金属卟啉仿生酶强化剩余污泥厌氧水解的减量技术研究.pdf.doc.doc

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1、 作 者 签名 :日 期 : 朐谝陨舷嘤娇 蚰 诖 颉 薄獭 作 者 签名: 疚駗 活 性 污 泥法 是 目前 世 界 上 应 用 最 为 广 泛 的 污 水生 物 处理 技 术 , 但 其最 大弊 端就是 在 运 行 过程 中 会产生 大量的 剩余 污 泥。 这 些污 泥中 饱含着 各种 污 染物 , 处理和处置 这 些污 泥是 一大难 题。 另 一方面, 采用 填埋或焚 烧 的 方法 处置 剩余 污 泥会引 起 二次 污 染问 题。 因此 , 新 生 剩余 污 泥的 减量化 及 资 源化 研究成为 国 际 新 趋势。解 决 这 个问 题的 根 本 途 径 是 从 源头 上 最 大限 度地减

2、少 剩余 污 泥的 产率 , 即 剩余 污泥减量技 术 。 水解 是 污 泥厌氧 消化 的 限 速 步 骤, 强 化 污 泥水解 是 污 泥减量化 的 重要 基 础 和前 提。 与 物 理 法 、 化 学法 相 比 , 生 物 法 中 的 外加酶 污 泥减量技 术 不仅 可以缩 短 消化 时 间 , 改 善 污 泥的 消化 性 能 , 而 且易 控制 , 经 济高 效 , 对 环境 无污 染副 作 用 。 但 外加酶 法 也 存 在 不易 回收 , 易 失活 等 缺 点, 因此 , 模 拟 酶 污 泥减量技术 开 始 受 到 关 注。所谓 模 拟 酶 污 泥减量技 术 , 就是 将 与 生 物

3、 酶 具有 相 似 催 化 作 用 和选择 性 的 化合 物 应 用 于污 泥厌氧 水解 过程 , 以实 现污 泥的 减量化 。 金属 卟 啉 类化 合 物 模 拟 细胞 色 素 单加氧 酶 在 催 化 氧 化 方面的 研究已 受 到 广 泛 的 关 注, 是 仿 生 化 学领域非 常 吸 引 人的 工 作 之 一。 本 文 对 金属 铁 卟 啉 作 为 细 胞 色 素 单加氧 酶 的 仿生 酶 强 化 污 泥厌氧 水解 , 实 现污 泥减量化 作 了 深 入 的 探 讨 。下, 和 史直鸫 涌 瞻 鬃 橹 械 和 黾 拥搅 和 琋 籒 浓 度和还原糖 浓 度与 空白 组 相 比 分 别增 加

4、了 。对 合 成的 固 定化 仿 生 催 化 剂进行 了 循环试 验 , 经 过五次 重 复 使 用 后 , 、 省 籒 浓 度和还原糖 浓 度这 四项 参 数指 标 只有 略 微的 减小, 说明该仿 生 催 化 剂的 催 化 性 能 在 使 用 多 次 后 并 无明显 变 化 。 关 键词: 剩余 污 泥减量; 厌氧 水解 ; 金属 铁 卟 啉 ; 仿 生 酶 金属 卟 啉 仿 生 酶 强 化 剩余 污 泥厌氧 水解 的 减量技 术 研究 , 瓹 瑃 甅 琲 痵 琺 猼 籥 】 現 , 甎 琕 , 琧 、 穘 甌 籄 材料 与 方法 本 章 小结 结果 与 讨 论 值 对 的 影响 一 值

5、对 还原糖 溶 出 的 影响 一 纳 米 粒 子 膞 射 线 衍 射 图 谱 图 图 对 的 影响 图 图 对 还原糖 浓 度的 影响 金属 卟 啉 仿 生 酶 强 化 剩余 污 泥厌氧 水解 的 减量技 术 研究随 着 环境 污 染物 排 放标 准 的 日 趋严 格以及 金属 卟 啉 仿 生 酶 强 化 剩余 污 泥厌氧 水解 的 减量技 术 研究剩余 污 泥的 处置 途 径 有 很 多 , 因国 家 的 具体 情 况 不同 而 存 在 很 大的 差 异, 最终去 处可 分 为 污 泥无害 化 和污 泥利用 , 但 这 两者 在 很 多 情 况 下是 联合 使 用 的 。 污泥无害 化 处置

6、 有 焚 烧 和填埋。 污 泥利用 主 要 有 低 温 热解 制 油 、 制 水泥、 农用 、 提取 蛋 白 质、 做动 物 饲 料 、 制 吸 附 剂等 。 卫 生 填埋、 堆肥处理 、 焚 烧 处理 、 水体 消纳 和土地利用 是 我国 常 用 的 污 泥处置 方法 。 城 镇 污 水处理 厂的 污 泥主 要 是 初 沉 池的 污 泥和剩余 活 性 污 泥, 含水率 极 高 , 金属 卟 啉 仿 生 酶 强 化 剩余 污 泥厌氧 水解 的 减量技 术 研究在 废活 性 污 泥中 , 的 含量为 富含有 机物剩余 污 泥中 的 有 机物 质主 要 是 长 链的 大分 子 蛋 白 质、 脂 肪

7、 和碳 含有 微 量营 养 元素污 泥中 含有 的 微 量元素 有 镁、 硼 、 铁 、 铜 、 锌、 钠、 钒、表 城 市污 水处理 厂污 泥的 基 本 成分 污 泥减量化 的 研究背 景和理 论 基 础传 统 的 污 泥处理 主 要 以污 水处理 厂中 排 出 的 污 水污 泥作 为 对 象, 通 过采用 浓缩 、 调 理 、 脱 水、 干 化 、 焚 烧 等 处理 方法 , 使 污 泥的 含水率 降低 , 体 积 减少 , 以实 现污 泥的 减容化 。 干 化 后 的 污 泥再进行 焚 烧 、 卫生 填埋等 直接 的 处置 方法 或将其用 作 有 机肥料 、 制 水泥和活 性 炭 等 ,

8、 以实 现其资 源化 利用 。 但 现有 的 污 泥处理技 术 的 成本 都偏 高 , 仅 适 合 一些大型的 污 水处理 厂。 而 随 着 城 镇 污 水处理 的 普及和处理 效 率 的 提高 , 中 小型城 市污 水处理 所产生 的 污 泥量也 越 来越 多 。 剩余 污 泥的 处理 规 模 越 小, 则 单位 污 泥处理 量的 投 资 就越 高 。 因此 , 无论 是 从 技 术 还是 经济方面考 虑 , 中 小型城 市污 水处理 厂的 污 泥处理 已 经 成为 一个新 问 题。 剩余 污 泥减量化 技 术 就是 在 这 样的 背 景下开 始 研究和开 发 的 。 金属 卟 啉 仿 生

9、酶 强 化 剩余 污 泥厌氧 水解 的 减量技 术 研究一、 基 于细 胞 溶 解 纸 隐 性 生 长 的 污 泥减量化 技 术活 性 污 泥法 及 向 污 水处理 系 统 中 投 加解 偶 联剂等 。图 表 示 剩余 污 泥减量化 技 术 的 分 类:鐾图 剩余 污 泥减量化 技 术 分 类 。 物 理 方法 作 用 于某 一液 态 系 统 和 金属 卟 啉 仿 生 酶 强 化 剩余 污 泥厌氧 水解 的 减量技 术 研究理 方法 的 。 热水解 污 泥的 溶 解 性 甲 蹸 的 比 率 随 温 度升高 与 时 间 延 长 而 增 大, 污 泥的 水解 液 中 约 有 的 为 挥 发 性 脂

10、 肪 酸 琕 的 浓 度也 随 温 度升高 及 时 间 延 长 而 增 大, 同 时 热水解 后 污 泥的 碱度增 大使 得 后 续 处理 的 缓 冲 性 能 得 到 提高 【 】 。 因此 , 目前 的 热水解 污 泥技 术 多 用 于污 泥的 预处理 阶段 。 另 外, 利用 热水解 后 的 污 泥上 清 液 作 为 污水处理 厂的 反 硝化 碳 源的 技 术 已 经 应 用 于活 性 污 泥处理 工 艺中 【 】 。 工 艺生 长 , 从 而 能 够 减少 微 生 物 的 总表 观 产率 系 数。高 了 可 能 , 但 其对 出 水水质的 影响 还需 进一步 研究。 甋 】 等 通 过在

11、 传 统 活 性 在 实 际 应 用 中 , 臭 氧 氧 化 效 果 和臭 氧 的 浓 度以及 臭 氧 与 污 泥接 触 时 间 有 关 。 金属 卟 啉 仿 生 酶 强 化 剩余 污 泥厌氧 水解 的 减量技 术 研究 时 , 污 泥的 产量 左右, 且粒 径 分 布 更 加的 集 中 。解 偶 联就是 利用 某 些特 殊的 途 径 , 使 微 生 物 细 胞 进行 分 解 代谢, 并 把 产生 的 保 辔勰 嗟牟 课狾 。 等 【 】 研究了 果 表 明: 当 都恿 课 保 勰 嗖 考 跎 俾 试 嘉 换嵊 跋 霤 在 实 际 中 应 用 中 , 解 偶 联剂的 最 大的 弱 点就是 环境

12、 安 全 性 问 题。 大部分的 解 偶 联剂是 生 物 异源物 质, 不易 被 生 物 降解 且对 生 物 对 毒害 作 用 , 会对 水处理 由于投 加量大, 费 用 较 高 , 利用 率 低 。 酶 的 种 类和剂量投 加不当 很 容易 引 起 微 生物 种 群 由厌氧 向 好 氧 种 群 诱 变 。 厌氧 系 统 中 , 微 生 物 种 群 多 样性 被 破 坏, 产甲 烷 在 常 规 活 性 污 泥工 艺中 , 细 菌通 常 以菌胶 团 的 形 式 存 在 , 不容易 被 原生 动 物 酶 与 仿 生 酶 酶 作 用 的 底物 不同 可 分 为 淀粉酶 、 蛋 白 酶 、 脂 肪 酶

13、 、 核 糖 核 酸酶 和纤 维 素 酶 等 。酶 作 为 一种 高 效 的 生 物 催 化 剂, 具有 以下催 化 特 性 :酶 的 化 学成分 主 要 是 蛋 白 质, 所以容易 受 到 高 温 、 强 酸、 强 碱等 条发 生 钝 化 作 用 而 失活 。 酶 催 化 反 应 的 多 样性 酶 具有 广 泛 的 催 化 底物 谱 , 其潜 在 的 催 化 底物 包 括 大部分 的 有 机化原反 应的 文 献报 道 随 着 经 济的 发 展和人类在 生 产与 生 活 中 所产生 的 环境 污 染物 质的 增 多 , 寻 求一些有 效 的 途 径 来处理 这 些污 染物 变 得 尤其的 迫切

14、。 这 些污 染物 中 大部分 是 多 环芳 烃和卤 代有 机物 , 这 些物 质的 生 物 利用 率 非 常 低 , 在 化 学性 质上 属 于惰 性 物 质,从 而 成为 环境 污 染治 理 过程 中 一个非 常 大的 难 题。 酶 系 具有 十 分 广 泛 的催 化 底物 谱 和对 外源物 质特 有 的 降解 能 力 , 能 通 过环氧 化 、 脱 卤 化 氢 、 羟基 化 、脱 烷 基 化 等 作 用 对 各种 不同 结构 的 有 机物 质起 催 化 作 用 , 改 变 这 些有 机化 合 物 的化 学性 质, 以达到 降低 这 些污 染物 质环境 危 害 性 的 目的 。 所以, 酶

15、 系 在 。 物 质燃 料 和其他含有 碳 氢 化 合 物 在 不完 全 燃 烧 或还原状态 下发 生 热解 而 形 成的 有表 明, 在 几种 金属 卟 啉 和双 氧 水组 成的 催 化 体 系 中 降解 甲 基 橙 染料 废水, 当 处理 金属 卟 啉 仿 生 酶 强 化 剩余 污 泥厌氧 水解 的 减量技 术 研究在 不同 的 值 条件 下, 通 过添 加了 固 定化 催 化 剂的 实 验 组 与 空白 组 的 对 比 , 细 胞 色 素 酶 是 一种 单加氧 酶 , 其广 泛 存 在 于自 然界 中 的 不同 生 物 体 中 , 具有 多 种 多 样的 催 化 机制 , 能 催 化 数

16、十 种 类型的 反 应 , 如 羟基 化 反应 、 过氧 化 反 应 以及 环氧 化 等 , 所以它 具有 极 其广 泛 的 催 化 底物 谱 。 金属 卟 啉 类化 合 物 因与 酶 的 催 化 活 性 中 心 在 结构 与 功能 上 有 很 大的 相 似 性 , 因此 金属 卟 啉 能 模 拟 单加氧 酶 实 现温 和条件 下的 催 化 行 为 。 目前 , 关 于金属 卟啉 作 为 仿 生 催 化 剂的 研究多 集 中 在 有 氧 条件 下对 分 子 氧 的 催 化 活 化 。 也 有 一些学者 将 其应 用 于降解 一些难 降解 有 机物 如 木 质素 、 偶 氮染料 等 。 金属 卟

17、 啉 仿 生 酶 强 化 剩余 污 泥厌氧 水解 的 减量技 术 研究高 效 和环保 的途径 。 上 海 精 密科 学仪器有 限 公 司华 南 环境 科 技 开 发 有 限 公 司上 海 精 密科 学仪器有 限 公 司上 海 和呈 仪器制 造有 限 公 司上 海 精 密科 学仪器有 限 公 司上 海 安 亭 科 学仪器厂上 海 精 宏 实 验 设 备 有 限 公 司 硫 酸亚 铁 铵溶 液 标 定 重 铬 酸钾 标 准 液 , 用 去 离子 水稀释 到 约 颜色 由黄 色 经 蓝 绿 色 至 红 褐 色 即 到 终点。式 中 : 蛩 嵫 翘 曜 既芤 号 ; 密封消解 法 金属 卟 啉 仿 生

18、 酶 强 化 剩余 污 泥厌氧 水解 的 减量技 术 研究式中: 空白 消耗硫 酸亚铁 铵量 ; 水样消耗硫 酸亚铁 铵量 :圪 水样体 积 ; 摩尔质量 。 氨 氮测定方法本 实 验 中 采用 纳 氏 试 剂分 光 光 度法 测氨 氮的 浓 度, 具体 方法 如 下: 去 离子 水中 , 冷 却 至 室 温 。 另 称 取 剖 崮迫苡 容量瓶中 , 稀释 至 标 线 , 容量瓶中 , 用 水稀释 至 刻度, 此 溶 液中氨 氮含量为 。 临用 前 配 制 。至 标 线 , 测定方法 同 前 , 做全 程 序空白 样测定。 图 氨 氮含量校 准 曲 线 固 体 有 机物 质测定方法弗 炉 内

19、嫦伦粕记 为 。 淙 粗 后 转 移到 干 燥器内冷 却 至 室 温 , 测其重 量 去 除 率时 间 为 钡 腡 浓 度。 金属 卟 啉 仿 生 酶 强 化 剩余 污 泥厌氧 水解 的 减量技 术 研究准 确称 取 标 准 葡 聚 糖 蚱 咸烟 分 别吸取 、 、 、 、 、 、 及 及 浓 硫 酸 , 各以去 离子 水补 至 , 摇匀 冷 却 , 室 温 放置 分 钟 以后 于 甶 , 继 笸 梗 淙 粗 潦椅 隆 傻 拇 判訤 纳 米 粒 子 用 磁 铁 吸 住,去 离子 水冲 洗 危 匏 掖 汲 逑 次 , 最 后 转 移到 烧 杯 里置 于真 空干 燥箱 了 水 无水乙醇 : 的 混

20、合 溶 液 中 超 谑 椅 孪 驴焖 倬 鹊 慕 涟 在 磁 铁 帮助 下用 去 离子 水冲 洗 巍 幼 偶 尤 嫦录 绦 涟 固 定化 仿 生 催 化 剂对 污 泥厌氧 水解 的 影响 试 验 金属 卟 啉 仿 生 酶 强 化 剩余 污 泥厌氧 水解 的 减量技 术 研究 口 獗 砻 髟 诖 判訤 纳 米 粒 子 的 改 性 过程 图 金属 卟 啉 仿 生 酶 强 化 剩余 污 泥厌氧 水解 的 减量技 术 研究图 擅 琢 、 疉 纳 米 粒 子 疐 擅 琢 的 扫 描 电 镜 图 。 和 图 擅 琢 、 疉 纳 米 粒 子 疐 擅 琢 的 红 外光 谱 图 ; 疉 机物 转 变 为 溶 解

21、 性 有 机物 的 两个重 要 的 指 标 。 反 映 了 剩余 污 泥中 有机物 存 在 的 形 式 , 其比 值 越 大, 说明污 泥中 的 有 机物 主 要 以液 相 形 式 存 在 。 剩余污 泥菌胶 团 解 聚 和微 生 物 细 胞 水解 , 会导 致大量的 有 机物 质由固 态 转 变 为 液 态 ,如 胞 外聚 合 物 蠓肿拥鞍字 省 粗 尽 妓 衔锏 龋 珽 的 主 要成分 是 多 糖 和蛋 白 质, 这 些物 质释 放到 污 泥中 会导 致污 泥上 清 液 中 的 溶 解 性 化 学需 氧 量 大幅度地增 加。 试 验 中 原污 泥中 的 的 初 始 值 仅 为 , 这 表

22、明原污 泥中 的 有 机物 质主 要 以固 体 状态 存 在 , 而 溶 解 性 的 有 机物 含量很 小。 适 且桓 龇 从 呈 辔勰 嘀 锌苫臃 怨烫逦 镏 时 浠 闹 副 辏琕 去除 率 的 增 大能 够 在 一定程 度上 表 明污 泥处理 过程 中 微 生 物 数量的 减少 , 污 泥的 稳定程 度提高 。 金属 卟 啉 仿 生 酶 强 化 剩余 污 泥厌氧 水解 的 减量技 术 研究 时 , 一 呐 扔 肟瞻 鬃 橄 啾 仍 黾 恿 , 而 还原糖 浓 度与化 污 泥中 一系 列 的 有 机物 质水解 。 镁 埽躣 砸 辧、吣 舾 金属 卟 啉 仿 生 酶 强 化 剩余 污 泥厌氧

23、水解 的 减量技 术 研究体 原理 图 见图 。应的 速率 反 而 会下降。 。 籒 浓 度增 加的 非 常 明显 , 而 还原糖 的 浓 度则 变 化 较 小。 当 温 度升高 到 温 度的 升高 而 增 加, 污 泥中 难 溶 解 性 的 有 机物 在 仿 生 酶 和温 度的 共 同 作 用 下分 解 图 温 度对 仿 生 催 化 剂水解 效 果 的 影响 : 去 除 率 和 ;和还原糖 的 浓 度 个不同 处理 时 长 条件 下仿 生 酶 水解 污 泥过程 中 各项 与 该仿 生 催 化 剂的 催 化 氧 化 特 性 有 关 , 在 反 应 前 期 金属 卟 啉 仿 生 酶 强 化 剩余

24、 污 泥厌氧 水解 的 减量技 术 研究 ; 尽 油 贾 锌梢 钥 闯 鯪 籒 的 浓 度随 着 反 应 时 间 次 重 复 实 验 , 各项 监 测指 标 的 变 化 规 律如 图 尽 谝淮 畏 从 崾 螅 琕 图 律 呋 恋 目芍馗 性 金属 卟 啉 仿 生 酶 强 化 剩余 污 泥厌氧 水解 的 减量技 术 研究能 减少 污 泥处理 的 成本 。 较 大的 优 势, 但 其具体 的 酸碱耐 性 需 进行 进一步 的 实 验 研究。 本 研究考 察 了 在 材料 与 方法 固 定化 仿 生 催 化 剂, 空白 组 中 不加催 化 剂。 然后 往 金属 卟 啉 仿 生 酶 强 化 剩余 污

25、泥厌氧 水解 的 减量技 术 研究 结果 与 讨 论对 照组 。 在 保 琕 去 除 率 从 对 照组 的 黾 拥 , 随 着 酸碱性 保 浔 戎 捣 炊 杂 薪 档 停 。 在 碱性 条件 下, 值 随 , 榉 志 蠖 嗍 旱 绾 桑 虼 藀 祷 岫 訣 时 污 泥水解 程 度最 大。在 污 泥厌氧 水解 过程 中 不仪有 、 等 有 机物 质的 溶 出 , 同 时 也 会伴 金属 卟 啉 仿 生 酶 强 化 剩余 污 泥厌氧 水解 的 减量技 术 研究为 籶 时 , 一 瘸 鱿肿钚 担 孀 偶 钚 缘脑 銮 浚 笛 樽橹 械 腘 籒 浓 度逐 渐降低 , 这图 对 浓 度的 影响 值 对

26、还原糖 溶 出 的 影响 值 对 还原糖 的 溶 出 影响 很 大, 图 为 还原糖 浓 度随 值 的 变 化 情 况 。 旱 彼 嵝 约 绦 銮 康 絧 时 , 还 时 , 还原糖 浓 度仅 从 对 照组 中 的 高艺图 对 还原糖 浓 度的 影响 本 章 小结 跫 拢 谒 嵝 詐 值 , 甇 , 金属 卟 啉 仿 生 酶 强 化 剩余 污 泥厌氧 水解 的 减量技 术 研究 的 水解 效 率 高 于酸性 条件 和中 性 值 条件 。 与 此 同 时 值 能 影响 仿 生 催 化 剂的催 化 性 能 。 实 验 结果 表 明在 该固 定化 仿 生 催 化 剂在 中 性 值 条件 下能 发 挥

27、 其最大的 催 化 作 用 , 其次 是 在 碱性 条件 , 酸性 条件 下其催 化 性 能 最 差 。 虽 然强 酸和强碱能 抑 制 金属 铁 卟 啉 的 催 化 活 性 , 但 与 生 物 酶 在 强 酸强 碱条件 下完 全 失活 相 比 ,该仿 生 催 化 剂在 强 酸强 碱条件 下还是 有 一定的 催 化 能 力 。 鹗 籼 策 淘 氐 酱判訤 纳 米 粒 子 上 作 为 仿 生 催 化 剂应 用 于污 泥厌氧 水解 处理 的 实 验 操 作 条件 比 较 温 和, 对 污 水处理 设 备 的 要 求 简 单经 济, 易 于借助 磁 铁 回收 并 重 复 利用 , 有 一定的 酸碱耐

28、受 性 , 能 够 适 应 复 杂 的 污 泥处理 环境 ,从 而 降低 了 其应 用 成本 ; 同 时 , 作 为 化 学合 成的 仿 生 催 化 剂, 其来源更 广 , 容易合 成, 相 对 于天 然生 物 酶 而 言 其在 适 用 条件 和范围等 方面更 具优 势。 金属 卟 啉 仿 生 酶 强 化 剩余 污 泥厌氧 水解 的 减量技 术 研究本 论 文 对 选择 金属 铁 卟 啉 作 为 仿 生 酶 在 污 泥厌氧 水解 过程 中 的 应 用 有 了 较详 细 的 研究, 初 步 探 讨 了 仿 生 酶 在 厌氧 条件 下水解 污 泥的 催 化 机理 , 但 由于实 验条件 有 限 ,

29、 本 论 文 还存 在 许多 不完 善 的 地方, 需 进行 进一步 的 试 验 和验 证, 以便深 入 地研究金属 卟 啉 类化 合 物 在 厌氧 条件 下的 催 化 氧 化 机理 , 并 为 实 际 应 用 提供理 论 依据 和技 术 支 持 : 】 陈 声贵 , 许木 启 , 杨 向 萍 等 原生 动 物 在 活 性 污 泥中 的 作 用 生 态 学杂 志 , 坎苄 闱 郏 戮 龋 辔勰 嗟某 硎 匝 檠芯 浚 泄 潘 : 炕 坪 荷 耄 贸 跎 傥 鬯 形 勰 嗔浚 涤 盟 敕 纤 琹 : 金属 啉 仿 生 酶 强 化 剩余 污 泥厌氧 水解 的 减量技 术 研究 瓼 皀 珺 : , : 【 】 王治 军 , 王伟污 泥热水解 过程 中 固 体 有 机物 的 变 化 规 律中 国 给 水排 水, : , 甒 苏 风 宜, 邢 新 会过氧 乙酸对 剩余 污 泥的 减容研究高 校 化 学工 程 学报 , , : :

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