鐵強化微生物—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、有效的方法之一。它將污水處理與污染物能源化相結(jié)合，在國內(nèi)外得到廣泛應用。但是，產(chǎn)甲烷菌代謝緩慢且對環(huán)境條件敏感，其容易導致水解酸化過程和甲烷化過程失衡，從而引起有機酸積累、甲烷化抑制甚至厭氧過程的失敗。因此，有必要研究強化有機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，這對解決高濃度難降解有機廢水的有效處理和污染物資源化利用具有重要意義。
　　針對以上問題，本論文利用零價鐵的還原性

2、和微生物異化鐵(Ⅲ)還原的特性，將零價鐵和三價鐵分別置于厭氧反應器內(nèi)用以強化厭氧消化的處理效果，重點開展了基于鐵電極和鐵氧化物的微生物電化學強化厭氧甲烷化技術(shù)的研究，考察了電化學強化技術(shù)、鐵(0，Ⅲ)強化技術(shù)與厭氧生物處理的耦合關(guān)系和交互作用機制，結(jié)合分子生物學技術(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。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　(1)通過零價鐵(ZVI)置于厭氧反應器內(nèi)的方法有效增強了處理含硫酸鹽廢水過程中的厭

3、氧甲烷化。結(jié)果表明，零價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)生的硫化氫對厭氧甲烷化的抑制作用，實現(xiàn)了較高的COD去除率和甲烷產(chǎn)量。分子生物學實驗結(jié)果表明該反應器底部硫酸鹽還原菌為優(yōu)勢菌而上部則以產(chǎn)甲烷菌為主導。該方法實現(xiàn)了微生物群落的功能化分區(qū)，這與兩相厭氧反應器處理含硫酸鹽廢水較相似，卻在單一反應器內(nèi)實現(xiàn)。同時，這表明零價鐵的加入有助于強化厭氧甲烷化過程。
　　(2)采用將Fe2O3

4、置于酸化硫酸鹽還原反應器內(nèi)的方法，強化了硫酸鹽廢水處理過程中有機酸的降解。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)Fe2O3的加入可促進微生物異化Fe(Ⅲ)還原過程，其協(xié)同硫酸鹽還原過程增強了有機酸的降解能力，從而實現(xiàn)了酸化硫酸鹽還原反應器較高的COD去除率(27.3％)和硫酸鹽還原率(57.9％)。分子生物學的定性和定量分析結(jié)果表明該方法實現(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器。
　　(3)由(1)部分可知，零價鐵可促進厭氧甲烷化過程，基于此構(gòu)建了使用鐵電極為陽極的生物電解池(MEC)-上流式厭氧污泥床反應器(UASB)裝置，即將一對鐵-石墨電極置入?yún)捬醴磻鲀?nèi)并施以適當?shù)碾妷骸Ａ銉r鐵的加入可強化厭氧過程（包括強化厭氧還原氛圍和厭氧菌生長），從而實現(xiàn)了其對含鹽廢水、染料廢水和含氮廢水的有效處理。此外，該反應器

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

7、，該反應器表現(xiàn)出了較高的脫色能力(83.4％)和COD去除能力(84.7％)。陽極腐蝕釋放的Fe2+與電場的耦合作用強化了胞外聚合物的產(chǎn)生。微生物群落結(jié)構(gòu)的動態(tài)分析表明基于鐵電極的電場作用可顯著加快微生物的富集速度，這對縮短反應器啟動時間和增加反應器負荷具有重要意義;鐵電極和電場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。同時，鐵電極作用下反應器的甲烷產(chǎn)量也有近兩倍的提高。分子

8、生物學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器仍保留了大量古菌，其中食乙酸產(chǎn)甲烷菌相對含量較高，而參比無電極的反應器古菌含量相對較低且以食氫產(chǎn)甲烷菌為優(yōu)勢菌;基于鐵電極的電催化作用可有效增強厭氧氨氧化(ANAMMOX)菌的富集，進而縮短ANAMMOX反應器的啟動時間（近24％）。考察了不同電壓對ANAMMOX脫氮的影響，在一定范圍內(nèi)增加電壓(≤0.6 V)有助于強化反應器的脫氮性能，但當電壓超過一定的值(0.8 V)將會減弱A

9、NAMMOX反應器的脫氮能力。
　　(4)由(2)部分可知，三價鐵具有異化還原降解有機物和富集鐵還原菌的特性，基于此通過在MEC-UASB反應器內(nèi)投加氫氧化鐵的方法，強化了厭氧消化和陽極氧化作用，實現(xiàn)了有機廢水的高效降解。分子生物學實驗結(jié)果表明氫氧化鐵可增強反應器內(nèi)細菌和古菌菌落的富集度和生物多樣性，同時電場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，這使得反應器內(nèi)實現(xiàn)了不同功能微生物群落的垂直分布。此外，該方法對染料廢水脫色也