人工微生物颗粒载体的改性强化及其在污水处理中的应用
近年来，基于微生物固定化的污水生物处理技术开始受到人们的重视。生物载体作为微生物固定化技术的核心，其性能直接影响该技术的处理能力。常用的生物载体普遍由有机材料(例如聚乙烯醇和聚氨酯泡沫)制备而成，但是它们在应用过程中仍存在以下问题:(1)聚乙烯醇-海藻酸钠(PVA-SA)颗粒载体内部结构致密，传质性能较差，不利于气体和营养物质的内外运输，难以应用于好氧反硝化处理中;(2)废弃生物质制备的柠檬酸渣基聚氨酯泡沫表面光滑、亲水性差、表面正电荷较低，导致其出现生物亲和性差、微生物生物量低、挂膜速度慢、污水处理效率低等问题。针对上述问题，本论文通过对聚乙烯醇-海藻酸钠颗粒载体和柠檬酸渣基聚氨酯泡沫进行改性处理，制备出传质效率高、生物亲和性好、易于挂膜、生物量大、污染物处理能力高的新型微生物颗粒载体。主要研究结论如下: (1)改性条件为0.3％的NaHCC3，8.0％的聚乙烯醇(PVA)和1.0％海藻酸钠(SA)制备的载体具有最好的表观特征，与改性前的载体相比，平均孔径提高了 3.39倍，孔隙间的连通性更高，使得传质效率提高了12.8％。固定好氧反硝化细菌后，改性载体的NO3-N去除效率为99.06％,比改性前载体高出21.39％。探究改性载体固定反硝化细菌后的最佳脱氮条件，实验表明，细菌浓度为15％,载体投加量为10％,C/N=25∶1时，改性载体的脱氮能力最好，NO3-N和TN的去除效率分别为94.28％和98.87％。改性载体结构稳定，长时间使用仍能保持较高的反硝化性能，五个循环批次使用后，改性载体的NO3-N和TN的去除效率仍在99.5％和93％以上。改性载体也能通过干燥手段来储存，20℃下干燥24h后，改性载体的NO3-N和TN的去除效率为98.38％和84.57％。 (2)采用钙离子沉积法、壳聚糖-埃洛石纳米管层层涂覆法、多巴胺涂覆法对柠檬酸渣基聚氨酯泡沫表面进行改性处理,成功制备出钙离子改性泡沫载体(Ca-PUF)、壳聚糖-埃洛石纳米管改性泡沫载体(CS/HNT-PUF)和多巴胺改性载体(PDA-PUF)。实验结果表明，相比其他改性泡沫，PDA-PUF具有最高的亲水性、表面电荷和生物亲和性，持水倍率和活性污泥固定量分别比改性前泡沫(PUF)高出17.57％和94.67％,泡沫浸泡液的表面负电位是PUF的5.77倍。在泡沫表面引入Ca2+也能提高泡沫的生物亲和性，虽然不同浓度钙离子改性的泡沫活性污泥固定量无明显差异，但是比PUF高出36％。此外，PDA-PUF和Ca-PUF的稳定性也显著优于CS/HNT-PUF,更有利于载体在污水处理工艺中应用。 (3)将Ca-PUF、PDA-PUF和PUF填充至SBR反应器中进行培养。在反应器运行过程中，Ca-PUF和PDA-PUF上的生物量含量分别比PUF高出41.11％和56.80％。表面改性也提高了泡沫载体的污水处理能力，其中多巴胺改性的泡沫载体的污染物去除效果最为优异，COD、NH4+-N、TN和TP去除效率分别比原始载体高出0.28％、1.84％、3.72％和13.6％。高通量测序结果表明，PDA-PUF中细菌多样性更高，Macellibacteroides、Sphingopyxis、黄杆菌属(Flavobacterium)、食酸菌属(Acidovorax)和固氮螺菌属(Azospira)等有机物降解和反硝化细菌相对丰度更高，污染物去除效果最好。
污水处理;微生物固定化;人工微生物颗粒载体;改性处理
北京化工大学
硕士
生物工程
苏海佳
2023
中文
X703.1
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）