零价铁强化厌氧过滤式生物膜反应器的性能和机理研究

论文摘要

相较于厌氧膜生物反应器(AnMBR),厌氧动态膜生物反应器(AnDMBR)用粗孔过滤材料替代微滤/超滤(MF/UF)膜,具有低成本、低能耗的显著优势。但是膜污染问题依旧存在,影响了该工艺的工程应用前景。反应器内的悬浮态污泥是最主要的膜污染物,将其浓度最小化是控制膜污染的有效措施。基于此,课题组前期提出了一种完全利用粗孔过滤材料上所附着动态膜(实质为生物膜)实现有机物去除、悬浮污泥浓度近似为零的新型厌氧过滤式生物膜反应器,并取得了良好的工艺表现。目前,对新型厌氧过滤式生物膜反应器的研发还处于初级阶段,在工艺优化方面还有诸多研究工作亟待开展。此外,过滤式生物膜的物化和微生物学特性尚未明确。基于零价铁的强还原性和其在传统厌氧工艺性能强化中的成功应用,本研究首次尝试了投加零价铁强化厌氧过滤式生物膜反应器的运行表现,并对相关机理进行了探究。通过对比分析两台反应器(空白R1和零价铁强化R2)对低浓度合成污水的处理性能和过滤性能,探究了生物膜的内、外层特性及其与反应器性能之间的相关关系,揭示了零价铁强化厌氧过滤式生物膜反应器的作用机理。得出的主要结论如下:(1)零价铁投加强化了厌氧过滤式生物膜反应器的处理性能。R2反应器出水COD浓度为43.0±17.9mg/L,较空白R1降低了31.0%,平均COD去除效率提高到90.1%,沼气产量升至340 mL/d,出水中的VFA降低为9.5 mg/L。(2)零价铁投加改善了厌氧过滤式生物膜反应器的过滤性能。R2反应器的稳定TMP为4kPa,较空白R1反应器降低了 11%。此外,零价铁的投加对出水浊度没有产生显著影响,平均为3.63 NTU,实现了良好的截留效果。(3)零价铁投加改变了生物膜的物化特性。与R1生物膜相比,R2生物膜结构疏松、EPS含量(特别是多糖含量)降低,有助于改善过滤能力,提高运行稳定性。随着生物膜深度的增加,生物膜的结构逐渐致密,平均粒径逐渐增大,蛋白质含量逐渐降低,多糖含量逐渐增加。(4)零价铁投加优化了生物膜中细菌群落结构,促进了水解酸化效率,为后续产甲烷阶段提供了适宜底物。与R1生物膜相比,R2生物膜中与厌氧水解酸化、产氢产乙酸过程有重要作用的优势菌门—变形菌门和拟杆菌门的相对丰度增加,整体提高了 12%左右;R2生物膜中与VFA的降解转化和产甲烷过程相关的互营杆菌目的相对丰度分别提高了9.52%、3.99%。(5)零价铁投加优化了生物膜中古菌群落结构,促进了产甲烷古菌的表达。与R1生物膜相比,R2生物膜中甲烷鬃毛菌属的占比提高了7～10%,零价铁加强了甲烷鬃毛菌属的主导作用。R2性能增强的主要微生物学机理是零价铁增加了生物膜中优势细菌和优势产甲烷菌群的相对丰度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 厌氧膜生物反应器
•     1.2.1 厌氧生物处理的原理
•     1.2.2 厌氧膜生物反应器概述
•   1.3 厌氧动态膜生物反应器
•     1.3.1 动态膜简述
•     1.3.2 厌氧动态膜生物反应器的定义和优点
•     1.3.3 厌氧动态膜生物反应器的研究现状
•   1.4 厌氧过滤式生物膜反应器
•     1.4.1 厌氧过滤式生物膜反应器的提出
•     1.4.2 厌氧过滤式生物膜反应器的优点和研究现状
•   1.5 零价铁在污水厌氧生物处理中的应用
•   1.6 研究目的与内容
•     1.6.1 研究目的
•     1.6.2 研究内容
• 第二章 实验材料与分析方法
•   2.1 厌氧过滤式生物膜反应器的装置和运行
•     2.1.1 实验装置
•     2.1.2 运行方式
•     2.1.3 合成污水
•   2.2 监测指标与分析方法
•     2.2.1 常规性能指标
•     2.2.2 生物膜样品的收集
•     2.2.3 生物膜物化指标
•       2.2.3.1 VSS的测定
•       2.2.3.2 胞外聚合物（EPS）的提取与测定
•       2.2.3.3 粒径分布（PSD）的测定
•       2.2.3.4 扫描电子显微镜（SEM）观察
•       2.2.3.5 傅里叶变换红外光谱（FTIR）的测定
•     2.2.4 微生物指标
•       2.2.4.1 RNA的提取和反转录
•       2.2.4.2 高通量测序
• 第三章 零价铁强化厌氧过滤式生物膜反应器的工艺性能研究
•   3.1 零价铁对厌氧过滤式生物膜反应器处理性能的影响
•     3.1.1 COD的去除效果
•     3.1.2 VFA的去除效果
•     3.1.3 沼气产量的变化
•     3.1.4 pH和ORP的变化
•   3.2 零价铁对厌氧过滤式生物膜反应器过滤性能的影响
•     3.2.1 成膜时间和出水浊度的变化
•     3.2.2 过滤阻力的变化
•   3.3 本章小结
• 第四章 零价铁强化厌氧过滤式生物膜的物化特性研究
•   4.1 零价铁对生物膜物理特性的影响
•     4.1.1 生物膜的形貌分析
•     4.1.2 粒径分布分析
•   4.2 零价铁对生物膜化学特性的影响
•     4.2.1 FTIR分析
•     4.2.2 EPS分析
•   4.3 本章小结
• 第五章 零价铁强化厌氧过滤式生物膜的微生物学分析
•   5.1 零价铁对细菌的影响
•     5.1.1 细菌微生物的多样性分析
•     5.1.2 细菌微生物的群落结构分析
•   5.2 零价铁对古菌的影响
•     5.2.1 古菌微生物的多样性分析
•     5.2.2 古菌微生物的群落结构分析
•   5.3 本章小结
• 第六章 结论及建议
•   6.1 结论
•   6.2 创新点
•   6.3 建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 附件
• 学位论文评阅及答辩情况表

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张娜

导师: 梁爽

关键词: 零价铁,厌氧动态膜生物反应器,厌氧过滤式生物膜反应器,动态膜,生物膜

来源: 山东大学

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑

专业: 环境科学与资源利用

单位: 山东大学

分类号: X703

总页数: 93

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