地下水中挥发性有机污染物的原位气相生物修复新型技术研究

论文摘要

地下水中的挥发性有机物（Volatile Organic Compounds, VOCs）已经成为地下水污染的主要污染物之一。地下水中挥发性有机物的修复可分为异位修复和原位修复,由于异位修复需要将地下水或土壤移至地表,原位修复成为了主流的修复技术。污染土壤气提法（Soil Vapor Extraction, SVE）和两相提取（Dual-Phase Extraction, DPE）成为了最新的研究方向。主要原理就是将挥发性有机物以气态的形式转移至地表进行处理。气态挥发性有机物在地面的去除技术可以是生物法、活性炭吸附法、热力燃烧法、催化氧化法等。生物法在运营成本、无二次污染等方面有着独特的优点,但其占地面积大,不够专一高效,对特定难降解污染物处理的传统工艺存在技术瓶颈等缺点制约着生物法的应用和发展。论文以探索研究新型高效的分别处理易溶于水和难溶于水的有机物的生物反应器和研发特定难降解污染物的新技术为核心,以丙酮、正己烷、甲苯、三氯乙烯为处理对象,研究了两种新型生物反应器的各项工艺参数,同时又研究了生物滴滤器对三氯乙烯气体的厌氧脱氯过程。同国内外其他学者的相关研究相比,论文在以下几点工作具有创新和特色：（1）本研究采用了凝胶颗粒固定化活性污泥反应器处理丙酮气体。丙酮为易溶于水的物质代表。本研究不仅测试了处理效果,还建立了以颗粒内扩散-降解为基础的反应器模型,引入了颗粒调整系数的概念,讨论了颗粒内污染物的扩散特征和反应动力学特征。该反应器对丙酮的最大去除能力达到了476.8 g/m3/h,为传统生物滴滤器的去除能力的2倍。（2）本研究讨论了中空纤维膜生物反应器处理甲苯—正己烷二元复合气体的处理特征和物质间的相互影响。甲苯和正己烷是难溶于水的物质的代表,该两种物质在地下水污染中有时同时存在。研究发现甲苯入口浓度较低时,其降解效率不受正己烷的影响；当入口浓度较高时,正己烷对甲苯的降解有抑制作用,同时发现甲苯对正己烷的降解影响不大。该反应器以膜内腔体积计算,对甲苯的最大去除能力达到了700 g/m3/h以上,为传统生物滴滤器的去除能力的数倍。（3）本研究采用厌氧生物滴滤器对三氯乙烯进行了厌氧脱氯的研究,并测试了不同氧化还原电位,不同氧气浓度,不同电子供体和甲烷抑制剂对三氯乙烯脱氯性能以及各个脱氯基因数量和活性的影响。反应器对三氯乙烯的最大去除能力达到了12.0 g/m3/h以上。氧化还原电位的研究发现由于加入氧化剂后系统脱氯性能变差,而tceA基因的活性没有太大的抑制,因此vcrA基因在脱氯过程中起到了主要的作用。电子供体的研究发现vcrA基因对于维生素B12比tceA更加敏感。（4）本研究测定了三氯乙烯厌氧脱氯的动力学参数,以及不同氧化还原电位,不同氧气浓度对动力学最大降解速率的影响的活性系数。发现三氯乙烯的最大降解速率在三个氯代乙烯中是最大。顺式二氯乙烯的半饱和常数最大,说明它的酶亲和性是最差的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一部分 概述及研究的前期准备
• 第1章 前言
• 1.1 概述
• 1.1.1 地下水污染现状
• 1.1.2 挥发性有机物定义及危害
• 1.1.3 地下水中挥发性有机物控制现状及控制技术
• 1.2 研究的目的和意义
• 第2章 国内外研究动态
• 2.1 地下水中挥发性有机物修复技术研究现状
• 2.1.1 异位修复
• 2.1.2 原位修复
• 2.2 SVE技术中处理转移至地表的VOCs的研究现状
• 2.2.1 SVE技术的适用性
• 2.2.2 SVE技术中VOCs在地表处理工艺的研究现状
• 2.3 处理气态污染物的微生物反应器的研究现状
• 2.3.1 主要分类
• 2.3.2 生物过滤技术
• 2.3.3 凝胶颗粒固定化活性污泥反应器
• 2.3.4 中空纤维膜生物反应器概述
• 2.3.5 上述微生物反应器的对比
• 2.4 环境生物过程中分子生物学的研究概况
• 2.4.1 在废水生物处理过程中的应用
• 2.4.2 三氯乙烯厌氧脱氯的分子生物学研究动态
• 2.5 本章小结
• 第3章 实验部分
• 3.1 主要研究内容
• 3.1.1 基于SVE技术的凝胶颗粒固定化活性污泥反应器净化地表VOCs（选取丙酮作为处理对象）的性能参数研究
• 3.1.2 基于SVE技术的中空纤维膜生物反应器净化地表VOCs（选取甲苯、正己烷为处理对象）的性能参数研究
• 3.1.3 基于SVE技术的厌氧生物滴滤器净化地表三氯乙烯的性能参数研究
• 3.2 目标物质的选择和选题依据
• 3.2.1 目标物质的选择
• 3.2.2 选题依据
• 3.3 微生物反应器
• 3.3.1 凝胶颗粒固定化活性污泥反应器
• 3.3.2 中空纤维膜生物反应器
• 3.3.3 三氯乙烯厌氧脱氯生物滴滤器
• 3.4 实验用仪器、设备、药品及材料
• 3.4.1 装置用仪器、设备
• 3.4.2 分析仪器
• 3.4.3 实验药品
• 3.4.4 实验材料
• 3.5 计算公式及符号说明
• 3.6 分析方法
• 3.6.1 丙酮
• 3.6.2 甲苯
• 3.6.3 甲苯/正己烷复合气体
• 3.6.4 三氯乙烯、二氯乙烯、一氯乙烯、乙烯和甲烷
• 3.6.5 水中甲苯分析方法
• 3.6.6 循环液中的乳酸根
• 3.6.7 循环液中的乙酸根
• 3.6.8 氯离子的测定
• 3.7 分子生物学研究操作
• 3.7.1 DNA和RNA的提取
• 3.7.2 定性的基因扩增及检测
• 3.7.3 定量的基因扩增及量化计算
• 3.8 实验质量保障措施
• 3.9 本章小结
• 第4章 活性污泥驯化以及反应器的启动
• 4.1 微生物培养驯化
• 4.1.1 菌种选择
• 4.1.2 凝胶颗粒固定化活性污泥反应器中的活性污泥的驯化
• 4.1.3 中空纤维膜生物反应器中的活性污泥的驯化
• 4.2 反应器启动
• 4.2.1 凝胶颗粒固定化活性污泥反应器的启动
• 4.2.2 中空纤维膜生物反应器的启动
• 4.2.3 厌氧三氯乙烯脱氯生物滴滤器的启动
• 4.3 本章小结
• 第二部分 凝胶颗粒固定化活性污泥反应器处理气态丙酮的研究
• 第5章 凝胶颗粒固定化方法筛选以及处理效果研究
• 5.1 固定化方法筛选及性能测试
• 5.1.1 固定化方法
• 5.1.2 颗粒性能的测试方法
• 5.1.3 分析结果
• 5.2 凝胶颗粒固定化活性污泥反应器处理丙酮的性能研究
• 5.3 本章小结
• 第6章 凝胶颗粒固定化活性污泥反应器处理丙酮的数学模型研究
• 6.1 凝胶颗粒内扩散系数的测定与比较
• 6.1.1 实验方法
• 6.1.2 海藻酸钙凝胶的扫描电镜（SEM）照片
• 6.1.3 浸入法测定丙酮在四种凝胶颗粒内的有效扩散系数
• 6.1.4 浸出法测定丙酮在四种凝胶颗粒内的有效扩散系数
• 6.1.5 结果讨论
• 6.2 模型研究
• 6.2.1 概述
• 6.2.2 实验装置
• 6.2.3 反应器运行方式及去除结果
• 6.2.4 分析方法
• 6.2.5 模型假设及建立
• 6.2.6 参数列表及其确定过程
• 6.2.7 模型结果与讨论
• 6.3 本章小结
• 第三部分 中空纤维膜生物反应器处理气态甲苯和正己烷的研究
• 第7章 中空纤维膜生物反应器处理单一甲苯气体以及甲苯与正己烷的混合气体
• 7.1 实验方法
• 7.1.1 膜的类型
• 7.1.2 实验装置
• 7.1.3 反应器运行方式
• 7.1.4 分析方法
• 7.2 反应器处理单一甲苯气体的结果与讨论
• 7.2.1 中空纤维膜扫描电镜照片
• 7.2.2 入口甲苯浓度和停留时间对去除效率和去除能力的影响
• 7.3 HFMB去除甲苯-正己烷（Toluene/n-hexane）复合气的结果与讨论
• 7.3.1 复合气中正己烷对甲苯去除效率的影响
• 7.3.2 复合气中甲苯对正己烷去除效率的影响
• 7.4 本章小结
• 第四部分 生物滴滤器对气态三氯乙烯进行厌氧脱氯的研究
• 第8章 不同氧化还原电位和氧气条件对三氯乙烯的厌氧脱氯效果的影响
• 8.1 概述
• 8.2 实验方法
• 8.2.1 实验装置
• 8.2.2 反应器运行方式
• 8.2.3 分析方法
• 8.3 反应器启动后达到稳态时的处理效果
• 8.4 氧化还原电位和氧气浓度对系统的影响
• 8.4.1 氧化还原电位和氧气浓度对三氯乙烯脱氯效果的影响
• 8.4.2 氧化还原电位和氧气浓度对去除能力的影响
• 8.4.3 氧化还原电位和氧气浓度对脱氯基因的影响
• 8.4.4 氧化剂对脱氯过程的抑制机理讨论
• 8.4.5 反应器性能恢复
• 8.5 本章小结
• 第9章 不同电子供体对三氯乙烯的厌氧脱氯效果的影响
• 9.1 概述
• 9.2 实验方法
• 9.2.1 实验装置
• 9.2.2 反应器运行方式
• 9.2.3 分析方法
• 9.3 反应器在每阶段达到稳态时的处理效果
• 9.3.1 停止添加乳酸钠对处理效果的影响
• 9.3.2 乳酸钠作为电子供体对处理效果的影响
• 9.3.3 抑制甲烷后对处理效果的影响
• 9.3.4 乙酸钠作为电子供体对处理效果的影响
• 9.3.5 氢气作为电子供体对处理效果的影响
• 9.3.6 总有机碳、乳酸根和乙酸根的测试结果
• 9.4 每个阶段的分子生物学研究
• 9.5 本章小结
• 第10章 三氯乙烯在生物滴滤器内的厌氧脱氯动力学模型研究
• 10.1 概述
• 10.2 实验方法
• 10.2.1 实验装置及运行方式
• 10.2.2 分析方法
• 10.2.3 数据处理方法
• 10.3 实验结果计算
• 10.3.1 初始的去除速率
• 10.3.2 甲烷的产生速率
• 10.4 模型的建立
• 10.4.1 模型假设
• 10.4.2 模型结构
• 10.4.3 三氯乙烯脱氯速率方程
• 10.4.4 氧化剂抑制对速率方程的修正
• 10.4.5 模型参数列表及确定方法
• 10.5 结果与讨论
• 10.5.1 动力学参数的测定
• 10.5.2 活性系数的测定
• 10.6 本章小结
• 第五部分 论文结论与建议
• 第11章 结论与建议
• 11.1 结论
• 11.1.1 凝胶颗粒固定化活性污泥反应器研究
• 11.1.2 中空纤维膜生物反应器研究
• 11.1.3 厌氧生物滴滤器对三氯乙烯脱氯的研究
• 11.2 论文的主要创新和特色工作
• 11.3 建议
• 参考文献
• 致谢
• 附录1 污染物气提计算
• 附录2 微量元素溶液配制方法
• 附录3 基因在经过PCR扩增后的琼胶电泳结果
• 博士研究生期间发表的论文、成果情况汇总