UASB工艺处理三氯乙烯废水研究及其运行参数优化

摘要

三氯乙烯(TCE)是工业上广泛应用的化工溶剂之一，是环境中普遍存在的一种有机污染物。然而TCE使用后的不恰当处理使其严重的污染了大气、土壤和水体，对环境和人体均造成了较大的危害，国外广泛的开展了含氯有机污染物在地下水中的治理研究。生物修复技术以其处理效率高、降解彻底、不造成二次污染等独特的优点，逐渐成为人们关注的地下水有机污染物处理新技术。升流式厌氧污泥床(UASB)反应器是一种目前发展最快的高处理效率的废水的厌氧处理的工艺。UASB反应器具有造价较低、占地较少、能耗较小，并且能够回收利用资源等优点，体现了3R(Reduce，Recycle，Reuse)的现代的环保思想。
　　 本研究将重点放在UASB反应器中厌氧颗粒污泥降解TCE的处理效能的影响因素和反应器运行参数的优化。研究TCE对厌氧颗粒污泥的产甲烷毒性影响以及颗粒污泥产甲烷活性恢复情况;研究连续运行条件下TCE在UASB反应器中生物降解TCE的处理效果;探讨反应器运行温度、进水pH值、水力停留时间(HRT)等运行参数对TCE在UASB反应器中降解效果的影响;并运用响应面(RSM)的中心组合设计(CCD)对UASB反应器的运行条件进行优化。所得的主要结论如下:
　　 产甲烷毒性试验表明:当TCE浓度为20mg/L和30mg/L时对厌氧颗粒污泥产甲烷活性有重度抑制。产甲烷活性恢复试验表明:当TCE浓度为5mg/、10mg/L和15mg/L时厌氧颗粒污泥产甲烷活性得到恢复，而浓度为20mg/L和30mg/L时厌氧颗粒污泥产甲烷活性并未得到恢复，TCE引起了产甲烷菌死亡。
　　 吸附试验表明:加入TCE的最初一段时间，颗粒污泥对TCE的吸附量较大，而且在加入TCE后约0.25h，颗粒污泥对TCE的吸附基本达到吸附平衡;随后发生了解吸现象，大约在1h时又达到了解吸平衡。污泥对TCE的吸附和解吸曲线均符合Freudlich等温方程，但吸附和解吸方程不完全一致，并且吸附量大于解吸量，说明部分的吸附是不可逆的。
　　 反应器运行过程中，结合吸附试验结果可知，在厌氧条件下TCE的去除只有一部分是由于厌氧颗粒污泥对TCE的吸附作用，其余的是通过生物降解去除的。这说明，吸附与生物去除是相互交织在一起的，但主要以生物降解为主。
　　 在T=30℃，进水pH值为7.0±0.1，进水碱度为（1780±20）mgCaCO3/L的条件下，HRT由25h缩短至5h时，COD去除率在HRT=25h时达到最大96.17％，而在HRT=5h达到最低去除率83.36％;TCE在HRT=25h达到最大降解率99.10％，而在HRT=5h时降解率最低83.99％; HRT的缩短会给系统带来一定的冲击作用，各项指标都有所下降，对TCE处理效能也有一定的影响，尤其是在HRT=5h的情况下更为严重。
　　 在HRT=15h，进水pH值为7.0±0.1，进水碱度为（1500±100）mgCaCO3/L时，温度由20℃升高至30℃时，厌氧颗粒污泥的活性逐渐增强。温度由30℃升高到35℃时，反应器内各项指标变化不明显。而温度在40℃时，厌氧颗粒污泥的活性受到抑制。COD去除率在35℃时达到最大91.80％，而在40℃时达到最低去除率78.22％; TCE在30℃达到最大降解率97.89％,而在40℃时降解率最低77.90％。结果表明，随着温度的升高反应器内能适应外部温度变化的厌氧微生物逐渐占据优势，提高了反应器运行处理TCE的效能。但当温度过高时，TCE的降解率下降，说明降解TCE的微生物活性下降，使反应器处理TCE的效能下降。
　　 在T=30℃，HRT=15h，进水pH值由6.0上升至7.5时，厌氧颗粒污泥的活性逐渐增强。COD在进水pH值为7.5时达到最大去除率90.76％，而在进水pH值为8.0时达到最低去除率85.13％; TCE在进水pH值7.0达到最大降解率96.76％，而在进水pH值为6.0时降解率最低79.33％。进水pH值在7.0-7.5时，TCE的降解速率较快，并且反应器内各项指标均达到较好的水平，并且进永pH值小于7.0时TCE降解率明显小于进水pH值大于7.0时TCE的降解速率，说明偏酸环境对TCE降解的影响更大。
　　 UASB反应器运行条件优化试验，采用响应面法(RSM)中中心组合设计(CCD)对HRT、温度和进水pH值进行优化。通过模型预测的最适宜的UASB反应器运行条件为HRT为19.44h，温度为31.07℃，进水pH为7.13时，预测COD和TCE去除率达到87.04％和96.52％。以模型预测得到的最佳条件进行验证试验，实际操作中UASB反应器运行条件为HRT为20h，温度为32℃，进水pH为7.2，实际COD和TCE的平均去除率为86.87％和97.14％。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 三氯乙烯的应用现状与危害

1．1．1 三氯乙烯的性质

1．1．2 三氯乙烯污染现状

1．1．3 环境危害

1．2 TCE污染治理方法研究进展

1．2．1 物理修复方法

1．2．2 化学修复方法

1．2．3 生物修复法

1．2．4 植物修复法

1．3 TCE的生物降解

1．3．1 好氧生物降解

1．3．2 厌氧生物降解

1．4 UASB反应器处理TCE的研究进展

1．5 研究的目的与意义

1．6 研究内容与技术路线

1．7 课题来源

1．8 创新点

2 材料与方法

2．1 试验材料与仪器

2．1．1 药品与试剂

2．1．2 仪器与设备

2．2 试验装置

2．3 试验用水和试验污泥

2．4 分析项目和分析方法

2．5 产甲烷毒性试验

2．6 吸附和降解试验

2．7 UASB反应器的启动

2．8 不同运行参数对TCE在UASB反应器中降解效果的影响

2．9 响应面法(RSM)优化UASB反应器运行条件

2．10 厌氧颗粒污泥性质测定

3 结果与分析

3．1 产甲烷毒性与产甲烷活性恢复试验

3．1．1 产甲烷毒性试验

3．1．2 产甲烷活性恢复试验

3．2 厌氧颗粒污泥吸附和降解试验

3．2．1 厌氧颗粒污泥吸附试验

3．2．2 厌氧颗粒污泥对TCE的吸附和解吸模式的验证

3．2．3 厌氧颗粒污泥降解试验

3．3 UASB反应器启动结果

3．4 不同运行参数对TCE在UASB反应器中降解效果的影响

3．4．1 水力停留时间(HRT)对TCE在UASB反应器中降解效果影响

3．4．2 温度对TCE在UASB反应器中降解效果的影响

3．4．3 进水pH值对TCE在UASB反应器中降解效果的影响

3．5 响应面法(RSM)优化UASB运行条件

3．5．1 中心组合设计试验结果与分析

3．5．2 模型验证

4 结论与展望

4．1 结论

4．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文