亲电型与氧化还原介体型悬浮生物载体的制备及其在污水处理中的应用研究

摘要

近年来，基于悬浮载体的污水生物处理技术在现有污水处理厂的提标改造工程以及新建污水处理厂等方面受到了广泛的重视。商用悬浮生物载体普遍由高分子材料（聚乙烯或聚丙烯等）制备而成。它们在使用过程中仍存在一些问题，例如表面呈负电性、疏水性，导致其生物亲和性差、挂膜困难、生物量低，污水处理效率低等。同时，该悬浮载体通常是作为生物膜生长的支撑介质，缺乏功能性的设计，基于该悬浮载体的污水处理工艺对难降解有机物的去除效率低。针对这些问题，本论文通过对悬浮生物载体进行亲电改性和氧化还原介体改性，制备出具有生物亲和性好、挂膜速率快、生物量大以及污水处理效率高的新型悬浮生物载体，并通过小试，现场中试以及工程化应用形成基于新型悬浮生物载体的高效污水生物处理技术。主要研究内容和结论如下:
　　(1)由于水中微生物表面通常带负电荷，向高密度聚乙烯悬浮载体中混入正电材料，对其进行亲电改性，以提高载体的生物亲和性。实验结果表明，分别利用带正电的聚季铵盐-10和阳离子聚丙烯酰胺对高密度聚乙烯载体进行亲电改性后，其表面的亲电性显著提高。聚季铵盐-10和阳离子聚丙烯酰胺改性载体表面的Zeta电位由改性前的-45.7～-30.7 mV分别提高到5.7～19.6 mV和2.1～13.7 mV。亲电改性后载体亲水性也得到改善，两种亲电改性载体的接触角由改性前的94°均降低到约60°。而在亲水性相近的情况下，带有更多正电荷的聚季铵盐-10改性载体表现出更优异的挂膜速度、功能菌群丰度和脱氮性能。其表面微生物生长速度是未改性载体的2.4倍，附着生物量提高近20％。聚季铵盐-10改性载体表面生物膜中硝化菌与反硝化菌的相对丰度分别提高25％和11％，增强了反应器硝化与反硝化性能，其对NH4+-N及TN的去除率较添加未改性载体的反应器分别提高41％和23％。同时，聚季铵盐-10改性载体的机械强度亦得到较大幅度的改善，其拉伸强度和抗冲击强度分别提高20％和10％以上。
　　(2)废水中的难降解有机物由于受到微生物电子传递作用的限制而导致降解速率慢。氧化还原介体作为电子载体，通过促进微生物的胞外电子传递作用，提高对难降解有机物的生物降解效率。本研究将羰基化石墨烯氧化物作为非溶性氧化还原介体，对高密度聚乙烯悬浮生物载体进行共混改性。实验结果表明，羰基化石墨烯氧化物改性悬浮生物载体可显著提高难降解有机污染物的生物降解效率。当进水污染物浓度增加到800 mg/L，添加羰基化石墨烯氧化物改性生物载体的反应器对苯酚和甲基橙难降解污染物的厌氧去除率分别为88％和97％，比活性污泥反应器的去除率分别提高32％（苯酚）和43％（甲基橙），比添加未改性载体反应器的去除率则分别提高22％（苯酚）和29％（甲基橙）。高通量分析结果进一步表明，羰基化石墨烯氧化物改性悬浮生物载体表面生物膜中，更高的微生物多样性及功能性菌群丰度（提高近15％）提高了污水生物处理系统的抗冲击负荷能力以及对污水中难降解有机物的降解能力。
　　(3)针对某颜料生产废水处理厂原活性污泥工艺出水化学需氧量(chemical oxygendemand，COD)和氮的浓度不能够满足排入城镇污水处理厂收集管网的间接排放要求的问题，将基于亲电型悬浮生物载体的生物膜与活性污泥复合工艺(Integrated floating fixed-film and activated sludge，IFFAS)应用于颜料生产废水的处理，考察了该复合工艺在现场中试及工程化应用中的COD与氮的去除性能。中试实验结果表明，基于亲电型悬浮生物载体的IFFAS工艺能够显著提高COD、NH4+-N和TN的去除性能，其去除率分别高达95％、91％和85％，较原活性污泥工艺对COD、NH4+-N和TN的去除率则分别提高了9～10％、22～36％和18～20％，并且出水水质均稳定达到排放要求。与原活性污泥工艺的悬浮相污泥中微生物相比，IFFAS工艺中悬浮生物载体表面生物膜中硝化菌与反硝化菌的相对丰度分别增加近14％和11％。在中试实验基础上，对原活性污泥工艺进行升级改造后，当进水COD、NH4+-N及TN浓度为1744～3456mg/L、48.7～95.0 mg/L和100.2～208.8 mg/L时，基于亲电型悬浮载体的IFFAS工艺的出水COD、NH4+-N及TN浓度分别为91～291mg/L、10.6～28.7 mg/L和18.9～48.6 mg/L，均能够满足《辽宁省污水综合排放标准》(DB21/1627-2008)中规定的排入城镇污水处理厂收集管网前的间接排放标准(COD＜300 mg/L、NH4+-N＜30 mg/L和TN＜50 mg/L)。
　　(4)将基于亲电型悬浮生物载体的IFFAS工艺应用于某工业园区污水处理厂的污水处理，并与该厂原活性污泥工艺进行了对比研究，考察了基于亲电型悬浮生物载体的IFFAS工艺在现场中试及工程化应用中的COD与氮的去除性能。中试结果表明，亲电改性生物载体比传统生物载体的挂膜时间缩短约10天。相比于原活性污泥工艺，中试IFFAS工艺对COD、NH4+-N和TN的平均去除率分别提高11％、67％和51％，且满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A排放标准(COD＜50 mg/L、NH4+-N＜5 mg/L、TN＜15 mg/L)。荧光原位杂交结果表明，载体表面硝化菌(56％)和反硝化菌(24％)的含量均高于原活性污泥工艺中的悬浮相污泥（硝化菌与反硝化菌含量分别为13％和5％）。升级改造后，基于亲电型悬浮生物载体的IFFAS工艺的水力停留时间较原活性污泥工艺(33小时)缩短了1/3，当进水COD、NH4+-N及TN浓度为182～720mg/L、14.9～62.1 mg/L和35.8～56.9 mg/L时，IFFAS工艺出水COD、NH4+-N及TN浓度分别为30～48mg/L、0.2～2.1 mg/L和8.7～14.8 mg/L，均达到一级A排放要求。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要缩写表

主要符号表

1绪论

1．1背景

1．2污水生物处理技术概述

1．2．1活性污泥法

1．2．2生物膜法

1．2．3活性污泥法与生物膜法的特点

1．2．4生物膜与活性污泥复合工艺

1．3基于悬浮生物载体的生物处理工艺

1．3．1移动床生物膜反应器

1．3．2生物膜与活性污泥复合工艺

1．4生物载体

1．4．1生物载体的作用

1．4．2生物载体的发展历程

1．4．3悬浮生物载体的技术要求

1．4．4聚乙烯／聚丙烯基悬浮生物载体表面改性方面的研究进展

1．5本论文的研究目的、意义、内容及技术路线

1．5．1研究目的和意义

1．5．2研究内容及技术路线

2亲电型悬浮生物载体的制备及其在污水处理中的性能研究

2．1 引言

2．2实验部分

2．2．1生物载体亲电改性方法

2．2．2熔体流动速率测定

2．2．3力学性能测试

2．2．4实验装置及运行情况

2．2．5水质分析方法

2．2．6载体表面生物膜量的分析方法

2．2．7胞外聚合物分析方法

2．2．8载体表面生物膜群落结构分析方法

2．3结果与讨论

2．3．1 亲电改性载体的表面物理化学表征

2．3．2亲电改性载体表面生物膜生长情况

2．3．3亲电改性载体对生物膜中胞外聚合物的影响

2．3．4亲电改性载体对污染物去除性能的影响

2．3．5亲电改性载体对生物膜中菌群结构的影响

2．4小结

3 氧化还原介体型悬浮生物载体的制备及其强化难降解废水的处理性能

3．1 引言

3．2实验部分

3．2．1 羰基化石墨烯氧化物改性生物载体的制备方法

3．2．2生物炭改性生物载体的制备方法

3．2．3实验装置及运行情况

3．2．4水质分析方法

3．2．5载体表面生物膜中微生物群落结构分析方法

3．3结果与讨论

3．3．1羰基化石墨烯氧化物改性生物载体的表面物理化学表征

3．3．2羰基化石墨烯氧化物改性生物载体对苯酚废水降解性能的影响

3．3．3羰基化石墨烯氧化物改性载体对甲基橙废水降解性能的影响

3．3．4微生物群落结构

3．3．5生物炭改性生物载体对苯酚废水降解性能的影响

3．4小结

4 基于亲电型悬浮生物载体的IFFAS工艺在颜料生产废水处理中的应用研究

4．1 引言

4．2实验部分

4．2．1 中试实验装置及运行策略

4．2．2水质分析方法

4．2．3载体表面生物膜量分析方法

4．2．4分子生物学分析项目

4．2．5 同步硝化-反硝化作用对TN去除影响的计算

4．3结果与讨论

4．3．1 中试IFFAS工艺中HRT对COD及氮的去除效率的影响

4．3．2中试期间的微生物群落结构分析结果

4．3．3基于亲电型悬浮载体的IFFAS工艺在升级改造后的运行情况

4．4小结

5 基于亲电型悬浮生物载体的IFFAS工艺在工业园区废水处理中的应用研究

5．1 引言

5．2实验部分

5．2．1 实验装置

5．2．2中试运行策略

5．2．3水质分析方法

5．2．4载体表面生物膜量分析方法

5．2．5荧光原位杂交(FISH)

5．3结果与讨论

5．3．1 中试IFFAS工艺中亲电改性载体表面生物膜生长情况

5．3．2中试IFFAS工艺中载体表面生物膜上功能微生物的分布

5．3．3中试IFFAS工艺对COD及氮的去除效果

5．3．4基于亲电型悬浮载体的IFFAS工艺在升级改造后的运行情况

5．4小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2创新点

6．3 展望

参考文献

附件

作者简介

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢