电极—生物膜反应器硝化性能强化及其影响因素的初步研究

摘要

在循环水产养殖系统中，水体中的过多的氨氮对鱼类有致命的危害，生物膜法是一种常见的用于去除水体中氨氮的方法。传统的生物膜法在节约能源，提高反应效率方面均有所限制，电极-生物膜反应器(BER)技术，尤其是同步硝化反硝化(SND)技术的提出，使电化学技术和生物膜技术相结合形成了新的水处理技术，该技术为循环水产养殖系统中生物过滤的研究提供了新的思路，同时，特别是在循环水养殖系统的应急处理中有较大的研究和应用价值。
　　本文主要研究了不同外加电刺激条件下，串联式电极-生物转盘反应器中硝化反应及其动力学，深入探究了各个电压值时硝化反应分段动力学特征;并运用中心组合设计(CCD)和曲面响应分析方法，研究了电极-生物膜系统中电流密度(Current Intensity)、氨氮浓度(TAN)和水力停留时间（HRT）对氨氮去除率(TAN removal efficiency)的影响效果及交互影响效果。最后，在电子运动层面上研究不同条件下库伦效率。研究结果如下:
　　(1)采用串联式电极-生物转盘反应器进行硝化反应的研究时，发现硝化反应速率与进水氨氮负荷之间存在一定的线性关系，且随着外加电压的不同，线性关系方程也不相同;当进水氨氮负荷较低时，电压对硝化反应速率没有显著性的影响，当进水氨氮负荷升高时，不同电压对硝化反应速率的影响差异性较大;
　　(2)不同外加电压条件下，其硝化动力学模型也不相同。当外加电压分别为0V（传统生物转盘过滤器）、1V、3V和5V条件下，其硝化动力学模型为分别为R=2.62(S-0.38)/(S+9.10)、R=3.17(S-0.18)/(S+8.84)、R=3.28(S-0.13)/(S+4.62)、R=2.70(S-0.23)/(S+3.48)（其中R为氨氮去除率，S为水体中氨氮浓度），从模型方程看出，外加电压为3V时，相对效果好于其他值;
　　(3)不同外加电压条件下，其硝化分段动力学模型均表现出了在低浓度氨氮条件下，硝化反应呈1级动力学反应，随着氨氮浓度的升高，逐渐进入半级动力学反应或者零级动力学反应。而其中3V的条件其进入半级动力学反应和零级动力学反应的氨氮浓度均小于其他电压条件，证明其在同等氨氮浓度的条件下，可以达到更好的氨氮去除效果;
　　(4)中心组合实验得出了氨氮浓度、水力停留时间和氨氮去除率之间的二次回归模型，经过模型检验和验证实验，证明该模型具有一定的准确性和参考价值;
　　(5)曲面响应分析实验得到了氨氮浓度和水力停留时间对氨氮去除效率均有极其显著性差异，电流强度对氨氮去除效率有显著性差异。在实验数据范围内，随着氨氮浓度的提高和水力停留时间的增长，氨氮去除效果呈明显的上升趋势。而对于电流强度，在实验数据范围内，随着电流强度的增大，氨氮去除效果呈先上升后下降的趋势，且最佳电流强度为1.1±0.1A/m2;
　　(6)库伦效率计算得出库伦效率与电流密度、停留时间和初始氨氮浓度具有一定的关系，且与三者之间均为正比关系。
　　本研究表明，对硝化生物膜进行一定的电刺激可以增强其硝化反应的能力，但是电流强度要控制在一定的安全范围内，才能达到效果的最优化。该结果对生物滤器的设计具有一定的参考价值。

目录

论文说明

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 生物膜法脱氮技术

1．2．1 生物膜法脱氮技术简介

1．2．2 生物膜法脱氮技术的反应机理

1．2．3 国内外采用不同生物滤器的实验研究

1．2．4 研究现状分析

1．3 电极-生物膜法脱氮技术

1．3．1 电极-生物膜法脱氮技术介绍

1．3．2 电极-生物膜法脱氮技术的机理

1．4 课题研究

1．4．1 研究目的及意义

1．4．2 研究内容

1．4．3 技术路线

第二章 串联式电极-生物转盘反应器中硝化反应及其动力学模型的研究

2．1 简介

2．2 实验材料与方法

2．2．1 实验装置

2．2．2 实验方法

2．2．3 分析方法

2．3 结果与分析

2．3．1 实验结果

2．3．2 结果分析

2．4 小结

第三章 基于响应曲面设计的电极-生物膜反应器中硝化反应效能优化

3．1 简介

3．2 实验材料与方法

3．2．1 实验材料

3．2．2 实验装置

3．2．3 中心组合实验设计(Central Composite Design)

3．2．4 测定方法和数据处理

3．3 结果与讨论

3．3．1 二次多项式回归模型的建立及显著性检验

3．3．2 响应曲面分析

3．3．3 回归模型的实验验证

3．4 小结

第四章 基于中心组合实验的电极-生物膜反应器中库伦效率的计算

4．1 简介

4．2 实验材料与方法

4．2．1 实验材料

4．2．2 实验装置

4．3 实验结果与分析

4．3．1 不同实验条件下，水质参数的变化情况

4．3．2 库伦效率分析

4．4 小结

第五章 总结

5．1 论文总结

5．2 创新点

5．3 发展前景

参考文献

作者简介

研究生在学期间取得的科研成果