微电流耦合磁性LDH炭强化含酚废水厌氧降解的作用研究

作     者：梁茹婷 

作者单位：浙江科技学院 

学位级别：硕士

导师姓名：庄海峰

授予年度：2023年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：微电流 磁性LDH炭 厌氧生物降解 2,4,6-三氯酚 种间电子传递 

摘      要：2,4,6-三氯酚是酚类化合物中一种典型的氯酚类物质,被广泛应用于工业生产中。2,4,6-三氯酚属于环境激素,能在生物体中富集并积累,具有致癌致畸致突变的作用,被美国环保署、欧盟各国和中国列为有限控制的污染物。因此,绿色环保高效降解环境中的2,4,6-三氯酚成为一个亟待解决的环境问题。厌氧生物技术具有应用范围广、能耗低与资源回收等突出优势,是实现废水有机污染物“减污降碳协同增效最有效的绿色技术之一,广泛应用于废水处理领域。但传统厌氧技术出水可生化性差,系统不稳定易酸化,如何提高厌氧生物技术高效性及系统稳定性成为国内外研究热点与技术应用难点。本研究利用共沉淀高温热解法将废弃生物质玉米秸秆与双层氢氧化物LDH相结合,制备出磁性LDH炭,研究了该材料在强化厌氧降解2,4,6-三氯酚的效能,以及对厌氧污泥性能的变化影响。同时,利用宏基因测序手段分析了该过程中微生物群落变化及代谢通路的响应,得出以下结论:(1)以玉米秸秆为炭前驱体,采用共沉淀高温热解法制备了磁性LDH炭。BET结果表明磁性LDH炭比表面积为238.711(m/g),XPS图谱证实了材料中成功负载了Fe、Mg元素,Fe、Mg占比分别为5.72%及1.27%,同时材料中存在磁性成分FeO。XRD图谱中显示了符合标准谱图的FeO吸收峰。FTIR光谱图中出现了磁性LDH炭Fe-O特征官能团。通过对重金属浸出的测定,发现主要重金属离子的浸出浓度均低于国家规定的排放限值。(2)在微电流耦合磁性LDH炭的作用下,厌氧污泥系统降解2,4,6-三氯酚废水性能显著提高,系统产甲烷能力也随之提高,COD和2,4,6-三氯酚的最终去除率分别达到71.1%和75.4%,是原始污泥的2.25倍和2.5倍,对比磁性炭(R1)、微电流(R2)单独处理系统,COD去除率分别提高了19.3%和14.4%。2,4,6-三氯酚去除率也相应提高了25.7%和21.1%。最大甲烷产量达到182 m L/d,约为原始污泥的2.39倍,对比磁性炭(108 m L/d)、微电流(133 m L/d)单独处理系统甲烷产量也分别提高了1.68倍和1.37倍。处理后的废水出水可生化性强,BOD/COD达到0.39,有利于后续生化处理工艺对有机物的去除。当进水酚负荷增加到900 mg/L,耦合系统(R3)处理组对2,4,6-三氯酚的去除率仍保持在64.87%,当p H由8变化到6时,耦合系统(R3)处理组对2,4,6-三氯酚的去除率保持在50.56%,当酚负荷及p H负荷恢复后,耦合系统(R3)处理组对2,4,6-三氯酚的去除率也能保持在73%和63%,均恢复到未受冲击前水平。(3)在微电流耦合磁性LDH炭的作用下,厌氧污泥的性能得到明显的改善。耦合系统处理组的MLVSS在厌氧结束后达到45.87 g/L,蛋白质(PN)浓度从第20天的22 mg/(g·MLVSS)增加到第90天的90 mg/(g·MLVSS),多糖(PS)浓度从第20天的8 mg/(g·MLVSS)增加到第90天的28 mg/(g·MLVSS)。在厌氧系统运行第90天时,微电流耦合磁性LDH炭处理组中辅酶F的浓度为2.79μmol/(g·MLVSS),是原始污泥的2.27倍。微电流耦合磁性LDH炭处理组有效提高了厌氧污泥中电子传递活性ETS的活性,加快了生化反应。在微电流耦合磁性LDH炭的作用下,厌氧污泥中的微生物得到较好的聚集,进一步增强厌氧系统的处理污染物效果和稳定抗冲击性。(4)微电流耦合磁性LDH炭作用下,厌氧污泥中微生物多样性增加,从门水平分析,放线菌门(Actionbacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、浮霉菌门(Planctomycetes)得到了富集,厌氧降解污染物速率增加,系统中有机酸消耗加快。从纲水平分析,厌氧绳菌纲(Anaerolineae)、甲烷微菌纲(Methanomicrobia)、梭状芽孢杆菌(Clostridia)、厌氧绳菌纲(Anaerolineae)、放线菌纲(Actionmycetia)等菌得到富集。从古菌角度分析,甲烷丝菌属(Methanothrix)得到富集,它能与产电细菌能够通过直接种间电子传递DIET作用互营产甲烷。结合ETS活性分析,在微电流耦合磁性LDH炭的作用下,促进了微生物之间的种间电子传递。根据KEGG分析可以得出,微电流耦合磁性LDH炭处理组的代谢通路与其他三组有明显的区别,在Environmental Information Processing、Genetic Information Processing通路中均体现出较高的丰度。深入研究碳水化合物活性酶(CAZy)丰度发现,在微电流耦合磁性LDH炭的作用下,GH109和GT41酶丰度增加,这两种酶分别参与生物质的分解和代谢以及细