利用嗜酸性硫杆菌的生物酸化作用处理洗毛废水的研究

论文摘要

来自碱性工艺的洗毛废水（woolscouring effluent），由于微生物的难降解性，高含固率，使其难以用常规的方法进行处理，固液分离被认为是洗毛废水处理的有效途径。但是颗粒表面很高的电负性，使得悬浮颗粒和水之间形成稳定的分散体系，表现为乳状液的性质。通过研究发现，酸对于这种乳状液来讲，是一类很好的破乳剂，能改善洗毛废水的乳化状态，使有机污染物发生絮凝沉降，实现固液分离。在此基础上，本研究利用嗜酸性氧化硫硫杆菌（Acidithiobacillus thiooxidans）的生物酸化作用代替无机酸对洗毛废水进行处理，并对生物酸化的破乳机制进行了初步的研究。并考察了反应条件对生物酸化过程的影响，且进一步利用连续搅拌式反应器（STR）研究了生物酸化法处理洗毛废水的可行性，探讨了生物酸化破乳法实现固液分离后，上清液的活性炭吸附效果。主要结果如下：无机物中，硫酸铁的絮凝效果好于硫酸铝和硫酸亚铁，最佳投加量为5g／L，常规试验条件下，能去除废水中59.4％的COD，而且延长振荡时间可以增加约15％的COD去除效果。并且最佳的絮凝pH在5-6。但无机酸硫酸的处理效果又明显好于硫酸铁的絮凝效果。因为酸能够明显的改变洗毛废水中物质的分散状态，随着酸的加入，废水的脱水性能逐渐增加，当酸的加入量大于0.2％时，Zeta电位从-47.3mv升至趋近于0mv，比阻从远大于9.81×1013m／kg，下降为2.2×1013m／kg以下，最终在pH3.00附近，COD去除率达到75％左右。酸化破乳作用为进一步研究提供了理论依据。利用驯化后氧化硫硫杆菌的产酸作用不但可完全代替无机酸而且还具有更好絮凝效果。利用生物方法对洗毛废水进行酸化，在生物酸化作用后废水有明显的絮凝现象，脱水性能发生显著变化。特别是当体系pH降到3.00附近时，有80％的水从结合态转化为游离态，而且机械脱水和沉降性能也得到明显的改善，比阻从大于9.81×1013m／kg，降至5.60×1011m／kg。原本均匀分散的固态物质，因为相互间静电斥力的降低，通过有效的相互碰撞而形成大的颗粒，而且有机组分大部分转化为疏水性物质，有机污染物以污泥的形式从水中去除。COD和油脂的去除达到最大值，分别为91.4％和92.9％，结果表明，生物酸化比无机酸酸化更有效的去除洗毛废水中的有机污染物。生物酸化过程须在30℃的条件下进行，能源物质（s粉）投加量在4-8‰为宜。而且洗毛废水中的营养物质基本能满足硫杆菌的生长，并不需要额外的补充N、P，洗毛废水中所含有的洗涤剂对硫杆菌的生长并没有明显的毒害作用。预酸化法能有效的降低生物酸化的处理时间，利用生物酸化废水回流对洗毛废水进行预酸化，优于无机酸的处理效果，回流比为4时，仅需32h即可到达处理终点（pH为3.00）。酸化废水回流对产酸过程影响最主要的是降低了产酸过程的起始pH，缩短了产酸过程，并为硫杆菌的生长提供了一个更为适宜的环境。回流后混合废水起始pH在5.40，生物酸化处理洗毛废水的处理效率达到最大值，5.6mL／L·h。经过连续的10次的回流试验，停留时间（HRT）基本都在29-34h，说明回流法处理洗毛废水有很好的稳定性。在自制的反应器内进行的生物酸化过程进一步表明，生物酸化法处理洗毛废水具有可行性。利用摇瓶试验的结果，通过酸化废水将待处理废水的pH调至5.40时，HRT为33h，COD的去除率也达到90％。而且处理后废水中的颗粒物有很好的自然沉降性能和离心脱水性能。产酸过程的HRT随污染物浓度的增加而增大，它们之间存在很好的线性关系，y=6.9x+15（x表示含固率，y表示停留时间）。好氧培养可以消除溶解性有机物对硫杆菌的抑制作用，洗毛废水经好氧培养后，产酸过程的HRT缩短了12h。不同批次取样，均取得了稳定的去除效果，说明在放大规模的反应器中进行的生物酸化处理有很好的稳定性。生物酸化处理后形成的污泥有机物含量高达46.3％，含有丰富的羊毛脂和钾，有很好的资源化利用前景。洗毛废水上清液中残留约4，000mg／L的COD值。利用活性炭吸附不同固液分离方式所形成的上清液时发现，活性炭更易于吸附生物酸化处理所制得的上清液，生化废水（生物酸化后形成的上清液）、酸解废水（无机酸破乳后形成的上清液）和絮凝废水（絮凝沉降后形成的上清液）的活性炭吸附容量分别为：100mg／g、70mg／g和43mg／g，研究发现活性炭易于吸附废水中小分子组分和疏水性组分，而生化废水中这两种组分的含量相对较高，这是造成活性炭吸附效果差异的主要原因。过水流速影响吸附柱的利用效果，过水流速为5mL／min、15mL／min和25mL／min时，吸附柱的利用效率分别为86％、73％和48％，因此柱的利用率在80％左右，过水流速应低于15mL／min。pH升高，活性炭的吸附性能降低，相反的解吸过程变得容易。采用NaOH对失效的吸附柱进行再生，而且1mol／L的NaOH即可满足再生要求，但是随再生次数的增加，吸附效率呈下降趋势，4次再生后吸附效率只有46％，表明NaOH是不完全再生，此后需要更为彻底的再生方法。综述本文的研究结果可知：生物酸化法能有效的去除洗毛废水中的有机污染物，并且该方法有很好的稳定性，处理后的污泥有较高的利用价值，能够实现环境效益、经济效益和社会效益的有机结合。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 洗毛废水及其处理技术进展
• 1.洗毛废水的来源与性质
• 1.1 洗毛工艺
• 1.2 洗毛废水及性质
• 2.洗毛废水的处理技术
• 2.1 气浮法
• 2.2 絮凝沉降法
• 2.3 膜过滤法
• 2.4 生化法
• 3.生物酸化的基本原理
• 4.影响生物酸化处理洗毛废水过程的主要因素
• 4.1 温度
• 4.2 能量物质的投加量
• 4.3 起始pH
• 4.4 供氧和均匀
• 4.5 废水中污染物浓度和抑制因子
• 5.本研究的目的和内容
• 5.1 研究背景和研究目的
• 5.2 主要研究内容
• 5.3 技术路线
• 第二章 洗毛废水性质以及化学处理效果
• 1.材料与方法
• 1.1试验材料
• 1.2 试验设计
• 1.2.1 常规絮凝条件下,几种絮凝剂对洗毛废水的絮凝效果
• 1.2.2 不同絮凝条件对硫酸铁絮凝效果的影响
• 1.2.3 无机酸的加入对洗毛废水性质的影响
• 1.3 测试方法
• 2.结果与讨论
• 2.1 常规絮凝条件下,几种絮凝剂的絮凝效果
• 2.2 不同絮凝条件对硫酸铁絮凝效果的影响
• 2.2.1 絮凝时间对絮凝效果的影响
• 2.2.2 不同PH值对硫酸铁絮凝效果的影响
• 2.3 无机酸对洗毛废水的破乳效果
• 2.3.1 无机酸加入量对PH和ORP的影响
• 2.3.2 酸解作用对絮凝性能和脱水性能的影响
• 2.3.3 酸的加入对COD去除率的影响
• 3.结论
• 第三章 生物酸化的絮凝作用去除洗毛废水中有机污染物
• 1.材料与方法
• 1.1 洗毛废水来源及性质
• 1.2 氧化硫硫杆菌的来源及驯化
• 1.3 生物酸化法去除洗毛废水有机污染物的试验
• 1.4 测试项目及方法
• 2.结果与讨论
• 2.1 生物酸化作用对洗毛废水性质的影响
• 2.1.1 培养过程中洗毛废水PH的变化
• 2.1.2 培养过程中不同处理ORP的变化
• 2.1.3 不同处理的硫粉氧化率
• 2.1.4 不同PH条件下洗毛废水的自然沉降性能
• 2.1.5 生物酸化过程中洗毛废水比阻的变化
• 2.1.6 培养过程中污染物的去除动态
• 2.2 生物酸化的絮凝机理
• 2.2.1 洗毛废水Zeta的升高
• 2.2.2 洗毛废水中有机组分极性的变化
• 2.2.3 洗毛废水中污染物亲水性的变化
• 2.2.4 生物酸化前后洗毛废水的显微照片
• 2.2.5 异养菌的助凝作用
• 3.结论
• 第四章 影响生物酸化破乳作用的因素和生物酸化污水回流连续批式运行效果
• 1 材料与方法
• 1.1 试验材料
• 1.2 反应条件的影响
• 1.2.1 培养温度对生物酸化过程的影响
• 1.2.2 能量物质投加量对生物酸化过程的影响
• 1.2.3 外源添加N、P对生物酸化过程的影响
• 1.2.4 洗涤剂对氧化硫硫杆菌生长的影响
• 1.3 生物酸化废水回流
• 1.3.1 无机酸预酸化对生物酸化过程的影响
• 1.3.2 不同回流比对生物酸化过程的影响
• 1.3.3 回流不同PH下的生物酸化污水对当次生物酸化过程的影响
• 1.3.4 不同起始PH对生物酸化过程的影响
• 1.3.5 回流时的硫酸投加量对生物酸化过程的影响
• 1.3.6 多次回流试验
• 1.4 测试项目及方法
• 2 结果与讨论
• 2.1 反应条件的影响
• 2.1.1 反应温度的影响
• 2.1.2 能量物质投加量的影响
• 2.1.3 外源添加N、P对生物酸化过程的影响
• 2.1.4 洗涤剂对硫杆菌生长的影响
• 2.2 生物酸化废水回流
• 2.2.1 无机酸预酸化对生物酸化过程的影响
• 2.2.2 不同回流比对生物酸化过程的影响
• 2.2.3 回流废水PH对酸化过程的影响
• 2.2.4 混合废水起始PH对生物酸化过程的影响
• 2.2.5 回流试验中硫粉投加量对酸化效果的影响
• 2.2.6 多次回流试验
• 3.结论
• 第五章 生物酸化法处理废水的实验室放大规模试验
• 1.材料与方法
• 1.1 试验材料
• 1.2 生物酸化反应器
• 1.3 放大规模反应器的启动试验
• 1.4 反应器内的废水回流预酸化
• 1.5 废水SS浓度对酸化过程的影响
• 1.6 待处理污水中小分子有机酸的存在对酸化过程的影响
• 1.7 不同批次废水生物酸化处理效果的稳定性研究
• 1.8 测试项目及方法
• 2.结果与讨论
• 2.1 放大规模反应器的启动试验
• 2.2 酸化废水回流条件混合废水起始PH值
• 2.3 废水中固体浓度对酸化过程的影响
• 2.4 小分子有机酸对生物酸化过程的影响
• 2.5 采用生物酸化法处理不同批次废水的效果及其稳定性
• 2.6 经生物酸化法处理后沉淀的污泥和处理出水的性质
• 3.结论
• 第六章 固液分离后洗毛废水上清液的活性炭吸附
• 1.材料与方法
• 1.1 废水及其性质
• 1.2 活性炭
• 1.3 摇瓶试验
• 1.3.1 吸附平衡时间的确定
• 1.3.2 洗毛废水经不同方法处理后的出水其活性炭吸附处理试验
• 1.3.3 活性炭对废水中不同分子量组分的吸附效果
• 1.3.4 活性炭对废水中亲水性组分的吸附性能
• 1.4 吸附柱试验
• 1.4.1 吸附装置
• 1.4.2 吸附柱的吸附试验
• 1.4.3 吸附柱的脱附
• 1.4.4 再生后活性炭的吸附性能
• 1.5 测试项目和方法
• 2.结果与分析
• 2.1 平衡吸附试验结果
• 2.1.1 吸附时间对活性炭吸附效果的影响
• 2.1.2 活性炭吸附经不同方法处理后的废水的效果
• 2.1.3 活性炭对废水中不同分子量组分的吸附效果
• 2.1.4 分子极性对活性炭吸附效果的影响
• 2.2 动态试验结果
• 2.2.1 不同流速下动态吸附效果
• 2.2.2 吸附柱的再生
• 2.2.3 再生后活性炭的吸附性能
• 3.结论
• 全文结论
• 论文的特色
• 致谢
• 发表论文