电刺激厌氧好氧连续流反应器强化去除偶氮染料模拟废水

硕士学位论文电刺激厌氧-好氧连续流反应器强化去除偶氮染料模拟废水ELECTRONICALLYSTIMULATEDANAEROBIC-AEROBICCONTINUOUSFLOWREACTORFORENHANCEDREMOVALOFAZODYEWASTEWATER姚正哈尔滨工业大学2017年6月国内图书分类号：X703.1学校代码：10213国际图书分类号：628.1密级：公开工程硕士学位论文电刺激厌氧-好氧连续流反应器强化去除偶氮染料模拟废水硕士研究生：姚正导师：李智灵副教授申请学位：工程硕士学科：建筑与土木工程所在单位：市政环境工程学院答辩日期：2017年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex：X703.1U.D.C：628.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringELECTRONICALLYSTIMULATEDANAEROBIC-AEROBICCONTINUOUSFLOWREACTORFORENHANCEDREMOVALOFAZODYEWASTEWATERCandidate：YaoZhengSupervisor：A/Prof.LiZhilingAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ArchitectureandCivilEngineeringAffiliation：SchoolofMuni.AndEnv.EngDateofDefence：June,2017Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1摘要印染废水是一类大量存在于印染纺织工业中的具有高污染、高色度、难去除等特点的工业废水，其中偶氮染料占据较大比例。由于常规的好氧活性污泥无法将偶氮键断裂，而厌氧生物处理过程常常因为偶氮染料的毒性和难降解性，导致处理效率低、处理周期过长，因此如何经济地去除偶氮染料废水一直是困扰研究人员的热点和难点。传统的物理化学和生物技术能部分去除该种废水，但由于其成本高、处理效果不佳的缺点往往不能满足实际需求。另一方面，随着生物电化学系统（BESs）的发展越来越多的研究表明其对印染废水特别是偶氮染料的去除有巨大的潜力和应用前景。本文选取一种典型的偶氮染料茜素黄R（AYR）为目标污染物，首先采用传统的厌氧-好氧组合工艺并考察其对模拟的处理效果。通过改变水力停留时间和硝化液回流比观察在不同运行参数下反应器对常规的污水指标及AYR的去除效率和出水浓度。在一定范围内随着停留时间和回流比的增大，反应器对混合污染废水的处理效果呈变好的趋势，根据多变量综合分析和响应曲面法并考虑经济因素，得出停留时间为9h和硝化液回流比为300%时为本研究的最优实验参数。在该条件下控制其他变量在合适的范围内得到系统对COD、硝态氮、氨态氮和AYR的最优去除率分别为86.5%、66.5%、58%和45%。厌氧-好氧工艺对AYR的去除效果需要进一步强化。在最优的A/O工艺运行条件下，在反应器的厌氧段植入电极并接通外接电源提供恒定电压，通过阴极恒定电位为AYR和硝态氮提供额外的电子供体，考察稳定系统中不同电极材料（碳刷和新型褶皱电极）、电极位置和不同电压对AYR和硝态氮的强化去除效能。研究表明，植入电极后，AYR的平均去除率最大达到92.0%，比未植入时提高到2倍以上，同时系统内的各项污染物的去除能力均得到不同程度的提升（最大时对COD、硝态氮、氨态氮和AYR去除率分别提高2%、6%、22%和45%）。电极放置位置实验表明，电极在厌氧段偏后的位置比偏前的位置AYR的平均去除率提升5%；采用新型褶皱电极的效果要优于普通碳刷电极，对COD、硝态氮、氨态氮和AYR去除率分别提高1%、2%、6%和20%。电压从0.5-1.5V逐渐增大时，反应器对各项污染指标的的去除率也逐渐增大，其中在1.3V外加电压时最为节能高效，此时各指标去除率比未植入电极时分别提高了2%、6%、24%、47%，出水AYR浓度能够达到纺织染整工业废水污染物排放标准。细菌群落结构分析，厌氧段发现以偶氮染料和硝态氮还原为主导的功能菌属，哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2如Acinetobacter、Longilinea、Levilinea和Dechloromona，考虑主要参与了AYR的还原脱色和反硝化反应，这与硝态氮和AYR的去除能力大幅升高的实验结果相吻合。电极24h内产生平均电量为260.15mmol，硝酸根和AYR的强化去除分别消耗其中的63.75%和18.02%，其中去除AYR的电子有55.19%来源于电极上，外加电压刺激对其去除效果提升较明显。同时，厌氧段出水中检测到AYR分解的中间产物对苯二胺（PPD）和5-氨基水杨酸（5-ASA），而在好氧段出水中PDP和5-ASA均未检出，说明其被进一步分解，而好氧段富集了大量的PDP和5-ASA分解菌属，如Rhodocyclus和Clostridium，进一步验证了这一点。同时，Propionispira、Rhodocyclus和Clostridium等功能菌属可以大量利用COD和在好氧条件下进行硝化作用去除氨态氮，通过整个系统协同作用下逐步实现AYR并同步去除COD和无机氮。由于污水处理中厌氧好氧工艺非常常见，而褶皱电极作为电极材料廉价易得且易于规模化生产，在外加电压较小消耗电能较低的情况下即可大幅提高工艺对偶氮染料废水的去除能力，在传统厌氧工艺上进行强化改装也较为便捷，此研究为染料废水的去除提供了新的思路。关键词：偶氮染料；厌氧-好氧反应器；电刺激；茜素黄R哈尔滨工业大学工程硕士学位论文3AbstractPrintinganddyeingwastewaterisakindofindustrialwastewaterwhichiswidelyusedinprintinganddyeingtextileindustrywithhighpollution,highcolor,difficulttoremoveandsoon,amongwhichazodyesoccupyalargeproportion.Sincetheconventionalaerobicactivatedsludgecannotbreaktheazobond,andtheanaerobicbiologicaltreatmentprocessisoftenduetothetoxicityanddifficultdegradationofazodyes,resultinginlowefficiencyandlongprocesscycle,sohowtoeconomicallyremoveazoDyewastewaterhasalwaysbeenahotanddifficulttaskforresearchers.Traditionalphysicalchemistryandbiotechnologycanpartiallyremovethewastewater,butbecauseofitshighcost,poorhandlingoftheshortcomingsoftencannotmeettheactualneeds.Ontheotherhand,withthedevelopmentofbioelectrochemicalsystems(BESs),moreandmorestudieshaveshowngreatpotentialandapplicationprospectsfortheremovalofprintinganddyeingwastewater,especiallyazodyes.Inthispaper,atypicalazodye,alizarinyellowR(AYR),wasselectedasthetargetcontaminant.First,thetraditionalanaerobic-aerobicprocesswasusedtostudytheeffectofthetreatment.TheremovalefficiencyandeffluentconcentrationoftheeffluentandAYRunderthedifferentoperatingparameterswereobservedbychangingthehydraulicretentiontimeandtherefluxrateofthenitrificationsolution.Withtheincreaseofresidencetimeandrefluxratio,theeffectofthereactoronthemixedpollutedwastewaterwasimproved.Accordingtothemultivariatecomprehensiveanalysisandresponsesurfacemethodandconsideringtheeconomicfactors,theresidencetimewas9hAndtherefluxrateofnitrificationsolutionis300%,theoptimalexperimentalparametersarethebest.Undertheseconditions,theoptimalremovalratesofCOD,nitratenitrogen,ammonianitrogenandAYRwere86.5%,66.5%,58%and45%,respectively,underthecontrolofothervariables.Anaerobic-aerobicprocessontheremovalofAYReffectneedstobefurtherstrengthened.UndertheoptimumA/Oprocessoperatingconditions,anelectrodeisimplantedintheanaerobicstageofthereactorandconnectedtoanexternalpowersupplytoprovideaconstantvoltage,providinganadditionalelectrondonorthroughthecathodeconstantpotentialforAYRandnitratenitrogen,Theeffectofdifferentelectrodematerials(carbonbrushandnewfoldelectrode),electrodepositionanddifferentvoltageontheremoval哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4efficiencyofAYRandnitrate.TheresultsshowedthattheaverageremovalrateofAYRreached92.0%afterimplantation,whichwasmorethan2timeshigherthanthatofnon-implanted,andtheremovalabilityofAYRwasimprovedindifferentdegreesCOD,nitratenitrogen,ammonianitrogenandAYRremovalrateincreasedby2%,6%,22%and45%,respectively).Theresultsshowthattheaverageremovalrateoftheelectrodeintheanaerobicsectionis5%higherthanthatinthepre-deviationposition.Theeffectofthenewtypeoffoldelectrodeisbetterth