重度污染离子交换树脂复苏优化研究毕业论文设计.docx
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重度污染离子交换树脂复苏优化研究毕业论文设计
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摘要
微生物污水处理系统中，大部分微生物都是以微生物凝聚体的形式存在，比如絮状污泥，生物膜和颗粒污泥。
EPS高分子量高聚物混合物，在纯培养、活性污泥、颗粒污泥和生物膜的研究中通过电子显微镜技术观察到它的存在。
EPS对颗粒污泥的形成起重要作用，对微生物聚集体的物化特性有很明显的影响，包括结构、表面电荷、絮凝性、沉降性、脱水性和吸附特性。
本研究中以屠宰废水为试验对象通过投加不同种类及不同浓度的外加碳源，探究了其对EPS及总磷的影响，研究发现，通过添加葡萄糖、淀粉、乙酸钠作为单一碳源以及无外加碳源时，EPS的总量分别维持在：
无外加碳源时，TB-EPS和LB-EPS的质量浓度平均值分别达到159.04mgL和104.83mgL，使用乙酸钠作为唯一碳源时，TB-EPS和LB-EPS的质量浓度平均值分别达到114.46mgL和90.82mgL，使用葡萄糖作为唯一碳源时TB-EPS和LB-EPS的质量浓度的平均值分别为173.74mgL和106.38mgL，使用淀粉作为唯一碳源时，TB-EPS和LB-EPS质量浓度的平均值分别达到222mgL和189.19mgL。
当采用葡萄糖、淀粉、无外加碳源、乙醇钠作为唯一碳源时，COD去除率（质量分数）分别为90.01%，79.34%，85.73%，88.43%，PO43--P去除率分别为88%，77%，82%，79%。
关键词：
碳源；SBR工艺；胞外聚合物（EPS）
Abstract
Microbialsewagetreatmentsystem,mostmicroorganismsaremicroorganismsofthepresenceofcondensationintheformofthebody,suchasgranularsludge,thegranularsludgeandbiofilm.EPSmolecularweightpolymermixture,inpureculturestudies,sludge,sludgeandbiofilmparticlesobservedbyelectronmicroscopythepresenceofitstechnology.EPSgranularsludgeformationplaysanimportantrole,averysignificantimpactonthephysicalandchemicalcharacteristicsofmicrobialaggregates,includingstructure,surfacecharge,flocculation,settling,dehydrationandadsorptionproperties.
Found,EPS,playaroleinflocculationofthebiomass,andsludgefromtheactivatedsludgeflocsincontentanddifferentcomponentsEPStoexplaintheirdifferenteffectsonthemacroscopicstructureofthepolymer.Therefore,theEPSin-depthstudynotonlytoimprovetheunderstandingofmicrobialwastewatertreatmentisimportant,butalsogreatlyimprovestheefficiencyofthebiologicaltreatmenttoimprovetheaccuracyofthecontroloperatingparametersfornitrogenandphosphorusremoval,newtechnologytoprovidescientificdesign,operatingparameters.Inthisstudy,thetestobjecttoslaughterwastewaterbyaddingdifferenttypesanddifferentconcentrationsofexternalcarbonsourcetostudyitseffectontheEPSofSBRandnitrogenandphosphorusremoval,theresultsindicatethatexternalcarbonsourcecangreatlyincreasetheSBRmethodnitrogenandphosphorusremoval.EPSafterdosingamountofglucoseandtotalphosphorus,phosphateremovalimproveafteraddingexternalcarbonsource,glucose,totalphosphorusremovalbest,followedbysodiumethanolisagainstarch,andglucoseandthereforeinexpensivesourceofwidespreadslaughterwastewateristhebestchoiceplusacarbonsource.
Keywords:
carbonsources;EPS;SBRproces
摘要I
AbstractII
第1章绪论5
1.1EPS的定义5
1.2研究背景5
1.3国内外发展趋势6
1.4胞外聚合物对活性污泥的影响及应用6
1.4.1EPS对污泥絮凝的影响6
1.4.2EPS吸附性能的负面影响7
1.4.3EPS吸附性能的正面应用7
1.5EPS提取物化学分析7
1.6SBR工艺7
1.6.1SBR简介7
1.6.2SBR工艺的优缺点8
1.6.3SBR系统的适用范围8
1.6.4SBR系统的调试9
1.7课题研究目的和意义10
1.8课题研究内容11
第2章实验材料与方法12
2.1实验材料、仪器及试剂12
2.1.1实验材料12
2.1.2试验试剂12
2.1.3实验仪器12
2.1.4实验溶剂的选择13
2.2实验装置图15
第3章不同碳源对屠宰废水中EPS的影响16
3.2试验方法16
3.2.1实验的前期准备16
3.2.2不同碳源下对屠宰废水的处理16
3.2.3不同碳源下对屠宰废水中多糖和蛋白中的测量方法16
3.3实验结果分析16
3.3.1乙酸钠作为碳源时EPS的变化16
3.3.2葡萄糖作为外加碳源时EPS的变化17
3.3.3淀粉作为碳源时EPS的变化17
3.4结果讨论18
第4章不同碳源对屠宰废水污染物处理效果的影响19
4.1不同碳源对屠宰废水中COD的影响19
4.1.1测量COD原理19
4.1.3结果与数据分析19
4.2不同碳源对屠宰废水中总磷的影响20
4.2.1实验方法20
4.2.2实验结果讨论20
4.3不同碳源对屠宰废水中磷酸盐的影响22
4.3.1试验方法22
4.3.2实验结果讨论22
结论25
参考文献26
致谢28
第1章绪论
EPS具有运输功能，在生物质絮凝时起一定的作用，可从絮体污泥和活性污泥中EPS不同含量和组分，来解释它们对聚合物宏观结构的不同影响。
因此对EPS进行深入的研究不光对提高微生物废水处理的认识有重要意义，也大大的提高了对提高生物处理效率控制运行参数的精度，为脱氮除磷，新工艺提供科学的设计、运行参数。
本研究中以屠宰废水为试验对象通过投加不同种类及不同浓度的外加碳源，研究了其对SBR法中EPS及脱氮除磷效果的影响，结果表明外加碳源能大大提高SBR法对氮磷的去除率。
1.1EPS的定义
胞外聚合物（Extra-cellularPolymericSubstances,EPS）是具有相似或相同结构的化合物通过聚合而成的有机高分子物质,分子量通常在10000以上,它具有复杂的化学组成,蛋白质和多糖是最主要的2种成分,占总量70%～80%[1]。
1.2研究背景
近年来随着大量未经深度处理的污水（工业废水、生活废水、农业面源废水等）排入河流，水体富营养化现象也日益严重。
水体富营养化的危害主要包括以下几个方面：
一是引起地表水中植物和藻类的过度生长。
正常情况下植物和藻类的生长受氮和磷等营养元素的限制，当氮、磷随污水持续进入缓流水体，可造成水生植物和藻类过度生长，引起水质恶化使水变得腥臭难闻；藻类种类逐渐减少，并由以硅藻和绿藻为主转为以蓝藻为主，而蓝藻有不少种有胶质膜，不适于作鱼饵料，并且其中有一些种属是有毒的；水生植物和藻类大量繁殖，覆盖水面，影响江河湖泊的观赏价值；以富营养化水体作为水源时，藻类可堵塞滤池而影响水厂生产，所含毒素则影响饮用水的质量。
二是消耗水体的溶解氧。
水生植物和藻类大量繁殖覆盖水面，不仅影响江河湖泊的观赏价值，而且阳光在穿射水层的过程中，由于被藻类吸收而衰竭。
因而使得阳光难以透射进入湖泊等水体的深层造成溶解氧的来源减少，严重影响水中鱼类的生存。
三是水体富营养化常导致水生生态系统紊乱，水生生物种类减少，多样性受到破坏，而且富营养化水体中含有大量硝酸盐和亚硝酸盐，人畜长期饮用这些物质含量超过一定标准的水，会导致中毒。
绝大多数水体富营养化是由于氮磷等营养元素的排入造成的，如能减少或者截断外部输入的营养物质就使水体失去了营养物质富集的可能性[2]。
因此检测废水中的EPS含量的变化趋势及COD，铵态氮，硝态氮，总磷等的含量就显得非常必要了。
1.3国内外发展趋势
EPS是影响活性污泥絮凝沉降性能与表面性质的主要因素之一[3]。
然而EPS影响活性污泥絮凝沉降性能作用机理尚不明确，研究表明细菌的细胞壁被多糖包裹后，细胞的有效临界电势降低。
从而使细菌之间发生絮凝。
Barker等[4]，观察到在内源呼吸期EPS生成速度加快,细胞絮凝程度明显增强EPS总量与污泥絮凝性存在正相关性。
然而，另一部分研究者认为EPS含量的增大不利于生物絮凝。
Wilen等，利用超声波将污泥絮体破坏后,采用重新絮凝的能力描述活性污泥的絮凝性，结果表明由于EPS为亲水性带电大分子或者水溶性分子，它们与细菌细胞或菌胶团的疏松结合不利于生物絮凝，提取的EPS总量与FA呈负相关性。
另外，也有研究认为EPS总量与出水悬浮固体浓度（ESS）无明显的相关性，污泥的表面性质在生物絮凝中起主导作用，对于EPS总量与污泥沉降性能的关系，国内外学者也开展了大量的研究Bura等[4]，认为EPS总量的增大不利于污泥沉降，这是由于污泥表面离子化聚合物的浓度和性质决定了污泥表面的电荷EPS含量过高导致污泥表面电负性增大。
致使污泥沉降性能恶化，然而Pavoni等[5]，研究表明，EPS总量的增大降低了细菌细胞表面的有效临界电势，促进生物絮凝作用发生，利于活性污泥沉降Benetti等，研究发现，当EPS浓度低于某一特定值时，SVI随着EPS浓度的增加而降低，当达到某个特定值后，再增加聚合物的浓度会导致SVI增大。
不同学者得到的结论差别较大，其原因除EPS提取方法不同之外忽略了TB与LB的重要性也可能是原因之一，关于EPS的变化如何影响污泥的絮凝与沉降性能是当前研究亟待解决的问题。
1.4胞外聚合物对活性污泥的影响及应用
由于生物处理和生物修复在环境工程中的大量应用，使环境工程中胞外聚合物的研究近年来成为热点问题。
就目前的文献而言，EPS的提取过程较为繁琐，且尚无统一程序和方法；EPS的测定目前主要采取化学法，微生物来源直接影响测定结果。
因此，未来的工作应该完善现有的提取方法，同时开发先进的分析技术，以提高效率和准确度。
另一方面，大量的工作应集中在EPS的高效纯化研究中，以利于EPS作为自然、可降解生物絮凝剂和吸附剂在环境工程中的大量应用[6]。
1.4.1EPS对污泥絮凝的影响
EPS主要来源于进水基质、微生物新陈代谢、细胞自溶和脱落的细胞表面物质4个方面。
对于环境微生物而言,污泥颗粒中,单个细胞大约50%的EPS存在于细胞表面40μm内。
但在菌胶团中，EPS主要集中在菌胶团中间，即为细胞的相互连接。
因为EPS是菌胶团的重要组成,构成菌胶团的骨架。
EPS的生长受到抑制或者EPS作为碳源和能源被微生物降解，则引起絮体解散，对絮体带来不利影响。
因为胞外聚合物与生物絮凝体的结构、性质和生物去除效果等密切相关,国内外对胞外聚合物开展了大量研究。
1.4.2EPS吸附性能的负面影响
EPS的吸附性能能够促进活性污泥的絮凝以及泥水分离但同时也会带来一定的负面影响主要表现在膜反应器MBR问题上[7]。
实验表明导致膜污染的主要原因是EPS对膜的结合堵塞23膜污染物中的EPS含量是正常活性污泥的4倍。
另一方面EPS吸附有机物形成的大颗粒粘附在膜上堵塞膜孔使膜的流通量下降从而影响了MBR系统的运行．经过发射型电子显微镜EEM鉴定EPS中的多糖由于其自身的高粘性而成为污染膜的主要成分。
1.4.3EPS吸附性能的正面应用
由于EPS是天然的聚阴离子物质因此依靠离子交换作用固定重金属离子形成复合物并将其本身携带的钙镁离子释放到环境中，可以修复重金属污染的土壤这也是近年来EPS应用研究的热点[8]。
当然由于EPS本身成分及其影响因素复杂性及其吸附重金属的键合作用发生的部位不同，导致EPS对不同的重金属具有不同的亲和力。
1.5EPS提取物化学分析
EPS提取物中主要为多糖、蛋白质和DNA。
多糖的测定采用蒽酮。
H2S04比色法，即高温下糖类会被浓H2S04脱水生成糠醛或糠醛衍生物，并与蒽酮缩合成蓝色化合物。
在620nm处测定吸光度（721型分光光度计），以葡萄糖的标准曲线可换算出糖的含量。
DNA采用紫外吸收法测定（UV-500紫外可见分光光度计）[10]。
测定溶液在260nm的吸光度，DNA浓度（mgL）的计算公式为ρ蛋白质=1.45A280nm-0.74×A260mn。
该方法能消除样品中核酸对测定值的干扰。
本实验中主要针对EPS中多糖和蛋白质的测量。
1.6SBR工艺
1.6.1SBR简介
SBR又称序批式活性污泥法，与传统污水处理工艺不同，SBR技术采用时间分割的操作方式代替空间分割的操作方式，非稳定生化反应代替稳态生化反应，静置理想沉淀代替传统的动态沉淀，它的主要特征是在运行上的有序和间歇操作，SBR技术的核心是SBR反应池，该池集均化，初沉，生物降解，二沉等功能于一池，无污泥回流系统[11]。
1.6.2SBR工艺的优缺点
优点：
（1）、理想的推流过程使生化反应推动力增大，效率提高，池内厌氧、好氧处于交替状态，净化效果好。
（2）、运行效果稳定，污水在理想的静止状态下沉淀，需要时间短、效率高，出水水质好。
（3）、耐冲击负荷，池内有滞留的处理水，对污水有稀释、缓冲作用，有效抵抗水量和有机污物的冲击。
（4）、工艺过程中的各工序可根据水质、水量进行调整，运行灵活。
（5）、处理设备少，构造简单，便于操作和维护管理。
（6）、反应池内存在DO、BOD5浓度梯度，有效控制活性污泥膨胀。
（7）、SBR法系统本身也适合于组合式构造方法，利于废水处理厂的扩建和改造。
（8）、脱氮除磷，适当控制运行方式，实现好氧、缺氧、厌氧状态交替，具有良好的脱氮除磷效果。
（9）、工艺流程简单、造价低。
主体设备只有一个序批式间歇反应器，无二沉池、污泥回流系统，调节池、初沉池也可省略，布置紧凑、占地面积省。
缺点：
（1）、连续进水时，对于单一SBR反应器需要较大的调节池。
（2）、对于多个SBR反应器，其进水和排水的阀门自动切换频繁。
（3）、无法达到大型污水处理项目之连续进水、出水的要求。
（4）、设备的闲置率较高。
（5）、污水提升水头损失较大。
（6）、如果需要后处理，则需要较大容积的调节池
1.6.3SBR系统的适用范围
（1）、中小城镇生活污水和厂矿企业的工业废水，尤其是间歇排放和流量变化较大的地方。
（2）、需要较高出水水质的地方，如风景游览区、湖泊和港湾等，不但要去除有机物，还要求出水中除磷脱氮，防止河湖富营养化。
（3）、水资源紧缺的地方。
SBR系统可在生物处理后进行物化处理，不需要增加设施，便于水的回收利用。
（4）、用地紧张的地方。
（5）、对已建连续流污水处理厂的改造等。
（6）、非常适合处理小水量，间歇排放的工业废水与分散点源污染的治理[12]。
1.6.4SBR系统的调试
（1）活性污泥的培养驯化SBR反应池去除有机物的机理与普通活性污泥法基本相同，主要大量繁殖的微生物群体降解污水中的有机物。
活性污泥处理系统在正式投产之前的首要工作是培养和驯化活性污泥。
活性污泥的培养驯化可归纳为异步培驯法、同步培驯法和接种培驯法，异步法为先培养后驯化，同步法则培养和驯化同时进行或交替进行，接种法系利用其他污水处理厂的剩余污泥，再进行适当的培驯[13]。
培养活性污泥需要有菌种和菌种所需要的营养物。
对于城市污水，其中的菌种和营养都具备，可以直接进行培养。
对于工业废水，由于其中缺乏专性菌种和足够的营养，因此在投产时除用一般的菌种和所需要营养培养足够的活性污泥外，还应对所培养的活性污泥进行驯化，使活性污泥微生物群体逐渐形成具有代谢特定工业废水的酶系统，具有某种专性。
（2）试运行活性污泥培养驯化成熟后，就开始试运行。
试运行的目的使确定最佳的运行条件。
在活性污泥系统的运行中，影响因素很多，混合液污泥浓度、空气量、污水量、污水的营养情况等。
活性污泥法要求在曝气池内保持适宜的营养物与微生物的比值，供给所需要的氧，使微生物很好的和有机物相接触，全体均匀的保持适当的接触时间。
对SBR处理工艺而言，运行周期的确定还与沉淀、排水排泥时间及闲置时间有关，还和处理工艺中所设计的SBR反应器数量有关。
运行周期的确定除了要保证处理过程中运行的稳定性和处理效果外，还要保证每个池充水的顺序连续性，即合理的运行周期应满足运行过程中避免两个或两个以上的池子同时进水或第一个池子和最后一个池子进水脱节的现象。
同时通过改变曝气时间和排水时间，对污水进行不同的反应测试，确定最佳的运行模式，达到最佳的出水水质、最经济的运行方式。
（3）污泥沉降性能的控制，活性污泥的良好沉降性能是保证活性污泥处理系统正常运行的前提条件之一。
如果污泥的沉降性能不好，在SBR的反应期结束后，污泥难以沉淀，污泥的压密性差，上层清液的排除就受到限制，水泥比下降，导致每个运行周期处理污水量下降。
如果污泥的絮凝性能差，则出水中的悬浮固体（SS）含量将升高，COD上升，导致处理出水水质的下降。
导致污泥沉降性能恶化的原因是多方面的，但都表现在污泥容积指数（SVI）的升高。
SBR工艺中由于反复出现高浓度基质，在菌胶团菌和丝状菌共存的生态环境中，丝状菌一般是不容易繁殖的，因而发生污泥丝状菌膨胀的可能性是非常低的[14]。
SBR较容易出现高粘性膨胀问题。
这可能是由于SBR法是一个瞬态过程，混合液内基质逐步降解，液相中基质浓度下降了，但并不完全说明基质已被氧化去除，加之许多污水的污染物容易被活性污泥吸附和吸收，在很短的时间内，混合液中的基质浓度可降至很低的水平，从污水处理的角度看，已经达到了处理效果，但这仅仅是一种相的转移，混合液中基质的浓度的降低仅是一种表面现象。
可以认为，在污水处理过程中，菌胶团之所以形成和有所增长，就要求系统中有一定数量的有机基质的积累，在胞外形成多糖聚合物（否则菌胶团不增长甚至出现细菌分散生长现象，出水浑浊）。
在实际操作过程中往往会因充水时间或曝气方式选择的不适当或操作不当而使基质的积累过量，致使发生污泥的高粘性膨胀。
污染物在混合液内的积累是逐步的，在一个周期内一般难以马上表现出来，需通过观察各运行周期间的污泥沉降性能的变化才能体现出来。
为使污泥具有良好的沉降性能，应注意每个运行周期内污泥的SVI变化趋势，及时调整运行方式以确保良好的处理效果[15]。
1.7课题研究目的和意义
微生物污水处理系统中，大部分微生物都是以微生物凝聚体的形式存在，比如絮状污泥，生物膜和颗粒污泥。
EPS高分子量高聚物混合物，在纯培养、活性污泥、颗粒污泥和生物膜的研究中通过电子显微镜技术观察到它的存在。
EPS对颗粒污泥的形成起重要作用，对微生物聚集体的物化特性有很明显的影响，包括结构、表面电荷、絮凝性、沉降性、脱水性和吸附特性。
研究发现，EPS具有运输功能，在生物质絮凝时起一定的作用，可从絮体污泥和活性污泥中EPS不同含量和组分，来解释它们对聚合物宏观结构的不同影响[4]。
因此对EPS进行深入的研究不光对提高微生物废水处理的认识有重要意义，也大大的提高了对提高生物处理效率控制运行参数的精度，为脱氮除磷，新工艺提供科学的设计、运行参数。
1.8课题研究内容
（1）培养、驯化活性污泥，使其具有一定的脱氮除磷效率；SBR反应池去除有机物的机理与普通活性污泥法基本相同，主要大量繁殖的微生物群体降解污水中的有机物。
活性污泥处理系统在正式投产之前的首要工作是培养和驯化活性污泥。
活性污泥的培养驯化可归纳为异步培驯法、同步培驯法和接种培驯法，异步法为先培养后驯化，同步法则培养和驯化同时进行或交替进行，接种法系利用其他污水处理厂的剩余污泥，再进行适当的培驯。
（2）研究不同碳源对反应器脱氮除磷性能和EPS总量及其组分的影响；以及EPS的变化对污泥絮凝沉降性能的影响。
（3）研究不同碳源对COD含量和组分的影响，并探究COD去除率最大时，最佳碳源的选择。
第2章实验材料与方法
2.1实验材料、仪器及试剂
2.1.1实验材料
本实验采用的废水是由吉林市某屠宰场提供的屠宰废水，通过添加葡萄糖、淀粉、乙酸钠等外加碳源，在SBR反应器中驯化活性污泥后，探究对EPS、COD及除磷效果的影响。
2.1.2实验试剂
表2-1实验所用试剂
名称
纯度
生产商
氯化钠
≥99.5%（分析纯）
天津市化学试剂三厂
浓硫酸
98%
天津市化学试剂四厂
硫酸银
≥99.7%（分析纯）
天津市光复精细化工研究所
重铬酸钾
≥99.7%（分析纯）
沈阳市华东试剂厂
硫酸亚铁按
≥99.5%（分析纯）
天津市瑞金特化学品有限公司
盐酸
36%-38%（分析纯）
天津市化学试剂一厂
葡萄糖
（分析纯）
沈阳市华东试剂厂
淀粉
（分析纯）
天津市永大化学试剂有限公司
酒石酸钾钠
分析纯
沈阳市华东试剂厂
氢氧化钠
≥96.0％
烟台市双双化工有限公司
碘化钾
分析纯
天津市永大化学试剂有限公司
对氨基苯磺酸
≥99.6％
沈阳市华东试剂厂
乙酸钠
≥99.0％
天津市光复精细化工研究所
盐酸α—萘胺
≥
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