电极介导污水管道调控硫转化及机制解析

发布时间：2020-04-20 08:24

【摘要】：城市污水管网中产生的硫化氢(H_2S)气体不仅对人体有毒害作用,而且会引起污水管道老化腐蚀,传统方法虽然可对一定长度的污水管道硫化物起到控制作用,但投加药剂或硝酸盐(NO_3~-)等电子受体往往会随污水一同流动,难以对产生硫化物浓度较高的污水管道节点起到控制作用,目前针对污水管道中持续产生硫化物较强的“点源”,则缺乏适用性强的控制技术。本文提出了电极介导污水管道调控硫转化(SO_4~(2-)→S~(2-)→S~0),来控制市政污水管道H_2S气体产生的思路,以污水管道中产生硫化物浓度较强的管道连接处为研究对象,讨论了生物阳极及管道生物膜的驯化效果;考察了水质参数(硫酸盐(SO_4~(2-))和有机物)和不同操作条件(电导率、阴极面积和阳极电位)对电极介导污水管道调控硫转化的影响,从而优化系统运行条件;解析了在电极系统作用下管道内的硫转化途径。具体的研究结论如下:(1)在阳极表面微生物驯化过程中,硫化物氧化菌(如Rhodobacter和Arcobacter)和单质硫氧化菌(如Thiobacillus)不断在阳极表面上富集,从第6个周期开始,系统内单质硫(S~0)能达到的最高浓度维持在72 mg L~(-1),此时活性较强的产电菌和硫氧化功能菌等在阳极表面富集成功;管道生物膜经过长期驯化也得到了相应的功能菌落,这些功能菌群的富集为微生物电极系统调控硫转化,控制H_2S气体产生提供了保障。(2)SO_4~(2-)的浓度在50-200 mg L~(-1)范围内时,SO_4~(2-)的浓度变化不会对阳极硫转化作用产生影响;当有机物浓度在100-300 mg L~(-1)之间时,有机物浓度越高,在微生物阳极作用下的出水中S~0所占比例越高,H_2S控制效果越好,当有机物浓度达到300 mg L~(-1)之后,出水中的硫化物(H_2S和S~(2-))所占比例保持在14%,H_2S控制效果不再发生变化。(3)本文发现当电导率为9.75 mS cm~(-1)时,在生物阳极的作用下出水中的硫化物(H_2S、S~(2-))所占比例最低(8%),S~0所占比例最高(71%),此时微生物电极系统硫转化效果最好;当阴极直径大于8 cm之后,系统出水中的硫化物(H_2S、S~(2-))所占比例保持在8.2%,S~0所占比例维持在70%,H_2S控制效果不再受阴极面积影响,因此阴极直径为8 cm时最优;当阳极电势为100 mV时,在生物阳极的作用下,94%的硫化物被氧化成S~0,出水中的H_2S所占比例几乎为0%,此时阳极电势较为适宜。(4)在电极系统的作用下,管道内的硫转化路径主要为:在阳极表面,首先S~(2-)在硫化物氧化功能菌作用下氧化成S~0,44%的S~0被水流冲刷掉或者落入管道底部,而剩余覆盖在阳极表面的S~0被单质硫氧化菌进一步氧化为SO_4~(2-),从而有效缓解S~0沉积现象,阳极S~(2-)氧化速率是S~0氧化速率的4.4倍,它们之间存在的速率差为定向调控S~(2-)转化为S~0,控制H_2S产生提供了可能,在管道底部,污水中的SO_4~(2-)在硫酸盐还原菌作用下生成S~(2-),产生的S~(2-)在阳极表面生成S~0,落入管道底部的S~0在单质硫还原菌作用下被还原成S~(2-),管道底部SO_4~(2-)和S~0同时发生还原反应,这些过程中系统内共生的微生物起到了关键性作用。
【图文】：

路线图,研究技术,路线图

研究技术路线图

管道连接,连接井

OH） 99.99% 上海振企化学试剂有限公司2.2.2 实验装置本章节采用了两个模拟污水管道连接井装置（如图2.1），一个用于阳极生物膜驯化，另一个用于对照实验，当微生物阳极驯化好之后，有微生物阳极的装置继续进水，另一个装置用于管道SRB生物膜驯化，其加工材料为聚碳酸酯有机玻璃，本实验是以《给排水标准图集》中 1500圆形混凝土污水连接井为研究对象，连接井高度为3 m，混凝土井室内径为1.5 m，，上下游管径均为1 m，由上述污水管道连接井尺寸按10:1的比例缩小得到
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703

【参考文献】