新型陶粒基铁碳微电解-UAF-UBAF组合工艺处理环丙沙星废水研究

摘要

环丙沙星是近年来国内外广泛应用的一种广谱型抗菌新药，其生产过程中会有大量有毒有机废水产生。环丙沙星废水中含有抗生素成品及医药生产中间体等高浓度有机物，抑菌性强，难以直接生物降解，进入水体污染物危害大。因此，研发出高效的环丙沙星废水处理技术是十分迫切和必要的。本文旨在研究以新型铁碳陶粒为填料的铁碳微电解预处理系统和以轻质污泥陶粒为填料的厌氧-好氧生物滤池系统联合处理模拟环丙沙星废水的降解效果。通过开展一系列的试验研究，初步探明了该组合工艺应用于环丙沙星废水处理的可行性和优越性，确定了适宜的工艺条件，以期为实际工程的设计与应用提供理论依据和实践指导。
　　在陶粒基铁碳微电解预处理环丙沙星废水的研究中，主要考察了进水pH、气水比(A/L)和水力停留时间(HRT)对CODcr，TOC和CIP去除效果的影响。反应体系的最适进水pH为4，最佳气水比为15，最佳反应时间为3h。在最优反应条件下，对CODcr，TOC和CIP的去除率分别稳定在57％，73％和34％左右。经过铁碳微电解预处理后，废水中部分环丙沙星大分子被去除或结构遭到破坏，废水的可生化性有明显改善，其可生化性系数BOD5/COD的值由0.21增大到0.43，有利于后续生物处理的进行。
　　在优化的铁碳微电解系统的基础上，本研究建立了陶粒基铁碳微电解-曝气生物滤池(UBAF)组合工艺，采用UBAF系统对经过预处理的环丙沙星废水进行生化处理。探讨了该组合系统对模拟环丙沙星废水中CODcr、NH4-N、TP及CIP的去除情况。研究结果发现，该组合系统初步可以实现在低有机负荷、高环丙沙星负荷下，同步脱除碳、磷及环丙沙星的目的，当进水CODcr及CIP浓度分别为1000mg/L和50-70mg/L，该组合系统对CODcr、NH4-N、TP及CIP的去除率达到90％、95％、98％和97％左右。铁碳微电解预处理很大程度上促进了组合系统对TP和CIP的去除。
　　本论文进一步研究了环丙沙星对好氧微生物种群结构演替的影响，分析了铁碳微电解-UBAF组合系统对环丙沙星的降解机理。微生物种群高通量测序结果表明，长期培养环境下生物滤池内微生物群落的丰富性、均匀性和多样性随CIP添加量的增加而显著增大。根据对微生物种群的变化规律及细菌的功能分析，UBAF中对CIP起生物降解作用的微生物种类主要有:鞘脂单胞菌科、丛毛单胞菌科、罗尔斯通菌属、慢生根瘤菌属、黄单胞菌属、根瘤菌科、螺杆菌属，假单胞菌属和节细菌属等。通过液相色谱-质谱(LC-MS)联用技术在铁碳微电解出水中检测出了超过12种环丙沙星降解产物，经过单独UBAF处理之后检测到3种降解产物。根据产物的化学结构进一步推测出了4条环丙沙星可能的降解途径，在UBAF中仅观察到了降解途径a和b的发生。
　　为了对有机物和环丙沙星浓度均较高的环丙沙星废水进行处理，本研究进一步建立了新型陶粒基铁碳微电解-厌氧-好氧生物滤池(UAF-UBAF)组合系统，采用UAF-UBAF串联系统对经过预处理的废水进行深度生化处理，考察了进水有机负荷和CIP负荷对组合系统运行效果的影响。长期运行结果发现，该组合系统处理环丙沙星废水过程中表现出了有机负荷高，抗冲击负荷能力强，环丙沙星耐受能力及降解能力强等特点，在进水CODcr和CIP浓度分别达到3000mg/L和100mg/L条件下，该组合系统对废水中CODcr、NH4-N、TP和CIP的去除率分别可以达到98％、96％、90％和98％。
　　本研究对陶粒基铁碳微电解的强化方法进行了研究，主要探究了通过建立催化微电解体系和外加直流电源的强化效果。首先，以固体废物高炉除尘灰为主要原料制备出新型铁-镍催化微电解陶粒(Fe-Ni CCF)，并与传统铁碳微电解陶粒处理环丙沙星的效果进行比较。研究结果表明，Fe-Ni双金属催化微电解体系极大促进了对CIP的去除,当初始废水中CIP的浓度为100mg/L时，经过24h的降解Fe-Ni CCF对CIP的去除率几乎可以达到100％，大大高于传统铁碳微电解陶粒的去除率(75％)。该研究同时也证明了固体废物高炉除尘灰应用于制备铁碳微电解陶粒的可行性，为高炉除尘灰的资源化利用提供了一条新途径。其次，外加电压也很大程度上强化了陶粒基铁碳微电解对CIP的降解能力，相比于单独的铁碳微电解法，电解-微电解(E-ME)组合系统对CIP的去除率提高了约60％左右，并且在外加电压为15v、以铁棒作为阳极材料时，E-ME组合系统处理效果最佳。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 本研究的目的和意义

1．2 文献综述

1．2．1 环丙沙星废水的产生与处理技术研究现状

1．2．2 铁碳微电解法研究进展

1．2．3 厌氧及好氧生物滤池技术研究现状

1．3 课题研究内容及创新之处

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究的创新之处

1．3．3 研究技术路线

第二章 实验材料和方法

2．1 陶粒填料的制备

2．1．1 轻质污泥陶粒的制备

2．1．2 铁碳微电解陶粒的制备

2．2 铁碳微电解-UAF-UBAF系统的设计、启动和运行

2．2．1 铁碳微电解-UAF-UBAF系统的设计

2．2．2 模拟环丙沙星废水的配置

2．3 水质测试指标及方法

2．4 微生物种群高通量测序

2．4．1 生物膜样品的提取和制备

2．4．2 基质DNA的提取、PCR扩增及高通量测序

第三章 陶粒基铁碳微电解预处理环丙沙星废水研究

3．1 铁碳微电解最佳运行条件

3．1．1 进水pH

3．1．2 曝气强度

3．1．3 水力停留时间

3．1．4 最佳条件下处理效果研究

3．2 本章小结

第四章 陶粒基曝气生物滤池处理环丙沙星废水研究

4．1 陶粒基UBAF的启动与挂膜

4．2 环丙沙星负荷对UBAF系统处理效果的影响

4．3 UBAF系统内微生物种群结构及多样性变化分析

4．3．1 环丙沙星对微生物种群结构演替影响分析的重要性

4．3．2 CIP对生物膜中EPS组成影响分析

4．3．3 CIP对UBAF中微生物种群结构变化的影响

4．4 本章小结

第五章 陶粒基铁碳微电解-UBAF组合系统对环丙沙星废水的处理研究

5．1 铁碳微电解-UBAF组合系统对环丙沙星废水的处理效果

5．1．2 对TP和CIP的去除效果

5．2 铁碳微电解-UBAF组合系统降解CIP机理研究

5．2．1 降解产物测定

5．2．2 降解途径分析

5．3 本章小结

第六章 新型陶粒基铁碳微电解-UAF-UBAF组合工艺处理环丙沙星废水效果的研究

6．1 UAF-UBAF组合工艺处理环丙沙星废水

6．1．1 有机负荷对UAF-UBAF系统处理效果的影响

6．1．2 环丙沙星负荷对UAF-UBAF系统处理效果的影响

6．2 陶粒基铁碳微电解-UAF-UBAF串联组合工艺处理环丙沙星废水

6．3 本章小结

7．1 强化微电解技术研究

7．2 新型催化微电解陶粒的制备及应用

7．2．1 新型催化微电解陶粒的制备及表征

7．2．2 新型催化微电解陶粒处理环丙沙星效果研究

7．3 电解强化微电解

7．3．1 阳极材料对E-ME系统的影响

7．3．2 外加电压对E-CME系统的影响

7．4 本章小结

第八章 结论与展望

8．1 主要结论

8．2 展望与建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文