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针对目前国内外含铀废水的处理现状,采用植物/微生物(榕树叶/活性污泥)协同体系吸附处理含铀废水,旨在探索一条处理效率高、成本低、效果优、能力强、选择性好、投资少、运行费用低、吸附剂来源广泛丰富、环境友好的生物吸附法处理含铀废水的新途径,为工业处理含铀废水提供参考依据和为将生物吸附技术推广到实际应用中打下基础。本文以实验室研究为主,通过研究,得出主要的研究结论如下:
第一,通过静态吸附实验考察了溶液pH值、温度、铀的初始质量浓度、榕树叶粒径、榕树叶投加量及其共存离子等因素对榕树叶吸附处理含铀废水的影响,研究了其吸附过程的热力学、动力学及吸附平衡模式,探讨了榕树叶吸附铀的吸附反应机理。结果表明,(1)影响榕树叶吸附铀效果的因素有含铀废水的pH值、溶液温度、铀的初始质量浓度、榕树叶的粒径、榕树叶的投加量、及溶液中共存的阴、阳离子等。在温度为20℃、榕树叶的粒径为100~120目、榕树叶的投加量为5 g/L、振荡频率为160 r/min的条件下,榕树叶对初始质量浓度为100 mg/L、pH值为3的无其它阴、阳离子存在的铀溶液吸附60 min,其去除率达到73.6%,吸附量为14.72 mgU/g干榕树叶,溶液中阳离子Fe3+、Fe2+、A13+、pb2+、Cu2+、Zn2+、Cr3+及阴离子CO32-、SiO32-及PO43-等对榕树叶吸附铀影响较大。(2)吸附动力学过程可用准二级吸附速率方程来描述,计算值与实测值吻合良好,相关系数达到0.9998。吸附平衡更适合Freundlich等温线方程,相关系数达到0.99以上;热力学数据表明榕树叶吸附铀是自发的、吸热的吸附反应。(3)榕树叶对铀的吸附使细胞的表面形态发生了改变,在榕树叶吸附铀的过程中,UO22+主要与细胞表面-OH、C=O、P-O及Si=O等基团螯合,形成配合物,因此榕树叶吸附铀的机理表现为表面络合吸附机理。
第二,通过静态吸附实验考察了溶液pH值、温度、铀的初始质量浓度及活性污泥投加量等因素对活性污泥吸附处理含铀废水的影响,研究了其吸附过程的热力学、动力学及吸附平衡模式,探讨了活性污泥吸附铀的吸附反应机理。结果表明,(1)活性污泥吸附低浓度铀的最佳条件为:pH值范围为3~4,活性污泥投加量8g/L,温度为10~60℃。(2)活性污泥吸附铀的动力学过程,可分为3个阶段,初始阶段(t≤30 min)、过渡阶段(30 min<t≤40min)和一级吸附过程阶段,各阶段相对应的吸附动力学方程分别为:lnCt=-4×10-5t2-8×10-4 t-4.588;lnCt=-0.0556 lnt-4.716;lnCt=-4.333×10-4 t+4.531。(3)活性污泥吸附铀的等温线与Freundlich等温式拟合较好,属多层覆盖吸附;饱和吸附量随温度升高而上升,吸附传质速率由孔隙扩散阶段和内表面吸附共同控制。(4)活性污泥表面的活性功能团对铀酰离子的络合作用是吸附的主要机理,UO22+主要与细胞表面-OH、C=O、P-O及-NH2等活性官能团螯合,形成配合物。
第三,采用榕树叶和活性污泥协同曝气处理含铀废水,研究了它们的协同效应及协同吸附过程的热力学、动力学特性,讨论了协同吸附反应过程的吸附类型。结果表明,(1)采用榕树叶-活性污泥为吸附剂,对含铀废水中的铀进行协同曝气吸附去除,它们的协同效应大大提高了铀的去除率,对初始质量浓度为100 mg/L的铀溶液,吸附去除1 h,其去除率为99.6%,相当于单纯活性污泥吸附时的10.48倍,是单纯榕树叶吸附时的1.35倍,比活性污泥和榕树叶的简单加和去除率平均值提高约16.5%;(2)榕树叶-活性污泥协同吸附铀是一个动态过程,吸附过程由快速阶段和慢速阶段二个阶段组成,表面吸附是动力学控制步骤;准二级反应动力学模型比准一级反应动力学模型更适合描述榕树叶-活性污泥对铀的吸附动力学。(3)吸附平衡符合Langmuir和Freundlieh等温吸附方程,相关系数都在0.98以上,体现了单层吸附与多层覆盖相结合的吸附模式。(4)热力学研究表明该体系吸附铀是自发的、吸热的化学吸附过程,升温有利于反应的进行,但温度对吸附影响不明显。
第四,在前面小试试验的基础上,联合进行了动态中试试验研究,考察了榕树叶—活性污泥在处理实际铀矿废水过程中各相关影响因素,得出了各因素在最佳工况范围内各主要参数的经济取值为:pH为3~4,温度为室温,最高进水铀初始质量浓度为100mg/L,榕树叶-活性污泥投加量3 L/h,反应时间1 h;并推导出了榕树叶-活性污泥协同处理实际铀矿废水的经验水质模型为:η=31.257·(pH)0.213(T)0.124(C0)-0.080(q)0.112(t).195(相关系数为R2=0.874),该模型描述了各因素间相互制约、相互影响、相互转化的平衡关系,为该工业技术的设备化、自动化和进一步研究提供了一定的依据。