降解苯胺过程好氧污泥颗粒化研究

论文摘要

苯胺及其衍生物是一大类有毒、具三致效应与遗传毒性的典型有毒持久性污染物（Toxic Persistent Pollutants），广泛应用于农药、染料、医药、橡胶等生产工业过程，因其具有生物毒性、稳定性、疏水性、生物富集性等特点，通常长期滞留在环境中。迄今为止，传统生物处理工艺只能处理低浓度苯胺废水，而其他如光催化氧化、电化学、臭氧氧化、树脂吸附等物理化学处理方法因其昂贵的处理费用或二次污染等问题而限制了它们的广泛应用。鉴于好氧颗粒污泥可持留多功能菌群，耦合活性高，同时具有结构致密、沉降性能优异、污泥持留量高等优点，本研究以序批式气提生物反应器（SABR）为平台，通过控制有机负荷、污泥沉降时间、水力剪切力等工艺条件，探索处理高浓度苯胺废水好氧污泥颗粒化的反应器运行控制策略。实验以苯胺（AN）为唯一碳源、氮源，SABR运行一个半月，反应器内出现细小污泥颗粒。通过缩短污泥沉降时间，逐步提高进水AN负荷，继续运行15d后污泥颗粒化明显。反应器在进水AN负荷高达1.44 kg·m-3·d-1条件下稳定运行2个月，期间颗粒化反应器AN、COD去除率分别稳定在93％、91％以上。持久的高负荷运行导致第120天后反应器运行性能开始恶化，颗粒污泥解体成为絮状污泥。为验证颗粒化反应器在高负荷失稳后的恢复再稳性能，将AN进水负荷从1.44降至1.2 kg·m-3·d-1，反应器运行性能逐渐恢复，颗粒污泥在高水力选择压作用下迅速再次形成，15d后反应器再次颗粒化，继而形成成熟的好氧颗粒污泥，污泥MLSS最终维持在4.4±0.1mg·L.（-1）。根据污泥的形态与结构、污泥最小沉降速度、SVI、污染物降解效率等特性，污泥颗粒化过程可分为颗粒化反应器启动期、高负荷运行期和恢复期三个阶段。成熟好氧颗粒表观结构较致密，平均粒径1.2 mm，SVI 45.5 mL·gSS-1，沉降速度为35 m·h-1，颗粒内外分布有丰富的球菌、类短杆菌，与胞外多聚物交织共存。颗粒污泥SOUR高达91.5 mgDO·gVSS-1·h-1，远高于普通絮状活性污泥。整个颗粒化过程邻苯二酚2，3-加氧酶（C230）酶活逐渐增大最终在苯胺负荷为0.9kg·m-3·d-3时达到最大值1230±90 nmol·mg-1protein·min-1，远高于邻苯二酚1，2-加氧酶（C120）酶活，推测颗粒污泥主要以邻苯二酚2，3-双加氧酶通过间位开环裂解（meta-cleavage）途径降解苯胺。已有研究表明，污泥沉降时间和水力剪切力是污泥颗粒化过程两个关键影响因素。实验结果表明，污泥沉降时间为15min时，反应器内好氧污泥以絮状为主，相同负荷条件下，随着污泥沉降时间的减小反应器颗粒化程度逐渐提高。同时对稳定的颗粒化反应器进行水力剪切力的影响研究，通过在不同表面气速下污泥的形态、平均粒径及SVI分析，发现较大的水力剪切力有利于形成外形规则、结构致密的颗粒污泥，具有较为优越的沉降性能。动力学实验结果表明，好氧颗粒污泥降解AN动力学与Haldane方程相关性良好，通过方程拟合得到Vmax=1.40±0.42 g aniline·g VSS-1d-1，Ks=124.87±34.69mg·L-1，Ki=1428.5±53.1 mg·L-1。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 苯胺废水处理的研究现状
• 1.1.1 光催化氧化法
• 1.1.2 电化学法
• 1.1.3 超声波法
• 1.1.4 化学法
• 1.1.5 生物法
• 1.2 好氧污泥颗粒化技术
• 1.2.1 好氧颗粒污泥特性
• 1.2.2 好氧污泥颗粒化过程影响因素
• 1.2.3 好氧颗粒污泥形成机理
• 1.2.4 好氧污泥颗粒化技术应用
• 1.3 本课题研究意义与内容
• 1.3.1 研究意义
• 1.3.2 研究内容
• 第二章 实验材料与方法
• 2.1 实验装置
• 2.2 模拟废水
• 2.3 接种污泥
• 2.4 实验设计
• 2.5 分析方法
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 SABR反应器目标污染物及COD降解性能
• 3.2 好氧颗粒污泥形成过程
• 3.3 好氧颗粒污泥理化特性
• 3.3.1 颗粒粒径分布
• 3.3.2 污泥沉降性能
• 3.3.3 污泥有机含量
• 3.3.4 胞外多聚物（EPS）
• 3.3.5 好氧颗粒微结构
• 3.3.6 好氧颗粒污泥脱氮性能
• 3.3.7 微生物活性
• 3.4 好氧污泥颗粒化控制策略
• 3.4.1 污泥沉降时间
• 3.4.2 水力剪切力
• 3.5 颗粒污泥降解苯胺动力学研究
• 第四章 结论与建议
• 4.1 结论
• 4.2 建议
• 4.3 创新点
• 参考文献
• 致谢