外源强化厌氧处理费托合成废水的效能研究

发布时间：2020-09-15 07:58

　　 在世界原油短缺和我国日渐增长的石油需求的双重背景下,以费托合成为代表的新兴煤化工产业近年来得到了快速的发展。然而,费托合成工艺过程中所产生的费托合成废水是遏制该产业进一步腾飞的主要制约因素。因此,费托合成废水的高效降解是实现产业发展和环境保护双赢的唯一出路。考虑到厌氧工艺中产甲烷菌群对外界环境的高度敏感性无形中会增加费托合成废水处理的不稳定性且造成去除效率低下。基于以上原因,本文研究了三种外源(零价铁屑(SZVI)、粉末Fe3O4和微电流)对于厌氧降解费托合成废水的强化作用。探究了SZVI强化厌氧工艺处理费托合成废水的效能,发现SZVI自身的腐蚀作用不仅可以缓冲体系中因酸化引起的p H值下降,而且还能降低体系ORP值,使得体系的COD去除率和甲烷产量始终比未加SZVI试验组高出11.2%和0.42 L/(L·d)。Fe2+离子作为SZVI的腐蚀产物,其可以通过架桥连接的方式将胞外聚合物(EPS)中的蛋白与多糖进行结合,进一步促进了生物膜内微生物的凝聚以及粘附作用。再者,Fe2+离子对产甲烷特征酶系的强化作用在于增加了辅酶F420的含量,强化了辅酶F420的电子载体作用并且加快了种间的电子传递速率。高通量16S r RNA测序表明Fe2+的存在促进了一类氢营养产甲烷菌的富集,使其总相对丰度高达30.31%,保证了酸化阶段所产生的H2被持续消耗,强化了有机酸氧化菌和氢营养型产甲烷菌之间的种间氢传递(Interspcies H2 transfer,IHT)机制。考察了粉末Fe3O4强化厌氧降解费托合成废水的效能。试验结果表明,0.4g粉末Fe3O4的一次性添加能保证体系中的COD去除率高达84.3±2.0%,远高于0.2、0.6和0 g添加条件下的73.9%±3.7%、32.5±2.8%和62.6±1.9%。对污泥内部铁形态的分析发现,最佳Fe3O4投加量致使了污泥内部还原态Fe的比例达到了最高的39.4%并远高于其他试验组,表明了还原态Fe的大量富集与高COD去除率和高甲烷产量存在紧密的关系。对最佳Fe3O4投加量的试验组进行高通量16S r RNA测序发现,Geobacter菌属和Methanosaeta菌属的相对丰度高达14.04%和24.11%,证实了这种以Fe3O4为基础的直接电子传递(Direct interspecies electron transfer,DIET)机制。更重要的是,以Fe3O4为基础的DIET机制无形缩短了种间间距,提升了电子传输效率并且促进了丙酸与丁酸的β-氧化作用以及保证了持续的产甲烷驱动力。分析了微电流强化DIET机制处理费托合成废水的效能。对比了不同阶段下运行效能发现,1.5 V(电极间距:2 cm)外加电压所诱导产生的微电流效应能达到对体系运行效能的最佳强化。特别的是,微电流的效应使得厌氧微环境更趋于还原,并为一类专性厌氧菌的富集提供了便利,使得BES-UASB中COD去除率和甲烷产量分别达到了86.7±1.7%和2.23±0.15 L/(L·d),远高于UASB中74.4±1.3%的COD去除率和1.78±0.08 L/(L·d)的甲烷产量。微电流效应促进了微生物EPS的分泌并且增加了一类紧密结合型EPS(TB-EPS)中蛋白的含量,使得丝状菌可以将更多的游离颗粒和絮体通过缠绕和卷扫作用凝聚在一起并且形成更加稳定的颗粒形态。经高通量16S r RNA测序和悬浮污泥电导性的结果证实,微电流对DIET机制的强化作用在于缩减种间间距并且为DIET机制提供有利条件,使得Geobacter菌属氧化有机物所产生的电子经由电导性鞭毛(e-pili)迅速传导至Methanosarcina菌属并直接转化为甲烷,保证了丙酸和丁酸转化的持续进行以及完整的产甲烷作用。基于小试试验对三种外源的评估,探究了将粉末Fe3O4作为外源引入中试厌氧污泥床(UASB)以强化费托合成废水处理。一次性投加2400 g粉末Fe3O4并且搭配200%的厌氧出水回流不仅有效减少了Fe3O4的流失,而且保证了COD去除率高达90.6±2.2%。同时,200%的厌氧出水回流可以有效中和进水H+,使得进水p H为4.94±0.07仍满足UASB的进水p H要求并减少了碱度投加。再者,结合不同阶段有机酸含量和污泥电导性变化发现,在200%厌氧出水回流和Fe3O4的共同作用下,UASB中形成了DIET为主并且IHT为辅的电子传递机制,在促进了丙酸和丁酸持续向乙酸转化的同时也保证了污染物去除的高效性。更重要的是,在厌氧段处于最佳的运行工况下,外源强化厌氧段-多级好氧段-深度处理段的组合工艺在中试规模下能保证出水始终低于50 mg/L并能满足国家一级A排放标准。这一结果表明了外源诱导产生的厌氧强化效应对中试组合工艺的高效运行存在积极作用,保证了整个中试工艺的稳定运行,并且进一步证实了外源强化厌氧工艺具有稳定高效的优势,存在重要的工程应用价值。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X703
【部分图文】：

醛类等副产物[6]，其工艺示意图如图 1-1 所示。对于两种制液化对煤种筛选较为宽松，工艺运行条件温和，可以通过调产品结构，其在未来煤制油技术发展中占有主导地位[7]。表 1-1 各国煤直接液化制油工艺研究状况Table1-1 Direct liquefaction of coal for oil production in each country工艺 规模（t/d）温度℃压力Mpa催化剂 主要产品（%C1-C4 C≥C5 沥IGOR 200 470 29-30 赤泥 19.0 57.9 yrosol 6 - - - 21.3 47.3 RC-Ⅱ 50 460 14 黄铁矿 16.0 43.7 EDS 200 425-45015-17 非催化 5.0 24.0 H-Coal 600 435-46514-20 Co-Mo 10.5 33.0 HTI 3 400-42018 胶体铁 10.7 61.1 EDOL 150 435-46515-20 2~4%Fe 17.6 50.7 BCL 50 360-45015-20 FeOOH 13.6 51.8 神华 6000 455 19 FeOOH 13.2 57.2

系内厌氧电子传递机制、厌氧微生物互营效应导致了对费托合成废水中一类特征污染物的降难以对具体实践形成指导。另一方面，Majone 究仅仅局限于在人工配水，人工废水的 COD 含是其人工废水的组分与费托合成废水存在巨大降解难以与费托合成废水的高效降解进行类比。的研究方向应该坚持厌氧降解为主、好氧降解以一步阐明费托合成废水厌氧降解体系中菌群的以完善费托合成废水厌氧降解理论体系并指导工工艺的研究进展工艺的原理自然界中最常见的厌氧生物过程之一，广泛存在动物肠胃里，污水管网以及市政垃圾填埋厂中续的发展主要经历三次重要的演替。

哈尔滨工业大学工学博士学位论文伴随着厌氧消化学说的与时俱进，并且基于早期的学说无法反映出厌氧消原理的本质情况的前提下，然而后期在先前学说中提及的“奥氏产甲烷菌”由不同功能性菌群所构成的启发下，因此，后续经凝练并提出的厌氧消化“三段学说”受到业内专家的充分肯定。该学说原理在于将厌氧消化过程细分为个主要阶段，分别是由发酵细菌、产氢产乙酸菌和产甲烷菌所诱导产生的水发酵阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段，详细的三阶段学说的代谢过程如 1-3 所示[25]。

本文编号：2818708