微生物絮凝與改性沸石吸附聯(lián)合處理豬場廢水的研究.pdf

1、我國規(guī)模化養(yǎng)殖業(yè)的高速發(fā)展，帶來了巨大的環(huán)境壓力，其中豬場廢水是主要的污染來源，豬場廢水含有高濃度有機物和氨氮，是較難處理的一類有機廢水。國內(nèi)外主要采用厭氧—好氧技術(shù)方法進行處理，雖然厭氧處理能夠很大程度上降解廢水中的有機污染物，但是，厭氧出水污染物濃度仍然很高，尤其是氨氮基本沒有被去除。對于豬場廢水厭氧消化液的處理，應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物和氨轉(zhuǎn)化為氮氣去除，但高濃度的有機物和氨氮通

2、常會加大微生物的處理負荷和沖擊負荷，導致廢水處理效果不佳。實際工程中，為改善氨氮的去除效果，通常在反硝化脫氮過程中補充堿度或碳源，使得處理成本和運行費用增加。這種情況下，高效去除有機污染物的絮凝技術(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污染物的作用機制和氧化鎂改性沸石吸附回收高濃度氨氮的作用機理的基礎上，提出了微生物絮凝與氧化鎂改性沸石吸附聯(lián)合處理豬場廢水厭

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

4、的性能和動力學過程。以此為基礎，運用響應面分析法設計實驗，在氧化鎂改性沸石處理豬場廢水厭氧消化液的混凝過程中加入微生物絮凝劑，對于廢水中高濃度有機物和氨氮的去除和吸附回收具有鞏固作用，實現(xiàn)氧化鎂改性沸石和微生物絮凝劑在處理豬場廢水厭氧消化液中的優(yōu)勢互補，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，通過生理生化實驗和16S rDNA鑒定為紅球菌屬微生物

5、。實驗通過優(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可以有效利用豬場廢水和堿熱處理的污泥生產(chǎn)微生物絮凝劑，無需添加其他可溶性有機物和氮化合物。實驗建立了描述菌株R3生長、絮凝劑MBFR3生產(chǎn)和底物蔗糖消耗的數(shù)學模型，三種模型的平均相對誤差均小于10％，可以認為建立的菌株發(fā)酵動力學模型是可行的。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99.7％，平均相對分子量為3.99×105 Da。MBFR3具有良好的絮凝性能，當投加量在10-30mg/L范圍內(nèi)變化時，對4.0 g/L高嶺土懸液的絮凝率始終保持在90％以上;MBFR3其絮凝性能相對穩(wěn)定的適用pH值呈弱堿性，當pH=8.0時，絮凝率達到96.8％。MBFR3對豬場廢水中的COD、氨氮、濁度有著明顯的去除效果，廢水pH為7.0-9.0時，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％。絮凝機理研究表明，膠體顆粒是通過電中和作用和離子架橋作用被MBFR3絮凝沉降的，助凝劑Ca2+通過庫倫引力將帶負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，通過離子鍵將兩個或兩個以上的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。改性沸石對氨氮吸附量可達到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，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最適pH范圍(7.0-9.0)，當pH=8.0時，氨氮去除率達到58.9％。改性沸石對氨氮的去除具有快速吸附、緩慢平衡的特點，在反應最初30 min

9、內(nèi)，氨氮去除率迅速增加到49.1％，當反應時間達到80 min時，吸附達到平衡。內(nèi)擴散動力學研究表明NH4+從改性沸石表面擴散到顆粒內(nèi)部是整個吸附過程的速率控制步驟。吸附等溫線研究過程中，隨實驗溫度條件的升高，改性沸石對氨氮的理論吸附量從29.1 mg/g下降到27.4mg/g，說明溫度對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等溫線能夠更好地擬合實驗數(shù)據(jù)。熱力學研究過程中

10、發(fā)現(xiàn)，氨氮吸附過程是熱力學自發(fā)過程(⊿Gθ＜0），吸附反應是放熱反應(⊿Hθ＜0），改性沸石吸附氨氮的反應增加了固—液界面上物質(zhì)的無序程度（⊿Sθ＜0）。離子交換特征研究表明，Mg2+、Ca2+是主要的交換陽離子。
　　 采用響應面分析法對MBFR3與氧化鎂改性沸石聯(lián)合處理豬場廢水厭氧消化液的過程進行了優(yōu)化，設定的5個影響因子分別為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、應時間(x5)。響應面實驗分別擬合出了關于COD去除率和氨氮去除率的二次模型，確定豬場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，反應時間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％。
　　 本論文運用響應面法優(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際豬場廢水處理工程提供了指導意義和參考價值。針對微生物絮凝劑去除有機物的機理、氧化鎂改性沸石吸附去除氨氮的機理、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理等關鍵問題的研究，有望解決國內(nèi)外豬場廢水厭氧消化液好氧后處理難以取得良好效果的問題。微生物絮凝劑與氧化鎂改性沸石聯(lián)合使用，通過絮凝和離子交換技術(shù)提高了有機污染物的去除效率，實現(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