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低强度超声波辐射活性污泥的生物效应及其应用试验研究

作　者: 丁文川
导　师: 龙腾锐
学　校: 重庆大学
专　业: 市政工程
关键词: 低强度超声波 污泥生物活性 废水处理 作用机制 污泥好氧消化
分类号: X703.1
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 511次
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内容摘要


近年来,低强度超声波辐射提高生物细胞或酶活性的作用效应被大量研究所证实,从而开辟了超声波应用的新领域。将低强度超声波的生物效应运用于强化废水生物处理过程,目前国内外才开始进行探索,相关研究还不深入。论文对频率21kHz~40kHz低强度超声波辐射提高污泥生物活性的影响参数和作用机制进行了试验研究;考察了低强度超声波预处理活性污泥对废水有机污染物生物降解过程的作用效应;借助分子生物学研究手段,揭示了低强度超声波辐射对污泥微生物群落结构的影响;研究了低强度超声波辐射强化污泥好氧消化工艺,并推导出超声波输入能量与消化反应速率关系的经验式。主要研究成果如下:①采用频率21kHz~40kHz超声波对活性污泥进行辐射,在一定的功率和辐射时间范围内,可有效提高污泥的生物活性。当采用功率40W(功率密度0.05W/mL)、频率28kHz超声波辐射污泥10min后,污泥OUR较辐射前提高129%,蛋白水解酶活力提高23.7%,污泥脱氢酶活性提高24.6%,且强化效应具有时间上的持续性。试验结果表明,超声功率、频率、辐射时间以及污泥的浓度和性质等都对超声波提高污泥活性效果造成显著影响,相同的超声辐射参数对不同生物酶产生促进或抑制作用,并且超声辐射对污泥生物活性的强化作用在一个较窄的超声参数范围内。②低强度超声辐射预处理活性污泥后,会干扰活性污泥在废水净化过程中对糖类、蛋白质等物质的正常合成代谢,使污泥胞外聚合物(EPS)组成成分含量发生明显变化。当采用频率21kHz和28kHz,功率20W和40W(功率密度分别为0.02W/mL和0.04W/mL),辐射时间10min对活性污泥进行超声预处理后,污泥EPS中多糖含量均明显小于对照,仅为对照的77.6%~90.4%;而蛋白质含量高于对照,为对照的110.0%~133.5%。③采用适当的辐射参数直接对活性污泥进行超声预处理,然后再与废水混合反应,可以提高活性污泥对废水有机物的去除。在试验中发现,当采用频率28kHz,功率40W(功率密度0.02W/mL),辐射时间2min参数组合预处理活性污泥,运行6h后反应器混合液SCOD去除率较对照提高了8.2%,而污泥表观产率系数为0.489 gMLSS/gCOD小于对照0.554 gMLSS/gCOD,产生出类似污泥“解偶联”机制的现象,这对于污水处理过程中污泥减量具有一定意义;但超声预处理使污泥絮凝效果变差,在活性污泥工艺中需要对泥水分离单元进行改进(如采用膜分离),以保证良好的出水水质。④在污泥好氧消化过程中引入低强度超声波辐射的试验结果表明,超声波辐射能显著提高污泥好氧消化效率,选用功率密度0.045W/mL~0.09W/mL超声对污泥间歇辐射处理,每次辐射时间10min~20min,可使污泥消化反应的Kd值较对照提高40%~90%,剩余污泥的好氧消化稳定时间提前3~7d;超声波能量输入对消化速率影响与温度对酶促反应的影响有着惊人的相似,并存在最适的输入能量和最大反应速率,超声波辐射后可改善消化液的沉降性能。⑤低强度超声波提高污泥生物活性机制可能在于超声波能量输入、机械效应和空化效应等强化了污泥混合液固-液对氧的传质、提高酶活性以及增加了溶液中可利用基质;但同时超声空化作用产生大量自由基,会对污泥微生物活性产生抑制或破坏,因此低强度超声辐射对污泥活性影响是促进效应和抑制效应共同作用下的综合表现。采用ERIC-PCR指纹图谱对污泥微生物群落结构分析表明,低强度超声预处理不会迅速改变污泥优势种群组成,但可能造成一些种群微生物代谢受到抑制,改变了各种群个体数量增长平衡,从而引起污泥整体代谢特征的变化。

全文目录


中文摘要  3-5
英文摘要  5-19
1 前言  19-25
  1.1 研究背景  19-20
  1.2 对废水生物处理强化途径的新认识  20-21
  1.3 课题的提出  21-22
  1.4 论文主要研究目的和内容  22-25
2 超声波技术原理及应用现状  25-39
  2.1 超声波技术原理  25-30
    2.1.1 超声波概述  25
    2.1.2 超声波几个特征量  25-28
    2.1.3 超声波场的作用  28-29
    2.1.4 超声波的分类及应用  29-30
  2.2 超声波的生物效应  30-34
    2.2.1 超声生物效应作用机理  30-31
    2.2.2 超声生物效应的应用  31-33
    2.2.3 超声生物反应器  33-34
  2.3 超声波在污水和污泥处理中的应用研究进展  34-39
    2.3.1 超声波技术与废水处理  34-36
    2.3.2 超声波技术与污泥处理  36-39
3 低强度超声波辐射对污泥生物活性的影响研究  39-65
  3.1 表征污泥生物活性的参数指标  39-40
  3.2 研究方法  40-44
    3.2.1 污泥的人工培养  40
    3.2.2 超声辐射装置  40-42
    3.2.3 测试仪器、设备和方法  42-44
  3.3 超声辐射对污泥生物活性参数指标的影响  44-51
    3.3.1 试验设计  44-45
    3.3.2 结果与讨论  45-51
  3.4 超声辐射频率、功率和时间对污泥生物活性的影响  51-56
    3.4.1 试验设计  51
    3.4.2 结果与讨论  51-56
  3.5 污泥浓度对超声辐射污泥活性的影响  56-61
    3.5.1 试验设计  56
    3.5.2 结果与讨论  56-61
  3.6 活性污泥不同生长期对超声辐射效应的影响  61-63
    3.6.1 试验设计  61
    3.6.2 结果与讨论  61-63
  3.7 本章小结  63-65
4 低强度超声波辐射活性污泥去除废水有机物的试验研究  65-103
  4.1 前言  65-67
  4.2 研究方法  67-71
    4.2.1 试验材料和装置  67-68
    4.2.2 试验仪器和测试方法  68-71
  4.3 低强度超声波辐射对活性污泥吸附废水有机物性能的影响  71-77
    4.3.1 试验设计  71-72
    4.3.2 活性污泥吸附有机物的COD-t 曲线  72-75
    4.3.3 活性污泥吸附等温线特征  75-76
    4.3.4 活性污泥生物活性对吸附能力的影响  76-77
  4.4 低强度超声波辐射对活性污泥降解废水有机物过程的影响  77-90
    4.4.1 超声波预处理活性污泥的单周期试验  77-82
    4.4.2 超声波预处理活性污泥的多周期试验  82-90
  4.5 低强度超声波辐射强化活性污泥去除废水有机物的参数研究  90-101
    4.5.1 低浓度活性污泥的超声辐射强化废水处理  90-98
    4.5.2 高浓度活性污泥的超声辐射强化废水处理  98-101
  4.6 本章小结  101-103
5 低强度超声波辐射促进污泥好氧消化试验研究  103-123
  5.1 污泥好氧消化概述  103-104
  5.2 研究方法  104-106
    5.2.1 试验材料  104
    5.2.2 试验装置  104-105
    5.2.3 测试指标和方法  105-106
  5.3 超声波辐射对污泥好氧消化过程的影响  106-111
    5.3.1 试验设计  106
    5.3.2 结果与分析  106-111
  5.4 超声波促进污泥好氧消化的能量输入对比试验  111-114
    5.4.1 试验设计  111-112
    5.4.2 结果与分析  112-114
  5.5 超声波促进污泥好氧消化动力学研究  114-118
    5.5.1 反应级数及动力学常数的确定  114-116
    5.5.2 超声波输入能量与反应速率的关系  116-117
    5.5.3 反应速率函数ν(E)的确定  117-118
  5.6 超声波辐射促进污泥好氧消化工艺经济评价  118-122
    5.6.1 超声波促进污泥好氧消化工艺流程  118-119
    5.6.2 工程经济评价  119-122
  5.7 本章小结  122-123
6 低强度超声波辐射对污泥生物效应影响机制初步研究  123-141
  6.1 前言  123-124
  6.2 低强度超声波辐射对污泥性质的影响  124-129
    6.2.1 试验设计  124-125
    6.2.2 结果与讨论  125-129
  6.3 低强度超声波辐射对污泥微生物群落结构的影响  129-133
    6.3.1 试验设计  129-130
    6.3.2 结果与讨论  130-133
  6.4 自由基清除剂对低强度超声波提高污泥活性的影响  133-135
    6.4.1 试验设计  133
    6.4.2 结果与讨论  133-135
  6.5 关于低强度超声辐射提高污泥生物活性作用机制的讨论  135-139
    6.5.1 低强度超声波提高污泥活性机制  135-137
    6.5.2 超声波参数的影响机制  137-138
    6.5.3 污泥浓度的影响机制  138-139
  6.6 本章小结  139-141
7 结论与建议  141-143
  7.1 结论  141-142
  7.2 建议  142-143
致谢  143-145
参考文献  145-157
附录  157-158
  A 作者在攻读博士学位期间发表的论文  157
  B 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目  157-158
  C 专利情况  158

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 废物处理与综合利用 > 一般性问题 > 废水的处理与利用 > 技术方法
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