微生物作用下外源二价铁影响UASB反应器运行性能的研究

发布时间：2020-07-12 01:37

【摘要】：自60年代始,水体富营养化现象逐渐引起人们的高度重视,现已演变为全球性环境生态问题,全面防控并协同治理氮磷污染是目前解决的有效路径。现如今,随着人们日益关注环境问题,绝大部分国家都制定了非常严格的城市污水排放规定。但是,当前运用的生物处理脱氮除磷方法仍旧存在着一些“效率较低”、“稳定性差”、“低温硝化”等困难。UASB(Up-flow anaerobic sludge blanket)厌氧反应器,由于其运行成本较低、占地较小及产生较少排放物等优点,很早就被人们用来处理高浓度有机废水。UASB反应器需要大量有益微生物的共同参与才能达到较好的除氮效果,因此需要提供大量的有机碳类才能保持反应器的高效运行。同时,对于UASB反应器还需要进一步地完善其运行体系来获取更高效运行。反应器的运行包括四个关键步骤:水解、酸化、产酸和产甲烷,这四个部分是相互联系并依次运行的。在微生物的长期作用下,微生物与有机废弃物之间构建了相互依赖与制约的“共生”关系。因此,最大限度地维持微生物的种类及丰度,对于反应器的稳定性具有十分重要的作用,如pH值。UASB反应器具有一定的pH缓冲能力,使系统维持在6.3-7.8之间,但是如果pH值变化较大,其直接会使反应器的一项重要指标COD去除率明显下降。在以往研究过程中,通过添加碳酸氢钠来维持系统pH的稳定性,从而致使污水中含有大量的钠离子。因此,需要一种更稳定、更有效的方法来维持系统运行的稳定性。通过在UASB厌氧反应器中添加二价铁离子,本研究发现外源二价铁离子能够维持系统的长时间高效运行,并且能够使酸化的厌氧反应器恢复正常运行。在此基础上,也深入研究了二价铁离子改善UASB厌氧反应器运行性能的作用机理。主要研究内容与结果如下:(1)反应器运行最优二价铁离子浓度筛选通过添加不同量的FeCL_2,使进水中的二价铁离子浓度分别为0、1mM、2mM、3mM、4mM、5mM、6mM和7mM。未加入二价铁离子的正常运行反应器中,反应器的COD去除率在79%左右。当加入二价铁离子,COD去除率逐渐增加。当二价铁离子浓度达到5mM时,COD去除率达到89%左右。但随着二价铁离子浓度的继续增加,COD去除率却迅速下降。因此,可筛选出UASB厌氧反应器中最优的二价铁离子浓度为5mM。(2)外源铁对UASB反应器中污水理化指标的影响本研究设置了对照组反应器。UASB反应器运行19天后(UASB反应器趋于正常稳定运行),在进水中加入FeCL_2并进行溶液标定,使其反应器内污水的终浓度为5mM,对照组反应器不加入任何外源金属离子。对照组UASB反应器和实验组UASB反应器运行1-19天,两组反应器中的COD去除率和pH都趋于稳定,而且COD去除率能够保持在80%-88%之间。当反应器运行至21天时,对照组反应器中的pH迅速下降。当运行至43天时,pH下降至6以下,同时COD去除率也下降至40%-55%之间。与此同时,实验组由于在第19天加入了外源二价铁离子,运行21天后其COD去除率和pH均能够保持较长时间稳定。另外,在已经酸化的对照UASB反应器中加入外源二价铁离子,发现加入铁离子后运行20天左右,UASB反应器的COD去除率上升至90%以上,同时pH也迅速的恢复至7左右。而且反应器能够长时间稳定运行。通过检测不同时间段的NO_3~-、NO_2~-、NH_4~+、Fe~(3+)和Fe~(2+)浓度变化,发现在反应器正常运行19天之内,反应器中的大部分NH_4~+都能转化为NO_3~-和NO_2~-离子。当加入铁离子后,NO_3~-和NO_2~-离子含量也迅速下降。因此,可以看出,二价铁离子促进了NO_3~-和NO_2~-离子的有效去除。实验数据表明,当停止加入二价铁离子,反应器内NO_3~-和NO_2~-离子含量迅速上升。当反应运行至89天时,pH下降至6以下,NO_3~-和NO_2~-离子含量分别达到了5.1 mM和2.4 mM,远高于反应器运行的1-19天。当重新加入二价铁离子,在反应器运行至105天时,NO_3~-和NO_2~-离子含量分别降至3.4mM和1.4 mM。(3)外源铁对UASB反应器中微生物群落的影响本研究通过16S高通量测序,检测了反应器运行的四个时间段(Con:对照;AdF:加入二价铁离子;Aci:酸化期;Rev:酸化恢复期)中内部微生物种群的变化情况与生长趋势。高通量测序结果表明:在Con中,Clostridium,Hydrogenophaga,Flavobacterium,Prevotella,Achromobacter,Paludibacter,Chryseobacterium,Treponema,Longilinea,Bacteroides,Cloacibacterium,Sulfuricurvum和Methylotenera所占比例较高。当加入二价铁离子以后,Hydrogenophaga,Methylotenera,Zoogloea和Fluviicola所占比例有所增加,但是Clostridium,Flavobacterium,Prevotella,Achromobacter和Paludibacter所占比例下降明显。在Aci中,Paludibacter,Zoogloea和Methylomonas所占比例下降明显,但是当通过加入二价铁离子反应器恢复正常后,Hydrogenophaga,Methylotenera,Zoogloea和Fluviicola又重新上升为比例最高的几个属。同时,针对厌氧反应器内的理化特性指标和微生物种群动态变化之间的关系也进行了分析研究。通过分析发现,理化特性和微生物之间具有一定的相关性。二价铁离子与Clostridium,Prevotella,Treponema和Bacteroides具有显著的负相关性,而与Hydrogenophaga,Paludibacter,Methylotenera和Zoogloea具有显著的正相关性;硝酸根离子与Hydrogenophaga具有明显的正相关性,与Paludibacter和Methylotenera具有明显的负相关性;亚硝酸根离子与Longilinea和Methylotenera具有明显的负相关性;铵根离子只与Paludibacter呈现明显的正相关性。(4)UASB反应器中细菌的筛选及鉴定采用细菌分离纯化方法,将可进行放大培养的目标细菌从厌氧反应器中分离纯化出来。通过人工培养基筛选,确定了4株具有较强反硝化能力的细菌。同时,通过在UASB反应器中添加细菌,本研究也发现了细菌具有显著增强反应器运行性能的作用。(5)外源铁对UASB反应器中酶活性指标的影响本研究通过检测加入二价铁离子后厌氧反应器中的不同酶活性指标,发现蛋白酶、脲酶、磷酸酶和淀粉酶在加入二价铁离子后活性逐渐增加,分别增加了23%、36%、22%和36%。
【学位授予单位】：安徽农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703
【图文】：

流程图,厌氧降解,流程

图 1-1 厌氧降解流程Figure 1-1 Anaerobic degradation process三阶段人们研发了很多不同类型的厌氧反应器是利用厌氧菌体代谢的生物化学基本原理。如厌氧内循环反应器(IC)、厌氧颗粒污泥膨胀床膜生物系统(AMBS)等[65-70]。究的目的与意义及内容氮除磷一直是污水治理中亟待解决的重要问题之一，由于单纯生物脱流程简单、低耗、高效技术要求，因此开发新的复合式脱氮除磷工艺96]。据调查，我国城市污水处理企业中普遍存在脱氮除磷效率低、运温硝化等生物脱氮除磷技术问题。长久以来，以 UASB 为代表的生除磷的主流工艺，经多年实践取得了良好的运行效果，但是该工艺中的菌、反硝化菌和聚磷菌功能微生物混合生长，在不同反应条件下各种限制了系统最大处理能力的发挥[97]。

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图 2-1 UASB 反应器示意图Figure2-1 Schematic diagram of the continuous UASB料取自安徽省合肥市经济技术开发区污水处理厂厌氧池，接应器有效容积的 30%，UASB 厌氧反应器的水力停留时间设器表 2-1 主要实验仪器Table 2-1 Experimental Instruments仪器型号生产商作台 AIR TECH 上海博迅实业有限公司风干燥箱 DHG 上海精宏实验有限公司

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图 2-2 不同二价铁离子浓度对 UASB 反应器中 COD 去除率的影响Figure 2-2 Effect of different concentrations of Fe2+on the COD removal efficiency in U未加入二价铁离子的正常运行反应器中，反应器的 COD 去除率在 7入二价铁离子以后，COD 去除率逐渐增加。二价铁离子浓度达到 5m率达到 89%左右。随着二价铁离子浓度的继续加大，COD 去除率迅速达到 7mM 时，COD 去除率下降至 82%左右。实验数据表明，在一定浓离子能够有效地促进 COD 的去除，但当二价铁离子浓度达到一定累加器中 COD 去除起到的作用则逐渐降低。因此，可鉴定出 UASB 厌氧反二价铁离子投加浓度为 5mM。4.2 UASB 反应器 COD 去除率及 pH 变化为了检测外源二价铁离子对 UASB 厌氧反应器运行性能的影响，本了两组反应器。实验组 UASB 反应器运行 19 天后（UASB 反应器趋于），进水中加入 FeCL2使其终浓度为 5mM，对照组反应器不加入任何外

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