吡啶生物降解过程中的电子流分布及生物降解动力学参数的求解

发布时间：2017-10-14 10:11

  本文关键词：吡啶生物降解过程中的电子流分布及生物降解动力学参数的求解

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【摘要】：我国作为一个钢铁生产大国,相应地焦化生产所产生的废水大量存在。对于焦化废水给自然环境带来的危害受到了人们的广泛关注。其中含氮杂环化合物是焦化废水的主要有害成分之一,且大多具有毒性、致癌性、致畸性和难降解性。在焦化废水中的含氮杂环化合物中,吡啶最具有代表性。关于它的研究已经有大量报道。目前,对含吡啶废水的处理技术主要包括物理法、化学法和生物法,其中生物法由于其经济高效等特点成为研究的重点。现阶段针对吡啶好氧生物降解过程中的降解途径及内源电子加速吡啶降解的机理已有了较为深入的研究。以往研究表明:吡啶的矿化效率普遍偏低。根据本研究发现其主要原因就是在吡啶生物降解过程中,中间产物2-羟基吡啶的积累所导致的。本研究结果表明吡啶初始的前2步反应均为单加氧反应,即都是需要电子的反应过程。但第一步的单加氧反应速率总是大于第二步的单加氧反应。这表明电子流优先流向吡啶第一步的单加氧反应。本文详细地解析了电子流优先流向第一步的单加氧反应的机理是:(1)虽然第一步和第二步反应都是单加氧反应,但这2步的单加氧酶却分别是两种不同的单加氧酶;(2)由于第一步的单加氧酶对电子的亲和性大于第二步的单加氧酶,因而导致电子电子流优先流向第一步单加氧反应;(3)第一步和第二步单加氧反应存在着对电子的竞争关系,通过紫外辐射吡啶溶液可以提供额外的内源电子供体,可以缓解这2步单加氧反应的竞争。这些研究结果为调控电子流分布,提高难降解有机物生物降解提供了一个新的思路,同时为难降解有机废水的实际处理提供了理论基础。上述研究结果均是基于吡啶生物降解动力学进行计算的。为了精确地描述吡啶的生物降解规律,本研究采用了分数级反应动力学对吡啶的生物降解进行描述。同时为了定量解析单加氧酶对电子的亲和性,本研究采用有抑制的Aiba模型求解能反映对电子亲和程度的半最大反应速率浓度(KS)。无论是分数级反应动力学还是Aiba方程的参数求解均是采用试差法进行。为此本研究还设计了一个基于计算机技术的生物反应动力学方程参数快速拟合程序,可以大大提高相关参数的求解速率和准确性。本研究的主要成果包括:(1)通过对比单独生物降解吡啶实验与先经紫外光照、再进行生物降解吡啶实验发现,经过光照后吡啶和2-羟基吡啶的降解速率分别提升约14%和17.4%,验证了内源电子对吡啶及2-羟基吡啶的加速作用;(2)通过分析实验数据发现,无论是否经过紫外光照,吡啶的降解速率总是比2-羟基吡啶快20%左右,即电子更倾向于流向吡啶;(3)为解释上述现象,提出两点假设:即相对浓度决定的电子流向和电子亲和力决定的电子流向;(4)为了验证相对浓度决定电子流向这一假设,配制了不同相对浓度吡啶与2-羟基吡啶混合溶液,再进行生物降解,发现速率参数k值始终为k吡啶=0.36、k2-羟基吡啶=0.06,该结果表明不同相对浓度并不会改变电子的流向;(5)为了验证电子亲和力决定电子流向这一假设,设计了抑制降解速率动力学实验,得到不同浓度下吡啶和2-羟基吡啶的降解速率情况。通过对比动力学参数,可知吡啶的电子亲和力比2-羟基吡啶大25%左右,从而解释这一现象;(6)上述实验数据均可比较完美的用分数级反应动力学方程及Aiba模型方程拟合,Pearson系数均在0.92以上,具有强相关性;(7)本研究实验均基于新型折流式内循环生物反应器,为处理难降解有机废水提供了一个较为有效的反应装置;(8)针对手动试差法求解生物反应动力学参数较为困难这一情况而设计的生物反应动力学方程快速拟合程序,可将计算准确性提升5%以上,并节约了大量时间,具有较强的应用价值。
【关键词】：吡啶 电子流 生物反应动力学 计算机参数求解
【学位授予单位】：上海师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X784
【目录】：

• 摘要2-4
• Abstract4-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 吡啶的性质与危害11-12
• 1.1.1 吡啶的物理性质11
• 1.1.2 吡啶的化学性质11
• 1.1.3 吡啶的危害11-12
• 1.2 含吡啶废水的处理技术12-14
• 1.2.1 物理法12
• 1.2.2 化学法12-13
• 1.2.3 生物法13-14
• 1.2.3.1 吡啶的生物降解13-14
• 1.3 吡啶好氧生物降解过程中的电子理论14-15
• 1.4 计算机技术在环境学领域的应用15-16
• 1.4.1 环境监测技术15
• 1.4.2 方程参数求解技术15
• 1.4.3 环境模拟技术15-16
• 1.5 研究的目的与内容16-18
• 1.5.1 研究目的16-17
• 1.5.2 研究内容17-18
• 1.5.2.1 内源电子对吡啶好氧生物降解的加速作用17
• 1.5.2.2 电子流在两步单加氧反应中的分布17
• 1.5.2.3 生物降解动力学参数的计算机求解17-18
• 1.6 研究创新点18
• 1.7 研究的流程设计18-20
• 第2章 利用内源电子加速吡啶好氧生物降解20-28
• 2.1 材料与方法20-24
• 2.1.1 新型折流式内循环生物反应器20-21
• 2.1.2 紫外光照吡啶装置21
• 2.1.3 实验试剂、耗材及仪器21-23
• 2.1.3.1 实验试剂及配法21-22
• 2.1.3.2 实验耗材与仪器22-23
• 2.1.4 吡啶活性污泥的驯化23
• 2.1.5 新型折流式内循环生物反应器的挂膜操作23-24
• 2.1.6 实验方法24
• 2.1.7 吡啶及2-羟基吡啶标线24
• 2.2 分析方法24-25
• 2.3 结果与讨论25-27
• 2.3.1 吡啶单独生物降解25
• 2.3.2 吡啶经过紫外光照后进行生物降解实验25-26
• 2.3.3 两组实验数据的对比与分析26-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第3章 电子流在两步单加氧反应中的分布28-33
• 3.1 材料与方法28-30
• 3.1.1 新型折流式内循环生物反应器28
• 3.1.2 实验试剂、耗材及仪器28
• 3.1.3 吡啶活性污泥的驯化28
• 3.1.4 新型折流式内循环生物反应器的挂膜操作28-29
• 3.1.5 实验方法29-30
• 3.1.5.1 验证假设1的实验方法29
• 3.1.5.2 验证假设2的实验方法29-30
• 3.1.6 吡啶及2-羟基吡啶标线30
• 3.2 分析方法30
• 3.3 结果与讨论30-32
• 3.3.1 第一个假设的实验结果与分析30-31
• 3.3.2 第二个假设的实验结果与分析31-32
• 3.4 本章小结32-33
• 第4章 基于吡啶生物降解的生物反应动力学研究33-40
• 4.1 分数级反应动力学33-37
• 4.1.1 零级反应动力学33-34
• 4.1.2 一级反应动力学34-35
• 4.1.3 二级反应动力学35-36
• 4.1.4 分数级反应动力学36-37
• 4.2 细胞生长反应动力学37-39
• 4.2.1 无抑制的细胞生长动力学-Monod模型37-38
• 4.2.2 有抑制的细胞生长动力学-Aiba模型38-39
• 4.3 本章小结39-40
• 第5章 利用动力学拟合程序求解生物反应动力学参数40-50
• 5.1 计算机求解拟合方程商业软件简介40-41
• 5.1.1 Excel表格软件40-41
• 5.1.2 OriginPro数据分析软件41
• 5.1.3 Matlab数学软件41
• 5.2 Java编程语言及开发平台41-42
• 5.3 动力学拟合程序简介42-49
• 5.3.1 程序设计思路42-43
• 5.3.2 动力学快速拟合程序主要界面43-45
• 5.3.2.1 输入界面43-44
• 5.3.2.2 输出界面44-45
• 5.3.3 动力学拟合程序与试差法的求解效率对比45-46
• 5.3.3.1 实验设计45-46
• 5.3.3.2 实验结果与分析46
• 5.3.4 本程序核心算法46-49
• 5.3.4.1 最小二乘法46-47
• 5.3.4.2 Pearson相关系数法47-48
• 5.3.4.3 两种算法的综合分析48-49
• 5.4 本章小结49-50
• 第6章 结论与建议50-52
• 6.1 结论50-51
• 6.2 建议51-52
• 参考文献52-57
• 附录 动力学拟合程序部分代码57-59
• 攻读学位期间取得的研究成果59-60
• 致谢60-61

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