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直流电场强化活性污泥法处理木质素废水功能及污泥特征等研究-生活一体化污水处理设备
浏览: 发布日期:2018-01-23

  木质素及其降解物是造纸废水的重要成分, 占总CODCr的50%左右.由于木质素具有复杂的苯环结构, 因此, 传统生物处理对其降解耗时长、去除率低.目前, 已经筛选到的降解木质素的细菌大多是好氧细菌, 主要集中在放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)和厚壁菌门(Firmicutes)等, 部分能在厌氧情况下生长.纯培养功能菌则对菌种培养条件的要求较高、重复性较差, 降解过程非常缓慢.

  研究表明, 外加直流电场能有效提高微生物强化难降解物质(苯酚、对氯硝基苯、茜素黄R、2, 4-二氯苯酚等)的处理效率, 其影响因素主要包括环境条件(如温度、pH、氧气等)、电场作用方式(如电流密度和持续时间)和反应器构型等.不同功能菌适宜的溶解氧条件不同, 较高的溶解氧可以提高好氧微生物活性和促进有机物循环功能菌群的增殖)利用生物电化学系统(BET)处理实际制浆造纸废水, 结果发现, 在pH=7时, 与厌氧处理(AnT)相比, BET系统的COD(BET/AnT, 55%/51%)、硝酸盐(33.5%/19.1%)、磷酸盐(33%/19%)和硫酸盐(58%/41%)去除率更高.利用电-活性污泥耦合技术处理酸性大红GR, 结果发现, 在15 mA微电流条件下电-生物技术能克服50 mg·L-1酸性大红GR对好氧生物处理的抑制作用.目前采用BET系统处理木质素废水的研究尚鲜见报道.已有研究为Liu等利用活性污泥反应器处理木质素模拟废水, 结果发现, 木质素去除率低于20%, 并且好氧微生物无法完全降解木质素.因此, 是否可采用电-活性污泥法有效强化木质素降解仍有待研究.

  直流电场会导致微生物生理特性、细胞膜磷脂组成和群落结构的差异.She等研究发现, 阴极产生的H2可能作为质子供体可提高脱氢酶系统活性, 从而导致NAD/NADH平衡的转化.Velasco-Alvarez等的研究表明, 低电流(0.42 mA·cm-2, 24 h)能促进Aspergillus niger的分解代谢, 减少生物量的产生, 总ATP含量瞬间升高, 从而导致十六烷的生物降解率提高约15%.Wick等利用PLFA技术研究了暴露于恒定电场(1.4 V·cm-1、1.0 mA·cm-2)中的土壤微生物群落的变化, 结果发现, 外加电场8 d后, 饱和脂肪酸含量受到显著影响(p < 0.05), 电极附近的样品与中心土壤样品相比, 饱和直链脂肪酸的含量更高, 这可能是由于电场对流动细胞膜的胁迫作用.目前, 有关电场胁迫条件下微生物群落结构的研究主要集中在极板上附着的生物膜方面, 而在悬浮的活性污泥微生物群落结构的电场影响方面较少涉及.阳极生物膜中Shewanella(Kim et al., 1999)、Geobacter(Bond et al., 2003)、Pseudomonas、Desulfovibrio等菌属都曾被报道具有很高的电子传递能力.Ailijiang等利用生物电化学反应器处理模拟苯酚废水, 结果发现, 在间歇直流电场运行方式下, 生物膜中Zoogloea和Desulfovibrio等菌属的相对丰度显著提高.电极生物膜功能微生物包括能够进行细胞外电子传递的功能菌和其他协作的功能菌.与生物膜法相比, 活性污泥法群落结构具有明显的差异性, 且活性污泥处于曝气搅动之中, 特定功能微生物难以富集, 因此, 直流电场对悬浮的活性污泥微生物的影响与电极-生物膜法不同.

  基于此, 本研究以溶解态木质素模拟废水为研究对象, 考察活性污泥反应器、电极生物膜反应器及电极生物膜-活性污泥反应器中木质素废水的处理效能, 探究不同电流强度对悬浮污泥生理特性的影响, 并利用磷脂脂肪酸(PLFA)及16S rRNA基因高通量测序研究不同电流强度下微生物细胞膜磷脂组成和群落结构的差异, 以期为电场强化技术处理木质素废水的工程应用提供理论依据.

  2 材料与方法

  2.1 反应器的启动与运行

  实验包括3个平行运行的SBR反应器, 反应器有效体积为2 L, 其中, R1为常规SBR反应器(对照组, 无电流); R2、R3反应器内设固定在壁上的卡槽以固定电极, 所用电极为一对石墨电极, 有效面积为60 cm2(长20 cm、宽5 cm、厚6 mm), 极板距离7 cm, 两电极分别与直流稳压电源的正、负极连接, R2内无接种污泥, R3内含接种污泥.R1、R3接种污泥取自南京某污水处理厂, 污泥浓度控制在3000 mg·L-1.R2每天换水时清理悬浮污泥(污泥浓度 < 30 mg·L-1).为了强化难降解有机物木质素的降解, 加入易降解的葡萄糖为共基质.实验室配制的模拟废水的进水COD为530 mg·L-1(COD(木质素磺酸钠): COD(葡萄糖)=1: 1.2), 由300 mg·L-1的C6H12O6及200 mg·L-1木质素磺酸钠组成, 此外每升废水包含117.2 mg NH4Cl、26.9 mg KH2PO4、55 mg MgSO4·7H2O、25 mg CaCl2·2H2O和0.6 mL微量元素混合液.其中, 每升微量元素混合液包含1.5 g FeCl3·6H2O、0.18 g KI、0.12 g ZnSO4·7H2O、0.15 g H3BO3、0.12 g MnCl2·4H2O、0.15 g CoCl2·6H2O、0.03 g CuSO4·5H2O、0.06 g Na2MoO4·2H2O和10 g EDTA-4Na.反应器运行周期为24 h(包括进水0.5 h, 曝气22 h, 沉淀1 h, 出水0.5 h), 排水比为1/2, 污泥负荷为0.12 kg·kg-1·d-1(以每kg MLSS中的COD(kg)计), 污泥停留时间为10 d, 进水pH为7.6±0.1, 溶解氧控制在3~5 mg·L-1, 温度维持在(25±2) ℃.

  2.2 实验方法

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