利用缓释电子供体聚合物去除饮用水源水中高氯酸盐的应用研究

摘要

高氯酸盐抑制甲状腺对碘的吸收导致甲状腺激素分泌不足，是一种持久性内分泌干扰污染物质，目前在地下水和地表水甚至饮用水中均被检测到，已经引起国内外研究者的高度重视。在高氯酸盐水处理工艺中，生物法降解高氯酸盐效果好、成本低，且在厌氧条件下高氯酸盐降解菌能将其分解为无毒无害的氯离子。此外，微生物降解高氯酸盐需要接受环境中某些无机或有机电子供体的电子还原高氯酸根，但受高氯酸盐污染的地下水环境中，电子供体都是极其不足的，需要向反应系统中投加电子供体。目前，寻找同时作为微生物载体和电子供体且廉价、活性高的缓释材料是生物降解高氯酸盐工艺安全、高效的关键。
　　 本文对从济南市某生活污水处理厂曝气池取得的活性污泥进行驯化，并考察以可生物降解材料(BDPs)作为生物膜载体和电子供体进行饮用水源水中高氯酸盐去除的可行性。本论文包括以下主要研究内容和结论:
　　 1、分别制备、优化聚乙烯醇(PVA)、聚己内酯(PCL)和PBS3种可生物降解材料，并考察其高氯酸盐生物降解性能，最终筛选出以PBS作为本实验的缓释电子供体及微生物挂膜载体进行进一步的高氯酸盐生物降解工艺研究。
　　 2、对于PBS生物膜载体系统，温度对高氯酸盐的降解速率有一定影响，在30℃时效果最佳，高氯酸盐降解速率为0.2857 mg/L·h; PBS生物膜能够承受一定的进水pH，在中性或弱碱性环境下高氯酸盐去除效果较好;DO为1.4 mg/L时高氯酸盐的平均降解速率是饱和溶解氧环境条件时的1.57倍;PBS生物膜能够耐受一定的水力剪切力负荷;在一定范围内，PBS的投加量增加会提高高氯酸盐降解速率，60g PBS反应系统中2 mg/L的高氯酸盐在5h内能被完全去除。
　　 3、PBS生物膜反应系统中，温度与高氯酸盐降解速率常数的关系可用Arrhenius方程的变形式表示，符合lnk=0.654-6.81/T;高氯酸盐的去除速率与PBS的投加量呈线性关系;在一定范围内，随进水高氯酸盐浓度的提高，降解速率常数逐渐减小，符合一级不可逆反应动力学。
　　 4、生物膜发育成熟后，SEM观察PBS表面生物膜以及生物膜发育前后PBS表面形貌。结果发现生物膜发育后PBS表面出现大量空隙，这利于增大高氯酸盐降解菌附着面积，提高高氯酸盐降解效率。高氯酸盐降解菌易在PBS表面附着生长，并发育出结构致密生长良好的生物膜，能够稳定去除高氯酸盐。
　　 5、静态实验表明，PBS只有在微生物的代谢作用下才会分解，释放出小分子有机物，给高氯酸盐降解菌提供自身生长所需的碳源。PBS表面生物膜发育成熟后，溶液中悬浮菌的数量很少，进水中的高氯酸盐主要由生物膜去除。
　　 6、填充床内PBS表面的生物膜相对疏松，易受到进水冲击负荷的影响。在一定的进水流量情况下，填充床可以有效的去除高氯酸盐。填充床运行过程中，HRT从4h逐渐提高到2h，1h，2 mg/L的高氯酸盐均能够被降解到检测限以下，当进一步提高到0.5 h，运行一段时间对高氯酸盐的去除效果依然不太理想。
　　 7、填充床内PBS生物颗粒对高氯酸盐的平均降解速率为0.1901 mg/L·h，相对于静态实验的0.2857 mg/L·h还是较低，SEM观察颗粒表面生物膜形态，发现其生物膜相对疏松，这是由于生物膜生长发育的环境条件不同使得其生物组成结构不同而造成的去除效果的差异。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．1．1 水体中高氯酸盐的来源及污染现状

1．1．2 高氯酸盐的理化性质

1．1．3 高氯酸盐的毒理特性

1．2 国内外研究现状

1．2．1 物理化学法

1．2．2 生物法降解

1．3 BDPs作为碳源和生物膜载体进行高氯酸盐生物降解

1．4 研究内容与技术路线

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 技术路线

1．5 本章小结

第二章 BDPs材料的优化和筛选

2．1 实验试剂及仪器

2．1．1 主要试剂

2．1．2 主要仪器

2．2 配水与污泥

2．3 实验装置

2．4 分析方法

2．5 PBS生物膜系统高氯酸盐的降解研究

2．5．1 实验材料

2．5．2 PBS红外光谱图

2．5．3 微生物的培养与挂膜

2．6 聚乙烯醇(PVA)的制备与高氯酸盐降解研究

2．6．1 材料的制备

2．6．2 材料的释碳性能

2．6．3 材料的表面特性

2．6．4 高氯酸盐的降解研究

2．7 聚己内酯(PCL)的制备与高氯酸盐降解研究

2．7．1 材料的制备

2．7．2 PCL红外光谱图

2．7．3 高氯酸盐的降解研究

2．8 BDPs的筛选

2．9 本章小结

第三章 PBS材料生物降解工艺参数优化

3．1 温度对高氯酸盐降解效果的影响

3．2 进水高氯酸盐浓度的影响

3．3 DO的影响

3．4 PBS投加量的影响

3．5 硝酸盐对高氯酸盐降解效果的影响

3．6 进水pH的影响

3．7 水力剪切力的影响

3．8 本章小结

第四章 BDPs降解动力学与机理

4．1 BDPs作为固体碳源和生物膜载体的降解原理

4．2 实验方法

4．3 高氯酸盐降解动力学

4．3．1 温度对高氯酸盐降解速率的影响

4．3．2 PBS投加量对降解速率的影响

4．3．3 进水高氯酸盐浓度对降解效果的影响

4．4 初始高氯酸盐浓度对高氯酸盐降解速率的影响

4．5 BDPs表面的生物膜及其对BDPs表面性能的影响

4．5．1 PBS表面的生物膜形态

4．5．2 生物膜发育对BDPs表面性能的影响

4．6 本章小结

第五章 BDPs填充床去除水中高氯酸盐的应用研究

5．1 实验装置

5．2 BDPs填充床去除高氯酸盐

5．2．1 PBS填充床反应器启动阶段

5．2．2 PBS填充床反应器运行稳定阶段

5．3 填充床内PBS颗粒表面的生物膜

5．4 BDPs填充床出水后处理

5．5 填充床内生物颗粒与静态实验中生物颗粒的对比

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新

6．3 展望

参考文献

致谢

附录