低强度超声耦合磁性炭强化厌氧生物去除酚类污染物的效能研究

作     者：张雅荃 

作者单位：浙江科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：庄海峰;胡志军

授予年度：2024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：双金属磁改性生物炭 低强度超声 厌氧生物 生物强化 酚类污染物 种间电子转移 

摘      要：酚类化合物作为最受关注的持久性有机污染物之一,其高毒性和较差的生物降解性,低浓度即会对生命健康造成严重危害。随着工业化的快速发展导致废水含酚污染日益严重,对环境的可持续发展产生负面影响。因此,如何经济高效地促进酚类污染物的去除成为了污水处理高质量、可持续发展亟待解决的技术瓶颈。厌氧生物技术具有应用范围广、能耗低、污染少与资源回收等突出优势,是实现废水有机污染物“减污降碳最有效的绿色技术之一。然而,传统厌氧生物技术的单一性、长周期、不稳定等瓶颈限制了实际处理效果,特别是对难降解有机污染物去除不彻底和效率低。生物强化技术通过优化厌氧处理过程中的环境条件,提高微生物活性,促进污染物的高效降解,被认为是提高难降解污染物去除效率的有效策略,本研究通过制备双金属磁改性生物炭,将其作为厌氧外源强化物质,耦合低强度超声强化酚类污染物的厌氧降解性能,系统地研究了耦合工艺对厌氧处理含酚废水的效能、厌氧污泥的性能、微生物群落的影响,得出以下实验结论: （1）以玉米秸秆为生物炭前驱体,通过氯化锌预处理后热解成炭,通过共沉淀法负载Fe/Ni,最终得到双金属磁改性生物炭（MSB-Fe/Ni）。其表面粗糙多孔并分散着规则的大颗立体氧化物结晶;XRD与XPS结果一致证实了MSB-Fe/Ni成功负载铁和镍;其具有丰富的官能团和铁磁特性。此外,MSB-Fe/Ni对2,4,6-三氯苯酚吸附实验表明其吸附机理更适合伪二级动力学模型与Freundlich等温线模型。 （2）通过均匀实验与响应面模型模拟的综合实验设计,得到在超声辐照时间12 min、超声间隔时间48 h、超声强度0.25 W·m L-1的最佳条件下,厌氧活性污泥的辅酶F420和脱氢酶产量可以达到最高值。通过长周期实验发现低强度超声强化对COD和2,4,6-三氯苯酚的降解去除率在80%以上,比照系统提高了1.3～1.5倍,同时超声促进了甲烷产气量。此外,低强度超声刺激促使辅酶F420和脱氢酶产量,而污泥胞外聚合物（EPS）在超声影响下先增加后逐渐降低趋势,促进了蛋白的分解,提高了含酚废水的可生化性。虽然超声使污泥粒径降低,并对表面的生物细胞造成一定的侵蚀,但在低强度超声作用下,微生物群落趋向多样性发展,细菌属水平的优势菌群Burkholderia-Caballeronia-Paraburkholderia与Clostridium＿sensu＿strict加速了2,4,6-三氯苯酚的降解以及系统中有机酸的消耗,同时Desulfitobacterium取代了Dechlorosoma进一步加速2,4,6-三氯苯酚发生脱卤反应与彻底降解。 （3）低强度超声耦合磁性炭能够明显提高厌氧降解2,4,6-三氯苯酚性能与产甲烷能力,耦合系统（R3）COD最终出水去除效率是对照系统（R1）和磁性炭强化系统（R2）的2.0和1.1倍,2,4,6-三氯苯酚最终出水去除效率是R1、R2的2.2和1.2倍。R3的甲烷产量相较于R1提高了2.79倍,Gompertz方程拟合结果发现R3的甲烷生产潜力增加了63.8%,甲烷产率增加了64.1%,且滞后时间在MSB-Fe/Ni作用下得到有效缩短。3D-EEM表明低强度超声耦合MSB-Fe/Ni的协同强化作用对EPS成分、含量和类型变化产生影响,加速EPS分泌以及蛋白的分解,并使荧光峰发生不同程度的蓝移和红移,减少了EPS中芳香环和共轭键官能团含量,促进了污染物降解去除。FTIR显示R2和R3在1800～600 cm-1区域的谱带减弱,表明厌氧系统增强了蛋白、多糖以及其他有机物的降解,提高了生物降解效率。污泥电导率和接触角在R3系统中均得到提高,表明厌氧系统得到增强,同时抑制了污泥的聚集。 （4）低强度超声耦合磁性炭改变了厌氧系统中微生物群落结构,细菌属水平主要由Burkholderia和Clostridium等组成。Clostridium可以促进挥发酸的产生,再由Burkholderia作为底物来产生电子,通过MSB-Fe/Ni连接将这些电子转移至产甲烷菌。而古菌属水平中的Methanosarcina能够参与DIET接受电子并与产电细菌Burkholderia互养,共同增强厌氧系统中DIET进程。通过分析微生物群落KEGG代谢途径,在MSB-Fe/Ni作用下,次生代谢产物的生物合成和不同环境中的微生物代谢的功能丰度得到提升,在低强度超声作用的刺激下,提升了代谢途径、碳代谢、氨基酸生物合成以及氨基酸和核苷酸糖代谢等功能。COG数据库的预测基因分析结果与KEGG的代谢结果一致,进一步说明耦合作用促进各种代谢途径降解2,4,6-三氯苯酚,微生物对碳源需求的增加也促进了甲烷最终产量的提升。通过对CAZy分析,R2和R3系统中的不同功能酶均有丰度提升,耦合系统使多样性的功能酶之间相互协作,