纳米ZnO对反硝化同时甲烷化体系的影响及数学模拟

摘要

纳米ZnO作为一种重要的工程纳米材料，广泛应用于医疗、光电学、橡胶、陶瓷、化妆品、纺织品、食品卫生、水体修复、农业畜牧业等行业。但纳米ZnO在这些行业中的生产、运输、使用及处理处置过程中，不可避免地进入城市污水管网系统，必然对生物处理系统产生潜在威胁。反硝化同时甲烷化(SDM)体系能充分利用废水有机碳源，实现生物脱氮的同时回收能源(CH4)，优化废水处理工艺，降低处理成本，对废水处理的意义重大。
　　本文主要以SDM体系为研究对象，研究不同浓度的纳米ZnO在该体系中短期和长期暴露的影响作用及其迁移转化过程，完善纳米ZnO的毒性数据。基于颗粒碰撞理论和ADM1模型，构建纳米ZnO离子释放模型、ADM1和SDM耦合的扩展模型，模拟纳米ZnO的溶解和吸附过程，以及对各功能微生物抑制过程。具体研究结果如下:
　　纳米ZnO离子释放模型合理地模拟如下过程:①纳米ZnO的溶解释放可溶性Zn2+;②悬浮纳米ZnO和可溶性Zn2+被颗粒污泥所吸附;③纳米ZnO和Zn2+对颗粒污泥的抑制作用。相应的动力学参数成功估计。对于纳米ZnO的浓度50、100、200、400 mg/L，得到相应的ka、a、η的估计值。ka的估计值分别为5.48×10-2、3.23×10-2、4.70×10-3、3.59×10-3 mg/(g.h);常数a估计值分别为0.5702、0.5356、0.1615、0.0475;η的值分别为0.1699、0.1294、0.0697、0.1252。
　　ADM1扩展模型较好地模拟纳米ZnO对酸化菌和产甲烷菌的抑制过程，相应抑制参数为:KI,su、K1，bu、KI,pro、KI,ac和KI,h2，其估计值分别为0.00051、0.0062、0.0057、0.00935和0.000312 mgZn/L。从实验过程和数学模拟两方面，均表现出纳米ZnO对酸化菌的抑制作用强于甲烷菌。
　　SDM扩展模型成功模拟了纳米ZnO对酸化菌、产甲烷菌和反硝化菌的抑制作用，较好地分析出纳米ZnO对SDM体系的抑制作用，主要表现为底物利用速率的抑制。 KI,NO2=0.00007＜KI,NO3=0.042;KI，ZnO,bu=0.094＜KI，ZnO,pro=0.10＜KI,ZnO,ac=4.45，这也证实了NO2-对产甲烷菌的抑制强于NO3-，纳米ZnO对酸化菌的抑制作用强于产甲烷菌。
　　纳米ZnO的长期暴露实验表明，UASB反应器运行性能与纳米ZnO的浓度和污泥尺寸有明显相关性。在1.0、5.0、10 mg/L纳米ZnO暴露下，UASB的产甲烷量、COD、挥发性脂肪酸(VFA)等均产生部分抑制作用。随着纳米ZnO暴露浓度增加至50 mg/L，产甲烷量和VFA被严重抑制。但在纳米ZnO的整个暴露过程中，产氮气量没有明显影响，表现了纳米ZnO对反硝化菌的抑制较弱。相比小尺寸颗粒污泥(＜2mm)，大尺寸颗粒污泥(≥2mm)表现出更强的抵御毒性冲击的能力。但在50 mg/L纳米ZnO暴露下，颗粒的污泥结构均严重破坏，生化过程也被严重抑制，表现了颗粒污泥抵御纳米ZnO毒性冲击的能力是有限的。此外，傅里叶红外(FTIR)、三维荧光(EEM)、扫描电镜(SEM)等对胞外聚合物(EPS)进行光谱分析，松散型胞外聚合物(LB-EPS)和紧密型胞内聚合物(TB-EPS)的荧光峰及羟基、C-H基、N-H基等官能团的特征锋位置及强度发生明显变化，表现了纳米ZnO对颗粒污泥产生不同的抑制效应。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 纳米ZnO的性质与应用

1．1．2 纳米ZnO的环境归趋

1．1．3 纳米ZnO的环境风险

1．2 反硝化同时产甲烷(SDM)工艺

1．3 纳米ZnO对污水处理系统影响研究

1．3．1 纳米ZnO对污水中碳去除的影响

1．3．2 纳米ZnO对污水中氮去除的影响

1．3．3 纳米ZnO对产甲烷的影响

1．4 研究目的、意义和内容

1．4．1 研究目的及意义

1．4．2 研究内容

1．4．3 技术路线

第二章 纳米ZnO对单一厌氧体系抑制作用的数学模拟

2．1 实验材料与方法

2．1．1 纳米ZnO悬浮液的制备

2．1．2 实验污泥

2．1．3 间歇实验

2．1．4 扫描电镜样品处理

2．1．5 分析方法

2．2 纳米ZnO离子释放模型

2．3 纳米ZnO对甲烷化颗粒污泥影响的数学模拟

2．4 结果和讨论

2．4．1 纳米ZnO的表征

2．4．2 纳米ZnO离子释放模型的模拟

2．4．3 ADM1相关模型的灵敏度分析

2．4．4 ADM1相关模型的模拟

2．4．5 厌氧颗粒污泥的电镜分析

2．5 本章小结

第三章 纳米ZnO对SDM体系抑制作用的数学模拟

3．1 材料与方法

3．1．1 实验方法

3．1．2 分析方法

3．1．3 SDM扩展模型

3．2 结果和讨论

3．2．1 参数估计

3．2．2 NO3--N、NO2--N及N2累积产量的模拟

3．2．3 纳米ZnO对SDM体系的数学模拟

3．3 本章小结

第四章 纳米ZnO对SDM体系的长期影响

4．1 材料与方法

4．1．1 实验方法

4．1．2 分析方法

4．2 结果和讨论

4．2．1 纳米ZnO对UASB反应器运行的影响机制

4．2．2 纳米ZnO在UASB反应器中的迁移过程

4．2．3 LB-EPS和TB-EPS的化学组成

4．2．4 FTIR光谱分析

4．2．5 三维荧光分析

4．3 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

附录：攻读硕士学位期间发表的论文