微生物絮凝與改性沸石吸附聯(lián)合處理豬場(chǎng)廢水的研究.pdf

1、我國(guó)規(guī)模化養(yǎng)殖業(yè)的高速發(fā)展，帶來(lái)了巨大的環(huán)境壓力，其中豬場(chǎng)廢水是主要的污染來(lái)源，豬場(chǎng)廢水含有高濃度有機(jī)物和氨氮，是較難處理的一類有機(jī)廢水。國(guó)內(nèi)外主要采用厭氧—好氧技術(shù)方法進(jìn)行處理，雖然厭氧處理能夠很大程度上降解廢水中的有機(jī)污染物，但是，厭氧出水污染物濃度仍然很高，尤其是氨氮基本沒(méi)有被去除。對(duì)于豬場(chǎng)廢水厭氧消化液的處理，應(yīng)用最多的是生物硝化反硝化，雖然利用硝化菌和反硝化菌可以將廢水中的含氮有機(jī)物和氨轉(zhuǎn)化為氮?dú)馊コ?，但高濃度的有機(jī)物和氨氮通

2、常會(huì)加大微生物的處理負(fù)荷和沖擊負(fù)荷，導(dǎo)致廢水處理效果不佳。實(shí)際工程中，為改善氨氮的去除效果，通常在反硝化脫氮過(guò)程中補(bǔ)充堿度或碳源，使得處理成本和運(yùn)行費(fèi)用增加。這種情況下，高效去除有機(jī)污染物的絮凝技術(shù)和以天然沸石為吸附劑的離子交換脫氨氮技術(shù)逐漸引起人們的重視。
　　 本論文在充分研究微生物絮凝劑去除高濃度有機(jī)污染物的作用機(jī)制和氧化鎂改性沸石吸附回收高濃度氨氮的作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了微生物絮凝與氧化鎂改性沸石吸附聯(lián)合處理豬場(chǎng)廢水厭

3、氧消化液的技術(shù)，運(yùn)用中心復(fù)合設(shè)計(jì)建立廢水中污染物去除的二次模型，通過(guò)絮凝和離子交換技術(shù)提高有機(jī)污染物的去除效率，實(shí)現(xiàn)廢水中高濃度氨氮的吸附回收。一方面，從養(yǎng)豬場(chǎng)廢水處理廠污泥中分離耐高濃度有機(jī)物和氨氮的絮凝微生物，充分研究其利用豬場(chǎng)廢水和污泥生產(chǎn)微生物絮凝劑及去除豬場(chǎng)廢水厭氧消化液中高濃度有機(jī)物的性能和機(jī)理。另一方面，采用焙燒的方法將氧化鎂分散在天然沸石上，使其獲得強(qiáng)堿性活性位并保留微孔結(jié)構(gòu)，充分研究其吸附豬場(chǎng)廢水厭氧消化液中高濃度氨氮

4、的性能和動(dòng)力學(xué)過(guò)程。以此為基礎(chǔ)，運(yùn)用響應(yīng)面分析法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在氧化鎂改性沸石處理豬場(chǎng)廢水厭氧消化液的混凝過(guò)程中加入微生物絮凝劑，對(duì)于廢水中高濃度有機(jī)物和氨氮的去除和吸附回收具有鞏固作用，實(shí)現(xiàn)氧化鎂改性沸石和微生物絮凝劑在處理豬場(chǎng)廢水厭氧消化液中的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，最大限度地去除廢水中的COD、氨氮和濁度。
　　 從湖南省富華養(yǎng)豬場(chǎng)廢水處理廠沉淀池污泥中分離出一株高效絮凝微生物菌株R3，通過(guò)生理生化實(shí)驗(yàn)和16S rDNA鑒定為紅球菌屬微生物

5、。實(shí)驗(yàn)通過(guò)優(yōu)化菌株R3培養(yǎng)基，得出生產(chǎn)絮凝劑的基質(zhì)組成為(g/L):蔗糖20、酵母粉4.0、脲1.0、NaCl10、MgSO42.0、K2HPO45.0、KH2PO42.0。菌株R3可以有效利用豬場(chǎng)廢水和堿熱處理的污泥生產(chǎn)微生物絮凝劑，無(wú)需添加其他可溶性有機(jī)物和氮化合物。實(shí)驗(yàn)建立了描述菌株R3生長(zhǎng)、絮凝劑MBFR3生產(chǎn)和底物蔗糖消耗的數(shù)學(xué)模型，三種模型的平均相對(duì)誤差均小于10％，可以認(rèn)為建立的菌株發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模型是可行的。菌株R3生產(chǎn)的微

6、生物絮凝劑MBFR3其有效成分為蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)含量達(dá)99.7％，平均相對(duì)分子量為3.99×105 Da。MBFR3具有良好的絮凝性能，當(dāng)投加量在10-30mg/L范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)4.0 g/L高嶺土懸液的絮凝率始終保持在90％以上;MBFR3其絮凝性能相對(duì)穩(wěn)定的適用pH值呈弱堿性，當(dāng)pH=8.0時(shí)，絮凝率達(dá)到96.8％。MBFR3對(duì)豬場(chǎng)廢水中的COD、氨氮、濁度有著明顯的去除效果，廢水pH為7.0-9.0時(shí)，隨著投加量從5.0 mg/L

7、逐漸增加至20 mg/L，廢水中COD、氨氮、濁度的去除率也隨之快速增加至47.2％、41.9％和72.9％。絮凝機(jī)理研究表明，膠體顆粒是通過(guò)電中和作用和離子架橋作用被MBFR3絮凝沉降的，助凝劑Ca2+通過(guò)庫(kù)倫引力將帶負(fù)電荷的膠體顆粒拉近，并與之形成Ca2+—膠體顆粒結(jié)合物，MBFR3像一種橋接劑，通過(guò)離子鍵將兩個(gè)或兩個(gè)以上的Ca2+—膠體顆粒結(jié)合物吸附到分子鏈上，從而完成了膠體顆粒的絮凝。
　　 400℃焙燒條件下，將氧化鎂

8、按質(zhì)量比1∶4分散負(fù)載于浙江縉云天然斜發(fā)沸石，制得氧化鎂改性沸石。改性沸石對(duì)氨氮吸附量可達(dá)到24.7 mg/g，是天然沸石吸附氨氮量(12.6 mg/g)的196.1％。改性沸石投加量在5.0-30 g/L范圍內(nèi)變化時(shí)，氨氮去除率隨著投加量的增加而迅速增加到58.6％。改性沸石吸附氨氮有一個(gè)最適pH范圍(7.0-9.0)，當(dāng)pH=8.0時(shí)，氨氮去除率達(dá)到58.9％。改性沸石對(duì)氨氮的去除具有快速吸附、緩慢平衡的特點(diǎn)，在反應(yīng)最初30 min

9、內(nèi)，氨氮去除率迅速增加到49.1％，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到80 min時(shí)，吸附達(dá)到平衡。內(nèi)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)研究表明NH4+從改性沸石表面擴(kuò)散到顆粒內(nèi)部是整個(gè)吸附過(guò)程的速率控制步驟。吸附等溫線研究過(guò)程中，隨實(shí)驗(yàn)溫度條件的升高，改性沸石對(duì)氨氮的理論吸附量從29.1 mg/g下降到27.4mg/g，說(shuō)明溫度對(duì)改性沸石的吸附性能有一定影響。相比Freundlich等溫線和Tempkin等溫線而言，Langmuir等溫線能夠更好地?cái)M合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。熱力學(xué)研究過(guò)程中

10、發(fā)現(xiàn)，氨氮吸附過(guò)程是熱力學(xué)自發(fā)過(guò)程(⊿Gθ＜0），吸附反應(yīng)是放熱反應(yīng)(⊿Hθ＜0），改性沸石吸附氨氮的反應(yīng)增加了固—液界面上物質(zhì)的無(wú)序程度（⊿Sθ＜0）。離子交換特征研究表明，Mg2+、Ca2+是主要的交換陽(yáng)離子。
　　 采用響應(yīng)面分析法對(duì)MBFR3與氧化鎂改性沸石聯(lián)合處理豬場(chǎng)廢水厭氧消化液的過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)定的5個(gè)影響因子分別為MBFR3投加量(x1)，改性沸石投加量(x2）、廢水pH值(x3）、CaCl2投加量(x4）和反

11、應(yīng)時(shí)間(x5)。響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)分別擬合出了關(guān)于COD去除率和氨氮去除率的二次模型，確定豬場(chǎng)廢水厭氧消化液的最佳絮凝條件為MBFR324 mg/L，氧化鎂改性沸石12 g/L，pH值8.3，CaCl20.16 g/L，反應(yīng)時(shí)間55 min，其中改性沸石可以循環(huán)使用6次。最佳絮凝條件下，COD、氨氮、濁度去除率分別為87.9％、86.9％、94.8％。
　　 本論文運(yùn)用響應(yīng)面法優(yōu)化了微生物絮凝劑與氧化鎂改性沸石聯(lián)合處理豬場(chǎng)廢水厭氧消化液

12、的工藝條件，建立的COD和氨氮去除率的二次模型為實(shí)際豬場(chǎng)廢水處理工程提供了指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。針對(duì)微生物絮凝劑去除有機(jī)物的機(jī)理、氧化鎂改性沸石吸附去除氨氮的機(jī)理、微生物絮凝劑與氧化鎂改性沸石聯(lián)合處理廢水的性能和機(jī)理等關(guān)鍵問(wèn)題的研究，有望解決國(guó)內(nèi)外豬場(chǎng)廢水厭氧消化液好氧后處理難以取得良好效果的問(wèn)題。微生物絮凝劑與氧化鎂改性沸石聯(lián)合使用，通過(guò)絮凝和離子交換技術(shù)提高了有機(jī)污染物的去除效率，實(shí)現(xiàn)了廢水中高濃度氨氮的吸附回收，不僅降低了生化處理成