鐵強(qiáng)化微生物—電催化厭氧污水處理技術(shù)的研究.pdf

1、厭氧消化是處理中高濃度廢水最現(xiàn)實(shí)、有效的方法之一。它將污水處理與污染物能源化相結(jié)合，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。但是，產(chǎn)甲烷菌代謝緩慢且對(duì)環(huán)境條件敏感，其容易導(dǎo)致水解酸化過(guò)程和甲烷化過(guò)程失衡，從而引起有機(jī)酸積累、甲烷化抑制甚至厭氧過(guò)程的失敗。因此，有必要研究強(qiáng)化有機(jī)酸高效降解以及提高厭氧甲烷化能力的新方法，提高厭氧處理效率，這對(duì)解決高濃度難降解有機(jī)廢水的有效處理和污染物資源化利用具有重要意義。
　　針對(duì)以上問(wèn)題，本論文利用零價(jià)鐵的還原性

2、和微生物異化鐵(Ⅲ)還原的特性，將零價(jià)鐵和三價(jià)鐵分別置于厭氧反應(yīng)器內(nèi)用以強(qiáng)化厭氧消化的處理效果，重點(diǎn)開(kāi)展了基于鐵電極和鐵氧化物的微生物電化學(xué)強(qiáng)化厭氧甲烷化技術(shù)的研究，考察了電化學(xué)強(qiáng)化技術(shù)、鐵(0，Ⅲ)強(qiáng)化技術(shù)與厭氧生物處理的耦合關(guān)系和交互作用機(jī)制，結(jié)合分子生物學(xué)技術(shù)探索了鐵(0，Ⅲ)和電與厭氧微生物之間的協(xié)同作用關(guān)系。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:
　　(1)通過(guò)零價(jià)鐵(ZVI)置于厭氧反應(yīng)器內(nèi)的方法有效增強(qiáng)了處理含硫酸鹽廢水過(guò)程中的厭

3、氧甲烷化。結(jié)果表明，零價(jià)鐵作為還原劑可有效緩沖酸性、維持厭氧體系中性的pH(7-8)從而減弱了硫酸鹽還原產(chǎn)生的硫化氫對(duì)厭氧甲烷化的抑制作用，實(shí)現(xiàn)了較高的COD去除率和甲烷產(chǎn)量。分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該反應(yīng)器底部硫酸鹽還原菌為優(yōu)勢(shì)菌而上部則以產(chǎn)甲烷菌為主導(dǎo)。該方法實(shí)現(xiàn)了微生物群落的功能化分區(qū)，這與兩相厭氧反應(yīng)器處理含硫酸鹽廢水較相似，卻在單一反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，這表明零價(jià)鐵的加入有助于強(qiáng)化厭氧甲烷化過(guò)程。
　　(2)采用將Fe2O3

4、置于酸化硫酸鹽還原反應(yīng)器內(nèi)的方法，強(qiáng)化了硫酸鹽廢水處理過(guò)程中有機(jī)酸的降解。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)Fe2O3的加入可促進(jìn)微生物異化Fe(Ⅲ)還原過(guò)程，其協(xié)同硫酸鹽還原過(guò)程增強(qiáng)了有機(jī)酸的降解能力，從而實(shí)現(xiàn)了酸化硫酸鹽還原反應(yīng)器較高的COD去除率(27.3％)和硫酸鹽還原率(57.9％)。分子生物學(xué)的定性和定量分析結(jié)果表明該方法實(shí)現(xiàn)了鐵還原菌、硫酸鹽還原菌和酸化菌的共生并大量富集，其中硫酸鹽還原菌Desulfovibrio marrakechensis

5、和鐵(Ⅲ)還原菌Iron-reducing bacteria HN54的含量均明顯高于參比反應(yīng)器。
　　(3)由(1)部分可知，零價(jià)鐵可促進(jìn)厭氧甲烷化過(guò)程，基于此構(gòu)建了使用鐵電極為陽(yáng)極的生物電解池(MEC)-上流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)裝置，即將一對(duì)鐵-石墨電極置入?yún)捬醴磻?yīng)器內(nèi)并施以適當(dāng)?shù)碾妷骸Ａ銉r(jià)鐵的加入可強(qiáng)化厭氧過(guò)程（包括強(qiáng)化厭氧還原氛圍和厭氧菌生長(zhǎng)），從而實(shí)現(xiàn)了其對(duì)含鹽廢水、染料廢水和含氮廢水的有效處理。此外，該反應(yīng)器

6、對(duì)有機(jī)廢水的厭氧水解酸化過(guò)程也表現(xiàn)出了明顯促進(jìn)作用。針對(duì)含鹽廢水的處理，該反應(yīng)器表現(xiàn)出了較高的耐鹽能力和有機(jī)物降解能力。在較高鹽度條件下(50 g/L)，該反應(yīng)器（外加電壓1.2 V）的COD去除率達(dá)到了93％且有機(jī)酸去除率較高，而參比反應(yīng)器的COD去除率降為53％且發(fā)生了嚴(yán)重的有機(jī)酸積累。分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)表明該反應(yīng)器富集了大量的耐鹽古菌和耐鹽細(xì)菌且食丙酸鹽細(xì)菌的豐度較高;針對(duì)高濃度偶氮染料廢水（1200 mg/L活性艷紅X-3B）的處理

7、，該反應(yīng)器表現(xiàn)出了較高的脫色能力(83.4％)和COD去除能力(84.7％)。陽(yáng)極腐蝕釋放的Fe2+與電場(chǎng)的耦合作用強(qiáng)化了胞外聚合物的產(chǎn)生。微生物群落結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分析表明基于鐵電極的電場(chǎng)作用可顯著加快微生物的富集速度，這對(duì)縮短反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間和增加反應(yīng)器負(fù)荷具有重要意義;鐵電極和電場(chǎng)的耦合作用明顯提高了廢水的水解酸化效率并優(yōu)化產(chǎn)酸類型，實(shí)現(xiàn)了酸化相高效的COD去除并以產(chǎn)乙酸結(jié)構(gòu)為主導(dǎo)。同時(shí)，鐵電極作用下反應(yīng)器的甲烷產(chǎn)量也有近兩倍的提高。分子

8、生物學(xué)的定性和定量分析結(jié)果表明基于鐵電極的水解酸化反應(yīng)器仍保留了大量古菌，其中食乙酸產(chǎn)甲烷菌相對(duì)含量較高，而參比無(wú)電極的反應(yīng)器古菌含量相對(duì)較低且以食氫產(chǎn)甲烷菌為優(yōu)勢(shì)菌;基于鐵電極的電催化作用可有效增強(qiáng)厭氧氨氧化(ANAMMOX)菌的富集，進(jìn)而縮短ANAMMOX反應(yīng)器的啟動(dòng)時(shí)間（近24％）?？疾炝瞬煌妷簩?duì)ANAMMOX脫氮的影響，在一定范圍內(nèi)增加電壓(≤0.6 V)有助于強(qiáng)化反應(yīng)器的脫氮性能，但當(dāng)電壓超過(guò)一定的值(0.8 V)將會(huì)減弱A

9、NAMMOX反應(yīng)器的脫氮能力。
　　(4)由(2)部分可知，三價(jià)鐵具有異化還原降解有機(jī)物和富集鐵還原菌的特性，基于此通過(guò)在MEC-UASB反應(yīng)器內(nèi)投加氫氧化鐵的方法，強(qiáng)化了厭氧消化和陽(yáng)極氧化作用，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)廢水的高效降解。分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明氫氧化鐵可增強(qiáng)反應(yīng)器內(nèi)細(xì)菌和古菌菌落的富集度和生物多樣性，同時(shí)電場(chǎng)作用使得電極表面的微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變，這使得反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)了不同功能微生物群落的垂直分布。此外，該方法對(duì)染料廢水脫色也