生物合成羟基硫酸铁矿物催化类Fenton反应改善精对苯二甲酸(PTA)化工污泥脱水性能研究

精对苯二甲酸(PTA)污泥有机质含量极高使得污泥脱水极其困难,泥饼含水率过高导致焚烧成本高昂,设法实现该污泥的深度脱水对后续处置十分重要.本研究选择生物合成羟基硫酸铁矿物作为类Fenton催化剂,考察其介导的催化类Fenton反应在改善PTA污泥脱水性能上的可行性,通过关键参数优化强化PTA污泥脱水性能并探究其机理,最后采用中试设备评估该方法的稳定性.结果表明,生物合成羟基硫酸铁矿物为施氏矿物和黄钾铁矾的混合物,化学式可表示为K_(0.01)Fe_(3)(SO_(4))_(0.39)(OH)_(8.23).羟基硫酸铁矿物介导的催化类Fenton反应可有效改善PTA污泥脱水性能,最佳反应条件为:污泥初始pH值4.0,H_(2)O_(2)浓度为4.5 g·L^(-1),矿物含量为4.0 g·L^(-1),反应时间为30 min.经改性后,PTA污泥比阻(SRF)从初始的57.84×10^(12)m·kg^(-1)下降至2.21×10^(12)m·kg^(-1),污泥中紧密粘附EPS(TB-EPS)浓度从385.1 mg·L^(-1)下降至232.7 mg·L^(-1),结合水含量从6.57 g·g^(-1)下降至3.19 g·g^(-1).连续22批次的中试结果表明,相比生物沥浸法,羟基硫酸铁矿物催化类Fenton氧化法不仅可以进一步提高PTA污泥处理能力,还可实现污泥高干度脱水.研究结果可为羟基硫酸铁矿物催化类Fenton氧化法在PTA污泥处理中的应用提供理论指导和技术支持.

酸性矿山废水中生物成因次生高铁矿物的形成及环境工程意义

酸性矿山废水(acid mine drainage,AMD)是一类pH低并含有大量有毒金属元素的废水。AMD及受其影响的环境中次生高铁矿物类型主要包括羟基硫酸高铁矿物(如黄铁矾和施威特曼石等)和一些含水氧化铁矿物(如针铁矿和水铁矿等),而且这些矿物在不同条件下会发生相转变,如施氏矿物向针铁矿或黄铁矾矿物相转化。基于酸性环境中生物成因次生矿物的形成会"自然钝化"或"清除"废水中铁和有毒金属这一现象所获得的启示,提出利用这些矿物作为环境吸附材料去除地下水中砷,不但吸附量大(如施氏矿物对As的吸附可高达120mg/g),而且可直接吸附As(III),还几乎不受地下水中其他元素影响。利用AMD环境中羟基硫酸高铁矿物形成的原理,可将其应用于AMD石灰中和主动处理系统中,构成"强化微生物氧化诱导成矿-石灰中和"的联合主动处理系统,以提高AMD处理效果和降低石灰用量。利用微生物强化氧化与次生矿物晶体不断生长的原理构筑生物渗透性反应墙(PRB)并和石灰石渗透沟渠耦联,形成新型的AMD联合被动处理系统,这将有助于大幅度增加处理系统的寿命和处理效率。此外,文中还探讨了上述生物成因矿物形成在AMD和地下水处理方面应用的优点以及今后需要继续研究的问题。

硅藻土、石英砂和钾离子促进微生物转化酸性矿山废水中亚铁成次生矿物的研究

嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)能够在低pH值条件下,迅速将Fe2+氧化并产生大量次生羟基硫酸铁沉淀,从而除去水中可溶性Fe2+。这为富含Fe2+的酸性矿山废水(acid mine drainage,AMD)处理提供了新的思路。本文从晶种刺激和阳离子诱导两个方面,分别研究了固定化载体(硅藻土、石英砂)和具有强诱导能力的成矾离子(K+)对微生物转化酸性体系中Fe2+成次生矿物的影响。结果表明,3种材料均有明显促进可溶性Fe2+向次生矿物转化的作用,且总铁(TFe)沉淀率与3种材料的添加量呈正相关关系。在起始Fe2+浓度为160mmol/L,硅藻土、石英砂和钾离子最大添加量分别为10 g、10 g和80 mmol/L时,经过72 h反应后,TFe沉淀率分别比对照增加了8%、24%和20%。矿物中的Fe、K和S元素含量与溶液中的起始K+浓度有非常密切的关系,随着K+浓度的增大,矿物中的K和S含量逐渐增加,而Fe含量则相应减少。

A.ferrooxidans次生矿物对水中Pb(Ⅱ)吸附性能的研究

通过Acidithiobacillus ferrooxidans(简称A.f菌)代谢制备次生高铁矿物,研究矿物用量、吸附时间和初始Pb2+浓度对吸附性能的影响,借助等温吸附技术探讨该矿物对Pb2+的吸附平衡特征。结果表明,在Pb2+初始浓度为15 mg/L、体积为50 m L、温度30℃、pH为3.0、吸附时间为60 min、矿物用量为10 g/L的条件下,次生矿物对Pb2+的静态吸附率达90.67%,符合Langmuir静态吸附模型,最大吸附量达2.02 mg/g,吸附平衡常数(KL)为9.27 L/mg。

嗜酸性氧化亚铁硫杆菌介导的次生铁矿物形成的影响因素分析

酸性矿山废水(AMD)具有酸度高并含有大量可溶性Fe、硫酸根及重(类)金属的特点,采用生物矿化法促使AMD中Fe向羟基硫酸铁次生矿物转变,对AMD后期石灰中和减少氢氧化铁和废石膏的产生,提高中和效率具有实际意义.本研究模拟AMD,考察了初始pH、Fe^(2+)浓度、Fe/Na摩尔比对嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)体系中Fe^(2+)氧化率、总Fe沉淀率、次生铁矿物矿相的影响.结果表明,高浓度Na^+会抑制A.ferrooxidans的氧化能力,当Na^+浓度在A.ferrooxidans耐受范围内时,其不影响Fe^(2+)氧化及总Fe沉淀去除效果,表现在160、80、20 mmol·L^(-1)的Fe^(2+)分别在72、48、48 h内被完全氧化,培养至终点时平均总Fe沉淀率分别为20.04%、16.43%、0.99%.此外,在Fe^(2+)浓度为160mmol·L^(-1)体系中,当Fe/Na摩尔比为1.0、2.0时,pH为2.0~2.6时获得次生铁矿物均为纯净施氏矿物.而当Fe/Na摩尔比降至0.5时,次生铁矿物的合成途径开始向黄钠铁矾转移,且其特征衍射峰随着Na^+浓度提高而愈加显著.本研究结果可为生物合成次生铁矿物工艺的优化及其在AMD治理领域的有效应用提供必要的参数支撑.