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城市生活污水中的痕量污染物如重金属和药物活性成分(Pharmaceutically Active Compounds,PhACs)的污染问题日趋严重。由于它们对微生物具有抑制效应,常规的活性污泥法对其去除效果非常有限,导致它们在污水厂出水中有残留,可能会诱发环境风险。活性污泥在降解废水基质的同时,会产生一类大分子物质—胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)覆盖在微生物细胞表面及填充在污泥絮体内部空隙中。EPS具有大量的活性官能团和疏水区域,有很强的吸附和络合污染物的能力。重金属和PhACs等痕量污染物进入废水生物处理系统中,将首先和微生物发生吸附或络合等相互作用。本论文基于原位、高效、在线和无损的先进的分析技术——等温滴定微量热法(ITC),从热力学的角度深入探讨EPS与重金属和PhACs等污染物间的相互作用机制,明晰EPS在污染物去除过程中所起的作用,揭示污染物去除过程中的干扰因素和影响规律,为痕量污染物在活性污泥系统中的高效去除提供理论依据和技术指导。主要研究内容和研究结果如下:1.运用等温滴定微量热法探讨了EPS模拟物与重金属和药物活性成分等污染物的结合程度。结果表明:污染物与多糖类模拟物葡聚糖无明显结合,与腐殖质类模拟物腐殖酸钠(HA-Na)为弱结合,与蛋白类模拟物牛血清白蛋白(BSA)有强结合。2.使用ITC-200研究了溶液条件包括温度、离子强度和不同价态阳离子对EPS吸附去除重金属的影响,揭示了EPS与重金属的结合机制以及溶液条件变化对结合强度的影响规律。结果表明:重金属离子浓度过高易破坏EPS模拟物结构,限制体系构象变化,使结合量降低,不利于EPS对重金属的持久吸附去除;温度升高对EPS模拟物与重金属结合量的影响趋势各异;低离子强度基本不影响BSA与重金属离子的结合,当离子强度超过一定限度时,离子强度越高,体系构象变化受到限制的程度越大,EPS模拟物对重金属的吸附量显著降低。EPS对重金属离子的络合会不同程度的受到体系中阳离子的干扰,溶液中Ca2+主要通过静电作用干扰EPS与重金属结合,而Fe3+主要通过与重金属离子竞争EPS相同或相似的结合位点而阻碍EPS与重金属结合。3.运用等温滴定微量热法探讨了EPS和PhACs的结合机制及离子强度和pH对结合的影响,结果表明:EPS的蛋白类模拟物与对乙酰氨基苯酚(ACT)和磺胺二甲基嘧啶(SMZ)有强结合,是以疏水性相互作用为主要驱动力的熵驱动过程。EPS与ACT的结合过程受pH显著影响,在接近中性条件时结合最佳。EPS与SMZ相互作用的化学计量数受pH影响程度不大,但中性条件时,EPS与SMZ的结合反应在热力学上最为有利,体系构象变化最大,EPS-SMZ结合物稳定性最高。EPS与PhACs的结合过程受离子强度显著影响,EPS与ACT相互作用的化学计量数及复合物稳定性总体上随离子强度的升高而下降。EPS与SMZ在离子强度5 mM时,结合微弱;在50mM和500 mM之间,溶液离子强度越高,二者的结合更易自发进行,且复合物更稳定,但结合化学计量数越小。