生物转鼓净化NO废气及微生物学研究

摘要

氮氧化物（NOx）是导致酸雨、光化学烟雾等一系列严重大气污染的主要污染物之一，随着NOx污染问题的日趋严重和人们对环境质量要求的不断提高，有关废气脱氮技术的研究已迫在眉睫，而这方面的实用治理技术与基础理论研究（如生物法脱氮）却少有突破。它的发展是继废气脱硫之后所面临的又一亟待解决的重大课题。 研究采用一种新型的生物过滤器-生物转鼓（RotatingDrumBiofilter，RDB）净化一氧化氮（NO）废气，围绕转动生物膜及络合协同强化NO的去除过程，以传质理论和生化反应动力学为基础，探讨各反应组分在气、液、生物膜三相中的独特传质-反应规律；阐明反硝化（络合协同）去除NO过程中氮素传递、转化等作用机理，建立NO净化过程的物料平衡和动力学模型；运用微生物学和分子生物学技术研究RDB中微生物种群结构和优势菌种。主要内容和结果如下： （1）考察了RDB净化NO废气的工艺特征。在25℃～30℃、pH6.5～7.5、转鼓转速0.5r／min、空床停留时间（EmptyBedResidenceTime，EBRT）86.4s，进口NO浓度120～584mg/m3的条件下，RDB能有效净化NO废气，去除率达60.0％～85.2％。转速影响RDB膜表面更新和液膜厚度，在转速0.5r／min时NO去除率达最大。在进气负荷小于20g／m3·h时，去除负荷随进气负荷增加而线性增加，且去除率在75％以上；随着进气负荷进一步增大，去除负荷上升趋缓并接近极限容量（约27.5g/m3·h）。葡萄糖、醋酸钠、甲醇渐次为RDB反硝化。NO的合适碳源，由于NO的传质限制，碳源的过量投加并不能有效改善其去除效率。pH=8的弱碱环境有利于系统维持较高的去除效率，在500mg/m3的进气浓度下，去除率和负荷分别达75.0％和16.0g/m3·h。进气中适量的氧气可以增加NO的氧化度，从而提高NO的气液传质速度和生物净化效率，但过量氧气会破坏RDB的厌氧环境，抑制反硝化菌活性，研究表明此临界值等于6％。温度变化对RBD去除较低浓度NO的影响不大，而随着浓度上升，温度变化的影响加剧，实验表明30℃为最佳反应温度。 （2）分析了NO在RDB内的转化途径、氮素价态变化和物料平衡。在稳态运行下（130d～140d，NO进气浓度273～378mg／m3），出气中N2和N2O含量分别达92～131mg／m3和9.2mg／m3，平均转化率为72.0％和0.5％，而剩余的5％和12％～15％的NO则分别以氧化态形式积累于液相和被微生物同化利用。根据细菌生长总反应方程，对RDB内反硝化过程的氮素计量学进行了推导，发现1molNO中的氮素可以转化为0.18mol的生物质氮和0.82mol的氮气，这与实验结果基本一致。对RDB内氮素进行了11日物料平衡核算，表明系统内氮素基本守恒，出口氮素质量占进口氮素质量的比例在93.5％～99.6％之间波动。 （3）开展了络合协同RDB增强NO去除的研究。实验发现，在营养液中添加FeⅡ（EDTA）络合物可显著改善难水溶性NO的气液传质速率，从而提高其去除效率。在转速0.5r／min、EBRT57.7s、30℃、pH7.0～8.0的条件下，FeⅡ（EDTA）的逐量增加（0～500mg／L）可使RDB对380mg/m3的NO去除率从61.1％升至99.6％。在此体系下，乙醇优于葡萄糖作为FeⅡ（EDTA）NO反硝化的电子供体，当TOC浓度超过1000mg/L后，NO的去除率达到稳定。实验最佳pH在8.0左右，最适温度随FeⅡ（EDTA）添加浓度的增加而上升。 （4）研究了NO在RDB内的传质-反应过程。通过分析NO在气相、液相和生物相的质量平衡，建立了RDB净化NO废气的传质-反应数学模型。该模型可近似描述低浓度（<600mg／m3）NO废气在RDB中的浓度分布和去除效率。修正后的方程如下： 模型预测的结果与实验值基本相符，验证了RDB生物反应器与传统生物反应器相比具有生物量分布均匀、填料不易堵塞等优点。 （5）探析了RDB内的微生物种群结构。运用PCR-DGGE技术对RDB内的生物多样性进行了解析，共发现16种优势种属，且沿填料径向的种群结构差异性不大；通过样品的聚类分析和多样性指数计算，发现RDB内微生物群落多样性随FeⅡ（EDTA）络合剂的加入呈先增加后下降的趋势，但其在整体演变过程中变化不显著；对DG-DGGE图谱中8个主要条带进行回收、扩增、克隆和测序，结果表明，RDB中微生物群落主要由Clostridiumsp.、β-proteobacterium、γ-proteobacterium和Cytopahga-Flexibacte-ria-Bacteroides（CFB）groupBacteroides组成。反硝化功能与γ-proteobacterium和β-proteobacterium所代表的种属相关。 （6）分离筛选了1株RDB的好氧反硝化菌DN3，并进行了反硝化性能测试。研究表明，该菌株能较好地反硝化降解硝酸盐，并只产生少量亚硝酸盐。在碳源不足的条件下（C/N=3），DN3对NO3--N去除率为72.9％；通过16SrDNA序列分析及同源性比对，DN3与Pseudomonasputida.的相似性为100％。其反硝化最适温度和pH值分别为30℃和7.0，最适宜C／N在5.5～6.0，在该区间内能进行完全的反硝化。

目录

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第一章课题背景

第二章文献综述

2.1 NOx概况

2.1.1 NOx的来源

2.1.2 NOx的危害

2.1.3 NOx的物化性质

2.2 NOx形成机理及排放控制技术

2.2.1燃烧过程中NOx的形成机理

2.2.2 NOx排放控制技术

2.3烟气脱氮技术研究进展

2.3.1物化控制技术

2.3.2吸收法

2.3.3吸附法

2.3.4液膜法

2.4 NOx生物净化法

2.4.1生物法净化NOx废气原理及脱氮菌

2.4.2生物法净化NOx的研究进展

2.5络合吸收净化NOx废气

2.6废气生物过滤反应器类型

2.6.1传统生物过滤反应器

2.6.2生物转鼓反应器

2.7分子生物技术在环境学中的应用

2.7.1 PCRD-GGE的基本原理

2.7.2微生物多样性的研究

2.7.3 PCRD-GGE技术的优缺点及发展前景

2.8研究思路和目标

参考文献：

第三章实验材料与研究方法

3.1实验装置及填料

3.1.1生物转鼓反应器

3.1.2培菌装置

3.1.3生物填料

3.2分析方法和实验仪器

3.2.1 NOx的测定

3.2.2 N2O的测定

3.2.3 N2的测定

3.2.4其他参数测定

3.3实验方案

3.3.1化学氧化实验

3.3.2种泥驯化

3.3.3 RDB挂膜及运行

3.3.4 FeⅡ(EDTA)络合协同RDB去除NO

3.3.5 RDB内微生物学研究

参考文献：

第四章生物转鼓去除NO的实验研究

4.1概述

4.2结果与讨论

4.2.1 RDB启动特性

4.3 RDB连续运行效能

4.4工艺参数对RDB去除NO效果的影响

4.4.1转速和营养液量的影响

4.4.2进气浓度和EBRT的影响

4.4.3进气负荷的影响

4.4.4营养液盐份的影响

4.4.5营养液更换率的影响

4.4.6不同碳源和碳量的影响

4.4.7温度的影响

4.4.8 pH的影响

4.4.9氧气的影响

4.5小结

参考文献：

第五章生物转鼓内NO去除机理分析

5.1概论

5.2 RDB内NO去除过程分析

5.2.1 NO的化学氧化

5.2.2 NO的生物转化

5.3 RDB内NO转化产物分析

5.3.1 N2O的产生量分析

5.3.2 N2的产生量分析

5.3.3液相中NO3－－N、NO2－－N和NH4+－N的积累量

5.3.4反应器中生物质氮的积累量

5.3.5细菌生长的总反应核算

5.4 RDB中的氮素物料平衡

5.5小结

参考文献：

第六章 FeⅡ(EDTA)络合协同RDB强化NO去除的实验研究

6.1概述

6.2结果与讨论

6.2.1络合吸收协同生物转化实验

6.2.2 FeⅡ(EDTA)浓度对NO去除效率的影响

6.2.3进口浓度对NO去除效率的影响

6.2.4气体流量对NO去除率的影响

6.2.5不同营养液量对NO去除效率的影响

6.2.6不同碳源及碳源量对FeⅡ(EDTA)协助RDB去除NO的影响

6.2.7不同pH对FeⅡ(EDTA)协助RDB去除NO的影响

6.2.8不同温度对FeⅡ(EDTA)协助RDB去除NO的影响

6.3去除过程分析

6.3.1气态污染物的直接生物净化过程

6.3.2 FeⅡ(EDTA)络合协同RDB去除NO过程分析

6.4小结

参考文献：

第七章 生物转鼓净化NO的理论研究及模型建立

7.1概述

7.2微生物净化NO的过程

7.3 RDB内NO的质量平衡

7.3.1气相质量平衡

7.3.2液相质量平衡

7.3.3微生物相质量平衡

7.3.4固相质量平衡

7.3.5模型假设条件

7.4模型的简化与计算

7.4.1质量平衡的简化

7.4.2微生物反应

7.4.3模型的简化

7.4.4 kL的计算

7.4.5模型结果

7.5模型结果与实验数据的比较

7.5.1转速影响的比较

7.5.2停留时间的影响

7.5.3不同进气浓度对去除率的影响

7.5.4模型的优化

7.5.5不同r处浓度分布的模型预测

7.6 FeⅡ(EDTA)络合吸收协同RDB增强对NO去除的分析

7.7络合协同吸收NO的生物还原类型分析

7.8小结

参考文献：

第八章 生物转鼓净化NO过程中微生物群落结构多样性解析

8.1概述

8.2结果与讨论

8.2.1样品前处理

8.2.2样品基因组DNA提取和16S rDNA V3区扩增

8.2.3生物转鼓内微生物多样性分析

8.2.4 DGDGGE割胶条带克隆和测序结果分析

8.3小结

参考文献：

第九章生物转鼓内反硝化菌的驯化培养及菌属鉴定

9.1概述

9.2材料与方法

9.2.1菌种来源

9.2.2培养基

9.2.3实验方法

9.3结果与讨论

9.3.1好氧反硝化菌的筛选

9.3.2 DN3降解硝酸盐效果测定

9.3.3 DN3的生理生化鉴定

9.3.4 DN3的形态学鉴定

9.3.5 16S rDNA的PCR扩增和测序

9.3.6 1 6S rDNA的序列分析

9.4小结

参考文献：

第十章结论与展望

1 0.1结论

10.2展望

10.3本论文的创新点

攻读博士期间发表的课题相关论文

致谢