厌氧锰矿反应柱对水环境中典型PPCPs的去除效果和机理研究

发布时间：2017-10-18 13:27

  本文关键词：厌氧锰矿反应柱对水环境中典型PPCPs的去除效果和机理研究

  更多相关文章： 双氯芬酸 卡马西平 锰矿石 去除效果 去除机理

【摘要】：近年来水环境中PPCPs作为一种新兴污染物,在世界范围内的地表水、地下水、污水处理厂、江河湖海沉积物等水环境中频繁被检出,虽然其浓度较低一般在μg/L~ng/L级别,但由于其稳定性、持久性、难降解性和生物累积性,对水环境中生物和人类健康存在潜在的威胁和安全隐患,因而逐渐引起了人们的关注。由于传统的污水厂处理工艺对PPCPs去除效果较差,因此污水处理厂出水排放被认为是PPCPs进入水环境的最主要途径。有很多学者进行了去除水中PPCPs的研究,高级氧化法和膜处理技术对大多数PPCPs有很好的去除效果,但由于其工艺复杂、成本太高而无法推广。因此,寻求一种成本较低、效率较高的去除方法是未来研究的必然方向。锰矿物在自然界的储量很丰富,分布也很广泛。锰矿物一般都具有层状或孔道结构,有电荷零点低、表面电荷量大的特点,因而吸附和催化性能良好,同时由于自然界中很多锰氧化物中锰的化合价较高,也有良好的氧化性能。因此,锰矿物在去除PPCPs方面具有巨大的潜能和研究前景。同时,有研究表明,异化金属还原菌具有能以有机物为电子供体、金属氧化物作为电子受体来还原金属物质并降解有机物的特性,这对于水环境中PPCPs污染的降解和生态修复具有重要意义。因此,本研究采用这两种有研究前景的物质天然锰矿石和微生物共同作用进行典型PPCPs的去除研究。本研究选取在水环境中检出频率最高且难降解的两种PPCPs:卡马西平和双氯芬酸,作为PPCPs的典型代表进行降解研究。本实验采用两个反应柱进行对比试验,其中1号反应柱装填锰矿石并添加缺氧污泥,2号反应柱只装填锰矿石不添加厌氧污泥,以添加有0.5mg/L左右的卡马西平和双氯芬酸的生活污水为进水,在厌氧条件下连续运行,进行卡马西平和双氯芬酸的去除效果研究,并探讨了去除机理。此外,还进行了双氯芬酸降解菌的筛选和降解特性试验研究,主要得出了以下结论:(1)卡马西平为难降解有机药物,两个反应柱对卡马西平均无去除效果。双氯芬酸相对于卡马西平来说较易降解,1号反应柱对双氯芬酸的平均降解效率为21.82%,2号柱子对双氯芬酸的平均降解率为67.37%。1号柱子对双氯芬酸的降解随时间变化不大,2号柱子对双氯酚酸的降解随着时间推移而逐渐减少。(2)通过对卡马西平和双氯芬酸的去除机理研究,发现对双氯芬酸降解起主要作用的是锰矿石的化学氧化和催化作用,细菌与锰矿石的协同作用贡献率相对较少,其中发挥主要降解作用的微生物为异化金属还原菌。(3)通过分析双氯芬酸的副产物,发现两个柱子降解双氯芬酸的途径和机理基本一致,主要途径为:双氯芬酸吸附到锰矿石表面,在锰矿石和微生物的共同作用下,发生羟基化反应生成5-羟基双氯芬酸(5OH-DCF),再被氧化脱氢得到双氯芬酸-2,5-亚氨基琨(DCF-2,5-IQ)。除此主要途径外,还发现了5种其他降解途径和11种双氯芬酸的降解副产物。(4)通过双氯芬酸降解菌试验研究,从两个反应柱中筛选出2种双氯芬酸的降解菌:菌株DM1-2在液体培养基中生长5d对双氯芬酸的降解率最高能达到78.82%,为伯克氏菌属(Burkholderia sp.);菌株DM1-2在液体培养基中生长5d对双氯芬酸的降解率最高能达到79.16%,为假单胞菌属(Pseudomonas sp.)。菌株DM1-2和DM2-1在厌氧条件下生长需要以MnO_2和Fe_2O_3为电子受体,这一过程与异化金属还原菌的生长过程类似。
【关键词】：双氯芬酸 卡马西平 锰矿石 去除效果 去除机理
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 绪论10-22
• 1.1 研究背景10-18
• 1.1.1 水环境中PPCPs的种类及来源10-12
• 1.1.2 国内外水环境中PPCPs的污染现状12-13
• 1.1.3 水环境中PPCPs的危害13-14
• 1.1.4 水中PPCPs的去除方法14-16
• 1.1.5 现有PPCPs去除方法存在的主要问题16-17
• 1.1.6 锰矿物用于水中PPCPs的去除研究17
• 1.1.7 异化金属还原菌用于水中PPCPs的去除研究17-18
• 1.2 研究目的及意义18-19
• 1.2.1 研究目的18
• 1.2.2 研究意义18-19
• 1.3 主要研究内容19-20
• 1.4 技术路线20-22
• 2 实验材料和实验方法22-42
• 2.1 实验材料22-27
• 2.1.1 有机药物22-23
• 2.1.2 实验药品和试剂23-25
• 2.1.3 实验仪器和设备25-27
• 2.2 实验设计27-32
• 2.2.1 反应装置设计27-28
• 2.2.2 实验步骤28-32
• 2.3 实验方法32-42
• 2.3.1 卡马西平和双氯芬酸浓度的测试方法32-36
• 2.3.2 卡马西平和双氯芬酸降解副产物的测试方法36-37
• 2.3.3 其他实验指标的测试方法37-42
• 3 厌氧锰矿反应柱对卡马西平和双氯芬酸去除效果研究42-56
• 3.1 厌氧锰矿反应柱对卡马西平的去除效果研究42-46
• 3.1.1 卡马西平浓度和去除率随时间规律42-44
• 3.1.2 卡马西平浓度和降解率沿程变化规律44-46
• 3.2 厌氧锰矿反应柱对双氯芬酸的去除效果研究46-49
• 3.2.1 双氯芬酸浓度和去除率随时间规律46-48
• 3.2.2 双氯芬酸浓度和降解率沿程变化规律48-49
• 3.3 其他测试指标变化规律49-54
• 3.3.1 化学指标pH和Mn~（2+）浓度49-51
• 3.3.2 物理指标电导率和ORP51-52
• 3.3.3 有机物指标UV_(254)和COD_(cr)52-53
• 3.3.4 生物指标OD_(600)53-54
• 3.4 结果与讨论54-56
• 4 厌氧锰矿反应柱对卡马西平和双氯芬酸的去除机理研究56-74
• 4.1 物理吸附作用分析56-57
• 4.1.1 锰矿石的物理吸附作用分析56-57
• 4.1.2 生物膜的物理吸附作用分析57
• 4.2 锰矿石化学作用分析57-58
• 4.3 XRD分析58-60
• 4.4 降解副产物和降解机制分析60-69
• 4.4.1 厌氧锰矿反应柱中双氯芬酸降解副产物和降解机制分析60-66
• 4.4.2 锰矿石单纯化学作用对双氯芬酸降解副产物和降解机制分析66-69
• 4.5 微生物分析69-71
• 4.5.1 微生物量分析69-70
• 4.5.2 微生物量多样性分析70-71
• 4.6 结果与讨论71-74
• 5 双氯芬酸降解菌的试验研究74-92
• 5.1 双氯酚酸降解菌的筛选、提纯和鉴定74-79
• 5.1.1 菌种的筛选、提纯74-75
• 5.1.2 菌种的降解实验75-76
• 5.1.3 菌种的鉴定76-79
• 5.2 双氯酚酸降解菌的降解特性研究79-85
• 5.2.1 菌悬液的制备79
• 5.2.2 降解特性研究79-85
• 5.3 双氯酚酸降解菌的降解机理85-89
• 5.3.1 菌液中Mn~（2+）和Fe~（2+）的变化规律85-87
• 5.3.2 液体培养基不添加MnO_2和Fe2O3的菌种生长情况87-88
• 5.3.3 吸附作用分析88-89
• 5.4 结果与讨论89-92
• 6 结论与建议92-94
• 6.1 主要结论92-93
• 6.2 后续研究建议93-94
• 致谢94-96
• 参考文献96-102
• 附录102
• A. 作者在攻读学位期间取得的科研成果102

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