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《华南理工大学》 2011年
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制浆造纸废水的生物强化处理及废弃物发酵生物沼气的研究

陈洪雷  
【摘要】:制浆造纸废水排放量大,色度深,且具有很高的COD和BOD,在这种废水中存在大量的有机污染物,如一些细小纤维、木质素及含氯漂白过程中形成的氯代酚等木质素衍生物,尤其这些氯化有机成分,传统的废水处理方法很难将其去除,积累在环境中,给周围生态造成了严重污染,因此污染问题已经成为制约制浆造纸工业发展的关键。物理和化学方法可用于制浆造纸废水的处理,但成本较高,对有机氯化物的降解能力较差。相对来说,生物法可有效降解制浆造纸废水中的污染物,且成本低,不会造成二次污染,受到人们广泛关注。在以前的研究中,人们多利用白腐菌、厌氧或好氧污泥去处理制浆造纸废水,但随着环保意识的提高,传统的生物处理方法越来越不能满足人们要求,必须在现有基础上进一步强化其对废水的净化功能。同时,制浆造纸工业还产生了大量的造纸污泥和废纤维,这些物质中含有丰富的木质纤维成分,如不能得到有效利用,将会造成资源的极大浪费。基于上述原因,本研究中利用统计实验方法构建优势降解菌群,并用该菌群强化好氧颗粒污泥,提高污泥的制浆造纸废水净化能力。针对废水中含有大量有机氯合物,进行原生质体融合实验,构建可高效降解有机氯化物的重组菌。此外,将制浆造纸废水、造纸污泥和猪粪便进行协同发酵生产生物沼气,从而使制浆造纸工业废弃物作为优良的纤维原料用于生物能源生产。本研究对强化制浆造纸废水的生物处理,提高制浆造纸企业废水处理系统的处理效率,以及造纸工业废弃物的资源化利用具有重要意义。 围绕上述研究目的,为快速分析制浆造纸废水的品性参数,采用比值-导数光谱建立制浆造纸废水的色度检测方法。利用比值-导数光谱中366nm处的吸收值计算废水的色度,而且检测过程中避免了废水pH值及其中悬浮物的影响,因此,检测前无需调节pH值和去除悬浮物,简化了检测程序,降低了人为因素引起的误差。该方法具有较高的准确度和精密度,色度检测范围在50-390 C.U.之间时,相对误差在±5%以内,可以满足制浆造纸废水的色度测定要求。基于同样的目的,利用化学计算学辅助的光谱方法建立制浆造纸废水COD快速检测方法,分别根据UV-vis光谱(模型1)和相应的导数光谱(模型2)建立了两个较正模型,在0-405 mg/L的检测范围内,两模型的较正系数分别为0.9954(模型1)和0.9963(模型2),验证实验显示,模型2的平均相对误差为4.25%,较模型1(5.00%)低,说明模型2具有更高的准确度。新方法检测过程中无需耗用化学药品,成本低,无污染,耗时短,简化了COD测定步骤,减少了人为操作引入的误差,克服传统测定方法结果重现性对实验人员操作技能的依赖。 以6株菌Agrobacterium sp.,Bacillus sp.,E. cloacae,Gordonia sp.,Pseudomonas stutzeri.和Pseudomonas putida.为出发菌株用于降解制浆造纸废水的COD,首先通过部分因子设计(FFD)实验,采用6因素两水平实验设计,COD去除率作为响应值,用于鉴别哪一种或哪几种菌对制浆造纸废水的降解有显著性影响,筛选得到4株对废水降解起积极作用的菌株。利用最陡坡度法快速接近废水降解过程中最佳细胞浓度,在FFD和最陡坡度法实验基础上,利用响应面分析(RSM)进一步对制浆造纸废水处理过程中菌体细胞浓度进行优化,并建立可以根据变量预测废水COD去除率的二次模型。研究表明,当各菌在废水中的细胞浓度(OD_(600))分别为:0.35(Agrobacterium sp)、0.38(Bacillus sp.)、0.43(Gordonia sp.)、0.38(P. putid)时,对废水COD的降解效果最优。检证结果显示,COD的去除率为(65.3±0.5)%,与模型预测值66.7%非常接近。利用构建的优势降解菌群强化好氧颗粒污泥,提高其针对制浆造纸废水的降解能力,在厌氧处理的基础上,原始好氧污泥处理后,废水COD由629 mg/L降至203mg/L,废水色度由118 C.U.降至91 C.U.;而强化好氧污泥处理后,废水COD由629mg/L降至146mg/L,废水色度由118 C.U降至72 C.U.。 以供试菌Pseudomonas putida.和Psathyrella candolleana.为出发菌株进行原生质体融合实验,融合原生质体再生后,根据不同融合子的色泽、质地等菌落形态及其相互间的拮抗现象分离出20株融合菌株,分析鉴定它们针对五氯酚(PCP)的降解特性。同时,根据导数光谱建立测定PCP的新方法,利用该法可以快速鉴定各重组菌的氯代酚的降解能力。结果表明,其中4株重组菌Xz6-1, Xz6-3, Xz6-5和Xz8-2具有显著的PCP降解性能,PCP去除率分别为75.98%、66.12%、28.40%和43.26%,Xz6-1的去除率最高,比亲本Pseudomonas putida(PCP去除率为54.27%)提高了27.71%。利用重组菌XZ6-1和亲本Pseudomonas putida强化好氧颗粒污泥,结果显示,原始污泥的PCP降解率仅为10.69%,而由Pseudomonas putida和XZ6-1强化的颗粒污泥的PCP降解率提升至21.20%和30.03%。 结合制浆造纸废水、造纸污泥以及猪粪便协同发酵生物沼气,采用2%的发酵物料浓度,选用三因素、两水平全因子FFD实验设计考察影响沼气发酵的主要因素,分析结果显示,C/N、温度T和初始pH值均对生物沼气产率具有显著影响。根据前人的研究成果,确定35℃为发酵温度,通过正交实验验证发酵过程中适中的C/N和pH值,优化后的生物沼气发酵工艺条件为物料浓度为2%,温度为35℃,C/N为25,初始pH值为7.5,此条件下,可以得到368mL CH_4,发酵结束后废水的COD和BOD较原始制浆造纸废水分别降低了28.97%和72.40%。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:X793

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