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近年来,随着经济的快速发展,许多国家的水体中均已检测出不同程度的高氯酸盐污染,并存在日益恶化的趋势。高氯酸盐可通过饮用水或食物链传递等多种途径进入人体,从而对人类健康构成威胁。
目前,高氯酸盐修复技术主要包括物理化学修复技术、化学还原修复技术和生物修复技术。然而,物理化学修复技术只是简单地将高氯酸盐进行浓缩或转移,并没有真正将其去除;化学还原修复技术去除高氯酸盐所需反应条件苛刻,成本高;微生物修复技术反应启动时间较长,且缺乏足够的合适电子供体。
因此,针对以上问题,本文用纳米铁在水中厌氧腐蚀产氢作为微生物的电子供体来还原高氯酸盐,用化学手段将纳米铁和微生物包埋于同一微环境中,对包埋载体进行选择,包埋条件进行优化;此外,对该微球体系去除高氯酸盐的性能、影响因素、动力学、反应机理等也进行了研究,为在实际水体环境修复中的应用奠定基础。研究结果如下:
1.以海藻酸钙作为载体,包埋固化纳米铁-微生物微球,且将其用于去除高氯酸盐简单可行。通过单因素分析和正交试验优化,确定最佳包埋条件为:海藻酸钠浓度2%,氯化钙浓度2.5%,纳米铁量0.056 g,初始包菌量OD600=0.0120,交联时间4 h。在上述条件下制得的微球,弹性较好,机械强度较大,传质性能好,粒径3-5 mm。此外,纳米铁-微生物微球表征结果显示,纳米铁和微生物已经成功地包埋于海藻酸钙中。其中纳米铁呈现了较好的分散性,微生物呈现了很好的高密度性。
2.纳米铁-微生物微球体系去除高氯酸盐的能力优于其游离体系。同样条件下,纳米铁-微生物微球体系较其游离体系对pH适应性更强,去除高氯酸盐效果好;纳米铁-微生物微球体系及其游离体系温度的升高,高氯酸盐去除速率呈现加快趋势,最佳反应温度为30℃。溶解氧DO的含量对微球体系及其游离体系去除高氯酸盐的效果均有影响,但相比之下,对纳米铁-微生物微球体系的影响较小;体系中溶解氧含量越低越利于高氯酸盐降解。
总之,纳米铁-微生物微球抵抗外界环境变化能力强,适应性强,pH值为7.5,温度为30℃,厌氧条件下,纳米铁-微生物微球体系12 d内可将50 mg·L-1的高氯酸盐去除至检测限以下。
3.纳米铁-微生物微球体系去除高氯酸盐的过程中,前2 d主要是海藻酸钙载体的吸附作用,接下来2-12 d其准一级反应速率常数(Kobs)发生了变化:2-6 d,其Kobs=0.0622 d-1,6-12 d,其Kobs=0.509 d-1。相比之下,纳米铁-微生物游离体系中2-10 d,其Kobs=0.0751 d-1,10-16 d,其Kobs=0.433 d-1。
4.纳米铁-微生物微球体系去除高氯酸盐的过程中,吖啶橙染色及分子生物学技术PCR结果均显示,体系中微生物的数量呈不断增加趋势。