發(fā)布時間：2020-04-16 18:10

【摘要】：納米氧化鋅(ZnO NPs)由于其優(yōu)良的磁性、電化學(xué)和光學(xué)等特性,被廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護、生物工程、化工和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。如此廣泛的應(yīng)用必將帶動納米材料的大量生產(chǎn),而這些納米材料在常規(guī)排放或者偶然事故發(fā)生時均將通過各種渠道匯集至污(廢)水廠中。ZnO NPs的暴露對污水廠脫氮除磷工藝產(chǎn)生負面影響,導(dǎo)致出水不合格;ZnO NPs也能夠抑制剩余污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷進程,導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量下降。本文即以顆粒污泥處理有機廢水產(chǎn)甲烷體系作為研究對象,開展了關(guān)于ZnO NPs的毒性削減研究。首先選取非碳基導(dǎo)電材料代表的納米四氧化三鐵(Fe_3O_4 NPs)考察其對ZnO NPs毒性的削減作用�；贔e_3O_4 NPs對甲烷合成途徑的研究結(jié)果表明,Fe_3O_4 NPs對乙酸型和混合型甲烷合成途徑呈現(xiàn)明顯的先增后降現(xiàn)象,其最適投加濃度為300 mg/g-TS;Fe_3O_4 NPs促進氫型發(fā)酵途徑的濃度范圍為300-600 mg/g-TS。Fe_3O_4 NPs對廢水發(fā)酵產(chǎn)甲烷中ZnO NPs的毒性削減作用及其相關(guān)機理研究結(jié)果表明,與ZnO NPs暴露產(chǎn)生的抑制作用相比,在受ZnO NPs脅迫的發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)分別添加50和100 mg/g-TS Fe_3O_4 NPs可促使甲烷產(chǎn)量分別增加101.0%和84.5%,表明Fe_3O_4 NPs能顯著削減ZnO NPs對厭氧發(fā)酵甲烷化的抑制作用,并且最佳濃度50 mg/g-TS Fe_3O_4 NPs的暴露能完全解除ZnO NPs造成的毒害作用。進一步機理研究表明Fe_3O_4 NPs可解決因ZnO NPs造成的厭氧消化系統(tǒng)的有機酸積累問題、促進發(fā)酵的酸化和甲烷化進程,此外,Fe_3O_4 NPs可能會修復(fù)因ZnO NPs脅迫受損的EPS及微生物結(jié)構(gòu)。此外,論文還選取了碳基導(dǎo)電材料代表的顆�；钚蕴�(GAC)考察其對ZnO NPs的毒性的削減作用。結(jié)果表明,與ZnO NPs暴露產(chǎn)生的抑制作用相比,在受ZnO NPs脅迫的發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)分別添加10,20和30 g/L的GAC可促使甲烷產(chǎn)量分別增加15.6%、50.0%和95.2%,表明GAC能顯著削減ZnO NPs對厭氧發(fā)酵甲烷化的抑制作用,并且最佳濃度30 g/L GAC的暴露能完全解除ZnO NPs造成的毒害作用。進一步機理研究表明GAC可解決因ZnO NPs造成的厭氧消化系統(tǒng)的有機酸積累問題、促進發(fā)酵的酸化和甲烷化進程,此外,GAC可能會修復(fù)因ZnO NPs脅迫受損的EPS及微生物結(jié)構(gòu)。GAC還可吸附部分ZnO NPs,減少ZnO NPs與微生物的有效接觸,降低ZnO NPs對微生物的破壞作用。最后,基于實驗室模擬廢水的研究確定的最佳工藝參數(shù),進行了Fe_3O_4 NPs和GAC對實際廢水(食品工業(yè)廢水)在UASB反應(yīng)器中厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷中ZnO NPs的毒性削減的應(yīng)用研究。結(jié)果表明,與ZnO NPs暴露對甲烷產(chǎn)量和有機物COD降解率產(chǎn)生的抑制作用相比,Fe_3O_4 NPs和GAC的添加能夠促使反應(yīng)器的日甲烷產(chǎn)量分別增加80.0%和81.4%,COD去除率分別提高80.2%和80.5%,實現(xiàn)了Fe_3O_4 NPs和GAC在UASB工藝應(yīng)用上對食品工業(yè)廢水發(fā)酵過程中ZnO NPs暴露毒性削減的目的。
【圖文】：

1 厭氧發(fā)酵技術(shù)研究進展在嚴格厭氧的條件下，兼性或者厭氧微生物通過代謝作用將復(fù)雜的有機物轉(zhuǎn)化解性有機物，并產(chǎn)生水、氫氣、二氧化碳、甲烷、氨和硫化氫的技術(shù)稱為厭氧發(fā)1]。該技術(shù)應(yīng)用廣泛，多應(yīng)用于廢水處理、垃圾廢棄處理等多個領(lǐng)域[2]。厭氧發(fā)酵在應(yīng)用和研究的過程中日漸成熟。1.1 厭氧發(fā)酵技術(shù)基礎(chǔ)理論自二十世紀九十年代初，厭氧發(fā)酵理論從出現(xiàn)到發(fā)展共經(jīng)歷了三個階段，即兩論、三階段理論和三階段四菌群學(xué)說。1936 年，Barker 提出了厭氧發(fā)酵的“兩階段理論”，此為首次提出厭氧發(fā)酵理“兩階段理論”中厭氧發(fā)酵被分為兩個階段，酸性發(fā)酵階段和產(chǎn)甲烷階段，發(fā)揮微生物菌群主要是產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌。具體代謝過程如圖 1.1 所示[3]。

圖 1.2 厭氧消化“三階段理論”示意圖對厭氧微生物的研究，，Zeikus 等人發(fā)現(xiàn)了“三階段四菌群學(xué)說”�！叭A”是在“三階段理論”上增加同型（耗氫）產(chǎn)乙酸菌。此時參與代謝的微是水解產(chǎn)酸菌、產(chǎn)氫或產(chǎn)乙酸菌、同型產(chǎn)乙酸菌及產(chǎn)甲烷菌四大類菌群�？纱x厭氧體系中的H2/CO2以合成乙酸。此方式合成的乙酸占據(jù)總乙酸的有在氫分壓和乙酸濃度較低的條件下，同型產(chǎn)乙酸過程才會出現(xiàn)�！八木跸^程分為了水解階段、酸化階段、產(chǎn)氫/產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段。階段，水解和產(chǎn)酸菌將復(fù)雜有機物分解成單糖、二糖、脂肪酸、甘油、氨性簡單有機物，接著在胞內(nèi)將單體分解為乳酸、乙酸、丙酸等小分子物質(zhì)酸階段，產(chǎn)氫/產(chǎn)乙酸菌將第一、二階段的有機酸和醇分解為 H2和乙酸[5菌將 H2/CO2合成乙酸，將甲酸等一碳化合物合成乙酸。產(chǎn)甲烷階段中產(chǎn)、H2/CO2代謝合成甲烷[6]。
【學(xué)位授予單位】：濟南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：X703

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本文編號：2629883