（环境工程专业论文）电极sbbr对污水n与cu的去除效应研究.pdf

摘要 电极一s b b r 对污水n 与c u 的去除效应研究 环境工程专业硕士研究生郭玲 指导教师陈玉成教授 ( 摘要) 随着城市化与工业化的迅速发展，城市污水中污染物种类趋于复杂化单纯使用某一种 水处理技术已很难完成对多种污染物( 有机物、氮、重金属) 的净化任务，多种方法联合作 用已成为污水处理的发展趋势。s b b r 工艺与电极生物膜法均是目前正在研究的新型污水处理 技术，两者在污水的脱氮、除重金属以及降解有机物方面都各有优势。本文借助于s b b r 工 艺，将电极生物膜法应用于城市污水处理中，提出了电极s b b r 法脱氮、除铜以及同步脱氮 除铜的研究课题。 试验以生物学、电化学以及两者间协同作用原理为基础，通过分别探讨电极s b b r 系统 中各冈素对污水中氮与铜的去除效应的影响，确定了脱氮除铜的较佳工艺条件，对电极一s b b r 系统处理污水中氮、铜的能力进行了分析与评价。通过一系列研究，在理论上丰富了电生物 学的内容，在实践上可为城市污水脱氮除铜的处理提供科学依据。 试验根据生活污水、含铜有机废水成分及排放标准，采用分析纯化学试剂配置模拟污水， 同时自行设计四套并联电极s b b r 反应器，接种某污水处理厂曝气池中的活性污泥。根据处 理目标，分别进行了活性污泥的驯化与填料挂膜、反硝化生物膜的培养与极板挂膜、微电流 驯化、铜离子梯度驯化等四个环节。直至污泥性能较好，处理效果稳定，电极一s b b r 系统方 可投入运行。 根据处理目标，试验首先选择了电极一s b b r 系统的操作工序，并将脱氮、除铜与同步脱 氮除铜工艺分别设定为8 、6 、6 种1 二况。综合考虑各工艺不同工况的运行效果，确定基于脱 氮、除铜、同步脱氮除铜的标准运行时序分别为：h r t = 7 o h ，厌氧o 5 h 、曝气3 5 h 、厌氧缺 氧3 o h ；h r t = 4 5 h ，曝气4 o h 、厌氧缺氧o 5 h ；h r t = 7 o h ，厌氧0 5 h 、曝气4 o h 、厌氧缺 氧2 5 h 。 电极一s b b r 系统脱氮效应研究方面，首先对各形态氮浓度以及p h 、d o 浓度随h r t 的 动态变化进行了考察。发现在好氧条件下，复合脱氮工艺存在明显的反硝化现象，即同步硝 化反硝作用。且好氧段的脱氮作用远高于前、后序厌氧缺氧段。并从宏、微观环境理论剖析 了产生这个现象的原因。后分别考察了i 、d o 、c n 比以及n o r 负荷对体系脱氮效果的影响。 结果表明：( ! ) s b b r 系统中引入电极能促进脱氮。且在一定范围内，增大i 可提高脱氮效率。 两南大学硕十学何论文 但过大的i 也会降低脱氮效率。同时得出，外电场能够提高脱氮效率主要是由于电流促进了 反硝化脱氯环节。试验所获得的最佳i 为8 0 m a ，此时t n 去除率可达8 2 8 6 。d o 是电极 一s b b r 系统中一个重要参数，d o 浓度不能太低也不能过高。d o 浓度为4 m g ，l - 1 时，t n 、n h 3 - n 、 n 0 3 - n 的去除率分别达8 7 1 8 、9 5 o 、3 7 “，脱氦效果最佳。进水c n 比的增加有助 于脱氮，但达到一定值后对脱氮的影响很小。 i n 0 3 负荷由2 0 m g l 1 增至4 0 m g l 1 ，t n 、n 0 3 。 的去除率分别提高1 8 、2 7 ，但过高n 0 3 负荷将降低脱氮效率。试验还发现，在外电场作 用下( i 3 m g l - i ，c n 比 5 时，体系对c o o c ，的去除率基本保持 在8 0 以上。表明电流驯化环节减轻了外加电场对异养型菌群活性的影响。 电极s b b r 系统除铜方面，试验分别考察了i 、陪伴离子、初始含铜最、溶液p h 值对除 铜效应的影响以及c u + 浓度随h r t 的动态变化。结果表明：通电与未通电相比，前者使c u ” 的去除率提高约5 。生物吸附作用对除c u ”具有主要贡献，低i ( 1 0 - 4 0 m a ) 时，增加i 有利于c u 2 + 被去除。4 0 m a 为最佳i ，c u 2 + 的去除率接近9 8 。但i 过大也会影响电沉积效 率。投加一定量的阴离子( s o , 2 。、n 0 3 与c r ) ，阳离子( z n 2 + 、p b 2 + ) 均会引起出水c u 2 + 浓度的增加，其中尤以c f ( 4 5 m g l - 1 ) 、p b 2 + ( 3 0 r a g l 1 ) 对c u 2 + 去除的影响更为显著。c u 2 + 负荷在1 0 - - 1 0 0 r a g l 时，c u 2 + 去除率均稳定在9 2 以上。c u ”负荷为3 0 m g l 4 时，c u 2 + 去除率 高达9 8 4 8 ，效果最佳。c u 2 + 负荷兰7 0 m g l - 1 时，出水c u 2 + 浓度已不能达标。 p h 值是影响 c u ”去除的关键因素。p h 4 o 4 5 与p h 9 0 - , 1 0 0 均不利于c d + 被去除，且前者比后者的负面影 响更显著。p h 4 5 7 5 时c u 2 + 去除率最高，达9 7 7 8 。生物吸附除c u 2 + 在瞬时( h r t 1 0 m i n ) 即可达到理想效果。曝气段因存在有机物与c u 2 + 竞争菌胶团上的结合位点而不利于除铜。初 始沉淀段，生物吸附与电沉积的双重作用使c u ”浓度下降。但沉淀时间的延长将影响电沉积 效率。与脱氮工艺相比，除铜工艺中有机物的降解率有所下降，但影响不大。表明c u , + 梯 度驯化减轻了其对微生物活性的抑制与毒害，可确保生物降解有机物的高效进行 电极一s b b r 系统同步脱氮除铜方面，分别考察了i 、d o 、c n 比对体系同步脱氮除铜效 应的影响。研究表明：在一定范围内，增加i 有利于脱氮，不利于除铜，在低i ( 1 0 - 9 0 m a ) 下对除铜的影响较小，i 过大将影响脱氮、除铜效率。l = 6 0 m a 时，t n 去除率为6 7 6 9 ， 脱氮效果最佳。在一定范围内，增加d o 浓度有利于脱氮、除铜及降解有机物c n 比的 增加促进了脱氮与降解有机物，但对除铜的影响较小。3 个参数对脱氮的影响远不如脱氮工 艺明显。说明c u 2 + 的存在对硝化、反硝化菌存在抑制作用，使系统脱氮产生了滞后效应。 通过以上研究，得出总的结论是电极s b b r 系统对污水中氮、铜的去除效果较好，同时 也可以确保有机物被高效降解，该复合丁= 艺研究应用前景十分广阔。 论文晟后指出了本课题研究的不足之处以及有待于进一步解决的问题，同时对今后的研 究方向进行了展望。 关键词：s b b r 电极氮铜脱氦 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f u r b a n i s ma n di n d u s t r y , t h ec a t e g o r i e so f p o l l u t a n t si ns e w a g ea r e i n c r e a s i n g l yc o m p l e x i ti sd i f f i c u l tt of m i s ht h ep u r i f i c a t i o nt a s k so fn n n l a t o o sp o l l u t e dm a t t e r s ， i n c l u d i n go r g a n i cp o l l u t a n t s ，n i t r o g e na n dh e a v ym e t a lo n l ym a k i n gu s eo fat e c h n o l o g yo fs e w a g e t r e a t m e n t t h e r e f o r e ，t h ec o m b i n a t i o no fv a r i o u st e c h n o l o g i e sh a v eb e c o m ed e v e l o p m e n t a lt r e n dt o t r e a t i n gs e w a g e n o w a d a y s ，s b b r ( s e q u e n c i n gb a t c hb i o f i l mr e a c t o r ) a n db e r ( b i o f i l m - e l e c t r o d e r e a c t o r ) a r cb o t hb e i n ge x p l o r e dn o v e lt e c h n o l o g i e so fw a t e rt r e a t m e n t t h e yh a v er e s p e c t i v e l y a d v a n t a g e o u sf o rr e m o v a lo fc o d ，n i t r o g e na n dc o p p e ri o n i nt h i ss t u d y , e l e c t r o d e - b i o f i l mw a s i n t r o d u c e dt ot h es b b rs y s t e mo fs e w a g et r e a t m e n ta n dt h es t u d yt a s k so fr e m o v i n gn i t r o g e n , c o p p e ri o na n ds i m u l t a n e o u sr e m o v a ln i t r o g e na n dc o p p e ri o nu s i n ge l e c t r o d e s b b rw a sb r o u g h t f o r w a r d b a s e do nt h et h e o r i e so f b i o l o g y , e l e c t r o c h e m i s t r ya n dc o a d j u t a n te f f e c to f e a c ho t h e r , t h ee f f e c t o n t h er e m o v a lo f n i t r o g e n ，c o l ，p c f i o n a n ds i m u l t a n e o u sn i t r o g e n a n dc o p p e r i o n o n p e r f o r m a n c e o f e l e c t r o d e - s b b rw e l er e s p e c t i v e l yd i s c u s s e da n dt h e b e t t e rp r o c e s sc o n d i t i o n so fn i t r o g e na n d c o p p e ri o nr e m o v a l0 1 1r u n n i n go fe l e c t r o d e - s b b rs y s t e mw e d e t e r m i n e d t h ec a p a b i l i t yo f n i t r o g e na n dc o p p e ri o nr e m o v a lw f f l ea n a l y z e da n da p p r a i s e do nr u n n i n gt e c h n i q u eo fc o m b i n e d e l e c t r o d e - s b b r t h er e s e a r c hc o u l dr i c h e nt h ec o n t e n t so fe l e c t r i c s - b i o l o g yt h e o r e t i c a l l ya n dc o u l d p r o v i d es c i e n t i f i cf o u n d a t i o nf o rn i t r o g e na n dc o p p e ri o nt r e a t m e n ti ns e w a g ep r a c t i c a l l y a c c o r d i n gt ot h ec o m p o n e n t so f t y p i c a ld o m e s t i cs e w a g ea n dw a s t e w a t e rc o n t a i n e dc o p p e ra n d e f f l u e n ts t a n d a r d a n a l y t i c a lr e a g e n t ss i m u l a t e dw a s t e w a t e r f o u rs e t so fr e a c t o r si np a r a l l e l c o n n e c t i o nw e r ed e s i g n e da n da c t i v a t e ds l u d g ef r o ma e r a t i o nb a s i no fas e w a g et r e a t m e n tp l a n tw a s i n o c u l a t e dt ot h er e a c t o r s a c c o r d i n gt ot r e a t i n gt a r g e t s d o m e s t i c a t i o na n dc u l t i v a t i o no fm i c r o b e s w a sd i v i d e di n t of i v ep h a s e si ns e q u e n c e ，r e s p e c t i v e l y , t h es l u d g ed o m e s t i c a t e da n dc u l t i v a t e d ， b i o f i l ma t t a c h e dt os t u f f i n g ，d e n i t r i f y i n gm i c r o b e sc u l t i v a t e da n db i o f i l ma t t a c h e dt ot h es u r f a c e so f e l e c 订o d e ，m i c r o b e st a m e db yt i n yc u r r e n ta n dg r a d i e n ta d d i t i o no fc o p p e ri o nu n t i lt h es l u d g e p e r f o r m a n c ew a sg o o de n o u g ht oe l l s u r ee l e c t r o d e - s b b rs y s t e mo p e r a t i n gs t a b l y f i r s t l y , t h et h r e eo p e r a t i n gw o r k i n gp r o c e d u r e so fe l e c t r o d e s b b rf o rt h r e ed i f f e r e n tt a r g e t s w e r ed e t e r m i n e d 8 。6a n d6o p e r a t i n gc o n d i t i o n sw e r er e s p e c t i v e l yd e s i g n e di na c c o r d a n c ew i t ht h e r e m o v a lo fn i t r o g e n ，c o p p e ri o na n ds i m u l t a n e o u sn i t r o g e na n dc o p p e ri o n c o n s i d e r i n go p e r a t i n g e f f i c i e n c y , t h en o m a lo p e r a t i n gc o n d i t i o nt or e m o v en i t r o g e nw a sd e t e r m i n e da sh y d r a u l i cr e t e n t i o n ( h r t ) 7 o h ，a n a e r o b i c0 5 h ，a e r a t i o n3 5 h ，s e r l e3 o h t or e m o v ec o p p e ri o n ，t h en o r m a lo n ew a s d e t e r m i n e da sh r t4 5 h a n a e r o b i c4 o h s e r l eo 5 h t or e m o v en i t r o g e na n dc o p p e ri o n i 两南夫学硕+ 学伊论文 s i m u l t a n e o u s l y , t h en o r m a lo n e w d e t e r m i n e da sh r t7 h , a n a e r o b i c0 5 l l ，a e r a t i o n4 o h ，s e t t l e2 5 h t h es t u d yo nt h ee f f e c t so fn i t r o g e nr e m o v a lo np e r f o r m a n c eo fe l e c t r o d e s b b ri nt r e a t i n g s e w a g e ：f i r s t l y , t h ed y n a m i cc h a n g eo fv a r i o u sn i t r o g e n sc o n c e n t r a t i o n , p ha n dd i s s o l v e do x y g e n ( d o ) i nw h o l eh r tw e r ei n v e s t i g a t e d t h es u r p r i s i n g l yo b v i o u sd e n i t r i f i c a t i o np h e n o m e n o ni n a e r o b i cp h a s e ，n a m e l y , s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i l r i f i c a t i o n ( s n d ) w a sf o u n di nt h i s e x p e r i m e n t a tt h es a m et i m e ，t h ed e n i t r i f i c a t i o ni na e r o b i cp h a s ef a re x c e e d e dw h a tt h ef o r m e ra n d t h el a t t e ro f a n a e r o b i co ra n o x i cp h a s e sw o r ea c h i e v e di ne l e c t r o d e s b b rs y s t e m f u r t h e r m o r e ，t h e c a u s e so fc 0 1 t 1 ei n mb e i n gt h e s er e s u l t sw e r e r e s p e c t i v e l ya n a l y s e df r o mt h et h e o r i e so f m a c r o s c o p i c a la n dm i c r o c o s m i ce n v i r o n m e n t t h e ne f f e c t so f a p p l i e de l e c t r i cc u r r e n t ，d o ，c nr a t i o a n dn i t r a t em 0 3 - n ) l o a d i n go nt h er e m o v a lo fn i t r o g e nw c f er e s p e c t i v e l ye x a m i n e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a t ：d ) i n t r o d u c f i o no fe l e c t r o d ei ns b b rp r o c e s sc o n t r i b u t e dt o d e n i t r i f i c a t i o n t h ee f f i c i e n c yo fd e n i t r i f i e a t i o nw a se n h a n c e da sc u r r e n ti n t e n s i t yi n c r e a s e di na c e r t a i nr a n g e h o w e v e r , h i g h e rc u r r e n ti n t e n s i t yr e s u l t e di nr e d u c t i o no fd e n i t r i f l c a t i o ne f f i c i e n c y m e a n w h i l e ，i tw a sc o n c l u d e dt h a tt h ee l e c t r i cf i e l dl e a d i n gt ot h ei n c r e a s eo f d e n i t r i f i c a t i o nr a t ew a s l a r g e l yd u et oe l e c t r i cc u r r e n ta c c e l e r a t e i n gd e n i t r i f i c a t i o n t h em a x i m u mt o t a ln i t r o g e no n ) r e m o v a lr a t ew a s8 2 8 6 a ta na p p l i e dc u r r e n to f 8 0 m a d oc o n c e n t r a t i o ni si m p o r t a n tp a r a m e t e r i ne l e c t r o d - s b b rs y s t e m c o n c e n t r a t i o no fd om u s tk e e pas u i t a b l er a n g e t h eb e s tr a t eo f d e n i t r i f l c a t i o nw a sa c h i e v e do nt h ed ol e v e lo f4 m g l 1 ，t h er e m o v a lr a t e so ft n a m m o n i a c n i t r o g e n ( n h a - n ) a n dn 0 3 w c t ea c h i e v e dr e s p e c t i v e l yo f8 7 1 8 ，9 5 0 a n d3 7 6 4 e i n c r e a s eo fc nr a t i oc o n t r i b u t e dt od e n i t r i f i c a t i o n h o w e v e r , i th a dn oo b v i o u si n f l u e n c eo n d e n i l x i f i c a t i o na sc nr a t i oe x c e e d e ds 蛐n u m e r i c a lv a l u e a sn 0 3 。l o a d i n gi n c r e a s e df r o m 2 0 m g l 1 t o4 0 m g l - l ，t h er e m o v a lr a t e so ft na n dn 0 3 。r e s p e c t i v e l yh e i g h t e n e d1 8 a n d2 7 v t ? h o r e a s 。e x c e s s i v en 0 3 c o n c e n t r a t i o na l s od c c r e a s e dt h e e f f i c i e n c yo fd e n i t r i f i c a t i o n t h e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h er e m o v a lr a t eo fc h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ( c o d e r ) r e m a i n e dm o r e t h a n8 0 o nt h ec o n d i t i o no fe l e c t r i cf i e l dw h e nd oc o n c e n t r a t i o ne x c e e d3 0 m g l 1o rc nr a t i o e x c e e d5i ne l e c t r o d e s b b rs y s t e m e x p e r i m e n ti n d i c a t e dc u r r e n td o m e s t i c a t i o nl i g h t e nt h ea d v e r s e i n f l u e n c eo f e l e c t r i cf i e l do na c t i v i t yo f h e t e r o t r o p h i cb a c t e r i a t h es t u d yo ne f f e c t so fc o p p e ri o nr e m o v a lo np e r f o r m a n c eo fe l e c t r o d e - s b b ri i l t r e a t i n g s e w a g e ：f i r s t l y , t h ee f f e c t so f c u r r e n ti n t e n s i t y , a c c o m p a n y i n gi o n s ，c o p p e ri o nc o n c e n t r a t i o na n dp h o nt h er e m o v i n gc o p p e ri o nw e r er e s p e c t i v e l ys t u d i e d t h e nt h ec h a n g eo fc o p p e ri o nc o n c e n t r a t i o n i nt o t a lh r tw a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：i nt h es a l t l ec o n d i t i o n c o m p a r e dw i t h s i n g l es b b rt e c h n i q u e ，t h er e m o v a lr a t eo fc o p p e ri o nw a si n c r e a s e db yo n l ya b o u t5 u s i n g e l e c t r o d e s b b r ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h er e m o v a lo fc o p p e ri o nw a sm a i n l yb yt h e i v a b s i r a c l l b i o s o r p t i o n m e a n w h i l e ，t h ei n c r e a s eo fc u r r e n ti n t e n s i t ya v a i l e dt ot h er e m o v a lo fc o p p e ri o no n l o w e rc u r r e n ti n t e n s i t yf r o m1 0t o4 0 m aa n dah i g h e s tc o p p e ri o nr e m o v a le f f i c i e n c yo f a b o u t9 8 w a sa c h i e v e da tac u r r e n tl e v e lo f4 0 m a h o w e v e r , h i g h e rc u r r e n tl e v e lh a db a di n f l u e n c eo nt h e e f f i c i e n c yo f e l e c t r o - 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