纳米Fe-Ca双金属氧化物改性基质强化人工湿地除Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的性能及机理研究

作     者：王晓燕 

作者单位：青岛大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孔范龙;王森

授予年度：2023年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：电镀废水 人工湿地 纳米Fe-Ca双金属氧化物改性基质 微生物群落 功能基因 

摘      要：电镀废水因含铜(Cu(Ⅱ))、镍(Ni(Ⅱ))等重金属污染物而具有生物毒性和积累性,引起了世界各国的广泛关注。人工湿地(Constructed Wetland,CW)因其具备工程基础设施与设备简单、运行成本与能耗低、维护管理方便等优点,成为一项有前景的电镀废水处理技术。然而,在利用CW处理电镀废水中Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的过程中存在传统基质吸附量小和易解吸、微生物活性受抑制等问题。强化“基质-微生物复合体的性能被认为是解决该问题的有效方法,纳米Fe-Ca双金属氧化物(Fe-Ca-NBMO)改性基质对重金属离子的高效吸附能力与提升功能微生物及其功能基因相对丰度的特性为实现CW的“基质-微生物强化效应提供了材料保障。本研究将FeO纳米颗粒(FeO NPs)和Ca O NPs共同负载在沸石球载体上,制备Fe-Ca-NBMO改性基质,并通过调节不同p H和初始污染物浓度,吸附动力学和吸附稳定性实验探究Fe-Ca-NBMO改性基质除Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的性能;将Fe-Ca-NBMO改性基质引入CW系统(CW-ML)中,通过与空白组CW-B(砾石+生物膜)以及不同的对照组CW-G(仅砾石)、CW-L(仅Fe-Ca-NBMO改性基质)和CW-MG(砾石+生物膜)比较,研究引入Fe-Ca-NBMO改性基质后“基质-微生物复合体对Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的去除效果;分析Fe-Ca-NBMO改性基质对CW中生物膜形貌及组分、微生物群落结构的影响;结合基质表征和宏基因组测序分析,探究其强化除Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的机理。主要结果如下:(1)确定了Fe-Ca-NBMO改性基质的最佳制备方法,探究了Fe-Ca-NBMO对Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的吸附性能。研究表明,在p H=8时制备的Fe-Ca-NBMO改性基质对Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的去除效果最好,吸附容量达到最大(分别为723.68和411.40mg/kg);Fe-Ca-NBMO改性基质对Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的去除效果优于砾石基质(分别为2.45和2.39倍,C=20 mg/L);吸附动力学研究表明,Fe-Ca-NBMO对Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的吸附过程均符合准二级吸附动力学方程;与砾石相比,Fe-Ca-NBMO改性基质具有更好的吸附稳定性。(2)解析了引入Fe-Ca-NBMO改性基质对CW运行、生物膜以及微生物群落结构的影响。研究表明,CW-B对化学需氧量(COD)、氨态氮(NH-N)和总磷(TP)的去除效率保持始终比较稳定;CW-G和CW-L的去除效率很低;与CW-MG相比,CW-ML对COD、NH-N和TP的去除效率相对较高,实验结束时分别达到44.7%、21.6%和81.4%。CW-ML中的出水Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)浓度始终未超过排放标准(0.5mg/L)。CW-G和CW-L的出水浓度在Stage Ⅱ超标,CW-MG的Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)出水浓度分别在Stage IV和Stage ⅡI超标。生物膜和微生物群落结构分析表明,不同CW中存在明显差异,相比于CW-MG,CW-ML中胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substance,EPS)的总量由411.5 mg/g增加到520.6 mg/g,其中的成分主要为蛋白质类物质;Desulfobacter、Azospira、Geobacter、Desulfuromonas、Dechloromonas和Zoogloea的相对丰度均有所增加。这表明Fe-Ca-NBMO改性基质能够促进微生物产生EPS,提高了体系中抗性微生物的相对丰度,从而提高了对Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的去除效率。(3)阐明了Fe-Ca-NBMO改性基质的引入强化CW去除Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的机理。一方面,Fe-Ca-NBMO改性基质会促进表面的羟基(-OH)对Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的静电吸附,并促进Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)与基质表面和环境中的OH结合,形成Cu(OH)和Ni(OH)沉淀,实现对Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的去除。另一方面,Fe-Ca-NBMO改性基质能够促进微生物产生EPS,增强对Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的吸附,同时提高了体系中抗性微生物(Geobacter、Desulfuromonas、Zoogloea、Dechloromonas和Desulfobacter)和关键功能基因(cop A、cus ABC、***.P、gsh B和exb B)的相对丰度,从而提高了对Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的去除效率。综上,本研究探究了引入Fe-Ca-NBMO改性基质对CW去除Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)能力的同步强化效果;结合材料表征与宏基因组测序分析,探讨了Fe-Ca-NBMO的引入对除Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的强化机理,证明了引入Fe-Ca-NBMO后,提高了基