铁盐、钢渣辅助深海微生物除磷效能与机理

摘要

随着城市及工业化的不断发展，水体富营养化越来越严重，而磷是引起富营养化的最重要因素。随着对磷排放控制要求不断加强，废水中磷去除率亟待提高。磷在高盐含磷废水中的去除更是一大难题。
　　本论文从深海底泥中分离筛选得到一株高效除磷菌，经鉴定为交替单胞菌属，命名为:Alteromonas522-1。该菌株在较高盐度(NaCl盐度3％左右)和较宽磷浓度(5～80 mg/L)范围内生长良好。当磷浓度低于20 mg/L时，该菌株生长除磷可使出水磷浓度低于0.5 mg/L，但在较高磷浓度时，生物除磷受到限制。本论文利用铁、铁硅和钢渣与生物结合（简称为结合除磷）处理较高磷浓度的高盐合成废水，以提供高盐较宽磷浓度范围的高效除磷技术并研究其机理。
　　在铁结合除磷研究中发现，在初始磷浓度25 mg/L的高盐含磷合成废水中，当摩尔比Fe(Ⅲ)/P=1∶1时，铁强化生物除磷最大效率达98.5％，处理后水pH中性且稳定。而单独铁盐除磷当摩尔比Fe(Ⅲ)/P=2∶1～3∶1时，除磷率仅90％，出水pH由于铁的水解降至5.5以下。废水初始pH在6～9范围内，铁强化生物除磷去除率均在95％以上。准一级动力学模型能够很好地模拟生物除磷过程;准二级动力学模型能够很好地模拟铁强化生物除磷。铁强化微生物除磷机理包括:(1)细菌生长除磷以及胞外聚合物对磷的吸附;(2)在混合液中形成羟基磷酸铁络合物;(3)在细菌表面形成了由细菌诱导的铁磷微沉淀。
　　在铁硅结合除磷研究中发现，在磷浓度为30 mg/L的高盐含磷合成废水中，当摩尔比Fe(Ⅲ)/Si/P=1∶1.5∶1时，磷去除率最优达97.8％;而铁强化除磷在摩尔比Fe(Ⅲ)/P=1∶1时，磷去除率达96.5％。相同投加量下铁单独除磷去除率仅为52.6％，铁硅除磷效率为64％。通过SEM-EDS发现，铁和铁硅强化生物除磷中，除了化学除磷和生物除磷作用外，细菌诱导的磷沉淀也是除磷的主要过程。与铁强化除磷相比，硅的加入通过在细菌周围形成更多铁磷絮体而加强除磷，且硅使磷更紧密地结合在矿物或细菌表面上，避免了磷释放现象。
　　在钢渣结合除磷研究中发现，在初始磷浓度为30 mg/L高盐含磷合成废水中，钢渣结合除磷中磷去除率可达97.3％，与生物除磷和钢渣除磷相比分别提高21.8％八和15.4％。钢渣辅助除磷在pH4～9、磷浓度低于40 mg/L和盐度0.5～3.5％范围内都具有稳定的除磷效果。利用扫描电镜和原子力显微镜观察可以发现，钢渣辅助除磷中细菌表面形成了结晶体和有机金属磷沉淀等。X射线衍射分析此结晶体为Ca2Mg(PO4)2·2H2O和SiO2;红外光谱分析发现细菌表面官能团结合P通过形成P-O-C键除磷。本研究中钢渣除磷后出水pH在9.5以上，明显不满足出水排放标准，而辅助除磷中在微生物的缓冲作用下出水pH在7.8～8之间。在培养过程中，微生物对钢渣的包围作用可缓解钢渣的板结，同时辅助除磷中Ca2+的增加可以提高污泥的沉降性。通过计算发现，与生物除磷相比，辅助除磷减少了单位磷去除所产生的污泥量。
　　通过对三种结合除磷方法比较发现，三者不同程度地提高除磷效率，但除磷机理不同。结合除磷中除了生物除磷和化学除磷作用外，铁和铁硅结合的除磷中主要是通过在细菌周围形成含磷絮体加强除磷，而钢渣结合除磷中主要是通过在细菌周围形成结晶体和有机金属磷沉淀加强除磷。总之，在结合除磷中细菌具有一定诱导金属磷酸盐沉淀形成的作用。结合除磷可取长补短达到高效除磷的目的，在高盐含磷废水中磷的去除方面具有很大的应用前景。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 概论

1．2 除磷方法研究进展

1．2．1 铁盐除磷

1．2．2 生物法除磷

1．2．3 钢渣除磷

1．2．4 化学辅助生物除磷

1．3 海洋微生物资源应用

1．4 研究目的、意义及研究内容

1．4．1 研究目的和意义

1．4．2 研究内容

第二章 材料与方法

2．1 实验试剂

2．2 实验仪器

2．3 钢渣

2．4 培养基和合成废水

2．5 菌株筛选和鉴定

2．6 铁强化生物除磷

2．7 铁、铁硅强化生物除磷

2．8 钢渣辅助生物除磷影响因素实验

2．9 表征实验

2．9．1 扫描电镜和电子能谱分析

2．9．2 原子力显微镜

2．9．3 X-射线衍射分析和傅里叶红外光谱分析

2．10 分析方法

第三章 菌株的筛选及鉴定

3．1 菌株的筛选

3．2 菌株的鉴定

3．3 细菌生长及除磷特点

3．4 不同碳源对生物除磷的影响

3．5 本章小结

第四章 铁强化生物除磷

4．1 铁磷摩尔比的影响

4．2 初始pH的影响

4．3 铁强化生物除磷和生物除磷动力学

4．4 本章小结

第五章 铁、铁硅强化生物除磷

5．1 硅含量对除磷的影响

5．2 铁含量对除磷的影响

5．3 磷去除率、pH和Zeta电位随时间变化

5．4 细菌表面扫描电镜观察和电子能谱分析

5．5 本章小结

第六章 钢渣辅助生物除磷

6．1 影响磷去除的因素

6．1．1 钢渣尺寸

6．1．2 钢渣投加量

6．1．3 初始pH

6．1．4 初始磷浓度

6．1．5 盐度

6．1．6 温度

6．2 细菌和钢渣表面形态学表征

6．2．1 SEM-EDS

6．2．2 AFM

6．2．3 XRD

6．2．4 FTIR

6．3 辅助除磷优势

6．3．1 出水pH缓冲

6．3．2 污泥颗粒分布比较

6．3．3 污泥量

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文