【摘要】：我國水體環(huán)境中的重金屬污染日趨嚴重,其中,鉻污染現(xiàn)象較為突出。水體環(huán)境中鉻污染的來源大體分為三類:工業(yè)生產(chǎn),日常生活及化學(xué)制品。鉻在水體中主要以三價(Cr(Ⅲ))和六價(Cr(Ⅵ))形式存在。Cr(Ⅵ)在水體中具有高溶解度和高毒性,一般以陰離子形式存在。與之相反,Cr(Ⅲ)在中性或堿性條件下通常形成沉淀態(tài)的氫氧化物,并可以通過離心或過濾的方法去除。Cr(Ⅵ)的生物還原法是一種簡便高效的水體鉻污染修復(fù)方法,即微生物利用有機物或無機物作為電子供體,以Cr(Ⅵ)作為電子受體,將Cr(Ⅵ)還原為Cr(Ⅲ)。甲烷(CH_4)是一種強溫室氣體,常見于自然和人為活動中,主要來源于城市污水處理和垃圾填埋中的厭氧發(fā)酵過程,近年來在廢水生物修復(fù)中應(yīng)用越來越廣泛。該生物學(xué)過程中,甲烷可以充當(dāng)電子供體和碳源,為微生物的生長提供足夠的能量,從而驅(qū)動氧化態(tài)污染物的生物還原。甲烷基質(zhì)膜生物反應(yīng)器(Membrane biofilm reactor,MBfR)能夠?qū)H_4安全高效地傳遞給膜上的微生物從而驅(qū)動微生物進行物質(zhì)和能量代謝,是一種去除廢水中Cr(Ⅵ)的理想工藝。本論文研究了 CH_4作為唯一電子供體驅(qū)動Cr(Ⅵ)生物還原的烎生物學(xué)過程,探究了不同的負荷的Cr(Ⅵ),NO_3-,SO_4~(2-)及Se(Ⅵ)的還原動力學(xué)和還原過程中的相互作用,闡明了 Cr(Ⅵ)生物還原過程的作用機制以及NO_3-,SO_4~(2-)及Se(Ⅵ)對Cr(Ⅵ)還原的影響機理。主要結(jié)論如下:1)CH_4-MBfR中Cr(Ⅵ)生物還原過程證實了微生物是能夠以CH_4作為唯一的電子供體來驅(qū)動Cr(Ⅵ)的生物還原。當(dāng)Cr(Ⅵ)是CH_4-MBfR中的唯一電子受體時,隨著附著在生物膜上的微生物群落對Cr(Ⅵ)的不斷適應(yīng),微生物對Cr(Ⅵ)的還原能力不斷增強。實驗共持續(xù)90天,分為五個階段。最終,當(dāng)進水Cr(Ⅵ)濃度為3mg-Cr/L,其表面負荷為370mg-Cr m~(-2)d~(-1)時,去除效率達到了 95%。通過XPS,TEM和EDS分析表明,Cr(Ⅲ)沉淀是Cr(Ⅵ)還原的終產(chǎn)物,并且分布于細菌的胞內(nèi)和胞外。2)CH_4-MBfR 中 Cr(Ⅵ)和 NO_3-,SO_4~(2-)及 Se(Ⅵ)還原的相互作用當(dāng)Cr(Ⅵ)為CH_4-MBfR中唯一電子受體時,進水表面負荷為500mg-Cr/m~2-d的Cr(Ⅵ)全部被還原為Cr(Ⅲ);但當(dāng)進水中同時含280mg-N/m~2-d的N03-時,Cr(Ⅵ)還原能力顯著降低(25%);當(dāng)進水NO_3-負荷為零時,Cr(Ⅵ)還原率僅恢復(fù)至70%。因此,NO_3-對Cr(Ⅵ)還原具有不可逆的抑制作用。在CH_4-MBfR中,當(dāng)SO_4~(2-)負荷從零增加到4.7mg/m~2-d時,Cr(Ⅵ)去除率從60%(階段1)提高到70%;在SO_4~(2-)負荷減少到零后,Cr(Ⅵ)去除率進一步增加到90%,表明硫酸鹽還原菌(SRB)在生物膜上富集,并驅(qū)動Cr(Ⅵ)的還原。然而,高負荷的SO_4~(2-)(26.6mg/m~2-d)會顯著抑制Cr(Ⅵ)的還原(還原率為40%)。同樣地,當(dāng)CH_4-MBfR進水中含0.5mg-Se/L的Se(Ⅵ)時,Cr(Ⅵ)的去除率略微下降至60%;而當(dāng)進水中不含Se(Ⅵ)時,Cr(Ⅵ)的去除率又回升到80%。3)CH_4-MBfR膜上的微生物群落結(jié)構(gòu)的變化。在CH_4-MBfR中,隨著微生物以CH_4作為電子供體驅(qū)動Cr(Ⅵ)的生物還原,Meiothermus(Deinococci)和Methylosinus(Ⅱ型甲烷氧化菌)逐漸成為了生物膜上的優(yōu)勢菌屬。群落結(jié)構(gòu)分析表明,甲烷氧化菌和鉻酸鹽還原菌之間的協(xié)同作用是主要的生物學(xué)機制:甲烷氧化菌活化CH_4,產(chǎn)生并釋放一些代謝中間體,鉻酸鹽還原菌利用這些中間體作為電子供體來驅(qū)動Cr(Ⅵ)的生物還原。隨著NO_3-的引入,膜上Meiothermus(Deinococci)相對豐度大幅降低,而Chitinophagaceae(一種反硝化細菌)的豐度顯著增加。這說明NO_3-對生物膜上的微生物群落具有顯著影響。之后,當(dāng)進水不含NO_3-時,Pelomonas相對豐度顯著上升,表明其可能具有Cr(Ⅵ)還原能力。此外,通過PICRUSt對功能基因進行預(yù)測,發(fā)現(xiàn)在引入N03-后,生物膜上與鉻酸鹽還原有關(guān)的基因豐度顯著降低,而與反硝化作用和甲烷氧化過程有關(guān)的基因豐度卻有所增加。與Cr(Ⅵ)共存的SO_4~(2-)使得CH_4-MBfR生物膜上演化出三個主導(dǎo)菌屬。基于這三個菌屬的相對豐度與Cr(Ⅵ)和SO_4~(2-)的負荷之間的相關(guān)性分析,我們得出:Methylocystis(Ⅱ型甲烷氧化菌)可同時還原Cr(Ⅵ)和SO_4~(2-),而Meiothermus僅對Cr(Ⅵ)還原起作用,Ferruginibacter只對SO_4~(2-)還原起作用。與Cr(Ⅵ)共存的Se(Ⅵ)使得CH_4-MBfR生物膜上演化出兩個主導(dǎo)菌屬:Meiothermus(可以同時還原Cr(Ⅵ)和Se(Ⅵ))和Methylophilus。我們得出:Methylophilus 活化CH_4,其產(chǎn)生釋放的電子和能量轉(zhuǎn)移給Meiothermus來驅(qū)動Cr(Ⅵ)和Se(Ⅵ)還原。
【圖文】：

水體中具有高溶解度和生物可利用性，在大多數(shù)環(huán)境條件下，Ｃｒ（ＶＩ）以陰離子形逡逑式存在。在ｐＨ值＞６．４時，其主要以鉻酸鹽（Ｃｒ0４２＿）形式存在，而在ｐＨ值＜６．４時，逡逑主要以重鉻酸鹽（ＨＣｒＣＶ）形式存在（Ｊａｍｅｓｅｔａｌ．，２００２）（詳見圖１．２所示），使逡逑其毒性比Ｃｒ0ＩＩ）高達１００倍，被確認為對人類構(gòu)成最大威脅的１７種化學(xué)物質(zhì)之一逡逑（Ｍａｒｓｈｅｔａｌ．，邋２００１）。所以，將Ｃｒ（ＶＩ）還原到Ｃｒ（ＩＩＩ），然后進行固體分離以除去逡逑Ｃｒ（ｍ），這是去除廢水中Ｃｒ的可行方法。美國環(huán)保局（ＴｈｅＵ．Ｓ．ＥＰＡ）定義飲用水逡逑中含有的Ｃｒ，其最大污染物限定值（ＭＣＬ）標(biāo)準(zhǔn)為ｌＯＯ＾ｉｇ－Ｃｒ／Ｌ。逡逑２逡逑

鉻及其化合物在日常生活中也很有用途。從鉻礦產(chǎn)量來看，９０％用于冶金行逡逑業(yè)的鋼鐵，合金和有色合金生產(chǎn)。５％用于耐火材料（鋼鐵，水泥，坡璃，陶瓷和逡逑機械）和５％用于化學(xué)品（皮革鞣制，電鍍，木材防腐和顏料）行業(yè)（詳見圖１．３逡逑所示）。鉻具有很高的耐腐蝕性，在空氣中，即便是在赤熱的環(huán)境下，其氧化速逡逑率也很慢，因此可用于電鍍保護涂層。鐵合金，主要用于生產(chǎn)不銹鋼及各種合逡逑金鋼，占大部分的消費，這類合金鋼除了耐腐蝕和抗氧化，還具有良好的機械性逡逑能。金屬鉻還可用作鋁合金、鈷合金、鈥合金及高溫合金、電阻發(fā)熱合金等的逡逑添加剖（Ｂｉｅｌｉｃｋａｅｔａｌ．，２００５）。逡逑至于鉻化學(xué)品，制造用于油漆和油墨的顏料消耗量最大。其他應(yīng)用包括皮革逡逑鞣制加工，抑制金屬腐蝕，，鉆井泥漿，紡織染料，催化劑，木材和水處理（Ｄｏｗｎｉｎｇ逡逑ｅｔａｌ．，２０００）。鉻鐵礦用于耐火行業(yè)制磚，砂漿，搗打和噴補混合料，其提高了它逡逑們的熱沖擊和抗跡性
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：X52

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前6條

1 李斗;趙由才;宋立巖;尹雅潔;王洋清;徐中慧;;六價鉻細菌還原的分子機制研究進展[J];環(huán)境科學(xué);2014年04期

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本文編號：2609144