生物锰氧化物的合成及其在重金属去除中的应用

摘要..................................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................. II 引言 (1)

1 绪论 (2)

1.1 重金属污染现状 (2)

1.1.1 重金属污染的来源 (2)

1.1.2 重金属的危害 (2)

1.1.3 重金属污染的处理方法 (3)

1.2 锰氧化菌 (7)

1.2.1 锰氧化菌的种类 (7)

1.2.2 锰氧化菌氧化Mn2+的原因 (7)

1.3 锰氧化物 (8)

1.3.1 化学合成的锰氧化物 (9)

1.3.2 生物锰氧化物 (10)

1.3.3 生物锰氧化物的应用 (10)

1.4 研究目的、内容和研究路线 (12)

1.4.1 研究目的 (12)

1.4.2 研究内容 (12)

2 锰氧化微生物群落的驯化及锰氧化特性研究 (14)

2.1 材料和方法 (14)

2.1.1 实验材料 (14)

2.1.2 实验方法 (16)

2.2 结果与讨论 (19)

2.2.1 锰氧化微生物群落的解析及鉴定结果 (19)

2.2.2 不同培养条件对群落的锰氧化性能的影响 (20)

2.2.3 生物锰氧化物的表征 (24)

2.3 结论 (27)

3 生物锰氧化物的特性及其对重金属的吸附 (28)

3.1 材料和方法 (28)

3.1.1 生物锰氧化物的合成 (28)

3.1.2 生物锰氧化物的表征 (28)

3.1.3 生物锰氧化物对金属离子的吸附性能 (29)

3.1.4 生物锰氧化物对Pb2+的吸附动力学 (29)

3.1.5 生物锰氧化物对Pb2+的吸附等温线 (30)

3.1.6 生物锰氧化物对Pb2+的吸附热力学 (31)

3.2 结果与讨论 (31)

3.2.1 生物锰氧化物的表征 (31)

3.2.2 生物锰氧化物对金属离子的吸附性能 (40)

3.2.3 生物锰氧化物吸附Pb2+的吸附动力学 (41)

3.2.4 生物锰氧化物对Pb2+的吸附等温线 (43)

3.2.5 生物锰氧化物对Pb2+的吸附热力学 (46)

3.3 结论 (47)

4 生物膜反应器对Mn2+的去除 (48)

4.1 BAF生物膜反应器对Mn2+的去除 (48)

4.1.1 BAF反应器的构建和操作条件 (48)

4.1.2 分析方法 (49)

4.1.3 结果与讨论 (49)

4.2 MBBR生物膜反应器对Mn2+的去除 (51)

4.2.1 MBBR反应器的构建和操作条件 (52)

4.2.2 分析方法 (53)

4.2.3 结果与讨论 (53)

4.3 结论 (55)

结论 (56)

1 结论 (56)

2 展望 (57)

3 创新点 (57)

参考文献 (58)

攻读硕士学位期间发表学术论文情况 (66)

致谢 (67)

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引言

重金属的挖掘与使用在现代工业中具有至关重要的作用，如采矿、冶金、制革、化学工业等行业，产生的大量含有重金属的废水，这些废水如果未经处理直接排放，将造成严重的环境污染。重金属的污染不仅会影响大气、环境水体、农作物和土壤的质量，还会直接或间接的危害人类和其他生物的健康。常用的重金属污染处理方法，主要包括吸附、膜过滤、化学沉淀、离子交换等，这些处理方法虽然操作简单，处理迅速，但成本高，并且容易产生二次污染。而微生物修复法，具有处理效率高、资金投入少且环境友好等优点。因而，利用微生物修复法处理重金属废水，现已成为重金属废水处理研究的一个热点。

锰氧化菌是一类在系统进化关系上无直接关联，但是均能将可溶的Mn2+氧化成不溶的高价锰氧化物的微生物的总称，其已被用于含铁、锰地下水的处理中。锰氧化菌在去除锰污染的同时，生成的锰氧化物还可以吸附/氧化其他污染物。与化学法合成的锰氧化物相比，微生物合成的锰氧化物的比表面积较大，如Pseudomonas putida产生的锰氧化物的比表面积为98 m2g-1，Leptothrix discophora SS-1产生的锰氧化物的比表面积为224 m2 g-1，而化学法合成的δ-MnO2的比表面积为58 m2 g-1。同时，生物锰氧化物还是一种强氧化剂，能够氧化低价金属离子，也可以将难降解的有机污染物氧化分解成较低分子量的有机物，低分子量的有机物可以供微生物利用，达到了去除污染物的目的。而在实际应用中，锰氧化菌通常与其他功能的微生物构成微生物群落，因此可以适应不同的环境条件，维持功能的相对稳定。

本论文强调微生物群落合成生物锰氧化物的应用价值，由于考虑到辽东湾近海区域的底泥长期受到重金属的污染，其中可能富集了大量的锰氧化菌，从中驯化得到高效的锰氧化微生物群落并研究其特性，对于后续的原位生态修复具有重要的意义。本论文主要从辽东湾近海受污染底泥中驯化得到高效的锰氧化群落，对群落结构进行解析、特性研究，并对群落产生的锰氧化物进行表征。发现Fe3+的加入，可以极大程度的促进群落对Mn2+的氧化，所以，又研究了锰氧化群落在加入Fe3+的情况下产生的锰氧化物，对其进行表征，研究锰氧化物对金属离子的吸附性能。实验结果发现锰氧化物对Pb2+的吸附能力最佳，因此，进一步研究了锰氧化物对重金属Pb2+的吸附机制、吸附动力学、吸附等温线、吸附热力学。最后在生物膜反应器中富集锰氧化菌，研究锰氧化菌及其产生的锰氧化物，在反应器中对Mn2+的去除效果，以及运行过程中pH、氧化还原电位、电导率的变化。本论文作用研究锰氧化群落的获得、群落的锰氧化性能的影响因素、生物锰氧化物的特性等内容，旨在实验室水平获得性能较为稳定的锰氧化微生物群落，为进一步处理重金属、降解有机污染物提供可能的解决办法。