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催化铁法与生物法耦合中胞内外聚合物的研究

作　者: 葛利云
导　师: 马鲁铭；王红武
学　校: 同济大学
专　业: 环境工程
关键词: 催化铁内电解 耦合 胞外聚合物 胞内聚合物 催化铁法
分类号: X703
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


催化铁内电解（CIIE）法作为一种全新的污水处理技术，成功地应用于工业废水的生物预处理，初步实现电化学过程与生化过程的协同。胞外聚合物（EPS）和胞内聚合物（IPS）作为两类重要的细胞聚合物，对生物废水处理的影响重大。本文从微生物学角度研究催化铁法与好氧生物处理工艺的耦合技术，探讨耦合过程中EPS和IPS的形成及转化规律，为耦合工艺开发提供微生物学方面的依据，进一步将催化还原过程的特点与生化反应有机结合起来。对3种好氧活性污泥样品EPS的提取方法进行了对比，并对阳离子交换树脂法（CER法）进行研究。结果表明：80℃加热法作为一种有效的EPS物理提取方法，提取过程中EPS不受污染，是好氧活性污泥EPS提取的有效方法，本课题的研究均采用加热法进行EPS的提取。分别对生物铁法和催化铁法对EPS的影响进行了研究。发现金属离子主要分布在污泥中，其EPS中Fe3+、Cu2+金属离子的含量也比对照反应器的略高一些。催化铁法中，铁离子的产生对微生物的生长和EPS的形成有一定的促进作用（反应器中总铁量小于80mg／gSS）；但过量的铁离子（反应器中总铁量大于80mg／gSS）会对EPS的形成造成负面影响。采用SEM、zeta电位测定仪和絮体粒径分布测定仪等进行污泥絮体的观察，结果证实耦合工艺对活性污泥的絮凝、沉降和脱水性能都有改善作用，且会对活性污泥的形态结构、污泥密实度产生影响，使污泥变得更加密实些；耦合工艺中，污泥的一些表面特性发生改变，包括zeta电位和污泥粒径分布等。研究了生物铁法和催化铁法中胞内聚合物的形成，并考察它们与体系中脱氮除磷之间的关系。发现生物铁法耦合体系中，COD在曝气初期急剧下降，并且IPS的形成和消耗规律都会发生变化；催化铁法中，铁离子的大量产生，对存在最广泛的胞内聚合物—聚羟基-β-羟基丁酸（酯）（PHB）的形成和积累会造成影响，从而间接影响到生物除磷效率。耦合工艺的抗冲击负荷能力比对照反应器的强，铁铜投加量对磷的去除有较大影响。考察了生物处理中EPS和IPS的形成。对EPS和IPS的形成关系进行了研究，结果发现IPS中PHB含量远远高于胞内糖原和EPS的含量，PHB是耦合体系中积累能力最强的细胞聚合物。EPS和IPS之间存在竞争关系，尤其是EPS和PHB之间的竞争关系非常明显。金属离子的存在会改变胞内外聚合物的这种竞争关系。参与开发了两套耦合工艺：催化铁法与悬浮填料生物膜法耦合和催化铁法与短程硝化反硝化SBR工艺耦合。对这两组耦合工艺中COD、色度、TP、TN等去除情况以及同时脱氮除磷进行研究。结果证实了耦合工艺中，微生物的生长情况优于对照反应器。耦合反应器对各主要污染因子(COD、色度、PO43--p、TP和TN)的去除效果均好于未耦合反应器。在常温25℃状态下，催化铁法与短程硝化反硝化SBR工艺耦合，更易造成短程硝化的产生，且能明显缩短硝化时间。催化铁法与短程硝化反硝化SBR工艺耦合具有良好的除磷效果，耦合工艺对反应器中的磷元素有较大影响，耦合后污泥EPS中的磷含量大大减少。

全文目录


摘要  6-8
ABSTRACT  8-14
第1章 引言  14-37
  1.1 内电解法的研究进展  14-20
    1.1.1 铁碳内电解法处理技术的研究现状  15-17
    1.1.2 催化铁内电解法处理技术的研究现状  17
    1.1.3 组合工艺在处理工业废水中的应用  17-20
  1.2 铁内电解与生物法耦合的研究  20-22
    1.2.1 耦合工艺的构成  20-21
    1.2.2 耦合工艺的机理  21-22
  1.3 细胞聚合物在废水生物处理中的作用  22-37
    1.3.1 细胞聚合物的分类  22-28
    1.3.2 细胞聚合物在废水处理中的作用  28-35
    1.3.3 EPS和IPS的相互关系  35-37
第2章 课题的研究背景、内容和研究方法  37-45
  2.1 课题研究背景  37-39
    2.1.1 催化内电解法的研究背景  37-38
    2.1.2 生物铁法和生物铁填料法的研究背景  38
    2.1.3 细胞聚合物在活性污泥法中的研究  38-39
  2.2 课题研究内容  39-40
  2.3 试验部分  40-45
    2.3.1 主要试验仪器和试剂  40-41
    2.3.2 测试分析方法  41-45
第3章 EPS不同提取方法的比较  45-60
  第一节 EPS的提取方法的比较  45-51
    3.1 试验材料和方法  45-47
      3.1.1 活性污泥来源  45-46
      3.1.2 污泥的预处理和EPS的提取  46-47
      3.1.3 污泥细胞DNA的提取  47
    3.2 结果与讨论  47-51
      3.2.1 污泥的EPS提取量  47-48
      3.2.2 细胞裂解  48-49
      3.2.3 活性污泥EPS组分  49-51
  第二节 阳离子交换树脂法提取活性污泥EPS的研究  51-60
    3.3 试验材料和方法  51-52
      3.3.1 活性污泥处理  51
      3.3.2 EPS的提取  51-52
      3.3.3 EPS的化学分析  52
    3.4 结果与讨论  52-60
      3.4.1 EPS的化学分析  52-57
      3.4.2 CER法与其他提取方法的比较  57-58
      3.4.3 CER投加量和搅拌强度对EPS提取效率的影响  58
      3.4.4 细胞裂解  58-60
第4章 废水生物处理中铁铜离子对EPS的影响  60-87
  第一节 Fe~(3+)和Cu~(2+)对EPS的短时影响  61-73
    4.1 材料与方法  61-62
      4.1.1 污泥的培养  61
      4.1.2 试验方法  61-62
    4.2 结果与讨论  62-73
      4.2.1 金属离子在反应器内的分布  62-65
      4.2.2 金属离子对EPS的影响  65-68
      4.2.3 金属离子对EPS组分的影响  68-73
  第二节 铁填料法中金属离子对EPS的长时影响  73-87
    4.3 材料与方法  73-74
      4.3.1 污泥的培养  73
      4.3.2 试验方法  73-74
    4.4 结果与讨论  74-86
      4.4.1 金属离子在反应器内的分布  74-80
      4.4.2 金属离子对EPS的影响  80-83
      4.4.3 金属离子对EPS组分的影响  83-86
    4.5 小结  86-87
第5章 EPS对活性污泥性能的影响  87-120
  5.1 材料与方法  88-89
    5.1.1 污泥的培养  88
    5.1.2 EPS的提取与分析  88
    5.1.3 污泥絮凝和沉降性能的表征  88
    5.1.4 污泥脱水试验  88-89
  5.2 结果与讨论  89-116
    5.2.1 反应器中污泥的絮凝、沉降性能  89-93
    5.2.2 EPS对污泥的絮凝、沉降性能的影响  93-98
    5.2.3 金属离子对污泥的絮凝、沉降性能的影响  98-105
    5.2.4 污泥zeta电位分析  105-107
    5.2.5 活性污泥絮体结构的研究  107-113
    5.2.6 污泥絮体的粒径分布  113-116
  5.3 耦合工艺中活性污泥脱水性能的变化  116-118
  5.4 小结  118-120
第6章 胞内聚合物的形成规律  120-139
  6.1 材料与方法  121-123
    6.1.1 试验材料  121
    6.1.2 测定方法  121-123
  6.2 结果与讨论  123-138
    6.2.1 GC-MS分析  123-126
    6.2.2 耦合工艺中胞内聚合物的形成  126-134
    6.2.3 耦合工艺中胞内聚合物对生物除磷脱氮的影响  134-138
  6.3 小结  138-139
第7章 耦合工艺中EPS和IPS的形成关系  139-147
  7.1 材料与方法  139
  7.2 结果与讨论  139-146
    7.2.1 生物铁法中EPS和IPS的形成关系  139-143
    7.2.2 催化铁法中EPS和IPS的形成关系  143-146
  7.3 小结  146-147
第8章 两组催化铁法与生物法耦合工艺的研究  147-171
  第一节 催化铁法与悬浮填料生物膜法耦合效果  148-161
    8.1 实验方法  148-151
      8.1.1 试验水质  148-149
      8.1.2 试验流程和装置  149-150
      8.1.3 试验分析测试项目及分析方法  150-151
    8.2 结果与讨论  151-160
      8.2.1 催化铁法与悬浮填料生物膜法耦合对载体微生物量的影响  151-154
      8.2.2 对胞外聚合物的总量和组成的影响  154-156
      8.2.3 催化铁法与悬浮填料生物膜法耦合的处理效果  156-160
    8.3 小结  160-161
  第二节 催化铁法与短程硝化反硝化SBR耦合工艺  161-171
    8.4 实验方法  161-163
      8.4.1 实验装置和污泥的培养  161-162
      8.4.2 试验水质  162-163
      8.4.3 活性污泥的培养驯化  163
    8.5 结果与讨论  163-170
      8.5.1 常温下耦合反应器中亚硝酸盐的累积  164-166
      8.5.2 耦合对EPS总量的影响  166-168
      8.5.3 EPS中的金属元素  168-170
    8.6 小结  170-171
第9章 结论与展望  171-174
  9.1 主要研究结论  171-172
  9.2 进一步工作的方向  172-174
致谢  174-175
参考文献  175-186
个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果  186-187

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 废物处理与综合利用 > 一般性问题 > 废水的处理与利用
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