為探明以生物炭為固定化載體負載異養(yǎng)硝化細菌或好氧反硝化細菌對水中無機氮(NH_4~+-N或NO_3~--N)的去除效果,分別篩選鑒定了一株異養(yǎng)硝化細菌Pseudomonas sp.Strain-??和一株好氧反硝化細菌Pseudomonas aeruginosa Strain-I。在此基礎(chǔ)上,以未改性、HNO_3、Mg~(2+)、NaOH及NaOH+Mg~(2+)聯(lián)合改性的稻殼生物炭為載體,分別采用吸附法和包埋法制備微生物固定化體,進行微生物固定化體對NH_4~+-N及NO_3~--N的去除動力學,以及Pseudomonas sp.Strain-??和Pseudomonas aeruginosa Strain-I的生長動力學研究。生物炭基微生物固定化體對水中的無機氮(NH_4~+-N/NO_3~--N)的去除效果較好,在100 mg?L~(-1) NH_4~+-N溶液中,生物炭基微生物固定化體去除率最大可達到90.93%;在100 mg?L~(-1) NO_3~--N溶液中,生物炭基微生物固定化體去除率最大可達到91.49%。采用HNO_3、Mg~(2+)、NaOH及NaOH+Mg~(2+)改性方法,對稻殼生物炭進行改性以提升其對無機氮(NH_4~+-N/NO_3~--N)的吸附效果及對微生物的固定效果。其中,NaOH+Mg~(2+)聯(lián)合改性生物炭(NMBC)的性能改善最為顯著。與未改性的稻殼生物炭相比,NaOH+Mg~(2+)聯(lián)合改性稻殼生物炭的pH值和pH_(pzc)分別增大1.42和2.36,比表面積和總孔容分別增大至改性前的3.56倍和3.20倍,總酸性含氧官能團量減少了0.207 mmol?g~(-1),總堿性含氧官能團量增加了0.530 mmol?g~(-1),Pseudomonas sp.Strain-??在生物炭表面吸附固定的微生物量增加了333.05 nmol P?g~(-1)。生物炭基異養(yǎng)硝化細菌的固定及其對水中NH_4~+-N去除的研究表明,Pseudomonas sp.Strain-??具有較強的異養(yǎng)硝化能力,初始NH_4~+-N濃度為116.18 mg?L~(-1)時,NH_4~+-N和TN的72 h去除率分別達到80.24%與21.35%。NaOH+Mg~(2+)聯(lián)合改性提高了稻殼生物炭或以稻殼生物炭為載體采用吸附法制得微生物固定化體對NH_4~+-N的去除能力。NH_4~+-N初始濃度為100mg?L~(-1)時,培養(yǎng)體系反應(yīng)5 h后,NaOH+Mg~(2+)聯(lián)合改性生物炭對NH_4~+-N的去除率為20.43%,主要為生物炭吸附作用;而NaOH+Mg~(2+)聯(lián)合改性生物炭基微生物固定化體對NH_4~+-N的去除率為58.35%,是生物炭吸附與微生物降解的聯(lián)合作用�？梢�,負載細菌在固定化體去除NH_4~+-N過程中發(fā)揮著重要作用。在初始NH_4~+-N濃度為100 mg?L~(-1)、200 mg?L~(-1)和300 mg?L~(-1)的條件下,在48小時內(nèi)探索了未改性和改性生物炭基微生物固定化體NH_4~+-N的去除動力學。結(jié)果表明,NaOH+Mg~(2+)改性生物炭基微生物固定化體對水中NH_4~+-N的去除能力最強,而未改性生物炭基微生物固定化體對水中NH_4~+-N的去除能力最弱。以NaOH+Mg~(2+)聯(lián)合改性稻殼生物炭為載體,采用包埋法制得微生物固定化體,比較其與吸附法制得固定化體對NH_4~+-N的去除效果。發(fā)現(xiàn)吸附法制得微生物固定化體對NH_4~+-N的去除優(yōu)于包埋法。NH_4~+-N初始濃度為100mg?L~(-1)時,硝化細菌Pseudomonas sp.Strain-??吸附固定于NaOH+Mg~(2+)聯(lián)合改性稻殼生物炭上(NMBC-吸附)48 h去除率為90.93%,最大去除速率為15.20 mg?(L?h)~(-1);包埋固定(NMBC-包埋)時去除率為79.32%,最大去除速率為11.37 mg?(L?h)~(-1)。另外,以NaOH+Mg~(2+)聯(lián)合改性稻殼生物炭為載體制得微生物固定化體,降解NH_4~+-N的生長動力學模擬(Monod和Andrews模型)結(jié)果表明,與包埋法相比,吸附法制得固定化體更有利于細菌利用底物NH_4~+-N生長。Andrews模型中Pseudomonas sp.Strain-??利用NH_4~+-N為底物生長時,吸附法與包埋法各參數(shù)值分別為:μ_(max)(最大比生長速率)0.287 h~(-1)及0.258 h~(-1),K_s(半飽和速率常數(shù))103.26 mg?L~(-1)及117.96 mg?L~(-1),K_(s1)(抑制常數(shù))342.88 mg?L~(-1)及285.19 mg?L~(-1)。生物炭基好氧反硝化細菌的固定及其對水中NO_3~--N去除的研究表明,所篩選的菌株P(guān)seudomonas aeruginosa Strain-I具有較強的好氧反硝化能力,NO_3~--N初始濃度為69.25 mg?L~(-1)時,NO_3~--N和TN的72 h去除率分別達到100%與53.92%。與未改性的稻殼生物炭相比,NaOH+Mg~(2+)聯(lián)合改性后的生物炭,Pseudomonas aeruginosa Strain-I在其表面吸附固定的微生物量增加了309.14 nmol P?g~(-1)。NaOH+Mg~(2+)聯(lián)合改性提高了稻殼生物炭或以稻殼生物炭為載體采用吸附法制得微生物固定化體對NO_3~--N的去除能力。NO_3~--N初始濃度為100mg?L~(-1)時,培養(yǎng)體系反應(yīng)5 h后,NaOH+Mg~(2+)聯(lián)合改性生物炭對NO_3~--N的去除率為12.63%,主要為生物炭吸附作用;而NaOH+Mg~(2+)聯(lián)合改性生物炭基微生物固定化體對NO_3~--N的去除率為44.44%,是生物炭吸附與微生物降解的聯(lián)合作用。在初始NO_3~--N濃度為100 mg?L~(-1)、200 mg?L~(-1)和300 mg?L~(-1)的條件下,在48小時內(nèi)探索了未改性和改性生物炭基微生物固定化體NO_3~--N的去除動力學。結(jié)果表明,NaOH+Mg~(2+)改性生物炭基微生物固定化體對水中NO_3~--N的去除能力最強,而未改性生物炭基微生物固定化體對水中NO_3~--N的去除能力最弱。以NaOH+Mg~(2+)聯(lián)合改性稻殼生物炭為載體,采用包埋法制得微生物固定化體,比較其與吸附法制得固定化體對NO_3~--N的去除效果。發(fā)現(xiàn)吸附法制得微生物固定化體對NO_3~--N的去除優(yōu)于包埋法。NO_3~--N初始濃度為100mg?L~(-1)時,反硝化細菌Pseudomonas aeruginosa Strain-I吸附固定于NaOH+Mg~(2+)聯(lián)合改性稻殼生物炭上(NMBC-吸附)48 h去除率為91.49%,最大去除速率為12.78 mg?(L?h)~(-1);包埋固定(NMBC-包埋)時去除率為90.63%,最大去除速率為9.08 mg?(L?h)~(-1)。以NaOH+Mg~(2+)聯(lián)合改性稻殼生物炭為載體制得微生物固定化體,降解NO_3~--N的生長動力學模擬結(jié)果表明,與包埋法相比,吸附法制得固定化體更有利于細菌利用底物NO_3~--N生長。Andrews模型中Pseudomonas aeruginosa Strain-I利用NH_4~+-N為底物生長時,利用NO_3~--N為底物生長時,吸附法與包埋法各參數(shù)值分別為:μ_(max) 0.204 h~(-1)及0.199 h~(-1),K_s 71.78 mg?L~(-1)及82.53 mg?L~(-1),K_(s1) 413.12 mg?L~(-1)及398.01 mg?L~(-1)。本研究有助于深入理解改性對提高生物炭基微生物固定化體性能的作用,以及固定化方法對細菌生長的影響,以期為生物炭基微生物固定化體的水處理工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。
【學位單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：O647.33;X703
【文章目錄】：
摘要
abstract
第一章 緒論
    1.1 異養(yǎng)硝化作用
    1.2 好氧反硝化作用
    1.3 生物炭
        1.3.1 生物炭的概念及性質(zhì)
        1.3.2 生物炭的吸附機制
    1.4 固定化體
        1.4.1 微生物固定化體的發(fā)展
        1.4.2 吸附法制備固定化體
        1.4.3 包埋法制備固定化體
    1.5 研究意義、目的、內(nèi)容
        1.5.1 研究意義
        1.5.2 研究目標
        1.5.3 研究內(nèi)容
        1.5.4 擬解決的關(guān)鍵科學問題
        1.5.5 技術(shù)路線
第二章 材料和方法
    2.1 細菌的分離與鑒定
        2.1.1 培養(yǎng)基
        2.1.2 細菌的富集、分離與純化
        2.1.3 細菌的硝化/反硝化能力測定及分子鑒定
    2.2 生物炭基微生物固定化體的制備
        2.2.1 生物炭及其對無機氮的吸附實驗
        2.2.2 吸附法制備生物炭基微生物固定化體
        2.2.3 包埋法制備生物炭基微生物固定化體
    2.3 生物炭基微生物固定化體對無機氮的去除
    2.4 固定化體微生物降解無機氮的生長動力學
    2.5 數(shù)據(jù)分析
第三章 生物炭基異養(yǎng)硝化細菌的固定及其對水中銨態(tài)氮的去除
4
+-N的降解動力學及其分子生物學鑒定'>    3.1 所篩選菌株對NH4
+-N的降解動力學及其分子生物學鑒定
    3.2 生物炭的基本性質(zhì)
4
+-N的去除'>    3.3 吸附法制得生物炭基微生物固定化體對NH4
+-N的去除
4
+-N的去除動力學'>        3.3.1 生物炭基微生物固定化體對NH4
+-N的去除動力學
        3.3.2 原因解析
4
+-N的影響'>    3.4 固定方法對微生物固定化體去除NH4
+-N的影響
4
+-N的去除動力學'>        3.4.1 吸附法和包埋法制得固定化體對NH4
+-N的去除動力學
4
+-N的去除過程中NO2
--N與 NO3
--N的變化'>        3.4.2 固定化體對NH4
+-N的去除過程中NO2
--N與 NO3
--N的變化
4
+-N的生長動力學'>    3.5 固定化體微生物降解NH4
+-N的生長動力學
    3.6 本章小結(jié)
第四章 生物炭基好氧反硝化細菌的固定及其對水中硝態(tài)氮的去除
3
--N的降解動力學及其分子生物學鑒定'>    4.1 所篩選菌株對NO3
--N的降解動力學及其分子生物學鑒定
3
--N的去除'>    4.2 吸附法制得生物炭基微生物固定化體對NO3
--N的去除
3
--N的去除動力學'>        4.2.1 生物炭基微生物固定化體對NO3
--N的去除動力學
        4.2.2 原因解析
3
--N的影響'>    4.3 固定方法對固定化體去除NO3
--N的影響
3
--N的去除動力學'>        4.3.1 吸附法和包埋法制得固定化體對NO3
--N的去除動力學
3
--N的去除過程中NH4
+-N與 NO2
--N的變化'>        4.3.2 固定化體對NO3
--N的去除過程中NH4
+-N與 NO2
--N的變化
3
--N的生長動力學'>    4.4 固定化體微生物降解NO3
--N的生長動力學
    4.5 本章小結(jié)
第五章 結(jié)論與建議
    5.1 結(jié)論
    5.2 創(chuàng)新點
    5.3 展望
參考文獻
致謝
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本文編號：2845776

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