固定化生物活性炭中优势菌群生物稳定性的控制研究

论文摘要

随着饮用水水源污染日益严重,以生物活性炭为核心的饮用水深度处理技术受到人们广泛关注。采用人工培养优势菌群强化生物降解作用的固定化生物活性炭（IBAC）技术具有显著的优势,活性炭吸附作用和优势菌群生物降解作用大大提高了除污染效率。但由于是一个开放式的系统,IBAC在实际应用过程中易受到水质、水量冲击以及环境因素等影响,产生优势菌群生物稳定性受到破坏的问题,从而限制了其在供水行业推广应用。本研究针对北方某市原水水质状况,从影响IBAC工艺中优势菌群稳定性的各个关键环节入手,重点研究了优势菌群优化固定工艺条件、在活性炭表面的生长特性、活性炭性质和工艺条件对优势菌群稳定性的影响作用与优化控制、优势菌群的安全性控制等内容,为IBAC技术的实际工程应用提供技术支持。采用不同浓度梯度营养基质对优势菌群的生物活性进行了反复强化,提出了以生物活性达到300μg/mL作为优势菌群生物活性强化的指示终点。通过采用超声波预处理方法评价优势菌群在活性炭表面固定化性能,研究了优势菌群的优化固定条件,结果表明优势菌群最优固定化条件为:停留时间30min,循环4h、间歇2h的间歇式固定化方式,循环3次。将优势菌群固定于活性炭表面,通过采用PCR-DGGE和扫描电镜等技术,对优势菌群生长特性进行了深入研究,结果表明在启动初期优势菌群生物量与生物活性需经过约一周快速降低的过程,而后逐渐保持稳定,菌群生物活性保持在200μg/mL以上,生物量保持在106CFU/（g炭）量级,初期优势菌群在活性炭表面是以单个菌体的方式,附着在活性炭表面孔隙较多的粗糙部分;经过长期运行后,IBAC表面微生物的种类从初期8种,一年后增加到16种,且菌量均有不同程度的增加,但人工固定的优势菌仍然占据主导地位,优势菌群在活性炭表面形成大量生物膜,以团状絮状形式存在,且大部分呈单层分布。由于土著杂菌的低量持续侵入系统,出现土著菌群和优势菌群对营养基质的争夺竞争、分摊竞争以及劣势菌群的细胞自融过程,从而使优势菌群活性受到了一定的抑制,上层活性炭床耗氧速率从初始11×10-3mgO2/（cm3·h）,18个月后下降到8×10-3mgO2/（cm3·h）,下层活性炭床耗氧速率也从初始7.5×10-3mgO2/（cm3·h）,18个月后下降到6×10-3mgO2/（cm3·h）。将优势菌群在五种不同种的活性炭表面固定,采用动态试验对其净水效能、微生物生长状况进行系统的研究,并应用统计分析方法解析了活性炭性质对优势菌群生物稳定性影响。结果表明,对优势菌群生物稳定性影响较大的活性炭性能指标主要为糖蜜值、碘值、丁烷值、pH值、平均粒径、有效粒径、均匀系数、摩擦系数和强度,其中糖蜜值为首要控制指标,在选择活性炭时需控制在150mg/g以上。针对臭氧投加量、炭池停留时间与反冲洗等主要工艺条件,利用中试系统,研究了其对优势菌群生物稳定性的影响作用与优化控制条件。试验结果表明,IBAC系统的优化工艺条件为:臭氧投加量2.34mg/L左右,炭池停留时间20min,气-水反冲,气冲强度采用10L/m2·s,夏季气冲时间5min,冬季气冲时间采用3min,水冲强度采用1215L/m2·s,时间为810min。对优势菌群强化活性炭除污染性能进行了长期监测,结果表明与普通生物活性炭相比,IBAC去除UV254、CODMn和TOC分别提高了15%以上,对THMFP的去除率平均提高11.23%,水中的有毒有害物质的种类和含量显著降低。针对优势菌群在应用过程中的生物安全性,从菌体自身的毒理学试验、石英砂垫层控制各种生物泄露、工艺出水的毒理学试验等多个角度进行了试验研究,结果表明优势菌群具有较高的生物安全性。应用活性炭碘值和静态试验方法,对优势菌群的生物再生作用进行评价,结果表明优势菌群可以有效的延长活性炭使用寿命,在达到活性炭吸附饱和之前IBAC至少可延长1年以上使用时间,而IBAC中的活性炭达到真性失效时,则要在3年以上。因此本研究建立的IBAC工艺具有处理效率稳定、操作管理简单、运行成本低的特点,它的推广必将带来显著的经济、社会和环境效益。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 饮用水水源污染现状
• 1.1.2 饮用水水质标准的发展
• 1.1.3 饮用水常规处理技术的局限性
• 1.2 固定化生物活性炭技术研究现状
• 1.2.1 普通生物活性炭技术及其不足
• 1.2.2 固定化生物活性炭技术的提出
• 1.2.3 固定化生物活性炭技术的应用现状
• 1.2.4 有待深入研究的问题
• 1.3 本研究的目的与意义
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 试验材料与方法
• 2.1 试验源水概况
• 2.2 试验装置
• 2.2.1 中试试验装置
• 2.2.2 动态试验装置
• 2.3 试验测定项目及其方法
• 2.3.1 TTC法
• 2.3.2 SOUR法
• 2.3.3 PCR-DGGE分析
• 2.3.4 其它分析项目与方法
• 第3章 优势菌群生物活性强化与固定化
• 3.1 优势菌群生物活性强化
• 3.1.1 优势菌种筛选
• 3.1.2 生物活性强化必要性
• 3.1.3 生物活性强化方法
• 3.1.4 优势菌群的生长规律
• 3.2 优势菌群在活性炭表面固定化
• 3.2.1 优势菌群固定化机理
• 3.2.2 活性炭上生物量测定
• 3.2.3 优势菌群固定化条件
• 3.2.4 优势菌群中试固定化性能
• 3.3 优势菌群在活性炭表面的生长特征
• 3.3.1 IBAC启动期生物量与生物活性变化特征
• 3.3.2 优势菌群种群结构变化特征
• 3.3.3 IBAC长期运行中生物量与生物活性变化特征
• 3.3.4 优势菌群在活性炭表面分布特征
• 3.4 本章小结
• 第4章 活性炭性质对优势菌群生物稳定性的影响
• 4.1 活性炭载体特征与性能表征方法
• 4.2 不同种类活性炭对优势菌群稳定性影响
• 4.2.1 试验内容
• 4.2.2 不同种活性炭的性能指标
• 4.2.3 不同种活性炭的表面物理性能分析
• 4.2.4 动态运行试验结果
• 4.3 活性炭性质对优势菌群生物稳定性影响作用解析
• 4.3.1 样品差异表征值确定
• 4.3.2 样品差异值与活性炭指标相关性分析
• 4.3.3 样品差异值与活性炭指标协相关性分析
• 4.3.4 活性炭性能控制指标
• 4.4 本章小结
• 第5章 工艺条件对优势菌群生物稳定性的影响
• 5.1 臭氧投加条件
• 5.1.1 臭氧对优势菌群生物活性的影响
• 5.1.2 臭氧对去除有机物的影响
• 5.2 停留时间
• 5.2.1 对优势菌群生物活性的影响作用
• 5.2.2 对去除有机污染物的影响
• 5.3 IBAC池反冲洗条件
• 5.3.1 炭池运行周期确定
• 5.3.2 反冲洗对优势菌群生物活性影响
• 5.3.3 反冲洗参数控制
• 5.4 优势菌群强化活性炭除污染效能
• 254和COD_Mn去除效果'>5.4.1 对UV₂₅₄和COD_Mn去除效果
• 5.4.2 对TOC去除效果
• 5.4.3 对BDOC去除效果
• 5.4.4 对臭氧副产物去除效果
• 5.4.5 对三卤甲烷前体物去除效果
• 5.4.6 对微量有机物去除效果
• 5.5 本章小结
• 第6章 优势菌群安全性控制与强化生物再生
• 6.1 优势菌群毒理学试验
• 6.1.1 急毒性试验
• 6.1.2 致突变性试验
• 6.2 优势菌群应用的安全性控制
• 6.2.1 石英砂垫层控制优势菌群泄漏
• 6.2.2 IBAC工艺出水细菌灭活试验
• 6.2.3 IBAC工艺出水致突变性分析
• 6.2.4 IBAC工艺出水生物稳定性评价
• 6.3 优势菌群强化生物再生作用探讨
• 6.3.1 活性炭碘值的变化
• 6.3.2 活性炭静态吸附性能的变化
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 优势菌群生物活性强化所用培养基
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历