以新型陶粒为填料的厌氧-好氧串联生物滤池在四环素废水处理中的应用研究

摘要

本研究将装填有新型轻质煤渣和污泥陶粒的升流式厌氧-好氧串联生物滤池系统(UAF-UBAF)用于四环素(TET)合成废水的处理。实验中对两种新型陶粒的各种性能进行了测试，探讨了陶粒在废水处理中的优越性。处理四环素废水过程中，分别测试了提高有机物浓度和四环素浓度以及冬季低温环境(＜16℃)对UAF-UBAF系统的影响。在最佳运行阶段，使用高通量技术对系统中微生物的种类，比例，多样性和功能性群落进行分析，深入研究了废水中不同物质的降解机理。最后添加铁碳微电解预处理，探究了装填新型铁碳陶粒的反应器在处理四环素废水时的最佳运行条件。
　　具体来说，经过测试，两种新型轻质陶粒的物理性质均符合国家标准，其具有粗糙的表面，较低的堆积和颗粒密度，较大的空隙率和较为稳定的晶体结构。新型陶粒的应用使UAF和UBAF的启动时间分别缩短至42天和10天。与传统的生物处理反应器相比较，串联UAF-UBAF系统在运行过程中表现出处理效率高，有机负荷高，抗冲击性强和四环素耐受能力强的优点，并且冬季的低温环境对反应器的运行基本没有影响。当进水COD和NH4-N分别为4000和200 mg/L时，进水TET为45 mg/L是UAF-UBAF系统运行的最佳条件。在此条件下，最终出水COD，NH4-N和TET的去除率能够分别达到97％，99％和89％。
　　为了更好地解释UAF-UBAF系统对四环素废水的良好去除效果，分析了系统内微生物种类，多样性及群落结构的变化规律。结果显示废水中不同废物的主要去除过程发生在反应器高度为0-80 cm的范围内。生物膜中EPS的含量随高度的增大而降低，在同一高度范围内，UAF生物膜中EPS的浓度要大于UBAF中EPS的浓度。根据系统中优势种群的分析结果，降解四环素的主要细菌是Comamonadaceae， Thauera和Sinobacteraceae。在UAF的下部主要发生厌氧水解阶段的生物化学反应，而UAF的上部主要发生厌氧乙酸化和甲烷化阶段的反应。UBAF中微生物的种类主要由厌氧类细菌向好氧类细菌转化。另外，随着四环素的一步步降解，系统中微生物的多样性逐渐增加。
　　为进一步增强UAF-UBAF系统处理四环素废水的能力，减少抗性细菌的产生，使用以粉煤灰和废铁屑为原料的新型烧结型(SFC)和免烧型(SFFC)铁碳陶粒对四环素废水进行微电解预处理。实验中对陶粒的物理性质等进行了测试并探究了pH，HRT和曝气强度对四环素降解效果的影响。结果显示烧结型和免烧型陶粒的各项性质均符合国家标准，适合应用于废水处理。SFC反应器的最佳运行条件为:pH为3，HRT为7h，A/O为10∶1;SFFC反应器的最佳运行条件为:pH为2，HRT为7h，A/O为15∶1。通常来看，SFC的处理效果要好于SFFC，但SFFC的抗板结性和周期循环性要好于SFC。经过微电解预处理后，两个反应器中四环素废水的可生化性均显著改善，进一步增强了UAF-UBAF处理四环素的能力。
　　本研究以污泥，煤渣等固体废物为原料制备了两种轻质陶粒，确定了新型UAF-UBAF系统处理四环素废水的最优条件，详细描述了四环素废水的降解机制，为四环素废水的处理提供了一种新材料和新方法，对污泥，煤渣等固体废物的资源化利用具有重要的理论意义。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 本研究的目的和意义

1．2 文献综述

1．2．1 四环素类废水的产生和处理技术的发展

1．2．2 污泥，煤渣等固体废物的处置

1．2．3 陶制填料的研究和发展

1．2．4 厌氧与好氧生物滤池

1．2．5 生物滤池中微生物分析技术的发展

1．3 本研究的主要内容和创新之处

第二章 实验材料和方法

2．1 新型陶制填料的表征

2．1．1 陶粒制备方法的改进

2．1．2 新型轻质陶粒的性能表征

2．2 UAF-UBAF系统的设计，启动和运行

2．2．1 UAF-UBAF系统的设计

2．2．2 四环素模拟废水的配置

2．2．3 UAF-UBAF系统的启动，连接和运行

2．3 水质测试指标及方法

第三章 两种新型轻质填料的性能测试及分析

3．1 新型轻质陶制填料的物理性质测试及分析

3．2 新型轻质陶制填料的微观结构测试及分析(SEM)

3．3 新型轻质陶制填料的孔径分布分析

3．4 新型轻质陶制填料的晶体成分测试及分析(XRD)

3．5 新型轻质陶制填料的有毒金属浸出实验及分析

3．6 本章小结

第四章 基于轻质陶粒的UAF-UBAF系统对四环素废水处理效果的研究

4．1 新型轻质填料对UAF及UBAF启动过程的影响

4．2 有机物浓度对UAF-UBAF系统污水处理效果的影响

4．2．1 进水COD时反应器处理效果的影响

4．2．2 进水NH4-N对反应器运行情况的影响

4．3 四环素浓度对UAF-UBAF系统污水处理效果的影响

4．3．1 四环素浓度升高对系统COD，NH4-N去除率的影响

4．3．2 四环素浓度升高对系统TN和TP去除率的影响

4．3．3 四环素浓度升高对系统中四环素去除效果的影响

4．4 本章小结

第五章 UAF-UBAF系统内微生物种群结构及多样性分析

5．1 微生物群落结构及多样性分析的重要性

5．2 试验仪器与方法

5．2．1 生物膜样品的采集和制备

5．2．2 EPS样品的处理与测定

5．2．3 扫描电镜样品的制备

5．2．4 生物膜样品DNA的提取和高通量测序

5．3 四环素废水中各个污染物的降解过程

5．3．1 UAF中COD，NH4-N，TP和TET随高度的变化

5．3．2 UBAF中COD，NH4-N，TP和TET随高度的变化

5．4 生物膜表面的微观形态学观察

5．5 生物膜样品的EPS分析

5．6 反应器中微生物的种群结构和功能性配置分析

5．6．1 高通量测序的原始数据分析

5．6．2 UAF和UBAF内微生物的多样性分析

5．6．3 微生物种群结构和功能性群落分析

5．7 本章小结

第六章 废水处理工艺的初步改进—铁碳陶粒微电解预处理

6．1 铁碳微电解预处理的意义

6．2 铁碳陶粒的改进

6．3 SFC和SFFC的性质比较

6．4 SFC和SFFC在四环素废水预处理中的应用

6．4．1 SFC和SFFC反应器的设计和运行

6．4．2 进水pH对SFC和SFFC处理四环素废水效果的影响

6．4．3 HRT对SFC和SFFC处理四环素废水效果的影响

6．4．4 曝气强度对SFC和SFFC处理四环素废水效果的影响

6．4．5 填科高度对SFC和SFFC处理四环素废水效果的影响

6．5 SFC和SFFC在四环素废水处理中的变化

6．6 微电解预处理后四环素废水可生化性的变化

6．7 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 建议与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文