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生物淋滤与生物沉淀耦合去除污染土壤中重金属的工艺及机理

【摘要】:基于硫杆菌催化氧化及生物产酸原理的生物淋滤(bioleaching,也称作生物沥浸)是一种极具应用前景的重金属污染土壤净化新技术。重金属去除率高、反应温和、成本低廉是该方法的突出优点,但处理耗时较长、酸性重金属废液产生量大等极大限制了其实际应用。 本文采用序批摇瓶法分别研究了初始pH、污泥滤液替代传统培养基及淋滤方式(一步法和两步法)等对土壤重金属生物淋滤去除的影响,并对重金属去除中硫杆菌及其胞外代谢物的功效作初步探讨;在此基础上,运用1.0L搅拌罐式反应器(STR)研究了硫酸盐生物还原产生的富硫化物出水与淋滤液混合以及吹脱硫化物等方式对土壤淋滤酸液中重金属沉淀去除或分离回收的效果,旨在为土壤生物淋滤-生物沉淀技术的实际应用提供技术支持。结果表明:初始pH 5.0对土壤重金属淋滤去除最有利,14d,土壤pH降至2.5,Zn、Cu和Cd的去除率分别为98%、73%、84%;污泥滤液替代培养基的生物淋滤研究发现:在污泥滤液和培养基体积比为30:70的条件下,硫杆菌生长、土壤酸化及SO42-的产生均不受影响;与一步淋滤相比,两步淋滤(硫杆菌产酸活性最大时添加土壤)中土壤重金属淋滤进程可缩短12d,Zn、Cu和Cd的最终去除率分别达81%、82%和98%;此外,通过对硫酸化学淋滤和硫杆菌产硫酸的生物淋滤对土壤重金属去除的比较发现:硫杆菌产生的胞外代谢物组分的蛋白质和多糖中的O-H、肽键、C-O-C等基团能络合重金属,一定程度上抑制了重金属去除,而菌体则可促进重金属溶出,且菌体的促进贡献较大,从而使生物淋滤对重金属去除率较化学淋滤高;硫酸盐还原产生的硫化物去除土壤淋滤酸液重金属的研究表明,当硫化物过量(硫化物与重金属摩尔比为3)时,Cu、Zn、Cd和Fe的去除率分别为100%、88%、95%和100%;以N2吹脱富含硫化物出水的研究显示,通过对出水pH的调控,能有效分离回收土壤淋滤酸液中Cu、Cd和Zn,具体表现为,在pH 2.0下可回收99%的Cu,且随硫化物出水pH降低,Cu回收效率增加;pH 3.0下,可有效分离回收95%的Cd;pH 4.0下,Zn分离回收率可达93%。SEM-EDS与XRD分析显示,Cu沉淀主要为靛铜矿(CuS,Cu和S含量占86.5%),Zn沉淀则主要为纤维锌矿(ZnS,Zn和S含量占78.3%)。

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