磁性填料在含酚废水好氧生物处理中应用及酪氨酸酶磁效应研究

摘要

填料是废水生物接触氧化处理工艺的核心部分。现行的水处理普通塑料生物填料(PPE)，用于废水、尤其是含酚毒性有机废水的生物处理时，存在微生物挂膜启动速度慢、挂膜量不足及氧传质效率低等方面缺陷，导致生物降解速率低下。基于磁效应在强化废水生物处理中所发挥的作用，本研究旨在对PPE进行磁化改性以及生物亲和、亲水改性，制备一种具有生物亲和、亲水性能的新型磁性生物填料(MPPE)，将其用于含酚废水好氧生物处理中。同时结合酶磁效应研究，为磁场有效地应用于含酚废水的强化生物处理提供理论依据。 采用共混法制备新型磁性生物填料，选择了适宜的添加剂如亲水性、生物亲和性及磁性物质等，确定了改性生物填料注塑成形工艺，完成了MPPE的制备。通过扫描电镜、能谱和红外光谱分析，考察了MPPE表面和内部结构、添加物分散情况。检测了填料的物理机械性能，证实MPPE密度及强度性能与PPE变化不大，能满足水处理用填料性能的基本要求。 研究了MPPE和PPE在清水中氧传递性能。根据填料反应器特征，采用全混式反应器氧传质模型，通过寻优求出连续曝气供氧时MPPE和PPE在清水中氧的液相总传递系数kLa，在相同流量下，前者的kLa均高于后者。MPPE提高了填料的氧传递能力。 填料的润湿性能试验表明MPPE接触角比PPE降低了22％，含水率提高50％，改性填料亲水性能显著增强。两种填料挂膜对比试验中，MPPE挂膜时间从PPE的11d缩短为9d，生物膜量、膜厚及废水中的CODcr去除率均有增加。MPPE加速了微生物在填料表面的附着生长及生物膜的形成，促进了微生物新陈代谢和有机物转化过程，较大程度改善了填料的生物亲和性能。 含酚废水降解试验表明，MPPE对含苯酚和含2，4-二氯酚模拟废水降解速度比PPE有不同程度的提高，能够承受更高的初始酚浓度，对低浓度的含酚废水改善效果明显。MPPE反应器处理浓度范围50～200mGL的含苯酚废水，20～60mg/L的含2，4-二氯酚废水，在20h内可使酚去除率达80％以上，比：PPE有较大提高。处理100mg/L浓度的含苯酚废水，MPPE反应器的最佳水力停留时间比PPE的4h缩短了1h。但对大于200mg/L的含苯酚废水和60mg/L的含2，4-二氯酚废水，改善效果欠佳。根据本反应器特点，建立了有机质传质动力学模型，并求取了50～200mg/L浓度范围的含苯酚废水降解过程动力学参数，MPPE反应器的反应速率常数k大于PPE反应器。模型关联结果与实验吻合良好。进一步研究磁粉协同MPPE反应器对含苯酚废水的强化处理。考察了磁粉对微生物生长过程的影响，确定促进微生物生长适宜的磁粉投加量。磁粉协同MPPE体系与MPPE反应器对浓度100～400mg/L的含苯酚废水降解对比试验中，前者可大大缩短挂膜时间，缩短最佳水力停留时间，加速降解过程进行，此浓度范围内均能取得较好的降解效果。结果证实磁粉配合磁性填料的合理运用是强化处理含酚废水的有效途径。 最后，研究了一种高效酚降解酶一酪氨酸酶(tyrosinase)的磁效应，主要内容包括磁场对游离酪氨酸酶和固定化酪氨酸酶催化性能的影响。在游离酪氨酸酶磁效应研究中，酶经磁感应强度在10～350mT范围的恒磁场处理一定时间，其催化活性均有不同程度上升；酶磁化后对温度的稳定性增强，对pH值的适应范围加宽；磁化使酶的荧光光谱增强，结构发生了变化；以酶催化反应动力学为基础，建立了磁场激活酶动力学方程，磁化使酶的Michaelis常数Km上升，最大反应速率Vmax增大；酪氨酸酶对含邻苯二酚、苯酚、2，4一二氯酚废水的催化降解反应速度依次下降，而磁化酶能加快其反应速度。固定化酪氨酸酶经不同磁场作用后其催化性能也会发生变化，IT(固定化酶，无磁粉)、MIT(固定化磁性酶，包埋磁粉的固定化酶)、M-MIT(经恒磁场作用后的固定化磁性酶)的Michaelis常数Km依次下降，磁化提高了固定化酶的最适温度和对pH值及温度的稳定性，IT、MIT和M-MIT对酚类物质的催化反应速度依次递增。结果表明磁效应可提高酪氨酸酶催化酚类化合物降解速度。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1含酚废水的污染特性及处理现状

1.1.1含酚废水的污染特性

1.1.2含酚废水的处理现状及酚类化合物的生物降解机制

1.2生物接触氧化工艺

1.2.1生物膜净化机理

1.2.2生物填料

1.3生物填料的国内外研究进展

1.3.1常见的生物填料

1.3.2新型生物填料

1.4微生物磁效应在废水强化生物处理中的应用

1.4.1微生物磁效应

1.4.2微生物磁效应在废水强化生物处理中的应用

1.5本文的研究背景和意义

1.6本论文的主要工作

1.7本论文的特色与创新

第二章新型磁性生物填料的制备

2.1填料改性方法

2.2磁性填料配方组分的选择

2.2.1磁性填料基体

2.2.2填料生物亲和、亲水物质选择

2.2.3磁粉选择

2.3.4化学助剂选择

2.3填料制作

2.3.1实验材料和仪器

2.3.2填料共混注塑成形方法

2.4结果与讨论

2.4.1填料扫描电镜与红外光谱

2.4.2磁性填料的能谱(EDAX)

2.4.3填料部分物理特性

2.5本章小结

第三章磁性填料生物反应器中氧传递研究

3.1好氧生物处理的氧传递过程

3.2氧传递的理论模型分析

3.3氧传递实验

3.3.1材料、试剂和仪器

3.3.2实验装置及运行方式

3.3.3实验方法

3.4结果与讨论

3.4.1填料在清水中的氧传递与氧传递系数的计算

3.5本章小结

第四章磁性填料的生物亲和、亲水性能以及在含酚废水好氧生物处理中的应用

4.1生物填料表面亲水性能研究

4.1.1材料、试剂与仪器

4.1.2实验方法

4.1.3结果与讨论

4.2填料生物亲和性能的研究

4.2.1材料和仪器

4.2.2实验装置与运行方式

4.2.3实验方法

4.2.4结果与讨论

4.3磁性填料在含酚废水好氧生物处理中的应用

4.3.1材料、试剂与仪器

4.3.2实验装置与运行方式

4.3.3降解实验方法

4.3.4结果与讨论

4.4含苯酚废水降解过程动力学

4.4.1动力学模型分析

4.4.2降解动力学模型建立及相关参数确定

4.5本章小节

第五章磁粉协同磁性填料在含酚废水好氧生物处理中的应用

5.1磁粉对微生物生长的影响

5.1.1微生物生长曲线

5.1.2实验材料、仪器与方法

5.1.3结果与讨论

5.2磁粉协同磁性填料在含苯酚废水生物处理中的应用

5.2.1材料、试剂与和仪器

5.2.2实验装置与运行方式

5.2.3实验方法

5.2.4结果与讨论

5.3本章小结

第六章酪氨酸酶磁效应的研究

6.1酪氨酸酶的结构及其催化酚类化合物的性能

6.1.1酪氨酸酶的结构

6.1.2酪氨酸酶对酚类化合物的催化性能

6.2恒弱磁场对游离酪氨酸酶催化性能的影响

6.2.1材料、试剂与仪器

6.2.2实验方法

6.2.3结果与讨论

6.3固定化磁性酪氨酸酶催化性能的研究

6.3.1试剂与仪器

6.3.2实验方法

6.3.3结果与讨论

6.4本章小结

结论与展望

结论

本研究不足与展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

附录

致谢