复极性三维电极耦合曝气生物滤池处理城市污水的试验研究

【摘要】：随着经济的发展和人们环保意识的提高,新型微量污染物药品及个人护理用品(PPCPs)在城市二级生化处理后的污水环境中频频被发现。这些有机物具有持久性、富集性和难生物降解等特点,若排放到河流中不仅造成了污染,而且对人类的健康有一定的影响,必须在传统工艺上进行改进创新。本文根据复极性三维电极与曝气生物滤池的运行特性,构建复极性三维电极耦合曝气生物滤池反应器,探讨其对含有典型PPCPs的模拟城市二级生活污水的处理效能,从滤池运行工况和微生物多样性两个主要方面对反应器进行深入的研究。选取γ型氧化铝作为粒子电极的载体,过渡金属Mn、Fe、Sn的氧化物作为催化活性组分,经过载体的预处理、浸渍、干燥与活化焙烧等过程制备出单组份及不同金属氧化物比例的负载型粒子电极,并考察其对浓度为200mg/L苯酚的去除效果,发现Mn:Sn=2:1的粒子电极去除苯酚的最佳实验条件为:电极板间距5cm,电解质0.1mol/LNa2SO4,pH5.16,去除效果高达80%。将制备成功的粒子电极填充于复极性三维电极中并与下部装有沸石的曝气生物滤池组合成复极性三维耦合曝气生物滤池反应器,采用接种活性污泥法挂膜驯化,同时与普通曝气滤池进行对比。试验表明:在20天后复极性三维电极耦合曝气生物滤池对氨氮和CODcr去除稳定,均达到80%以上的去除率,而普通曝气生物滤池对氨氮和CODcr去除波动较大。在电流的作用下,电生物耦合滤池中微生物细胞膜通透性的增强,加快了其对营养物质的吸收和利用,促进了微生物的生长繁殖,表现出较好的挂膜启动速率和稳定性。在稳定运行阶段,分别研究了电流强度,水力停留时间,目标PPCPs有机物浓度对复极性三维电极耦合曝气生物滤池反应器的影响。研究表明:电流强度为0.5A时,促进了反应速率和反应催化程度,复极性三维电极耦合曝气生物滤池对CODcr、氨氮和TOC的平均去除率为92.3%、91.1%和85.8%明显高于普通曝气生物滤池;典型PPCPs有机物浓度为0.1mg/L时,电生物耦合滤池中三维电极部分的催化氧化功能使得滤池对CODcr、氨氮和TOC的降解高于普通曝气滤池;水力停留时间为3.5h时,滤池中污水与微生物的接触时间增加,三维电极对污染物的催化降解更加充分,复极性三维电极耦合曝气生物滤池对CODcr、氨氮和TOC的平均去除率达到最佳,分别为95.1%、91.9%和86.8%。在稳定运行阶段的最佳工况下,由于苯扎贝特和布洛芬较卡马西平易生物降解,所以两组滤池对布洛芬和苯扎贝特的去除率稍高,差别较小,而对卡马西平的平均去除率分别为38.8%和17.6%。为了考察滤池的时空变化特性,分别对两组滤池沿程的氨氮和CODcr做了研究,发现两组滤池沿着水流方向对氨氮和CODcr的去除均成上升趋势,复极性三维电极耦合曝气生物滤池的上升速率快于普通曝气生物滤池;反冲洗后两组滤池对氨氮、CODcr和TOC的去除速率均有不同程度的降低,复极性三维电极耦合曝气生物滤池所需的恢复时间更短。采用高通量测序研究复极性三维电极耦合曝气生物滤池中微生物的多样性,发现复极性三维电极耦合曝气生物滤池中微生物群落结构不同于普通曝气生物滤池,三维电极阳极区域的生物膜中存在变形菌门的细菌和Ferruginibacter属,以及具有降解有机物的功能菌硝化螺旋菌门Nitrospira,Ferruginibacter属,小囊菌属Nannocystis;电生物耦合滤池下部由于三维电极的影响存在严格的好氧型氧化有机物的优势菌群腐螺旋菌属Saprospiraceae,黄杆菌属Flavobacterium以及Zoogloea菌胶团。复极性三维电极耦合曝气生物滤池上部三维电极部分各微生物菌群间物种的相似度及菌群丰度均较低,下部则呈现相反的状态,由于环境的不同导致耦合滤池上下菌群相似性水平差异较大。 【关键词】：复极性三维粒子电极 曝气生物滤池 耦合 二级生活污水 微生物多样性
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 课题研究背景12
• 1.2 城市污水中PPCPs有机物的研究进展12-14
• 1.3 三维电极的研究进展14-19
• 1.3.1 三维电极的特点及分类14-16
• 1.3.2 三维电极在水处理中的应用16-19
• 1.4 曝气生物滤池的研究进展19-20
• 1.5 本课题的研究策略20-22
• 1.5.1 研究目的与意义20
• 1.5.2 研究内容20-21
• 1.5.3 课题的创新点21-22
• 第二章 实验装置与方法22-28
• 2.1 实验材料22-25
• 2.1.1 实验装置22-23
• 2.1.2 实验用水23-24
• 2.1.3 典型PPCPs的选取及其特点24-25
• 2.2 水质分析检测方法25-26
• 2.3 高通量测序分析方法26-28
• 第三章 负载型三维粒子电极的制备与优化28-42
• 3.1 负载型三维粒子电极的制备28-31
• 3.1.1 载体的选择28-29
• 3.1.2 活性组分的选取29-30
• 3.1.3 三维粒子电极的制备30-31
• 3.2 负载型三维粒子电极的筛选31-36
• 3.2.1 负载型三维粒子电极的预处理31
• 3.2.2 单一活性组分及复合活性组分三维粒子电极的催化性能对比31-32
• 3.2.3 复合活性组分三维粒子电极的催化性能对比32-34
• 3.2.4 粒子电极的表征34-36
• 3.3 负载型粒子电极降解苯酚废水的研究36-40
• 3.3.1 pH对苯酚降解的影响36-37
• 3.3.2 电解质种类及浓度的影响37-39
• 3.3.3 极板间距的影响39-40
• 3.4 本章小结40-42
• 第四章 复极性三维电极耦合曝气生物滤池的挂膜启动研究42-50
• 4.1 复极性三维电极耦合曝气生物滤池反应器的挂膜启动42-43
• 4.2 挂膜启动阶段的化学特征43-47
• 4.2.1 挂膜启动阶段氨氮的去除特征43-45
• 4.2.2 挂膜启动阶段CODCr的去除特征45-47
• 4.3 挂膜启动阶段反冲洗47-48
• 4.4 本章小结48-50
• 第五章 复极性三维电极耦合曝气生物滤池去除城市二级生活污水的效能研究50-70
• 5.1 电流负荷下去除城市二级生活污水的效能50-55
• 5.1.1 不同电流负荷下去除城市二级生活污水中CODCr的去除特征51-52
• 5.1.2 不同电流负荷下去除城市二级生活污水中氨氮的去除特征52-54
• 5.1.3 不同电流负荷下去除城市二级生活污水中TOC的去除特征54-55
• 5.2 有机物负荷下去除城市二级生活污水的效能55-60
• 5.2.1 不同有机物负荷下去除城市二级生活污水中CODCr去除特征55-57
• 5.2.2 不同有机物负荷下去除城市二级生活污水中氨氮的去除特征57-59
• 5.2.3 不同有机物负荷下去除城市二级生活污水中TOC的去除特征59-60
• 5.3 水力停留负荷下去除城市二级生活污水的效能60-65
• 5.3.1 不同水力停留负荷下去除城市二级生活污水中CODCr去除特征60-62
• 5.3.2 不同水力停留负荷下去除城市二级生活污水中氨氮的去除特征62-64
• 5.3.3 不同水力停留负荷下去除城市二级生活污水中TOC的去除特征64-65
• 5.4 目标有机物的去除特征65-68
• 5.5 本章小结68-70
• 第六章 复极性三维电极耦合曝气生物滤池的时空变化特性研究70-80
• 6.1 反应器稳定运行阶段沿程及时空变化特性71-74
• 6.1.1 反应器稳定运行阶段CODcr的沿程变化情况71-72
• 6.1.2 反应器稳定运行阶段氨氮的沿程变化情况72-74
• 6.2 反应器稳定运行阶段反冲洗前后时间变化情况74-77
• 6.2.1 反应器稳定运行阶段反冲洗前后CODcr变化情况74-75
• 6.2.2 反应器稳定运行阶段反冲洗前后氨氮变化情况75-76
• 6.2.3 反应器稳定运行阶段反冲洗前后TOC的变化情况76-77
• 6.3 本章小结77-80
• 第七章 微生物多样性分析80-88
• 7.1 微生物群落结构分析80-82
• 7.2 微生物多样性、丰度及均匀性分析82-85
• 7.3 微生物群落相似性分析85-86
• 7.4 本章小结86-88
• 第八章 结论88-90
• 参考文献90-98
• 致谢98-100
• 附录100

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