CSTR-EGSB-SBR与电化学氧化联合处理纤维素乙醇废水的效能与机制

摘要

纤维素乙醇被认为是最有可能替代石化燃料作为动力燃料的可再生能源，受到世界各国的高度重视。国内外普遍采用的稀酸汽爆预处理生产纤维素乙醇可能会导致废水中含有较高浓度的有机物质、硫酸盐以及影响微生物代谢活性的物质，导致此类废水较难处理，对其处理也显得尤为重要。目前，大多数乙醇工业废水很难采用一种工艺处理使废水达标，基本上都需要多级处理，单一的生物处理并不能有效地去除色度和难降解有机物质。针对以上问题，本论文采用CSTR-EGSB-SBR与电化学氧化联合处理高硫酸盐纤维素乙醇废水，并探讨了生物处理过程中的功能菌群、CSTR-EGSB-SBR组合工艺出水中有机物的特性以及电化学氧化过程中有机污染物的降解机制，为此类废水的有效处理提供研究基础。
　　针对稀酸汽爆预处理导致的高硫酸盐纤维素乙醇废水，采用两相厌氧-好氧组合工艺进行生物处理，两相厌氧单元为连续流搅拌槽式反应器（CSTR）和厌氧膨胀颗粒污泥床（EGSB），好氧单元采用序批示反应器(SBR），考察CSTR-EGSB-SBR组合工艺处理纤维素乙醇废水的效能。结果表明，在 CSTR的容积负荷为32.4 kg COD/(m3·d)，污泥负荷为0.13 kg COD/(kg MLVSS·d)，进水COD平均为13497mg/L条件下，总水力停留时间为48 h，组合工艺实现总 COD去除率为94.5%，硫酸盐去除率为89.3%， EGSB实现甲烷产率为0.327L/gCOD。两相厌氧系统中的产酸反应器进行产酸和硫酸盐的还原，降低了硫酸盐还原产物对后续EGSB反应器中产甲烷菌的抑制作用，从而保障了生物组合工艺处理高硫酸盐纤维素乙醇废水的高效、稳定运行。
　　通过Illumina-MiSeq高通量测序技术分析CSTR-EGSB-SBR组合工艺中微生物菌群结构和功能特征。结果表明， CSTR中富集的 Megasphaera、Parabacteroides、unclassifiedRuminococcaceae spp.、Prevotella、Butyrivibrio和Megasphaera与挥发酸的产生和硫酸盐还原关系密切。EGSB中具有相对复杂的细菌群落结构，同时含有丰富的乙酸营养型产甲烷菌 Methanosaeta，占古生菌总量的77.3%；此外，CSTR中残留的较低浓度的硫酸盐进入产甲烷反应器中继续进行还原，检测到的与硫酸盐代谢有关的细菌如 Syntrophobacter、Thermovirga和unclassified Desulfuromonadales。SBR中优势属来自Truepera，占63.5%，强化了纤维素乙醇废水中的大分子溶解性物质的去除，从而进一步提高了有机物的去除效能。此外，CSTR-EGSB-SBR组合工艺中存在一些能够降解木质素，纤维素、半纤维素以及醛、酚等抑制物质的微生物，如Ruminococcaceae科、Prevotella、Acinetobacter和Truepera属的微生物。
　　采用三维荧光光谱、傅里叶红外和紫外-可见光光谱，并结合液相色谱和超滤膜分级分析纤维素乙醇废水生物处理出水中有机物的特性。结果表明，纤维素乙醇废水主要由可溶性微生物代谢产物、简单的芳香族蛋白质类物质和类腐殖酸物质组成，CSTR-EGSB-SBR组合工艺处理能够有效地降解蛋白质、糖类等物质，对芳香性物质降解能力较弱，导致纤维素乙醇废水生化出水（SBR出水）主要以腐殖物质为主，占总累积区域荧光强度的67.1%，具有较强的疏水性。腐殖物质是导致生化出水高色度的主要原因。纤维素乙醇废水生化出水中，有机物质分子量主要分布在30 kDa以下，而色度组分分子量主要集中在3-10 kDa和10-30 kDa。
　　基于电化学氧化的方法对纤维素乙醇废水生化出水进行深度处理，考察电流密度、初始 pH和支持电解质对生化出水降解效果的影响，通过循环伏安曲线、间接电化学氧化分析、紫外-可见光光谱和三维荧光光谱分析深入系统地研究了色度、COD和TOC去除机制。结果表明，电流密度为20 mA/cm2，0.1 M NaCl支持电解质时，调节废水的初始pH为5，电解150min，实现纤维素乙醇废水生化出水的完全脱色，COD和TOC的去除率分别为86.5%、69.1%，电化学氧化出水水质较好。电化学氧化纤维素乙醇废水生化出水过程的氧化机制为·OH间接电化学氧化>活性氯氧化作用>过硫酸根氧化作用>直接电化学氧化。
　　最终，CSTR-EGSB-SBR与电化学氧化联合处理高硫酸盐纤维素乙醇废水，进水COD平均为13497mg/L条件下，总处理时间为50.5 h，可实现99.4%的总COD去除率和90.8%的总硫酸盐去除率，出水基本能够达到《发酵酒精和白酒工业水污染物排放标准》（GB27631-2011）。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 课题背景及研究的目的和意义

1.3 纤维素乙醇废水的来源与水质特征

1.4 含硫酸盐纤维素乙醇废水的处理研究进展

1.5 电化学氧化处理乙醇工业废水的研究进展

1.6 研究内容和技术路线

第2章 实验材料与方法

2.1 实验用水来源与水质特征

2.2 实验装置和方法

2.3 实验试剂和仪器设备

2.4 分析检测方法

2.5 微生物群落结构分析方法

第3章 CSTR-EGSB-SBR组合工艺处理纤维素乙醇废水的效能

3.1 引言

3.2 CSTR-EGSB-SBR组合工艺对有机物的去除效能

3.3 CSTR-EGSB-SBR组合工艺对硫酸盐的去除效能

3.4 CSTR-EGSB-SBR组合工艺运行效能分析

3.5 CSTR-EGSB-SBR组合工艺的微生物群落结构与功能解析

3.6 本章小结

第4章 CSTR-EGSB-SBR组合工艺出水中有机物特性分析

4.1 引言

4.2 CSTR-EGSB-SBR组合工艺出水中的三维荧光光谱分析

4.3 CSTR-EGSB-SBR组合工艺出水中的傅里叶红外分析

4.4 CSTR-EGSB-SBR组合工艺出水中的紫外光谱特性

4.5 CSTR-EGSB-SBR组合工艺出水中的分子量分布

4.6 本章小结

第5章 基于电化学氧化的纤维素乙醇废水生化出水的深度处理

5.1 引言

5.2 电化学氧化处理生化出水的条件优化

5.3 电化学氧化处理生化出水的效能

5.4 电化学氧化处理生化出水的机制

5.5 CSTR-EGSB-SBR组合工艺与电化学氧化联合处理纤维素乙醇废水的效能

5.6 本章小结

结论

展望：

参考文献

博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

个人简历