隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,制藥、化工等行業(yè)每年排放大量的高濃度有機(jī)廢水,其中含硫含氮有機(jī)廢水是對(duì)生物和環(huán)境造成惡劣影響的一類(lèi)重污染行業(yè)廢水的典型代表,如何穩(wěn)定高效地去除該類(lèi)廢水中碳氮硫污染物質(zhì)成為當(dāng)前亟需解決的問(wèn)題。碳氮硫共脫除(Simultaneous desulfurization and denitrification,SDD)工藝將硫酸鹽還原-有機(jī)物厭氧氧化與反硝化脫硫過(guò)程耦合,可實(shí)現(xiàn)碳-氮-硫污染物質(zhì)的同步高效去除,大大節(jié)省空間和投資;然而其最大的弊端在于單質(zhì)硫產(chǎn)率較低(小于30%)。針對(duì)該工藝存在的問(wèn)題,本文提出了一種新型的微氧碳氮硫共脫除工藝,考察了微氧環(huán)境對(duì)多元污染物質(zhì)的去除及單質(zhì)硫轉(zhuǎn)化的影響。同時(shí),采用Geo Chip、Illumina等分子生物學(xué)手段,研究了活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)微氧環(huán)境的響應(yīng)及功能微生物間的相互關(guān)系,解析了微氧環(huán)境對(duì)促進(jìn)單質(zhì)硫生成的調(diào)控機(jī)制。在活性污泥模型(ASM)和厭氧消化模型(ADM)基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)化學(xué)計(jì)量系數(shù)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)的估計(jì)和測(cè)定,建立了硫酸鹽還原-硫化物氧化(SR-SO)、反硝化脫硫(DSR)和SDD工藝的數(shù)學(xué)模型,為廢水生物處理工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。本文開(kāi)展了不同曝氣速率對(duì)SR-SO和SDD工藝運(yùn)行效能影響的研究。當(dāng)?shù)孜锪蛩猁}和乳酸鈉濃度分別為1000 mg L-1和3000 mg L-1(以COD計(jì)),曝氣速率為0.5 m L O2 min-1 Lreactor-1時(shí)SR-SO工藝獲得的最大單質(zhì)硫轉(zhuǎn)化率為71.8%,硫酸鹽的去除率為81.5%。硫酸鹽還原速率受氧硫比(ROS)的影響很小,而硫化物氧化與單質(zhì)硫轉(zhuǎn)化過(guò)程則與ROS密切相關(guān);當(dāng)氧氣消耗殆盡后,由于培養(yǎng)基中含有過(guò)剩的有機(jī)物,導(dǎo)致單質(zhì)硫重新還原為硫化物從而造成單質(zhì)硫轉(zhuǎn)化效率下降。當(dāng)?shù)孜锪蛩猁}、硝酸鹽和乳酸鈉濃度為1000 mg L-1、500 mg L-1和3000 mg L-1(以COD計(jì))時(shí),碳氮硫共脫除工藝獲得的最大單質(zhì)硫轉(zhuǎn)化為69.2%,此時(shí)最佳曝氣速率為1.0 m L O2 min-1 Lreactor-1,硫酸鹽、硝酸鹽和有機(jī)物的去除率分別為91.0%、100%和89.6%。通過(guò)污染物轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)分析發(fā)現(xiàn),在微氧條件下硝酸鹽還原速率下降,而硫酸鹽還原速率不受影響且遠(yuǎn)高于厭氧還原過(guò)程的速率,微氧有效解除了硝酸鹽對(duì)硫酸鹽還原過(guò)程的抑制作用。經(jīng)微氧環(huán)境定向選擇后的活性污泥轉(zhuǎn)至厭氧條件運(yùn)行時(shí)仍能保持良好地污染物去除效能和硫化物氧化效率,為工藝的定向啟動(dòng)運(yùn)行提供新的思路。底物中有機(jī)物濃度主要影響硫化物氧化和單質(zhì)硫轉(zhuǎn)化過(guò)程,隨著有機(jī)物濃度增大出水中硫化物比例增高,單質(zhì)硫轉(zhuǎn)化率下降;而硝酸鹽主要對(duì)硫酸鹽的還原過(guò)程產(chǎn)生抑制,隨著進(jìn)水硝酸鹽濃度增大硫酸鹽還原率降低,但單質(zhì)硫轉(zhuǎn)化差異不大。Illumina高通量測(cè)序結(jié)果表明,厭氧運(yùn)行時(shí)的碳氮硫共脫除工藝中硫氧化細(xì)菌所占豐度較低,僅在底物硝酸鹽濃度為3000和3500 mg L-1的微生物群落中檢測(cè)到豐度較高的硫氧化菌Arcobacter(6.63%和14.53%),而在這兩個(gè)微生物群落中同樣檢測(cè)到高豐度的單質(zhì)硫還原菌Sulfurospirillum(22.05%和15.85%),二者的綜合效應(yīng)使得工藝的單質(zhì)硫轉(zhuǎn)化率依然很低(10%)。通過(guò)利用基因芯片(Geo Chip)技術(shù)解析功能微生物對(duì)微氧環(huán)境的響應(yīng)發(fā)現(xiàn),微氧環(huán)境使得微生物群落的多樣性顯著增加。與厭氧環(huán)境相比,微氧環(huán)境下硫酸鹽還原功能基因的表達(dá)豐度無(wú)明顯差異;而反硝化功能基因的表達(dá)豐度則有所降低。硫氧化基因的表達(dá)在微氧環(huán)境下顯著增強(qiáng),從而促進(jìn)硫氧化微生物更高效地將硫化物氧化至單質(zhì)硫。高通量測(cè)序結(jié)果顯示,曝氣量1.0 m L O2 min-1 Lreactor-1條件下微生物群落中硫化物氧化微生物Spirochaeta相對(duì)豐度較高;而單質(zhì)硫轉(zhuǎn)化微生物Sulfurovum所占比例較低,從而使得反應(yīng)器具有最高的單質(zhì)硫產(chǎn)率�；趯�(duì)硫酸鹽還原-硫化物氧化過(guò)程的分析,建立了一套用于描述硫酸鹽還原-硫化物氧化的數(shù)學(xué)模型,其中非線性最小二乘分析用于目標(biāo)函數(shù)的建立,而Monte Carlo法則用于目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化。根據(jù)自養(yǎng)-異養(yǎng)協(xié)同反硝化脫硫的機(jī)理,將文獻(xiàn)中報(bào)道的自養(yǎng)反硝化和異養(yǎng)反硝化過(guò)程動(dòng)力學(xué)描述相結(jié)合,同時(shí)加入用于描述自養(yǎng)與異養(yǎng)反硝化之間協(xié)同關(guān)系的特征動(dòng)力學(xué)參數(shù),建立了一套全面、準(zhǔn)確的DSR數(shù)學(xué)模型。在上述硫酸鹽還原-硫化物氧化及反硝化脫硫數(shù)學(xué)模型研究的基礎(chǔ)上,建立了描述碳氮硫共脫除過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,并將氧氣作為一種新組分嵌入模型,使模型能夠很好地連接厭氧與微氧反應(yīng)過(guò)程。碳氮硫共脫除數(shù)學(xué)模型具有廣泛地適用性,它不僅可用于預(yù)測(cè)碳氮硫污染物的轉(zhuǎn)化過(guò)程,同時(shí)還可對(duì)碳氮、碳硫轉(zhuǎn)化及反硝化脫硫等過(guò)程進(jìn)行描述。該模型的建立有助于更好地理解環(huán)境因子對(duì)工藝過(guò)程運(yùn)行的影響,為工藝的實(shí)際運(yùn)行和優(yōu)化提供重要的理論依據(jù)。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類(lèi)】：X703.1
【部分圖文】：

化工藝[72]（圖 1-1），反硝化脫硫-生物除磷工藝（DS-EP還原-自養(yǎng)脫氨工藝[75]。廢水處理工藝系統(tǒng)具有多種污染物去除率高，出水水質(zhì)好，污泥產(chǎn)生量少等優(yōu)點(diǎn)，但是也配困難，工藝系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，操作運(yùn)行較為復(fù)雜，需力，運(yùn)行效能難以保持長(zhǎng)期穩(wěn)定等問(wèn)題。

被廣泛用于修復(fù)受污染水體，它是在反硝化微生物作用下將硝酸鹽（NO3-）中的氮（N）通過(guò)一系列中間產(chǎn)物亞硝酸鹽（NO2-），一氧化氮（NO）和一氧化二氮（N2O）還原為氮?dú)猓∟2）的生物化學(xué)過(guò)程[77]。硝酸鹽還原酶（Nar），亞硝酸鹽還原酶（Nir），一氧化氮還原酶（Nor），以及一氧化二氮還原酶（Nos）在反硝化過(guò)程中起催化作用[78]。反硝化作用代謝途徑如圖 1-2 所示[279]。

圖 1-4 生物硫氧化代謝途徑（實(shí)線和虛線分別代表好氧和微氧代謝途徑）Fig. 1-4 Reaction pathways of biological sulfide oxidation (the solid line and dotted linerepresents the full oxygen route (FOR) and limited oxygen route ( LOR) respectively)2010 年，陳川等人研究發(fā)現(xiàn)，在微氧條件下（DO 值 0.1-0.4 mg L-1），可加速硫氧化反硝化菌群將硫化物氧化為單質(zhì)硫的進(jìn)程。硫化物的轉(zhuǎn)化速率

本文編號(hào)：2822978