑可避免 產(chǎn)生二次污染物; (4設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單,易于自動(dòng)控制。在處理含氰、含鉻、含 鎘、含銅等電鍍廢水中獲得了應(yīng)用。在處理含鉻廢水時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量污泥;在處理 含氰廢水時(shí)會(huì)產(chǎn)生氯化氰有毒氣體,且對(duì)稀溶液電解效率低;用于處理含鎘廢水 時(shí),也會(huì)產(chǎn)生污泥:用于處理含銅廢水時(shí),可在陰極上回收銅,但要求廢水中銅 含量不小于23克/升。由于電解法要消耗較多的電能以及收到許多因素的限制, 因此發(fā)展并不快。離子交換法10,111是利用離子交換樹(shù)脂對(duì)廢水中陰陽(yáng)離子的選擇性交換作用 來(lái)處理廢水的處理方法。幾乎對(duì)所有的無(wú)機(jī)有害離子都可

32、以用此法處理。某些離 6第一章文獻(xiàn)綜述子交換處理流程,能達(dá)到回收有用化學(xué)材料的目的,經(jīng)處理后的水能用作鍍液補(bǔ) 充水或用作清洗水。當(dāng)不考慮再生洗脫液的處理時(shí),用離子交換法有可能實(shí)現(xiàn)無(wú) 廢水排放的“零排放系統(tǒng)”。因此,離子交換法也是處理電鍍廢水的常用方法之 一。隨著高效長(zhǎng)壽的離子交換樹(shù)脂的研制,處理設(shè)備的小型化、自動(dòng)化,此法仍 在不斷發(fā)展之中。離子交換法也有不足之處:一次性投資大,占地面積較大,技術(shù)掌握較難, 廢水中處理物濃度不宜太高,存在再生洗脫液的處理問(wèn)題。目前,離子交換法多 用于制取電鍍用純水以及含鎳、鉻、鎘、金等廢水的處理。在處理電鍍廢水時(shí), 該法宜與蒸發(fā)濃縮,反滲透、電滲析等法聯(lián)合使用。

33、總之,離子交換法適用于電鍍生產(chǎn)量大、資金及技術(shù)較雄厚的單位,用于單 一廢水的處理?；钚蕴糠?2-141利用了活性炭的物理吸附、化學(xué)吸附以及氧化還原等作用,以 除去廢水中的有毒有害物質(zhì)。目前活性炭法多用于處理含鉻廢水和含氰廢水。該 法近年來(lái)有較大的發(fā)展,國(guó)內(nèi)已有定型處理器出售。該法投資少、占地面積小、 上馬快,且處理效果較好。目前的研究,主要是選擇適當(dāng)?shù)幕钚蕴?提高再生洗 脫效果。但活性炭吸附速度較慢,吸附容量較小,因此,不適于處理有害濃度較 高的廢水。而且活性炭再生程序復(fù)雜。在處理含鉻廢水時(shí),活性炭法特別適用于 低濃度鈍化、低鉻酐鍍鉻的廢水。與活性炭作用相類(lèi)似的還有腐植酸、活化煤、燒結(jié)后的焦碳

34、等物質(zhì)。反滲透法15,1q是利用在對(duì)廢水施加較高壓力時(shí),作為溶劑的水透過(guò)特種半透 膜而溶質(zhì)難以透過(guò)的原理對(duì)廢水進(jìn)行濃縮的方法。這種方法投資少,占地面積不 大,操作控制方便,能夠回收有用材料,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水的“零排放”。實(shí)踐中 的問(wèn)題是制造適用的反滲透器,其中關(guān)鍵又在于制造高效長(zhǎng)壽的反滲透膜。進(jìn)入 反滲透器的原水,一般為多級(jí)逆流漂洗槽中第一級(jí)較濃的廢水,經(jīng)反滲透器濃縮 后,濃縮液一般只能達(dá)到鍍槽槽液濃度的1/3左右,要直接回到鍍槽,往往需要 與蒸發(fā)器組合使用。為避免雜質(zhì)的積累,最好再與離子交換法組合起來(lái)使用。 反滲透法目前多用于鍍鎳廢水的處理。用于對(duì)酸性鍍銅、焦磷酸鹽鍍銅、氰第一章文獻(xiàn)綜述化鍍銅

35、(鋅、鎘等廢水的處理,尚有許多技術(shù)問(wèn)題有待解決。一般認(rèn)為,該法 不大適用于鉻酸鍍鉻液及含堿量特別高的氰化鍍液的處理。但是新型反滲透膜的 問(wèn)世,也可以處理這些電解液,因此,其應(yīng)用范圍可望擴(kuò)大。電滲析法17,181也是一種薄膜技術(shù)。利用對(duì)廢水通以低壓直流電時(shí),陰陽(yáng)離子 定向運(yùn)動(dòng)并選擇性的透過(guò)陰、陽(yáng)薄膜的性質(zhì)而將電解質(zhì)濃縮在一定的區(qū)域內(nèi),在 另一些區(qū)域內(nèi)則得到較純的水。由于要求處理水有足夠的電導(dǎo)以提高滲析效率, 因此,處理水中電解質(zhì)濃度不能過(guò)低。電滲析法的主要優(yōu)點(diǎn)是濃縮液與淡液的濃 縮比可達(dá)100倍左右,比反滲透濃縮比高,濃縮后的溶液可回用于鍍槽。當(dāng)電滲 析膜對(duì)離子的選擇性差時(shí),回收液不一定能達(dá)到鍍

36、液原來(lái)的組成,要調(diào)整后才能 回用。為避免膜的堵塞,對(duì)進(jìn)水要進(jìn)行認(rèn)真的過(guò)濾,以除去固體雜質(zhì)。為防止電 滲析中膜與膜之間的滲漏,在制造電滲析器時(shí)工藝要求較高。電滲析法最好能與 離子交換法組合使用。對(duì)于電鍍廢水的處理方法,各國(guó)都還在大力研究。表11為各種電鍍廢水處 理技術(shù)的方法簡(jiǎn)單比較。除上述常用的方法外,還有有機(jī)溶劑萃取法、表面活性 劑法、黃原酸酯法、磁分離法等。目前我國(guó)電鍍廢水的處理方法,應(yīng)用較多的還 是化學(xué)法、離子交換法和電解法,并逐步趨于完善,存在的一些問(wèn)題也在逐步解 決之中,同時(shí)開(kāi)始注意技術(shù)經(jīng)濟(jì)的合理性。廣大環(huán)保工作者、有關(guān)電鍍廢水處理 的人員也加強(qiáng)了電鍍廢水的科學(xué)試驗(yàn)與生產(chǎn)實(shí)踐工作。固定

37、化微生物技術(shù)f19-241是用化學(xué)或物理手段將游離微生物活動(dòng)限定于一定 的空間區(qū)域,并使其保持活性、反復(fù)利用的方法,是隨固定化酶研究進(jìn)展在二十 世紀(jì)后期發(fā)展起來(lái)的新技術(shù),最初主要集中于工業(yè)微生物的固定化及其發(fā)酵生產(chǎn) 性研究。與游離微生物相比,固定化微生物明顯地顯示出微生物密度高、反應(yīng)速 度快、微生物流失少、產(chǎn)物分離容易、反應(yīng)過(guò)程控制較容易等優(yōu)點(diǎn),已應(yīng)用于生 產(chǎn)實(shí)際且成果顯著。第一章文獻(xiàn)綜述Tablel-1The tenology comparison ofdifferent plating wastewater treatment二十世紀(jì)七十年代后期,由于水污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重,迫切要求開(kāi)發(fā)高效廢

38、水 處理新技術(shù),固定化微生物開(kāi)始應(yīng)用于廢水處理的研究。因固定化微生物技術(shù)能 在固定化微生物的同時(shí)有利于優(yōu)勢(shì)菌種的篩選、馴化及固定化,能構(gòu)成一種高效 的廢水處理系統(tǒng)。故二十世紀(jì)八十年代初固定化微生物廢水處理新技術(shù)成為各國(guó) 學(xué)者研究的熱點(diǎn),其中日本學(xué)者在這一領(lǐng)域的研究尤為活躍。1985年由日本政 府組織各研究機(jī)構(gòu),民間企業(yè)聯(lián)合進(jìn)行一項(xiàng)引起世界關(guān)注的稱(chēng)之為“Biotocus wT”的大型研究計(jì)劃,而固定化微生物的研究是其主要內(nèi)容之一【25J。在同一時(shí) 期,我國(guó)研究者在固定化微生物處理廢水、特別是難降解有機(jī)物廢水處理方面做 了許多基礎(chǔ)性研究,并取得了一系列研究成果。但迄今為止固定化微生物技術(shù)處 理實(shí)際

39、廢水的研究仍處于試驗(yàn)階段。因此,應(yīng)用固定化微生物技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)處理實(shí)際 廢水,并考察其對(duì)各類(lèi)廢水的適應(yīng)性與廣譜性研究既具有理論意義,又具有應(yīng)用 價(jià)值與緊迫性。生物膜法是一種高效廢水處理技術(shù),與傳統(tǒng)活性污泥法相比,具有許多優(yōu)點(diǎn)。 如產(chǎn)生的污泥量少,不會(huì)引起污泥膨脹;生物膜上參與凈化反應(yīng)的微生物種類(lèi)相 當(dāng)多,具有存活時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)廢水水質(zhì)和水量變動(dòng)具有較好的適應(yīng)能力;運(yùn)行管理 方便、簡(jiǎn)易等。生物膜技術(shù)實(shí)質(zhì)上是微生物固定化技術(shù);它是將微生物細(xì)胞附著第一章文獻(xiàn)綜述在固體載體上,細(xì)胞與載體不產(chǎn)生任何化學(xué)反應(yīng)。在生物膜技術(shù)中,微生物附著 在填料上生長(zhǎng)繁殖,并在其上形成膜狀生物污泥。在生物反應(yīng)器中,微生物附著在載體表

40、面,形成一層生物膜。Heijnen26等認(rèn) 為載體上固定化微生物形成生物膜的過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,微生物受吸附、生長(zhǎng)、 脫落等影響,其形成過(guò)程為:懸浮于液相中的微生物附著在空載體上,逐漸在 空載體的局部區(qū)域形成薄的生物膜,最后形成一層將載體完全包裹的成熟的生物 膜,從而完成微生物的固定化271(如圖1.1。Fig.1-1The mass transfer ofmixed microbes in biofilm在用生物膜法處理污水的過(guò)程中,利用了微生物傾向在污水中的固體表面棲 息生長(zhǎng)的特點(diǎn)。隨著微生物數(shù)量的大量增多,微生物被其表面的粘性物質(zhì)粘在一 起形成一層薄薄的生物膜,并不斷增厚。當(dāng)達(dá)到一定厚度

41、時(shí),最內(nèi)層細(xì)胞就吸收 不到營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),細(xì)胞就會(huì)因缺氧而死亡【28】。這樣生物膜與固體表面的結(jié)合力就會(huì) 逐漸減小到零。該生物膜就會(huì)在外界沖擊下脫落,同時(shí)新生物膜會(huì)在裸露的固體 表面迅速生長(zhǎng)。于是在污水處理中,人們就可以利用膜的更新來(lái)提高傳質(zhì)速率, 進(jìn)行污水凈化【291。微生物細(xì)胞向載體表面的輸送主要通過(guò)主動(dòng)運(yùn)輸和被動(dòng)運(yùn)輸兩種方式完成 的。主動(dòng)輸送系指微生物借助于水力流態(tài)及各種擴(kuò)散力的作用向載體表面的擴(kuò)散 過(guò)程:被動(dòng)輸送則指微生物在布朗運(yùn)動(dòng)、微生物自身運(yùn)動(dòng)、重力及沉降作用下完 成的輸送過(guò)程。主動(dòng)輸送在微生物向載體表面的擴(kuò)散和附著過(guò)程中起重要和主導(dǎo)的作用,特別是在動(dòng)態(tài)環(huán)境中,它是微生物長(zhǎng)距離移動(dòng)的主導(dǎo)

42、力量(這種力通常 是由被稱(chēng)為紊流擴(kuò)散的作用力產(chǎn)生的。此外,由于微生物尺寸微小,通常在 1.0¨m左右,屬于膠體顆粒的范疇,因而其具有膠體顆粒布朗運(yùn)動(dòng)的特性,這種 布朗運(yùn)動(dòng)具有增加微生物與載體表面接觸機(jī)會(huì)的作用。除此之外,微生物的濃度 及由濃度差而產(chǎn)生的濃度梯度也在促進(jìn)其向載體表面轉(zhuǎn)移的過(guò)程具有不可忽視 的作用。處于懸浮態(tài)的微生物正是借助于上述主動(dòng)輸送、被動(dòng)輸送和濃度梯度等 擴(kuò)散作用共同完成的,它們共同促成了微生物在載體表面的附著乃至最終固定 化。因而,微生物向載體表面的輸送是其固定化過(guò)程中關(guān)鍵的一步。微生物通過(guò)上述途徑被輸送到載體表面后,通過(guò)各種物理化學(xué)力的作用使 微生物附著并固定在

43、載體的表面。由于在附著固定過(guò)程中,微生物與載體表面之 間所存在的各種作用力具有不同的特性,有的表現(xiàn)偉促進(jìn)附著和固定的引力,而 有的則表現(xiàn)偉阻止其附著的斥力(見(jiàn)表1.2,這就使得微生物的固定化過(guò)程出現(xiàn) 不可逆與可逆兩種情形。表1-2微生物在載體表面附著過(guò)程中所受到的各種力Tablel-2The different forces in the surface ofmicrobe and packings物理力 范德華引力,異電引力,熱力學(xué)力化學(xué)力 氫鍵、酶反應(yīng)等,離子對(duì)的形成,粒子橋鍵等斥力 范德華力,粒子空問(wèn)位阻,同電斥力生物膜主要由活微生物細(xì)胞、水、胞外聚合物和惰性物質(zhì)構(gòu)成。它是通過(guò)使 微生物

44、細(xì)胞嵌入一個(gè)胞外聚合物而形成的。研究生物膜的結(jié)構(gòu)、組成,尤其是所 含的微生物細(xì)胞的數(shù)量,對(duì)選定污水處理的最佳操作參數(shù)是非常重要的130J。而對(duì) 生物膜的結(jié)構(gòu)和組成的研究,須從胞外聚合物的分析入手。研究發(fā)現(xiàn),胞外高分 子呈絮凝狀,它主要由一種天然多糖組成,但同時(shí)也存在少量的從細(xì)胞自溶作用 產(chǎn)生的蛋白質(zhì)和核酸。它的屏蔽功能,可維持細(xì)胞生存。培養(yǎng)基中的微量無(wú)機(jī)鹽MgS04"7H20及FeS04是細(xì)菌在生長(zhǎng)中所必需的,而 KH2P04的作用則是雙重的,既提供細(xì)菌生長(zhǎng)的元素,又能維持培養(yǎng)液的pH【3”。 微生物本身具有電性,表面能分泌種粘性物質(zhì),具有很大的比表面積 (200020000m2/m

45、3廢水等,這會(huì)使得廢水中的各種物質(zhì)在其表面產(chǎn)生吸附和 轉(zhuǎn)化,從而使廢水得以?xún)艋?3“。電生物技術(shù)處理重金屬?gòu)U水就是利用電解作用和生物膜吸附作用,凈化廢水 中重金屬或降低重金屬毒性。這種技術(shù)主要通過(guò)兩種途徑來(lái)達(dá)到對(duì)廢水中重金屬 的凈化作用:(1通過(guò)電解作用改變重金屬離子在水中的化學(xué)形態(tài),使重金屬還 原。(21通過(guò)生物吸附、新陳代謝達(dá)到對(duì)重金屬的去除、轉(zhuǎn)化。20世紀(jì)60年代初期,隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展,電解法開(kāi)始引起人們的注 意331。同時(shí),現(xiàn)代電化學(xué)理論的發(fā)展使開(kāi)發(fā)新型、高效的電解反應(yīng)器取得了突破 性進(jìn)展,電解反應(yīng)器傳質(zhì)效果和電流效率得到極大的提高,如1969年,Backnurst 等設(shè)計(jì)出流化

46、床電極(Fluid Bed Electrode34J;1973年,M.Fleischmam等351研制成功了復(fù)極性固定床電極(Bipolar Packed Bed Electrode。電解法逐漸發(fā)展 成為一種較為成熟的水處理技術(shù)。重金屬?gòu)U水中研究最多的是含銅廢水,針對(duì)普通平板反應(yīng)器速度慢的缺點(diǎn), 固定床、流化床已用于含銅廢水的處理【3酗。Hatfiend等m 381研究了陰極豎流電解 槽去除模擬廢水,在pH為2.6,Na2S04度0.1mg-L,溶液電導(dǎo)率為O.02Q-1.cm, 廢水中Cu2十濃度為150rag.L1的條件下,銅的回收率超過(guò)99.9%。董曉雯f39】等研 究了電解法從廢杜美絲

47、中回收銅的工藝。聶云401等利用實(shí)際含氰鍍銅廢液和自行 設(shè)計(jì)的新型電解槽,確定了最佳的電解條件,廢水中氰化物、銅離子的去除率分 別為99.44%和98.8%?？梢?jiàn)電解法處理含銅廢水在生產(chǎn)中得到廣泛采用。金屬選擇性電沉積也被學(xué)者們所重視,通過(guò)對(duì)電解法去除重金屬離子的可行 性進(jìn)行研究,科學(xué)家已研究了30多種金屬離子可以從水溶液中電沉積到陰極上, 包括重金屬和貴金屬【4l,421。Armstrong43。,51等人由金屬沉積電位一logM關(guān)系圖估 計(jì)了從cd2+、C02+及cd2+、Ni2+的溶液里電沉積鎘的最優(yōu)電位。c02+、Ni2+濃度 分別為0.2molL、O.2mol-L,沉積電位估計(jì)值分別

48、為一0.831V、一0.835V,實(shí)測(cè) 值為.0.810V、.0.830V,最終殘余Cd”估計(jì)值為4.14mg-L、0.36ragL,實(shí)測(cè)值 為19mgL、6.3mgL一。金屬離子在陰極上還原有如下幾步【46】:1.水化離子向電極遷移;第一章文獻(xiàn)綜述2.水層膜變形,并被吸附和遷移到電極表面的活化部分:3.金屬離子放電,即在陰極上奪取電子轉(zhuǎn)變?yōu)樵討B(tài);4.金屬粒子排列成一定品格的晶體。上述四步是連續(xù)進(jìn)行的,其中反應(yīng)最慢的步稱(chēng)為控制步驟,四步中常常最 難完成是電結(jié)晶過(guò)程。上述四步是電解過(guò)程的根本影響因素。在很長(zhǎng)一段時(shí)問(wèn)內(nèi),電解法在廢水處理領(lǐng)域內(nèi)主要應(yīng)用于重金屬去除和回 收,近年來(lái)隨著有機(jī)電化學(xué)理論

49、的深入研究,開(kāi)始應(yīng)用在有機(jī)廢水的處理方面。 但電解法與其它方法結(jié)合是電解法的前沿,其中最突出的是生物電化學(xué)法471。其 原理是使污染物在生物和電化學(xué)雙重作用下降解,而且微弱的電流可以刺激生物 的代謝活動(dòng)。生物膜電極反硝化H8。50】已成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。從20世紀(jì)40年代國(guó)外開(kāi)始對(duì)生物吸附重金屬這一新興領(lǐng)域的進(jìn)行研究,到 80-90年代取得了一定的進(jìn)展5“。生物吸附作為處理重金屬?gòu)U水的一項(xiàng)新技術(shù)與 其它技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)152I:(1在低濃度下,金屬可以被選擇性地去除;(2處理效率高;(3pH值和溫度條件范圍寬,大多數(shù)微生物在4-90"C的情況下能較好生長(zhǎng); (鍆投資小,運(yùn)行費(fèi)用低;

50、(51可有效地回收些貴重金屬;(6無(wú)二次污染。在廣泛實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,科研工作者提出了不同的理論和模型來(lái)描述生物膜的 結(jié)構(gòu)和功能53,54。這些模型認(rèn)為生物膜是一層具有各向同性、薄的、厚度均勻的 覆蓋在載體表面的膜。生物膜中基質(zhì)降解速率受微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)和基質(zhì)及氧在 膜內(nèi)的傳質(zhì)過(guò)程控制。膜內(nèi)的傳質(zhì)主要是擴(kuò)散,方向是垂直于基體表面的。但也 有文獻(xiàn)指出生物膜結(jié)構(gòu)并非是各向同性的,而受許多因素影響。6jaltema等【56l 指出,生物膜的結(jié)構(gòu)受微生物類(lèi)型、生長(zhǎng)表面、液相流動(dòng)模型、反應(yīng)器類(lèi)型、生 物膜脫落等因素影響。因此,在建立生物膜的傳質(zhì)模型時(shí)應(yīng)考慮三維方向上的傳 質(zhì),而不僅是垂直于生物膜方向的傳質(zhì)。

51、Stoodleyl57】和Beer58認(rèn)為生物膜是由不 同的通道隔離開(kāi)的質(zhì)量分布均勻的多孔結(jié)構(gòu),類(lèi)似一個(gè)海綿體。第一章文獻(xiàn)綜述大量的實(shí)驗(yàn)表明,重金屬對(duì)水生生物的效應(yīng)可用金屬離子活性態(tài)(metal ions activity濃度描述。Moral59】系統(tǒng)地描述了重金屬一生物相互作用的自由離子活 性態(tài)模型(free ion activity model,FIAM。該模型認(rèn)為自由的金屬離子(M” 或金屬絡(luò)合離子(ML”對(duì)靶標(biāo)生物的反應(yīng)或在生物體內(nèi)的積累,首先是與細(xì) 胞膜相互作用。在細(xì)胞膜表面形成金屬絡(luò)合物。電生物技術(shù)【9'64礎(chǔ)】用于廢水處理領(lǐng)域僅有十多年歷史,然而已顯現(xiàn)出廣闊的 應(yīng)用前景。

52、其核心是結(jié)合不同類(lèi)型廢水具體特征,依據(jù)電化學(xué)和微生物學(xué)原理, 構(gòu)成電化學(xué)反應(yīng)與微生物新陳代謝偶合過(guò)程,以實(shí)現(xiàn)廢水有效凈化【69。7“。與通常的電解過(guò)程不同,生物體系中進(jìn)行電解有其特殊性【72J:首先,為了不 影響微生物的活性,電解或電沉積電流密度必須較低。Flora等7習(xí)研究生物膜一 電極反應(yīng)器時(shí)發(fā)現(xiàn):電流為20mA時(shí),生物反硝化過(guò)程被強(qiáng)化,去除效率超過(guò)了 98%,而當(dāng)電流超過(guò)20mA時(shí),在電極極板上,由于氫的抑制作用,生物反硝化 速率大大降低。其次,電極表面可能覆蓋一層生物膜,這會(huì)影響到電極上發(fā)生的 電化學(xué)反應(yīng)。為了弄清楚電對(duì)生物系統(tǒng)的影響,研究人員已開(kāi)始了這方面的研究。1994年,日本學(xué)者

53、Sakakibara74等向固定有反硝化細(xì)菌的反應(yīng)器中通入20100mA直 流電,以在負(fù)極提供細(xì)菌反硝化硝酸根的電子。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)只要措施得當(dāng),電極反 應(yīng)幾乎不會(huì)影響反硝化細(xì)菌的正常代謝活動(dòng)。最近,Jackman等【75J在電一生物修 復(fù)被污染的土壤的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)20mA-cm。的電流不會(huì)導(dǎo)致低密度SOBs和 Acidiphilium SJH永久失活,但如果細(xì)菌與土壤共存時(shí),SOBs活性不但不會(huì)減少, 反而要增強(qiáng)。曹宏斌7印博士在研究電流對(duì)硝化過(guò)程影響時(shí)也發(fā)現(xiàn)生物膜比游離的 硝化細(xì)菌的耐電性要強(qiáng)的多,游離細(xì)菌最多只能允許5Am2的直流電;而固定第一章文獻(xiàn)綜述在特制填料上的生物膜可承受15Am2的直

54、流電。在朱苓f77】和黃民生的文章中介紹了廢水生物膜電極法處理技術(shù)是結(jié)合生 物膜和電化學(xué)法而發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。即是采用固定化技術(shù)將微生物固定在電極 表面,形成一層生物膜,然后在電極間通以一定電流,使污染物在生物和電化學(xué) 雙重作用下得到降解。充分結(jié)合了生物膜的微生物固定生長(zhǎng)和電解法較高的氧化 還原能力,以及兩者之間的高效傳質(zhì)關(guān)系等特點(diǎn),在處理難生物降解和電解處理 不徹底的廢水方面顯出了明顯的優(yōu)勢(shì)。國(guó)外報(bào)道最早的是1988年U.Fuchsl79等 將生物處理方法與電化學(xué)方法結(jié)合起來(lái),應(yīng)用于反硝化除氮的研究結(jié)果。1992年,R.B.Meller卅等首次提出電極一生物反應(yīng)器的概念。報(bào)道的數(shù)據(jù)表明,以不

55、 同的金屬材料分別作為陰極和陽(yáng)極,在兩極之間施加一定電壓,可使廢水中N地+首先在亞硝化菌作用下轉(zhuǎn)化為N03。,再在陰極上還原為N2,使NH3-N和N03的 去除率分別達(dá)到95%和85%以上。在國(guó)內(nèi),上海同濟(jì)大學(xué)的研究起步較早,他 們于1996年開(kāi)始報(bào)道永電極一生物反應(yīng)器進(jìn)行廢水反硝化處理的試驗(yàn)研究結(jié) 果,初步探索了陰極生物的馴化掛膜時(shí)間、電流密度、反應(yīng)溫度、進(jìn)水總氮濃度 等因素對(duì)反硝化效果的影響。本文采用電生物技術(shù)凈化含重金屬?gòu)U水,對(duì)微電解法陰極還原重金屬離子和 生物膜吸附重金屬過(guò)程中的各種影響因素進(jìn)行探討,從而確定微電解一生物膜復(fù) 合工藝凈化含重金屬離子最佳工藝條件;此外,建立簡(jiǎn)單的單組分,

56、二組分吸附 模型,探討生物吸附重金屬離子的機(jī)理,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。具體任務(wù)如下: (1微電解實(shí)驗(yàn)方面電生物膜反應(yīng)器極板材料的選取。由于電鍍廢水中成分復(fù)雜,選擇不當(dāng)會(huì)造 成電解時(shí)間和電能消耗成倍增加。本文對(duì)不銹鋼電極、石墨電極和鐵板電極分別 進(jìn)行測(cè)定,確定最佳電極材料。電鍍廢水電解最佳pH的確定?？紤]到復(fù)合工藝中生物膜的耐酸堿性,確定 合適的廢水處理pH值范圍。SEM觀察。通過(guò)掃描電鏡(SEM觀察重金屬離子在電極上的沉積情況。第一章文獻(xiàn)綜述電解操作條件對(duì)處理效果的影響。考察電解溶液初始濃度、電解時(shí)間和電流 密度等影響因素對(duì)電解實(shí)驗(yàn)的影響。單極式與復(fù)極式電解去除率的比較。(2生物膜吸附重金屬實(shí)驗(yàn)

57、方面混合微生物微觀結(jié)構(gòu)觀察。通過(guò)掃描電鏡(SEM和透射電鏡(TEM觀察 混合微生物的形態(tài)及其微觀結(jié)構(gòu)。測(cè)定混合微生物生長(zhǎng)曲線(xiàn)以及活性污泥中菌落計(jì)數(shù)。生物膜培養(yǎng)和掛膜。用聚丙烯波紋板填料作為載體,在適宜的培養(yǎng)條件下進(jìn) 行生物膜培養(yǎng)和掛膜。不同物理和化學(xué)因素對(duì)生物吸附的影響。探討pH值、溫度、吸附時(shí)間、生 物膜量以及溶液初始濃度對(duì)生物吸附重金屬的影響。建立單組分,二組分吸附動(dòng)力學(xué)模型。(3微電解一生物膜復(fù)合工藝實(shí)驗(yàn)方面微電解一生物膜復(fù)合工藝間歇實(shí)驗(yàn)。在前述實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,確定復(fù)合工藝實(shí)驗(yàn) 條件,以進(jìn)行連續(xù)操作。復(fù)合工藝連續(xù)流程。生物體系中進(jìn)行電解除了要考慮微生物活性外,還需要 了解電解對(duì)陰極表面生物膜

58、形態(tài)、電極反應(yīng)和重金屬離子在電極表面所發(fā)生的化 學(xué)反應(yīng)等的影響?？紤]到電場(chǎng)下生物膜的耐電性,擬確定合適的電解電壓下進(jìn)行 連續(xù)流程的運(yùn)行。不同復(fù)合工藝連續(xù)流程操作因素的影響。討論連續(xù)過(guò)程廢水循環(huán)量、壓縮空 氣用量以及停留時(shí)間的影響。比較不同工藝條件下重金屬處理效果。對(duì)三種工藝 處理廢水的效果進(jìn)行比較。隨著電鍍、制革和防腐等工業(yè)的迅速發(fā)展,重金屬?gòu)U水對(duì)人類(lèi)和環(huán)境的危害 越來(lái)越嚴(yán)重,這已經(jīng)引起世界范圍的廣泛關(guān)注,有效去除廢水中的重金屬離子已 經(jīng)成為當(dāng)前十分迫切的任務(wù)。但是,應(yīng)用傳統(tǒng)工藝處理重金屬?gòu)U水從其經(jīng)濟(jì)性和 工業(yè)化的可行性方面來(lái)考慮有其難以克服的缺陷,如化學(xué)沉淀法易于快速去除大 量的金屬離子,但需要加入過(guò)量的沉淀劑,而這些沉淀劑本身往往是有毒的,往 往會(huì)造成二次污染;該方法的另一個(gè)缺點(diǎn)是流程長(zhǎng)、操作麻煩、處理費(fèi)用較高,第一章文獻(xiàn)綜述而且對(duì)于處理1OOmgL-1重金屬?gòu)U水基本無(wú)效。因此,開(kāi)發(fā)一種凈化效果好、 處理費(fèi)用低、設(shè)備投資少的新型處理重金屬?gòu)U水工藝,就顯得尤其重要。本文在吸取微電解和生物吸附處理重金屬離子廢水的優(yōu)點(diǎn)以及深入研究?jī)?種處