新型填料生物滴滤塔脱除NO_x的性能及胞外聚合物研究

发布时间：2017-11-26 01:17

  本文关键词：新型填料生物滴滤塔脱除NO_x的性能及胞外聚合物研究

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【摘要】：生物滴滤法脱除NO_x是近年来备受广泛关注的高效低耗气体处理技术。我国NO_x最大的来源是火力发电厂,很多燃烧烟气首先通过湿洗来减少二氧化硫和灰尘的排放。这种湿洗过后温度一般为50-60°C,所以处理燃烧烟气过程中的微生物体系最好能耐受50°C左右的温度。另外,燃烧烟气中一般含有3%-8%的氧气,明显降低了传统生物反硝化脱除NO_x效率。分离培养嗜热好氧反硝化菌株对生物法脱硝意义重大。实验室前期研究中,驯化和筛选了能在高温好氧条件下进行高效反硝化的菌株Chelatococcus daeguensis TAD1,并将其应用于生物滴滤塔脱除火电厂排放的烟气。但生物滤塔受制于传统填料的影响,启动时间较长,在长期运行中容易出现填料堵塞等问题,给滤塔的稳定运行造成很大的影响。本论文首次构建了新型填料生物滴滤塔,对其脱除NO_x的性能与机制进行了深入的研究。将经过表面金属离子改性的陶粒填料和新型悬浮式填料结合构建新型滤塔,滤塔接种嗜热好氧反硝化菌Chelatococcus daeguensis TAD1进行启动挂膜,研究了50°C条件下,新型滤塔脱除NO_x的性能、生物膜群落及胞外聚合物的特征和组分变化。基于N_2O对臭氧层破坏的危害程度为CO_2的300多倍,而其主要产生在生物反硝化脱氮过程,因此本文首先对好氧反硝化菌TAD1在脱氮过程中N_2O的产生,进行了研究。结果表明在不同的碳氮比和pH培养条件下,N_2O的产生量随条件的变化而有极大的不同,pH和碳氮比各自对其影响明显,多因素分析显示两者对N_2O的产生存在交互作用,在碳氮比为8,pH为7的条件下,N_2O的产生量(34.43μg/L)得到了很好的控制并且取得相当好的脱氮效果(99%)。对活性污泥中胞外聚合物的提取和定量分析常见报道。然而对嗜热细菌在脱氮过程中胞外聚合物的产生却较少见。本文对嗜热反硝化菌TAD1在硝酸盐去除过程中胞外聚合物的产生进行了研究,考察了生长阶段、碳源、pH值、温度和碳氮比的等培养条件对其影响。当培养时间从4 h增加至12 h,胞外聚合物中蛋白质含量从6.3提高到89.8mg/g(干细胞),但此后几乎保持不变,胞外聚合物总的含量呈现出相似的变化。在不同碳源下,TAD1胞外聚合物的产生量按以下顺序降低:琥珀酸钠,醋酸钠,柠檬酸钠,葡萄糖。温度和碳氮比对胞外聚合物的产量影响不明显,而pH的不同对胞外聚合物的产生影响较复杂。通过研究还发现,胞外聚合物含量和硝酸盐去除效率之间的有很大的相关性。填料是微生物附着生长的载体,其性质决定了微生物膜的生长及分布情况。填料改性,有利于改善填料物性参数。用高温加热法对常见的填料陶粒进行表面改性,改性剂为三价铁离子盐(FeCl3),在500°C高温下焙烧4 h。陶粒经表面改性之后,其形状、粒径没有发生太大变化,但表面粗糙度增强,密度增大17%,空隙率增大约15%,等电点PI增大至8.5,表面pH值降低至3.46。表面pH大大低于等电点,保证了其表面为正电性。填料改性到达设想的效果。新型生物滴滤塔采用悬浮式填料结合改性陶粒为载体填料,接种嗜热反硝化细菌C.daeguensis TAD1可在8 d左右迅速启动。稳定运行过程中,进口NO浓度为200 mg/m3到2000 mg/m3,进气负荷范围为8.2-164 g/(m3·h)。整个运行期间,根据空塔停留时间的不同分为四个阶段。分别为88 s(9-43 d),44 s(44-61 d),66 s(62-79 d)和132 s(80-97d)。在整个运行期间,NO平均去除效率约为90%,去除负荷随进口浓度的增加呈线性线增加,最大达到146.9 g/(m3·h)。生物膜上保持较高的生物量,无堵塞情况出现。高通量测序分析研究(16S rRNA Miseq测序)生物膜中的微生物群落结构。实验结果表明,生物膜上的微生物群落结构的多样性丰富,α-变形菌纲为最丰富的菌类,占细菌总数的36.5%,其次是γ-变形杆菌(30.7%)和梭状芽胞杆菌(27.5%)。优势菌种均为常见的反硝化细菌,包括根瘤菌目,红螺菌目,肠杆菌目和假单胞菌目,分别占19.4%、17%、21.6%和7%。接种菌株TAD1属于α-变形菌纲类。新型滴滤塔启动迅速,在为期近100d的运行中,填料没出现堵塞现象,运行稳定且保持较高的脱硝效率,其在高温好氧条件下的工程应用前景良好。后期对新型生物滤塔生物膜的胞外聚合物进行了研究。结果发现多糖是构成胞外聚合物的主要成分,胞外聚合物含量和成分的随不同工作操作条件发生变化。当进口NO浓度从200增加到2000 mg/m3时,胞外聚合物和蛋白质含量呈现增加的趋势。进口浓度为2000 mg/m3时,胞外聚合物和蛋白质含量分别达到0.118 mg/g和0.055 mg/g而多糖含量则保持相对稳定。空床停留时间的减小,将会增加多糖胞外聚合物含量,而对蛋白质含量影响不大。循环液的pH值从4至8,对胞外聚合物的产生影响较复杂。此外,胞外聚合物含量和NO的去除效率之间存在相关性。对比在酸性条件下,单一菌TAD1的胞外聚合物的变化发现,酸性条件对生物膜内的胞外聚合物影响较弱,这也说明了生物膜具有更强的耐受性,对外界环境的变化适应性更好。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X773

【参考文献】

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本文编号：1228052