芦苇生物炭基质改善固定化微生物技术去除水体中氨氮的研究

论文摘要

氨氮来源广泛,过量排入水体会引发富营养化等问题,降低水体中氨氮浓度具有重要的现实意义。近年来,固定化微生物技术作为一种新型的生物技术,已应用于含氮废水的处理并且取得了一定的效果,具有良好的应用前景。采用高效低成本的载体材料是研究重点。生物炭基质可以作为固定化微生物载体,改善固定化技术,对氨氮的去除具有很大的应用前景。本课题以我国广泛分布的挺水植物优势种芦苇为原料制备生物炭,结合包埋材料固定脱氮菌群制备固定化微生物颗粒,研究生物炭基质对固定化技术去除氨氮的影响。为确定合理的固定化方案,设计复合材料的正交实验,确定配比优化载体;测试固定化微生物颗粒的性能,研究改性生物炭和生物炭粒径对固定化微生物颗粒降解氨氮的影响;采用高通量测序方法分析不同固定化微生物颗粒中的脱氮菌群生长情况,从微生物角度探讨生物炭对固定化颗粒微生物群落的影响;研究了吸附时间,初始氨氮浓度,生物炭用量,溶液pH值和温度对固定化微生物颗粒吸附氨氮的影响。主要研究结果如下:（1）芦苇生物炭含有大量含氧官能团,扫描电镜结果显示生物炭有丰富的孔隙构造,镁改性生物炭具有更加均匀的微孔结构,镁改性的生物炭比表面积增加了122.406m2/g,孔容和平均孔径分别减少0.132cm3/g、2.472nm,平均粒径也有所减少,XRD证实了改性生物炭MgO的存在,改性生物炭对氨氮吸附量增加从0.149mg/g增加到0.191mg/g。活性污泥经过21天驯化后,耗氧速率OUR值和氨氧化速率分别为驯化前污泥的4.2倍和5.5倍,最终氨氮去除率为93%,显示污泥有较好的硝化性能,驯化完成。通过正交实验分析最终确定固定化微生物颗粒制备的最佳组合,即PVA含量为8%、SA含量为3%、包泥量为60%、包炭量1%;（2）从粒径分别为0.60mm、0.45mm、0.30mm、0.15mm生物炭基质的固定化微生物颗粒内外表面扫描电镜图可以看出,粒径越小颗粒表面越加粗糙,切面表现为粒径越小孔隙分布越均匀;当粒径为0.15mm时,达到对氨氮的最佳吸附量为0.43mg/g。对未加入生物炭、加入生物炭及加入改性生物炭的A、B、C三组固定化微生物颗粒性能的研究结果表明,生物炭基质增强了固定化微生物颗粒对酸碱的缓冲能力,同时显著的提升了颗粒的传质性能,B、C组较A组分别提高了28%、52%,三组间的机械强度无差异性影响,同时提高了固定化微生物颗粒对氨氮去除率,C组的氨氮去除率最高达到96.34%;（3）对A、B、C三组固定化微生物颗粒的高通量测序结果显示,复合载体对固定的微生物群落演替有显着影响。在门水平上可以看出加入生物炭的固定化微生物颗粒B、C组中变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）、浮霉菌门（Planctomycetes）这类脱氮优势菌门丰度含量较A组含量得到提升;在属的水平上,B、C组固定化微生物颗粒中反硝化菌属含量较A组显著增加,且出现好氧反硝化菌属,表明生物炭和改性生物炭通过改善固定化微生物颗粒结构,提供了更加利于脱氮菌群生长的微环境;（4）固定化微生物颗粒对氨氮的的吸附在48h后达到平衡,准二级动力学方程可以更好地拟合固定化微生物颗粒对氨氮的吸附,这表明固定化微生物颗粒对氨氮的吸附过程受化学吸附的控制。同时结果表明,颗粒内扩散控制并非唯一速率控制步骤,吸附过程可能由吸附剂表面吸附和颗粒内扩散共同控制;吸附量和浓度初期成正比,最大氨氮吸附值为1.61mg/g。Langmuir-Freundlich模型可以更好地描述固定化微生物颗粒对氨氮的等温吸附,由朗格缪尔吸附和弗罗因德利希吸附共同控制。固定化微生物颗粒的投加量与其对氨氮的去除率成正比,对氨氮的吸附量成反比,在初始浓度为50mg/L的氨氮废水中,最佳投加量为8g/100mL,48h氨氮的去除率和吸附量分别为86%、0.43mg/g;固定化微生物颗粒对水体氨氮的降解率先随pH值的增加而逐渐增大,超过8和低于6时氨氮去除率低于60%,最适pH值应在7.5左右;在溶液温度为15℃情况下,固定化微生物颗粒对氨氮的去除率仅为67%。当温度继续升至40℃,硝酸氮盐积累增加到5.37mg/L,最终固定化微生物颗粒在温度为25℃到30℃是脱氮反应发生的最适温度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 水体中氨氮污染现状及去除技术
•   1.2 固定化微生物技术研究进展
•     1.2.1 固定化微生物技术概述
•     1.2.2 固定化微生物的制备方法
•     1.2.3 固定化微生物技术现状
•     1.2.4 固定化微生物技术的改进
•   1.3 生物炭的研究及应用
•     1.3.1 生物炭的研究进展
•     1.3.2 生物炭脱氮的应用
•   1.4 研究目的及意义
•     1.4.1 研究目的
•     1.4.2 研究意义
•   1.5 研究内容和技术路线图
•     1.5.1 研究内容
•     1.5.2 技术路线
•   1.6 创新点
• 第2章 固定化微生物复合载体的制备及配比优化
•   2.1 材料与方法
•     2.1.1 试验材料
•     2.1.2 主要化学试剂
•     2.1.3 仪器与设备
•   2.2 试验方法
•     2.2.1 生物炭的制备和改性
•     2.2.2 生物炭对氨氮的吸附
•     2.2.3 活性污泥的驯化
•     2.2.4 固定化微生物颗粒的制取
•     2.2.5 最佳配比实验
•   2.3 数据处理
•   2.4 结果与讨论
•     2.4.1 生物炭的理化性质
•     2.4.2 生物炭对氨氮的吸附效果
•     2.4.3 活性污泥指标
•     2.4.4 正交实验结果
•   2.5 本章小结
• 第3章 生物炭对固定化微生物颗粒的影响及去除氨氮的研究
•   3.1 材料与方法
•     3.1.1 试验材料
•     3.1.2 主要化学试剂
•     3.1.3 仪器与设备
•   3.2 试验方法
•     3.2.1 不同粒径生物炭对固定化微生物颗粒去除氨氮的影响
•     3.2.2 生物炭对固定化微生物颗粒各性能指标的影响
•     3.2.3 生物炭对固定化微生物颗粒去除氨氮的影响
•     3.2.4 固定化微生物颗粒的高通量测序
•   3.3 数据处理
•   3.4 结果与讨论
•     3.4.1 不同粒径生物炭对固定化微生物颗粒去除氨氮的影响
•     3.4.2 生物炭对固定化微生物颗粒各性能指标影响
•     3.4.3 生物炭对固定化微生物颗粒处理氨氮效果的影响
•     3.4.4 固定化微生物颗粒的生物多样性
•   3.5 本章小结
• 第4章 固定化微生物技术吸附水中氨氮的影响因素
•   4.1 材料与方法
•     4.1.1 试验材料
•     4.1.2 主要化学试剂
•     4.1.3 仪器与设备
•   4.2 试验方法
•     4.2.1 吸附时间对固定化微生物颗粒吸附氨氮的影响
•     4.2.2 初始氨氮浓度对固定化微生物颗粒吸附氨氮的影响
•     4.2.3 投加量对固定化微生物颗粒吸附氨氮的影响
•     4.2.4 溶液PH对固定化微生物颗粒吸附氨氮的影响
•     4.2.5 温度对固定化微生物颗粒吸附氨氮的影响
•   4.3 数据处理
•   4.4 结果与讨论
•     4.4.1 吸附时间对固定化微生物颗粒吸附氨氮的影响
•     4.4.2 初始氨氮浓度对固定化微生物颗粒吸附氨氮的影响
•     4.4.3 投加量对固定化微生物颗粒吸附氨氮的影响
•     4.4.4 溶液PH对固定化微生物颗粒吸附氨氮的影响
•     4.4.5 温度对固定化微生物吸附氨氮的影响
•   4.5 本章小结
• 第5章 结论与展望
•   5.1 结论
•   5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 郑华楠

导师: 崔心红

关键词: 固定化微生物,芦苇生物炭,复合载体,氨氮

来源: 华东理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用

单位: 华东理工大学

分类号: X52;X172

总页数: 78

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