納米ZnO對反硝化同時甲烷化體系的影響及數(shù)學模擬.pdf

1、納米ZnO作為一種重要的工程納米材料，廣泛應用于醫(yī)療、光電學、橡膠、陶瓷、化妝品、紡織品、食品衛(wèi)生、水體修復、農(nóng)業(yè)畜牧業(yè)等行業(yè)。但納米ZnO在這些行業(yè)中的生產(chǎn)、運輸、使用及處理處置過程中，不可避免地進入城市污水管網(wǎng)系統(tǒng)，必然對生物處理系統(tǒng)產(chǎn)生潛在威脅。反硝化同時甲烷化(SDM)體系能充分利用廢水有機碳源，實現(xiàn)生物脫氮的同時回收能源(CH4)，優(yōu)化廢水處理工藝，降低處理成本，對廢水處理的意義重大。
　　本文主要以SDM體系為研究對象

2、，研究不同濃度的納米ZnO在該體系中短期和長期暴露的影響作用及其遷移轉(zhuǎn)化過程，完善納米ZnO的毒性數(shù)據(jù)。基于顆粒碰撞理論和ADM1模型，構(gòu)建納米ZnO離子釋放模型、ADM1和SDM耦合的擴展模型，模擬納米ZnO的溶解和吸附過程，以及對各功能微生物抑制過程。具體研究結(jié)果如下:
　　納米ZnO離子釋放模型合理地模擬如下過程:①納米ZnO的溶解釋放可溶性Zn2+;②懸浮納米ZnO和可溶性Zn2+被顆粒污泥所吸附;③納米ZnO和Zn2+對

3、顆粒污泥的抑制作用。相應的動力學參數(shù)成功估計。對于納米ZnO的濃度50、100、200、400 mg/L，得到相應的ka、a、η的估計值。ka的估計值分別為5.48×10-2、3.23×10-2、4.70×10-3、3.59×10-3 mg/(g.h);常數(shù)a估計值分別為0.5702、0.5356、0.1615、0.0475;η的值分別為0.1699、0.1294、0.0697、0.1252。
　　ADM1擴展模型較好地模擬納米Z

4、nO對酸化菌和產(chǎn)甲烷菌的抑制過程，相應抑制參數(shù)為:KI,su、K1，bu、KI,pro、KI,ac和KI,h2，其估計值分別為0.00051、0.0062、0.0057、0.00935和0.000312 mgZn/L。從實驗過程和數(shù)學模擬兩方面，均表現(xiàn)出納米ZnO對酸化菌的抑制作用強于甲烷菌。
　　SDM擴展模型成功模擬了納米ZnO對酸化菌、產(chǎn)甲烷菌和反硝化菌的抑制作用，較好地分析出納米ZnO對SDM體系的抑制作用，主要表現(xiàn)為底物

5、利用速率的抑制。 KI,NO2=0.00007＜KI,NO3=0.042;KI，ZnO,bu=0.094＜KI，ZnO,pro=0.10＜KI,ZnO,ac=4.45，這也證實了NO2-對產(chǎn)甲烷菌的抑制強于NO3-，納米ZnO對酸化菌的抑制作用強于產(chǎn)甲烷菌。
　　納米ZnO的長期暴露實驗表明，UASB反應器運行性能與納米ZnO的濃度和污泥尺寸有明顯相關(guān)性。在1.0、5.0、10 mg/L納米ZnO暴露下，UASB的產(chǎn)甲烷量、COD

6、、揮發(fā)性脂肪酸(VFA)等均產(chǎn)生部分抑制作用。隨著納米ZnO暴露濃度增加至50 mg/L，產(chǎn)甲烷量和VFA被嚴重抑制。但在納米ZnO的整個暴露過程中，產(chǎn)氮氣量沒有明顯影響，表現(xiàn)了納米ZnO對反硝化菌的抑制較弱。相比小尺寸顆粒污泥(＜2mm)，大尺寸顆粒污泥(≥2mm)表現(xiàn)出更強的抵御毒性沖擊的能力。但在50 mg/L納米ZnO暴露下，顆粒的污泥結(jié)構(gòu)均嚴重破壞，生化過程也被嚴重抑制，表現(xiàn)了顆粒污泥抵御納米ZnO毒性沖擊的能力是有限的。此外