铁强化微生物—电催化厌氧污水处理技术的研究

【摘要】：厌氧消化是处理中高浓度废水最现实、有效的方法之一。它将污水处理与污染物能源化相结合,在国内外得到广泛应用。但是,产甲烷菌代谢缓慢且对环境条件敏感,其容易导致水解酸化过程和甲烷化过程失衡,从而引起有机酸积累、甲烷化抑制甚至厌氧过程的失败。因此,有必要研究强化有机酸高效降解以及提高厌氧甲烷化能力的新方法,提高厌氧处理效率,这对解决高浓度难降解有机废水的有效处理和污染物资源化利用具有重要意义。 针对以上问题,本论文利用零价铁的还原性和微生物异化铁(Ⅲ)还原的特性,将零价铁和三价铁分别置于厌氧反应器内用以强化厌氧消化的处理效果,重点开展了基于铁电极和铁氧化物的微生物电化学强化厌氧甲烷化技术的研究,考察了电化学强化技术、铁(0,Ⅲ)强化技术与厌氧生物处理的耦合关系和交互作用机制,结合分子生物学技术探索了铁(0,Ⅲ)和电与厌氧微生物之间的协同作用关系。主要研究内容和结果如下： (1)通过零价铁(ZVI)置于厌氧反应器内的方法有效增强了处理含硫酸盐废水过程中的厌氧甲烷化。结果表明,零价铁作为还原剂可有效缓冲酸性、维持厌氧体系中性的pH(7-8)从而减弱了硫酸盐还原产生的硫化氢对厌氧甲烷化的抑制作用,实现了较高的COD去除率和甲烷产量。分子生物学实验结果表明该反应器底部硫酸盐还原菌为优势菌而上部则以产甲烷菌为主导。该方法实现了微生物群落的功能化分区,这与两相厌氧反应器处理含硫酸盐废水较相似,却在单一反应器内实现。同时,这表明零价铁的加入有助于强化厌氧甲烷化过程。 (2)采用将Fe203置于酸化硫酸盐还原反应器内的方法,强化了硫酸盐废水处理过程中有机酸的降解。研究结果发现Fe203的加入可促进微生物异化Fe(Ⅲ)还原过程,其协同硫酸盐还原过程增强了有机酸的降解能力,从而实现了酸化硫酸盐还原反应器较高的COD去除率(27.3%)和硫酸盐还原率(57.9%)。分子生物学的定性和定量分析结果表明该方法实现了铁还原菌、硫酸盐还原菌和酸化菌的共生并大量富集,其中硫酸盐还原菌Desulfovibrio marrakechensis和铁(Ⅲ)还原菌Iron-reducing bacteria HN54的含量均明显高于参比反应器。 (3)由(1)部分可知,零价铁可促进厌氧甲烷化过程,基于此构建了使用铁电极为阳极的生物电解池(MEC)-上流式厌氧污泥床反应器(UASB)装置,即将一对铁-石墨电极置入厌氧反应器内并施以适当的电压。零价铁的加入可强化厌氧过程(包括强化厌氧还原氛围和厌氧菌生长),从而实现了其对含盐废水、染料废水和含氮废水的有效处理。此外,该反应器对有机废水的厌氧水解酸化过程也表现出了明显促进作用。针对含盐废水的处理,该反应器表现出了较高的耐盐能力和有机物降解能力。在较高盐度条件下(50g/L),该反应器(外加电压1.2V)的COD去除率达到了93%且有机酸去除率较高,而参比反应器的COD去除率降为53%且发生了严重的有机酸积累。分子生物学实验表明该反应器富集了大量的耐盐古菌和耐盐细菌且食丙酸盐细菌的丰度较高；针对高浓度偶氮染料废水(1200mg/L活性艳红X-3B)的处理,该反应器表现出了较高的脱色能力(83.4%)和COD去除能力(84.7%)。阳极腐蚀释放的Fe2+与电场的耦合作用强化了胞外聚合物的产生。微生物群落结构的动态分析表明基于铁电极的电场作用可显著加快微生物的富集速度,这对缩短反应器启动时间和增加反应器负荷具有重要意义；铁电极和电场的耦合作用明显提高了废水的水解酸化效率并优化产酸类型,实现了酸化相高效的COD去除并以产乙酸结构为主导。同时,铁电极作用下反应器的甲烷产量也有近两倍的提高。分子生物学的定性和定量分析结果表明基于铁电极的水解酸化反应器仍保留了大量古菌,其中食乙酸产甲烷菌相对含量较高,而参比无电极的反应器古菌含量相对较低且以食氢产甲烷菌为优势菌；基于铁电极的电催化作用可有效增强厌氧氨氧化(ANAMMOX)菌的富集,进而缩短ANAMMOX反应器的启动时间(近24%)。考察了不同电压对ANAMMOX脱氮的影响,在一定范围内增加电压(≤0.6V)有助于强化反应器的脱氮性能,但当电压超过一定的值(0.8V)将会减弱ANAMMOX反应器的脱氮能力。 (4)由(2)部分可知,三价铁具有异化还原降解有机物和富集铁还原菌的特性,基于此通过在MEC-UASB反应器内投加氢氧化铁的方法,强化了厌氧消化和阳极氧化作用,实现了有机废水的高效降解。分子生物学实验结果表明氢氧化铁可增强反应器内细菌和古菌菌落的富集度和生物多样性,同时电场作用使得电极表面的微生物群落结构发生明显改变,这使得反应器内实现了不同功能微生物群落的垂直分布。此外,该方法对染料废水脱色也表现出较好的效果。酶活分析表明氢氧化铁与电场的耦合作用提高了微生物偶氮还原酶活性,其对废水脱色具有重要作用。在该反应器体系的阳极生物膜内富集并分离到了一株具有电化学活性的新型铁还原菌Aeromonas hydrophila.XB (KC507819)。该菌株同时具有铁还原、脱色和电化学活性。 【关键词】：厌氧 零价铁 铁还原 电解池 微生物群落
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 引言12-13
• 1 厌氧污水处理技术进展综述13-27
• 1.1 厌氧污水处理技术13-16
• 1.1.1 概述13
• 1.1.2 厌氧强化技术研究进展13-16
• 1.1.3 厌氧废水处理中存在的问题16
• 1.2 铁在污染物处理中的研究进展16-20
• 1.2.1 污染物的零价铁预处理16-18
• 1.2.2 零价铁与厌氧耦合处理污染物18
• 1.2.3 三价铁异化还原的研究进展18-20
• 1.3 电强化生物处理技术20-23
• 1.3.1 概述20
• 1.3.2 生物电解池技术及其优化20-23
• 1.4 本研究的目的、意义、内容、研究思路和技术路线23-27
• 1.4.1 研究目的和意义23-24
• 1.4.2 研究内容24-25
• 1.4.3 研究思路和技术路线25-27
• 2. 铁(0,Ⅲ)强化厌氧废水处理一以硫酸盐废水为例27-54
• 2.1 概述27-28
• 2.2 零价铁强化厌氧生物处理硫酸盐废水28-42
• 2.2.1 实验部分28-32
• 2.2.2 结果与讨论32-41
• 2.2.3 小结41-42
• 2.3 三价铁强化两相厌氧反应器处理硫酸盐废水42-54
• 2.3.1 实验部分42-45
• 2.3.2 结果与讨论45-53
• 2.3.3 小结53-54
• 3. 基于铁电极的电强化厌氧废水处理的研究54-100
• 3.1 概述54-55
• 3.2 电强化厌氧生物处理含盐废水55-69
• 3.2.1 实验部分55-58
• 3.2.2 结果与讨论58-68
• 3.2.3 小结68-69
• 3.3 电强化厌氧生物处理偶氮染料废水69-80
• 3.3.1 实验部分69-71
• 3.3.2 结果与讨论71-79
• 3.3.3 小结79-80
• 3.4 电强化厌氧水解酸化80-88
• 3.4.1 实验部分80-82
• 3.4.2 结果与讨论82-87
• 3.4.3 小结87-88
• 3.5 电强化ANAMMOX自养生物脱氮88-100
• 3.5.1 实验部分89-91
• 3.5.2 结果与讨论91-99
• 3.5.3 小结99-100
• 4. 基于三价铁的电强化废水厌氧生物处理100-136
• 4.1 概述100
• 4.2 三价铁辅助电强化厌氧处理高浓度有机废水100-114
• 4.2.1 实验部分101-103
• 4.2.2 结果与讨论103-113
• 4.2.3 小结113-114
• 4.3 三价铁辅助电强化厌氧生物处理偶氮染料废水114-124
• 4.3.1 实验部分114-116
• 4.3.2 结果与讨论116-123
• 4.3.3 小结123-124
• 4.4 三价铁投加富集新型电活性铁还原菌及其分离与鉴定124-136
• 4.4.1 实验部分124-127
• 4.4.2 结果与讨论127-135
• 4.4.3 小结135-136
• 结论与建议136-138
• 主要创新点138-139
• 参考文献139-156
• 作者简介156
• 攻读博士学位期间发表学术论文及专利情况156-159
• 致谢159-160

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