活性炭_零价铁_降解菌耦合固定化协同去除水中亚硝胺和六价铬的研究

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环境中多种污染物共存的复合污染引起的健康安全风险问题被广泛关注,研究绿色、经济、高效的去除技术是目前待解决的课题。本研究提出活性炭(AC)_Fe(0)_降解菌耦合固定化颗粒协同去除水体中六种亚硝胺和六价铬(Cr(VI))复合污染的研究设想。本实验研究将物理吸附、化学还原与生物代谢相结合,制备出能降解亚硝胺和Cr(VI)的固定化颗粒,研究了AC_Fe(0)_降解菌耦合固定化颗粒对亚硝胺和Cr(VI)的同步去除,揭示了亚硝胺与Cr(VI)同步降解途径和机制;重点考察了亚硝胺和Cr(VI)初始浓度、温度、p H、腐殖酸以及共存阴离子等对固定化颗粒对目标污染物去除效果的影响。通过评价反应前后亚硝胺与Cr(VI)去除率,对耦合固定化颗粒参数、运行控制等方面进行优化,从而优化同步去除的操作条件。另外还通过场发射扫描电子显微镜(SEM-EDS)、X射线光电子能谱(XPS)等来表征反应前后的固定化颗粒,对反应前后的固定化颗粒进行分析,以探究该体系去除亚硝胺与Cr(VI)的反应机理,为水体中亚硝胺与Cr(VI)复合污染的治理提供技术支撑。(1)AC_Fe(0)_降解菌耦合固定化颗粒的制备及表征:采用海藻酸钠和琼脂将Fe(0)、活性炭和亚硝胺降解菌交联,制备成固定化颗粒。SEM分析结果表明Fe(0)、活性炭和亚硝胺降解菌均匀分布于固定化颗粒内部,并在活性炭孔径内形成降解菌群落。同时,机械性能测试结果表明固定化颗粒具有良好的重复利用性和机械耐受性。(2)降解效果和动力学分析:AC_Fe(0)_降解菌耦合固定化颗粒对亚硝胺的最大去除率分别达到84.8%、99.2%、93.4%、99.2%、94.3%和98.0%(亚硝胺浓度500 ng/L);动力学分析表明亚硝胺的去除过程符合伪二级反应动力学(R2~2>0.945)。相关性分析表明,五种高浓度(500 ng/L)的直链结构亚硝胺的去除率和logk2(反应速率常数)与它们的物化性质具有较好的相关性,(R~2=0.499-0.745)。Cr(VI)的存在对亚硝胺的去除效果具有促进作用;但亚硝胺的存在对Cr(VI)的去除无明显影响。反应前的XPS光谱图中检测到Fe(0)2p3/2,Fe(0)2p1/2(712.7 e V和720.4 e V)和Fe(III)2p3/2(717 e V和730.5e V)。反应后只检测到氧化态的铁Fe2p3/2(712.7 e V和726 e V)。SEM-EDS分析表明,反应后固定化颗粒中Fe(0)显著减少,而N元素增加,这表明亚硝胺被固定化颗粒吸附或降解。(3)影响因素:亚硝胺和Cr(VI)的去除均随着p H值(p H为4.0、6.75和9.0)的增加而降低,酸性条件下的去除率更高。共存阴离子(CO32-、SO42-、NO3-和NO2-)存在的条件下,AC_Fe(0)_降解菌耦合固定化颗粒对除NMor之外的其他五种亚硝胺和Cr(VI)的去除均有抑制作用。10 mmol/L的阴离子对亚硝胺物质中的NDEA的抑制作用最为明显,去除率减少48.36%。其中CO3~2和NO2-对NDMA、NDEA和Cr(VI)的去除率起到抑制作用,而NO3-和SO42-对NDMA、NDEA和Cr(VI)的降解起到促进作用。HA的加入对AC_Fe(0)_降解菌耦合固定化颗粒去除亚硝胺和Cr(VI)的去除均有负面影响,亚硝胺去除率降低了10%-20%左右,Cr(VI)去除率降低的相对较少。亚硝胺和Cr(VI)的同步去除实验中,亚硝胺的存在可促进Cr(VI)的去除。(4)降解机理研究表明,亚硝胺被Fe(0)还原和降解菌降解,AC对其具有一定的吸附作用。Cr(VI)主要被Fe(0)还原为Cr(III);产生的铁离子和Cr(III)可形成铬铁络合物沉淀。降解产物主要为偏二甲肼、二级胺、NO3-和铬铁络合物等物质。
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