导电性材料对废水发酵产甲烷中ZnO NPs毒性的削减作用及应用研究

发布时间：2020-04-16 18:10

【摘要】：纳米氧化锌(ZnO NPs)由于其优良的磁性、电化学和光学等特性,被广泛应用于环境保护、生物工程、化工和医学等领域。如此广泛的应用必将带动纳米材料的大量生产,而这些纳米材料在常规排放或者偶然事故发生时均将通过各种渠道汇集至污(废)水厂中。ZnO NPs的暴露对污水厂脱氮除磷工艺产生负面影响,导致出水不合格;ZnO NPs也能够抑制剩余污泥厌氧发酵产甲烷进程,导致甲烷产量下降。本文即以颗粒污泥处理有机废水产甲烷体系作为研究对象,开展了关于ZnO NPs的毒性削减研究。首先选取非碳基导电材料代表的纳米四氧化三铁(Fe_3O_4 NPs)考察其对ZnO NPs毒性的削减作用。基于Fe_3O_4 NPs对甲烷合成途径的研究结果表明,Fe_3O_4 NPs对乙酸型和混合型甲烷合成途径呈现明显的先增后降现象,其最适投加浓度为300 mg/g-TS;Fe_3O_4 NPs促进氢型发酵途径的浓度范围为300-600 mg/g-TS。Fe_3O_4 NPs对废水发酵产甲烷中ZnO NPs的毒性削减作用及其相关机理研究结果表明,与ZnO NPs暴露产生的抑制作用相比,在受ZnO NPs胁迫的发酵系统内分别添加50和100 mg/g-TS Fe_3O_4 NPs可促使甲烷产量分别增加101.0%和84.5%,表明Fe_3O_4 NPs能显著削减ZnO NPs对厌氧发酵甲烷化的抑制作用,并且最佳浓度50 mg/g-TS Fe_3O_4 NPs的暴露能完全解除ZnO NPs造成的毒害作用。进一步机理研究表明Fe_3O_4 NPs可解决因ZnO NPs造成的厌氧消化系统的有机酸积累问题、促进发酵的酸化和甲烷化进程,此外,Fe_3O_4 NPs可能会修复因ZnO NPs胁迫受损的EPS及微生物结构。此外,论文还选取了碳基导电材料代表的颗粒活性炭(GAC)考察其对ZnO NPs的毒性的削减作用。结果表明,与ZnO NPs暴露产生的抑制作用相比,在受ZnO NPs胁迫的发酵系统内分别添加10,20和30 g/L的GAC可促使甲烷产量分别增加15.6%、50.0%和95.2%,表明GAC能显著削减ZnO NPs对厌氧发酵甲烷化的抑制作用,并且最佳浓度30 g/L GAC的暴露能完全解除ZnO NPs造成的毒害作用。进一步机理研究表明GAC可解决因ZnO NPs造成的厌氧消化系统的有机酸积累问题、促进发酵的酸化和甲烷化进程,此外,GAC可能会修复因ZnO NPs胁迫受损的EPS及微生物结构。GAC还可吸附部分ZnO NPs,减少ZnO NPs与微生物的有效接触,降低ZnO NPs对微生物的破坏作用。最后,基于实验室模拟废水的研究确定的最佳工艺参数,进行了Fe_3O_4 NPs和GAC对实际废水(食品工业废水)在UASB反应器中厌氧发酵产甲烷中ZnO NPs的毒性削减的应用研究。结果表明,与ZnO NPs暴露对甲烷产量和有机物COD降解率产生的抑制作用相比,Fe_3O_4 NPs和GAC的添加能够促使反应器的日甲烷产量分别增加80.0%和81.4%,COD去除率分别提高80.2%和80.5%,实现了Fe_3O_4 NPs和GAC在UASB工艺应用上对食品工业废水发酵过程中ZnO NPs暴露毒性削减的目的。
【图文】：

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1 厌氧发酵技术研究进展在严格厌氧的条件下，兼性或者厌氧微生物通过代谢作用将复杂的有机物转化解性有机物，并产生水、氢气、二氧化碳、甲烷、氨和硫化氢的技术称为厌氧发1]。该技术应用广泛，多应用于废水处理、垃圾废弃处理等多个领域[2]。厌氧发酵在应用和研究的过程中日渐成熟。1.1 厌氧发酵技术基础理论自二十世纪九十年代初，厌氧发酵理论从出现到发展共经历了三个阶段，即两论、三阶段理论和三阶段四菌群学说。1936 年，Barker 提出了厌氧发酵的“两阶段理论”，此为首次提出厌氧发酵理“两阶段理论”中厌氧发酵被分为两个阶段，酸性发酵阶段和产甲烷阶段，发挥微生物菌群主要是产酸菌和产甲烷菌。具体代谢过程如图 1.1 所示[3]。

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图 1.2 厌氧消化“三阶段理论”示意图对厌氧微生物的研究，，Zeikus 等人发现了“三阶段四菌群学说”。“三阶”是在“三阶段理论”上增加同型（耗氢）产乙酸菌。此时参与代谢的微是水解产酸菌、产氢或产乙酸菌、同型产乙酸菌及产甲烷菌四大类菌群。可代谢厌氧体系中的H2/CO2以合成乙酸。此方式合成的乙酸占据总乙酸的有在氢分压和乙酸浓度较低的条件下，同型产乙酸过程才会出现。“四菌氧消化过程分为了水解阶段、酸化阶段、产氢/产乙酸阶段和产甲烷阶段。阶段，水解和产酸菌将复杂有机物分解成单糖、二糖、脂肪酸、甘油、氨性简单有机物，接着在胞内将单体分解为乳酸、乙酸、丙酸等小分子物质酸阶段，产氢/产乙酸菌将第一、二阶段的有机酸和醇分解为 H2和乙酸[5菌将 H2/CO2合成乙酸，将甲酸等一碳化合物合成乙酸。产甲烷阶段中产、H2/CO2代谢合成甲烷[6]。
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703

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