【摘要】：納米氧化鋅(ZnO NPs)由于其優(yōu)良的磁性、電化學和光學等特性,被廣泛應用于環(huán)境保護、生物工程、化工和醫(yī)學等領域。如此廣泛的應用必將帶動納米材料的大量生產,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生負面影響,導致出水不合格;ZnO NPs也能夠抑制剩余污泥厭氧發(fā)酵產甲烷進程,導致甲烷產量下降。本文即以顆粒污泥處理有機廢水產甲烷體系作為研究對象,開展了關于ZnO NPs的毒性削減研究。首先選取非碳基導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果表明,Fe_3O_4 NPs對乙酸型和混合型甲烷合成途徑呈現明顯的先增后降現象,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)酵產甲烷中ZnO NPs的毒性削減作用及其相關機理研究結果表明,與ZnO NPs暴露產生的抑制作用相比,在受ZnO NPs脅迫的發(fā)酵系統內分別添加50和100 mg/g-TS Fe_3O_4 NPs可促使甲烷產量分別增加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可能會修復因ZnO NPs脅迫受損的EPS及微生物結構。此外,論文還選取了碳基導電材料代表的顆�；钚蕴�(GAC)考察其對ZnO NPs的毒性的削減作用。結果表明,與ZnO NPs暴露產生的抑制作用相比,在受ZnO NPs脅迫的發(fā)酵系統內分別添加10,20和30 g/L的GAC可促使甲烷產量分別增加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可能會修復因ZnO NPs脅迫受損的EPS及微生物結構。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,進行了Fe_3O_4 NPs和GAC對實際廢水(食品工業(yè)廢水)在UASB反應器中厭氧發(fā)酵產甲烷中ZnO NPs的毒性削減的應用研究。結果表明,與ZnO NPs暴露對甲烷產量和有機物COD降解率產生的抑制作用相比,Fe_3O_4 NPs和GAC的添加能夠促使反應器的日甲烷產量分別增加80.0%和81.4%,COD去除率分別提高80.2%和80.5%,實現了Fe_3O_4 NPs和GAC在UASB工藝應用上對食品工業(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雜的有機物轉化解性有機物，并產生水、氫氣、二氧化碳、甲烷、氨和硫化氫的技術稱為厭氧發(fā)1]。該技術應用廣泛，多應用于廢水處理、垃圾廢棄處理等多個領域[2]。厭氧發(fā)酵在應用和研究的過程中日漸成熟。1.1 厭氧發(fā)酵技術基礎理論自二十世紀九十年代初，厭氧發(fā)酵理論從出現到發(fā)展共經歷了三個階段，即兩論、三階段理論和三階段四菌群學說。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)酵階段和產甲烷階段，發(fā)揮微生物菌群主要是產酸菌和產甲烷菌。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)現了“三階段四菌群學說”�！叭A”是在“三階段理論”上增加同型（耗氫）產乙酸菌。此時參與代謝的微是水解產酸菌、產氫或產乙酸菌、同型產乙酸菌及產甲烷菌四大類菌群�？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總乙酸的有在氫分壓和乙酸濃度較低的條件下，同型產乙酸過程才會出現。“四菌氧消化過程分為了水解階段、酸化階段、產氫/產乙酸階段和產甲烷階段。階段，水解和產酸菌將復雜有機物分解成單糖、二糖、脂肪酸、甘油、氨性簡單有機物，接著在胞內將單體分解為乳酸、乙酸、丙酸等小分子物質酸階段，產氫/產乙酸菌將第一、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。產甲烷階段中產、H2/CO2代謝合成甲烷[6]。
【學位授予單位】：濟南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：X703

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本文編號：2629883