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《大连理工大学》 2017年
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铁强化厌氧水解酸化微生物种间氢传递及其调控

李杨  
【摘要】:水解酸化作为厌氧产甲烷的前一阶段,承担着为产甲烷菌提供适宜底物(一元碳和乙酸)的任务,同时也是工业废水提高可生化性的重要预处理手段,但其在实际应用中效率通常较低。一个重要的原因是厌氧产酸常受限于较高H2分压——H+作为酸化段厌氧氧化有机物的电子受体,其氧化还原电位较低(EH+/H2=-414 mV,pH = 7),只有在较低的H2分压(104-10-5atm)下,有机酸的厌氧氧化才能在热力学上自发进行。同型产乙酸菌和嗜氢产甲烷菌作为厌氧耗H2的主要微生物,在许多厌氧系统中丰度较低,容易造成H+积累,进而导致厌氧工艺失败。因此,降低H2分压是推动厌氧水解酸化的关键。基于此,本论文开展厌氧水解酸化中的种间氢传递的强化方法和机制研究,分别采用零价铁强化同型产乙酸、磁铁矿强化异化铁还原以及生物电化学系统强化嗜氢产甲烷等厌氧耗H2手段,加速有机物的水解酸化,同时形成具有特殊结构的水解酸化颗粒污泥,为后续产甲烷过程提供适合的底物和环境条件。主要研究内容和结果如下:(1)为了强化厌氧水解酸化阶段同型产乙酸(耗氢)代谢,推动该平衡反应向右进行,本研究将零价铁投加至厌氧水解酸化反应器,以有机酸(丙酸)为底物,随进水有机负荷升高(3500-10000 mg/L),零价铁反应器出水COD(680-3400 mg/L)始终低于空白反应器(1020-5860 mg/L)。化学计量学评估表明零价铁反应器丙酸向乙酸转化率从25%-78%提升至42%-88%。零价铁能够有效富集同型产乙酸菌,提高水解酸化阶段微生物种群丰富度,推动其与产氢菌之间的氢传递,并形成结构紧凑、密实的水解酸化颗粒污泥(粒径达 535μm)。(2)零价铁在空气中极易锈蚀,其表面易形成Fe(Ⅲ)氧化物。而在厌氧条件下,Fe(Ⅲ)氧化物能够触发异化铁还原过程,加速有机物厌氧水解酸化种间氢传递。将磁铁矿(主要成分是Fe3O4)投加至厌氧水解酸化反应器,结果表明,磁铁矿能够有效地富集异化铁还原菌,使水解酸化反应器在酸性冲击和高有机负荷条件下仍能保持稳定运行。随着反应时间的延长,异化铁还原菌能够得到有效富集,其可利用有机物氧化所产生的H2作为电子供体,降低氢含量,并促进乙醇型发酵进行(当进水COD浓度为40000 mg/L时乙醇产量达到2400 mg/L)。高通量测序分析证实磁铁矿能够显著富集Megasphaera——该细菌被推测同时具备产乙醇和胞外电子传递至Fe(Ⅲ)氧化物的能力,进而促进高浓度有机废水的厌氧水解酸化。(3)水力停留时间较短的水解酸化过程通常很难富集嗜氢产甲烷菌。本研究将一对石墨电极置于厌氧水解酸化反应器,构成电场强化的厌氧水解酸化反应器。结果表明,在进水COD为7000 mg/L,水力停留时间为6 h时,电场-厌氧水解酸化反应器的COD去除率为72%,甲烷产量为250 mL/h;而对比反应器COD的去除率仅为41%,甲烷产量仅为50 mL/h。电场-厌氧水解酸化反应器电流密度可达62 A/m2,能量效率达392%。高通量测序分析表明,电场-厌氧水解酸化反应器的阴极周围富集大量嗜氢产甲烷菌,其对氢的消耗有效缓解水解酸化阶段酸性的积累,推动有机物分解的平衡反应向右移动,进而在短HRT的水解酸化反应器实现有机物的高效去除和甲烷化。(4)复杂有机物的水解酸化效率通常较低,在纤维素废水研究中,内置零价铁作为电极的反应器COD去除率达88%,而内置石墨作为电极的反应器COD去除率为66%,对照反应器(无内置电极)COD去除率仅为39%。该现象的主要原因是:一方面,零价铁可强化同型产乙酸,加速对水解酸化中的氢消耗,缓解有机酸的积累;另一方面,电生物反应器内阴极嗜氢产甲烷,也有助于推动有机酸分解反应向右进行并产生甲烷。零价铁作为电极也可显著提高纤维素水解酶活性,其中对β-葡萄糖苷酶促进效果最为明显,Pseudobacteroides,Saccharomonospora,Ruminiclostridum 和 Thermanaerovibrio 四类水解酸化菌的丰度也得到显著提高,加速了纤维素废水的水解酸化。(5)实际印染废水水质波动大、生物难降解,是典型的难处理废水之一。将铁屑置于中试规模厌氧反应器内处理实际印染废水,结果表明,铁屑有效提高废水的脱色率(40%vs 20%)和COD(19%vs 10%)的去除效率。对微生物形态和种群结构分析可知,铁屑中零价铁强化同型产乙酸、Fe(Ⅲ)氧化物强化异化铁还原加速耗氢代谢,富集水解酸化细菌,实现水解酸化阶段颗粒污泥的形成,污泥粒径约为500 μm左右,颗粒污泥的形成使厌氧水解酸化反应器有效抵抗实际废水的冲击,实现稳定的脱色及COD去除。因此,内置铁屑的水解酸化设备可用于实际污水处理厂的原位升级改造,有效提升处理效果。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:X703;X172

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